雙參數(shù)凍融模型在北方旱區(qū)干旱期土壤水預(yù)測中的應(yīng)用

崔 進

(遼寧省鐵嶺市銀州區(qū)水利局， 遼寧 鐵嶺 112000)

土壤水的預(yù)測，對于區(qū)域抗旱決策和農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃十分重要[1]。北方由于氣候特征，在夏、秋季易出現(xiàn)較為明顯的旱情，通過對土壤水變化趨勢的分析，可以為制定旱情應(yīng)對措施提供重要的依據(jù)[2]。當(dāng)前，對于土壤水的預(yù)測，主要為兩種方法，第一種方式主要采用水文模型的方法[3- 6]，以土壤水作為中間變量，對其進行模擬計算，這種方式的優(yōu)點在于不需要土壤水長系列的觀測數(shù)據(jù)，可通過水文模型參數(shù)移植，進行土壤水的預(yù)測分析。可重點解決無土壤水觀測數(shù)據(jù)的預(yù)測分析，但這種方式的缺點在于需要掌握水文模型的計算原理，通過設(shè)置中間變量，實現(xiàn)土壤水預(yù)測值的輸出，操作難度較大。第二種方式為采用回歸方程的方法[9- 13]，基于區(qū)域長系列的土壤含水量實測數(shù)據(jù)，建立回歸方程或基于數(shù)學(xué)模型對未來土壤水的變化趨勢進行預(yù)測，這種方式的優(yōu)點在于可符合區(qū)域土壤水變化的實際情況，檢驗后的回歸方程和數(shù)學(xué)模型模擬的土壤水精度一般較高，但缺點在于需要長系列的觀測數(shù)據(jù)作為支撐，使得建立的回歸方程或者數(shù)學(xué)模型具有較好的計算精度。北方屬于我國的糧食主產(chǎn)區(qū)，為保障旱期農(nóng)業(yè)用水，需要對其土壤水進行預(yù)測，從而保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近些年來，北方地區(qū)干旱發(fā)生的頻次較高，土壤水監(jiān)測站點較多，分布也較為廣泛，因此本文采用當(dāng)前應(yīng)用效果較好的雙參數(shù)凍融模型[14]，以遼寧西部作為典型區(qū)域，結(jié)合區(qū)域土壤質(zhì)地和土壤水?dāng)?shù)據(jù)，對旱情土壤水進行預(yù)測，并結(jié)合實測土壤水?dāng)?shù)據(jù)對模型的預(yù)測精度進行驗證。成果為北方旱區(qū)土壤水預(yù)測方法提供重要的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

本文以遼寧西部為研究區(qū)域，遼西屬于典型的大陸季風(fēng)氣候，夏季干燥少雨，極易出現(xiàn)干旱，素有“十年九旱”的稱號，為此本文選取遼西為典型區(qū)域，區(qū)域土壤類型主要為棕壤和褐土，對各土壤水觀測點的土壤質(zhì)地進行采樣，采用室內(nèi)分析的方式對不同土壤類型的質(zhì)地進行分析，分析結(jié)果見表1—2。

1.2 模型土壤水預(yù)測原理

雙參數(shù)凍融模型結(jié)合土壤水監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立非線性回歸方程：

H=Kta

(1)

式中，H—穩(wěn)定期土壤下滲水量的累積值,mm，本文結(jié)合遼西地區(qū)的土壤水下滲特點，將穩(wěn)定下滲時段設(shè)定為45min；K—穩(wěn)定下滲率,mm/min;a—土壤水下滲曲線的變化指數(shù)。

2 凍融入滲模型設(shè)置

2.1 參數(shù)獲取

模型需要輸入的兩個參數(shù)為K和a，通過試驗方法建立土壤物理特性參數(shù)與下滲參數(shù)之間的非線性函數(shù)來獲取以上兩個參數(shù)，測定了區(qū)域兩種主要土壤類型下不同耕作措施下的土壤物理特性參數(shù)，參數(shù)測定結(jié)果見表3—4。

