利用hydrus反推土壤参数

，王全九1，2※，雪静11、西安理工大学水利水电学院，西安（710048）2、土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌（710012）E-mail:[e-mail]摘要：预测分析非饱和土壤水分运动特征必须首先获得土壤水力参数，而且土壤水力参数的准确性决定着与这些参数有关的土壤水分运动的数值模型的准确性。本文依据一维积水入渗试验的累积入渗量资料利用Hydrus-1D软件反推土壤水力特性参数，利用反推的土壤水力特性参数和Hydrus-1D软件对一维积水入渗过程的累积入渗量、入渗率、湿润深度、含水量分布进行模拟并与实测值进行对比，结果显示，土壤累积入渗量、入渗率、湿润锋、含水量分布的实测数据与模拟数据之间的平均相对误差均在2％～15％之间，软件模拟数据与试验实测数据基本吻合，这说明利用Hydrus-1D软件在反推土壤水力特性参数及模拟土壤水分运动方面是可行的。关键词：土壤水分运动；土壤水力特性参数；Hydrus-1D；参数反推0.引言土壤水动力学参数是描述土壤水分运动特征的基本要素，也是利用数值模型分析土壤水分运动特征的基本参数。对于农业生产、水土保持、溶质运移等方面的研究都具有重要的意义。土壤水动力学参数主要包括土壤水分特征曲线、非饱和导水率、扩散率。国内外许多学者对土壤水动力学参数的测定方法进行了大量研究，并提出了多种确定方法。Bruse和Klute（1956）[2]提出了半无限长水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水分扩散率)(θD；Gardner(1962)[3]提出了通过求解瞬变、渐变变压出流定解问题的出流法测定土壤水分扩散率)(θD；Dirksen提出吸湿率法测定土壤水分扩散率；邵明安等(1998)[4－6]人提出推求土壤水分运动参数的简单入渗法；王全九等（2002）[5]人利用水平土柱入渗特征与Brooks-Corey模型参数进行土壤水力参数的分析。但是这些方法实现起来都很费时、费力等。随着电子计算机的不断发展，数值模拟技术不断提高，因此利用数值模型反推土壤水分运动参数方法逐渐成为人们解决土壤水分运动特征的重要手段。Hydrus-1D软件是模拟一维水流、溶质、热流运移的数值模拟模型。王水献[11]等人利用该软件对新疆焉齎盆地的土壤水资源量进行过评价；曹巧红[12]等人应用该软件对冬小麦农田中水氮运移特征进行过分析；孟江丽[13]等人也利用该软件在干旱区灌溉与土壤盐化关系的研究中进行过应用；但这些应用实例只是对该软件的正解模块进行应用，对模型的反解问题模块应用很少，为了分析该软件在反推土壤水力参数中的应用并验证反推参数的精度，本文通过Hydrus-1D利用一维垂直积水入渗试验中的累计入渗量资料来反推土壤水力参数，再利用反推出的土壤水力参数模拟不同初始含水量下的累计入渗量、入渗率、湿润深度、含水量分布情况，并用实测值进行验证。以期在以后的工作中利用容易得到的试验数据推求出土壤水力参数，减小为求土壤水力参数而耗时费力。1.模拟模型Hydrus-1D软件是美国盐碱地实验室（U.S.Salinitylaboratory）于1998年开发用来模拟1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20050700001）、国家863项目“水盐调控精量灌溉技术”（2006AA100207）、国家自然科学基金资助项目（50579062）和国家科技支撑计划项目（2007BAD38B00）的资助。饱和――非饱和介质中一维水流、热、溶质运移的软件包。它是通过结合初始和边界条件数值求解Richards水流控制方程和溶质、热传递对流－弥散方程来求解水流和热流运动以及溶质运移规律的模型。该模型包括正解问题和反解问题两大模块。本文采用反解模块进行土壤水力参数的反推，之后利用正解模块模拟和验证土壤水力参数准确度。1.1水流控制方程垂直一维积水入渗试验中土壤水分运动属于一维水流运动问题，假设试验土壤为均质、各向同性的刚性多孔介质，不考虑气相和温度梯度对水流运动的影响，那么以含水量为因变量的一维垂直入渗问题的Richards方程可描述为：zKzDzt∂∂+∂∂∂∂=∂∂)(])([θθθθ式中：θ为体积含水量[L3L-3]，t为时间[T]，z为空间坐标[L]（以向上为正），)(θK为非饱和导水率[LT-1]；)(θD为非饱和水分扩散率，θψθθθθddKCKDm/)()(/)()(⋅==1.2边界条件与初始条件在积水入渗试验进行的过程中，利用马氏瓶稳压供水，失土壤表面始终保持2cm的积水层，因此，上边界为一恒定的压力水头；下边界为一自由排水界面。在实验进行中，湿润锋始终未能到达下边界，土柱为半无限土体，压力也为一恒定的负压水头。因此边界条件可以表示为：cmh2=，0,0≥=tz；（上边界）00=hh，0,≥=tLz；（下边界）试验土样为一均质、各向同性的多孔介质，初始含水量分布均匀并为一定值，试验刚开始在土壤表面有一积水层，可以认为表面土壤迅速达到饱和含水量，表面以下土壤为初始含水量，因此，初始条件可以表示为：sθθ=)0,0（；（饱和含水量）izθθ=),0(；（初始含水量）1.3土壤水力参数根据Hydrus-1D软件的要求，土壤水分特征曲线)h（θ和非饱和导水率)(θK，可以根据用户的需要采用不同的)h（θ〔BrooksandCorey,1964;vanGenuchten,1980;VogelandCislerova,1988〕和)(θK〔Mualem,1976;Burdine,1953〕，本试验采用VanGenuchten公式与Mualem公式：[]mnrsrhh||1)(αθθθθ+−+=0hshθθ=)(0≥h和2111)(⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=mmelesSSKhK式中：rsreSθθθθ−−=nm11−=，1n上面的方程包含了五个相对独立的参数，即nsr,,,αθθ和sK；在导水率函数中l反映了土壤孔隙的连接性，通常取值为0.5；rθ和sθ分别是滞留含水量和饱和含水量；sK是饱和导水率；α是进气吸力的倒数；n是孔隙体积大小分布的指数。