王蘇玉

(河南省信陽水文水資源勘測局，河南 信陽 464000)

1 引 言

土壤水分是植物進(jìn)行光合作用、呼吸作用、養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)冗^程的重要媒介，是植物賴以生存的重要因素[1]。土壤水分的合理性直接關(guān)系到土壤中所有物質(zhì)的運(yùn)移過程，土壤水分運(yùn)移規(guī)律與農(nóng)業(yè)、水利、土壤、林業(yè)、環(huán)境、建筑等學(xué)科發(fā)展與生產(chǎn)實(shí)踐有著密切的聯(lián)系[2]。土壤水分隨著土質(zhì)或土壤基本特性的不同，其運(yùn)動規(guī)律也不同。研究土壤水分入滲、存蓄、蒸發(fā)等運(yùn)移規(guī)律問題，增加土壤水分存蓄量、減少土壤水分滲漏量及蒸發(fā)量，一直是急需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)[3]。近年來，我國北方地區(qū)干旱缺水嚴(yán)重，南方地區(qū)同樣存在嚴(yán)重的季節(jié)性干旱，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)[4]。了解不同土質(zhì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律，增加入滲和土壤蓄水，達(dá)到減少雨季地表徑流沖刷與流失，抗御旱季干旱的目的，不但能充實(shí)和完善土壤水文過程，而且對理解土壤侵蝕過程、開展過程模擬有重要的科學(xué)意義，對農(nóng)田灌溉措施、水土保持措施的制定具有十分重要的實(shí)踐意義。

目前針對土壤水分運(yùn)移規(guī)律，已有了部分研究。王全九等[5]比較了不同土壤水分運(yùn)移規(guī)律模型的精度，通過對比分析了具有明確物理意義的Philip入滲模型和Green-Ampt 入滲模型，建立了兩模型參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，并利用一維垂直入滲實(shí)驗(yàn)資料對理論關(guān)系進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)Philip入滲模型對參數(shù)精度要求較高；王春穎等[6]通過試驗(yàn)研究了層狀夾砂土柱土壤水分運(yùn)動過程，并建立了層狀夾砂土柱的土壤水分入滲S-Green-Ampt 模型，指出土壤入滲率呈現(xiàn)先劇烈變化后平穩(wěn)的規(guī)律，同時(shí)驗(yàn)證了該模型的科學(xué)性；范嚴(yán)偉等[7]基于Hydrus-1D 模型模擬了砂質(zhì)夾層的土壤入滲特性，指出砂層可起到減滲的作用，當(dāng)入滲階段進(jìn)入穩(wěn)定入滲后，土壤水分累積入滲量呈直線趨勢變化；李遠(yuǎn)等[8]基于Hydrus-1D模型模擬了土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，土壤含水率越高，將土壤濕潤鋒位置下移，土壤積鹽區(qū)位置也隨之下移。

本文通過試驗(yàn)手段，分別研究了不同容重下壤土和粘土的土壤水分運(yùn)移規(guī)律，同時(shí)基于Philip模型模型建立了土壤水分運(yùn)移模型，并基于Hydrus-1D模型模擬了不同土質(zhì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律，得出的結(jié)論對了解不同土質(zhì)土壤侵蝕過程有具有重要的科學(xué)意義。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置由供水裝置和試驗(yàn)土柱兩部分組成，其中供水裝置由帶刻度供馬氏瓶、供水管組成(馬氏瓶是一個(gè)可以維持土柱一個(gè)定水頭的供水裝置)，馬氏瓶有機(jī)玻璃柱內(nèi)徑18cm(土柱直徑18cm)土壤入滲曲線的測定采用馬氏瓶原理取得，整個(gè)供水裝置在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是放置在一個(gè)測量精度為0.1g的電子稱上面，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)電子稱的示數(shù)變化代表著下滲的水量變化情況，也可以轉(zhuǎn)化為下滲率的變化情況，試驗(yàn)土柱由帶刻度有機(jī)玻璃柱和土樣組成。

2.2 試驗(yàn)土壤選取

針對選取不同土質(zhì)的壤土和粘土，充分供水情況下，野外調(diào)查不同土壤的容重平均為1.35mg/cm3，保證土壤其余條件基本一致的前途下，對不同土質(zhì)土壤分別選擇容重為1.25 mg/cm3、1.35 mg/cm3和1.45 mg/cm3的高度為30cm的均質(zhì)土柱進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定

2.3.1 下滲率及累積下滲率測定

下滲率的測定是根據(jù)馬氏瓶的工作原理測定，具體操作流程詳見文獻(xiàn)[9]的操作步驟。由馬氏瓶原理我們可以看出，在一定的時(shí)間里讀出馬氏瓶的刻度就是累積下滲率，而這段時(shí)間內(nèi)馬氏瓶水量的變化率就是這段時(shí)間里的平均下滲率。