表1 1#監(jiān)測站點的土壤質(zhì)地分析結(jié)果

表2 2#監(jiān)測站點的土壤質(zhì)地分析結(jié)果

2.2 模型非線性回歸方程的建立

結(jié)合區(qū)域?qū)崪y土壤水?dāng)?shù)據(jù)，對不同耕作方式下的土壤物入滲物理參數(shù)的非線性變化特征進行了分析，建立了各組測定數(shù)據(jù)下的回歸方程，兩個觀測井回歸方程的分析結(jié)果見表5—6。

從表5第一個觀測井土壤水入滲參數(shù)的檢驗結(jié)果可看出，其統(tǒng)計量檢驗值均可通過95%的回歸方程顯著性檢驗，可基于土壤入滲率參數(shù)進行回歸方程的建立，犁底層由于表層土壤較少，因此不對其入滲參數(shù)K進行分析。從入滲參數(shù)a的檢驗結(jié)果可看出，在耕作層也可通過回歸檢驗，基于測定的土壤水下滲數(shù)據(jù)建立的回歸方程可滿足檢驗要求。在第二個觀測井不同土層土壤水入滲參數(shù)K的統(tǒng)計檢驗值要好于第一個觀測井，這主要是因為第二個觀測井的數(shù)據(jù)系列長度要高于第一個觀測井，因此其回歸方程的參數(shù)的回歸檢驗效果較好。

2.3 模型方程非線性檢驗

在回歸方程建立的基礎(chǔ)上，對兩個觀測井土壤水預(yù)測的回歸方程進行非線性特征的檢驗，分析結(jié)果見表7—8。

從分析結(jié)果可看出，兩個土壤水入滲參數(shù)的95%F和T檢驗水平下的誤差均低于均低于15%，兩個觀測井的F檢驗誤差在8.523%～11.345%之間，構(gòu)建的回歸方程具有較為明顯的非線性變化特征，均可通過F檢驗和T檢驗，從分析結(jié)果還可看出，各參數(shù)下的回歸方程的F檢驗。本文建立的回歸方程可用于區(qū)域土壤水監(jiān)測。

表3 1#監(jiān)測站點土壤水下滲率測定結(jié)果

表4 2#監(jiān)測站點土壤水下滲率測定結(jié)果

表5 1#監(jiān)測站點非線性回歸方程的自變量分析結(jié)果

表6 2#監(jiān)測站點非線性回歸方程的自變量分析結(jié)果

表7 1#監(jiān)測站點土壤入滲非線性檢驗結(jié)果

表8 2#監(jiān)測站點土壤入滲非線性檢驗結(jié)果

2.4 預(yù)報實例分析

基于建立的回歸方程，結(jié)合實測土壤水測定數(shù)據(jù)，對建立的模型進行預(yù)報檢驗，結(jié)果見表9—10。

從兩個觀測井土壤水預(yù)測值和實測的誤差分析結(jié)果可看出，由于雙參數(shù)凍融模型綜合考慮土壤水的入滲特性，相比于傳統(tǒng)只考慮下滲率參數(shù)的回歸模型，精度有所提升，從模型誤差分布可看出，兩個觀測井不同土壤水測定樣本下的誤差均在15%以內(nèi)，滿足土壤水預(yù)測的精度要求。可見建立土壤水入滲參數(shù)和土壤特性參數(shù)的土壤水預(yù)測非線性回歸方程是解決北方旱區(qū)土壤水預(yù)測的有效措施。綜上，雙參數(shù)凍融模型在北方旱區(qū)土壤水預(yù)測具有較好的適用性。

3 結(jié)論

(1)通過建立土壤下滲率與土壤質(zhì)地之間的非線性關(guān)系，實現(xiàn)雙參數(shù)凍融模型回歸方程的建立，通過F檢驗和T檢驗，該方法下建立的模型誤差均可通過95%的檢驗要求，模型可用于北方地區(qū)旱情的土壤水預(yù)測；

表9 1#監(jiān)測站點的土壤水預(yù)測精度檢驗結(jié)果

表10 02#監(jiān)測站點的土壤水預(yù)測精度檢驗結(jié)果

(2)在采用雙參數(shù)凍融模型進行土壤水回歸預(yù)測時，可結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H的土壤質(zhì)地情況，對下滲率和下滲曲線指數(shù)進行試驗測定，從而提高模型預(yù)測精度。