1.4试验土样基本资料本试验土样采自新疆石河子垦区农八师，经测定土壤的基本物理特性见下表，表1土壤的基本物理特性Table1basicphysicalpropertiesofsoil土壤质地容重（g/cm3）风干土含水量饱和含水量物理性粘粒含量粉壤土1.50.0510.4549.07%2.模拟结果与分析2.1土壤水力参数反推对VanGenuchten模型中的未知参数进行反推，利用一维垂直积水入渗试验的累计入渗量资料，土壤初始体积含水量为0.051cm3/cm-3，试验进行1920分钟，滞留含水量采用风干土的含水量，饱和含水量采用实测值，结合以上分析的边界条件和初始条件利用Hydrus-1D软件中反推土壤水力参数模块，，推求出试验土壤的水力参数和参数相关性数据，结果见下表：表2VanGenuchten模型中的土壤水力参数Table2soilhydraulicparametersofVanGenuchtenmodelrθ(cm3/cm-3)sθ(cm3/cm-3)αnsK(1min−⋅cm)l0.0510.450.0198291.93770.00471540.5（目标函数值）S.ECoeff（标准差）RSQUARE（相关系数）αnsK1.7721.605×10-70.548491.3779×10-30.996872.2土壤水力参数验证对于反推出的土壤水力参数采用不同初始含水量下的一维积水入渗试验中的累计入渗量、入渗率、湿润深度、土壤剖面含水量的分布进行验证。在初始体积含水量为0.051cm3/cm-3的累计入渗量、入渗率、湿润深度、土壤剖面水分分布的模拟值与实测值进行对比分析如下：03691215180500100015002000时间/min累计入渗量/cm实测值预测值0.000.010.020.030.040.050500100015002000时间/min入渗率/cm/min实测值预测值(a)(b)51015202530354045500500100015002000时间/min湿润深度/cm实测值预测值00.10.20.30.40.505101520253035404550深度/cm含水量/cm3cm-3实测值预测值(c)(d)图1累计入渗量、入渗率、湿润锋、含水量分布的模拟值与实测值的对比Fig.1Comparisonbetweensimulationvalueandmeasuredvalueforaccumulationinfiltration、infiltrationrate、wettingfront、watercontentdistribution时积水入渗试验中累计入渗量、入渗率、湿润锋、含水量分布的实测值与模拟值的对比如下：02468100200400600800时间/min累计入渗量/cm实测值预测值0.000.010.020.030.040.050200400600800时间/min入渗率/cm/min实测值预测值(a)(b)0510152025300200400600800时间/min湿润深度/cm实测值预测值0.10.20.30.40.505101520253035湿润深度/cm含水量/cm3cm-3实测值预测值(c)(d)图2累计入渗量、入渗率、湿润锋、含水量分布的模拟值与试验结果对比Fig.1Comparisonbetweensimulationvalueandmeasuredvalueforaccumulationinfiltration、infiltrationrate、wettingfront、watercontentdistribution初体积始含水量为0.214533−⋅cmcm时的积水入渗试验中累计入渗量、入渗率、湿润深度、土壤剖面含水量分布的试验值与模拟值对比时间/min累积入渗量/cm实测值预测值0.000.010.020.030.040.050140280420560700时间/min入渗率/cm/min实测值预测值(a)(b)510152025303540450100200300400500600700时间/min湿润深度/cm实测值预测值0.20.250.30.350.40.450510152025303540深度/cm含水量/cm3cm-3实测值预测值(c)(d)图3累计入渗量、入渗率\湿润深度、含水量分布的模拟结果与实测值对比Fig.1Comparisonbetweensimulationvalueandmeasuredvalueforaccumulationinfiltration、infiltrationrate、wettingfront、watercontentdistribution2.3模拟精度分析本文利用实测值与预测值之间的相对平均误差作为模拟计算精度的判断标准，由以上三种不同初始体积含水量情况的一维积水入渗试验的累计入渗量、入渗率、湿润深度、含水量分布的模拟值与实测值进行对比分析，以上各图均显示出模拟结果与实测结果吻合较好，累计入渗量的模拟值与实测值之间的相对误差在3％～8％之间；入渗率的平均相对误差在5～15％之间；湿润锋的相对误差在7％～15％之间；土壤含水量分布的相对平均误差在2％～3％。从样本标准差来看，模拟值与观测值总体上变异程度不大，只在初始含水量为0.05133−⋅cmcm的入渗率和湿润深度变异