2.3.2 Hydrus-1D模型

模型通過控制初始條件和邊界條件，基于正解模塊和反演模塊，形成能夠完整描述水流運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，不考慮氣相和溫度梯度對水流運(yùn)動的影響，該模型采用以含水量為因變量的一維垂直人滲問題的Richard方程[10]，該模型形式如下：

(1)

其中：θ是土壤體積含水量，單位是cm3/cm3；t是時(shí)間；Z為空間坐標(biāo)cm(上為正)；K為非飽和主巧導(dǎo)水率，單位cm/d；H為壓力水頭單位cm；α為水流方向與垂直方向的夾角(0°代表垂向流動，90°代表水平流動)；S為匯項(xiàng)，單位cm3/cm3/d，表示作物根系吸水，在本實(shí)驗(yàn)中等于零；K是非飽和導(dǎo)水率。

2.4 模型模擬結(jié)果評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

Nash-Sutcliffe系數(shù)(CD)、逐日相對均方根誤差(RMSE)和Kendall一致性系數(shù)(K)可以較好地反映長時(shí)間預(yù)測序列與實(shí)測值的誤差和一致性，是系統(tǒng)性較好的數(shù)據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系。其中，CD與K的值越大、RMSE的值越小，模型算法與實(shí)測值的一致性越好、計(jì)算精度越高，具體公式如下：

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土質(zhì)土壤下滲率及累積下滲率變化

圖1為不同土質(zhì)土壤不同容重下的土壤水分下滲率及累積下滲率變化趨勢對比。圖1顯示，壤土3種不同容重下的下滲率隨時(shí)間變化呈冪函數(shù)下降趨勢，且土壤容重越高，同時(shí)刻土壤下滲率越低，不同容重的土壤基本在200min時(shí)，下滲率趨于穩(wěn)定，容重越低，土壤水分起始下滲率越快。容重為1.25的曲線起始下滲率約為60.5mm/min，穩(wěn)定下滲率大小約為14.3mm/min；容重為1.35的曲線始下滲率約為37.6mm/min，穩(wěn)定下滲率約為9.7mm/min；容重為1.45的曲線始下滲率約為30.4mm/min，穩(wěn)定下滲率約為5.5mm/min；粘土的土壤水分下滲率變化趨勢基本相同，但相同容重下，同一時(shí)刻的土壤水分下滲率要低于壤土，3種容重下，粘土的土壤水分穩(wěn)定下滲率分別為7.6 mm/min、3.7 mm/min和3.1 mm/min，均低于壤土。

由圖1可以看出，不同土質(zhì)不同容重下，在30min以前，曲線差異不大，隨著時(shí)間推移，不同曲線差異逐漸明顯，容重越小，曲線斜率越大，容重越大，曲線越平緩。最終曲線呈線性增長變化，說明該時(shí)刻土壤入滲達(dá)到了穩(wěn)定下滲率階段，直線斜率的大小與穩(wěn)定下滲率基本一致。圖1顯示，相同容重下，不同土質(zhì)的累積下滲率變化曲線不同，壤土在3種容重下的累積下滲率增長趨勢分別為1.19 mm/min、0.80 mm/min和0.69mm/min，遠(yuǎn)高于粘土，表明壤土的土壤水分下滲速率高于粘土。

圖1 不同土質(zhì)土壤下滲率及累積下滲率變化趨勢Fig.1 The trend of soil infiltration rate and cumulative infiltration rate in different soil texture

3.2 不同土質(zhì)土壤下滲率Philip模型構(gòu)建

土壤入滲的Philip模型將一維水分垂直運(yùn)動基本方程取解的無窮級數(shù)形式，常用的Philip一維垂直入滲模型為：

I=St0.5+At

(5)

式中，I為累積入滲量，cm；S為土壤吸滲率，cm/min0.5；A為穩(wěn)定入滲率，cm/min；t為時(shí)間，min。

將式(5)取時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，得到入滲率公式：

i=0.5St-0.5+A

(6)

Philip 模型具有明確的物理意義，對于短歷時(shí)的入滲情況較精確。但該模型只適用于均質(zhì)土壤垂直一維入滲情況，對參數(shù)精度要求較高。

圖2 不同土質(zhì)土壤Philip模型計(jì)算結(jié)果擬合分析Fig.2 Fitting Analysis of Philip Model Calculation Results under different soil texture

圖2為不同土質(zhì)土壤Philip模型計(jì)算結(jié)果擬合對比。圖2顯示，Philip模型擬合的曲線與實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)擬合效果較好，隨著土壤容重越高，Philip模型曲線擬合效果越好，同時(shí)，相同容重下，粘土的擬合效果要高于壤土。

表1為不同土質(zhì)土壤Philip模型計(jì)算精度對比分析。表1顯示，隨著容重的增加，2種土質(zhì)土壤的模型方程斜率逐漸降低，表明容重越高，土壤下滲越慢，同時(shí)，相同容重下，壤土的模型方程斜率要高于粘土，這與前文的結(jié)論基本一致。同時(shí)從精度指標(biāo)可以看出，容重越高，Philip模型模擬結(jié)果越好，粘土的擬合結(jié)果要高于壤土，3種容重下，粘土的模擬結(jié)果RMSE較壤土分別降低了2.72%、20.98%和5.40%，CD分別提高了10.8%、1.6%和0.7%，K值分別提高了1.31%、2.43%和5.17%，但總體來看，Philip模型在不同情況下的模擬精度均較高，CD和K值在不同情況下，與實(shí)測值的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。

表1 不同土質(zhì)土壤Philip模型方程及精度對比Tab.1 The equation and accuracy comparison of Philip Model Calculation Results under different soil texture

3.3 Hydrus-1D模型模擬分析

選擇mm為單位，設(shè)置土壤土質(zhì)為1，土壤表層傾斜程度為1，模擬土壤的厚度為300；進(jìn)行時(shí)間信息設(shè)置模塊、輸出設(shè)置、迭代步長的相應(yīng)設(shè)置；上邊界條件設(shè)置為定水頭，下邊界為自由排水，最后設(shè)置土壤剖面的圖像，設(shè)置觀測點(diǎn)，為保證研究土壤的廣泛性和成果的普適性。模擬中土壤模型水力特性參數(shù)見表2。

表2 不同土質(zhì)土壤水力特性參數(shù)表Tab.2 Soil hydraulic parameters different soil texture

圖3 不同土質(zhì)土壤Hydrus-1D模型模擬結(jié)果與實(shí)測值擬合效果對比Fig.3 The comparison between Hydrus-1D model simulation results and the measured value under different soil texture

圖3為不同土質(zhì)土壤Hydrus-1D模型模擬結(jié)果。圖3顯示，不同土質(zhì)土壤在3種容重下的累積下滲率Hydrus-1D模型模擬結(jié)果與實(shí)測值擬合效果較高，基本與實(shí)測值的變化趨勢相吻合，這說明Hydrus-1D模型對土壤一維水分運(yùn)移模擬效果較好。同時(shí)由表3可以看出，該模型模擬對粘土的模擬效果要高于壤土，模擬結(jié)果的RMSE值僅為0.218～0.258，CD和K值均在0.85以上，且與實(shí)測值的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，且隨著土壤容重的提高，模型模擬精度逐漸提高，但整體而言，對2種土壤的模擬精度均較高，Hydrus-1D對粘土的累積下滲量的模擬好于壤土，這點(diǎn)與前文結(jié)論相符。

表3 Hydrus-1D模型計(jì)算結(jié)果精度Tab.3 The accuracy of Hydrus-1DModel Calculation Results

4 結(jié) 論

本文針對不同土質(zhì)(壤土和粘土)在不同容重下(1.25 mg/cm3、1.35 mg/cm3和1.45 mg/cm3)，通過室內(nèi)試驗(yàn)檢測土壤水分下滲率變化情況，分析不同土壤水分運(yùn)移規(guī)律，基于Philip模型建立了不同情況土壤水分運(yùn)移模型，并基于Hydrus-1D模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬了不同土質(zhì)土壤水分累積下滲率的變化情況，得出了以下結(jié)論：

4.1 不同容重的土壤基本在200min時(shí)，下滲率趨于穩(wěn)定，容重越低，土壤水分起始下滲率越快，壤土在同一時(shí)刻的土壤水分下滲率要高于粘土，且容重越高，土壤水分下滲率越高；

4.2 Philip模型模擬結(jié)果總體較好，其對粘土的模擬效果要高于壤土，模擬粘土土壤水分下滲率的RMSE較壤土低2.72%～20.98%，一致性指標(biāo)CD提高了0.7%～10.8%，K值提高了1.31%～5.17%，與實(shí)測結(jié)果的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)；

4.3 Hydrus-1D模型模擬結(jié)果與實(shí)測值的變化趨勢基本吻合。對粘土的模擬效果要高于壤土，模擬結(jié)果的RMSE值僅為0.218～0.258，CD和K值均在0.85以上。

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