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

崔 進(jìn)

(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(cè)，對(duì)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(guò)對(duì)土壤水變化趨勢(shì)的分析，可以為制定旱情應(yīng)對(duì)措施提供重要的依據(jù)[2]。當(dāng)前，對(duì)于土壤水的預(yù)測(cè)，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(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于不需要土壤水長(zhǎng)系列的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，可通過(guò)水文模型參數(shù)移植，進(jìn)行土壤水的預(yù)測(cè)分析?？芍攸c(diǎn)解決無(wú)土壤水觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)分析，但這種方式的缺點(diǎn)在于需要掌握水文模型的計(jì)算原理，通過(guò)設(shè)置中間變量，實(shí)現(xiàn)土壤水預(yù)測(cè)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(zhǎng)系列的土壤含水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立回歸方程或基于數(shù)學(xué)模型對(duì)未來(lái)土壤水的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于可符合區(qū)域土壤水變化的實(shí)際情況，檢驗(yàn)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(diǎn)在于需要長(zhǎng)系列的觀(guān)測(cè)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(jì)算精度。北方屬于我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，為保障旱期農(nóng)業(yè)用水，需要對(duì)其土壤水進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近些年來(lái)，北方地區(qū)干旱發(fā)生的頻次較高，土壤水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(duì)旱情土壤水進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合實(shí)測(cè)土壤水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證。成果為北方旱區(qū)土壤水預(yù)測(cè)方法提供重要的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(chēng)號(hào)，為此本文選取遼西為典型區(qū)域，區(qū)域土壤類(lèi)型主要為棕壤和褐土，對(duì)各土壤水觀(guān)測(cè)點(diǎn)的土壤質(zhì)地進(jìn)行采樣，采用室內(nèi)分析的方式對(duì)不同土壤類(lèi)型的質(zhì)地進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1—2。

1.2 模型土壤水預(yù)測(cè)原理

雙參數(shù)凍融模型結(jié)合土壤水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立非線(xiàn)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(diǎn)，將穩(wěn)定下滲時(shí)段設(shè)定為45min；K—穩(wěn)定下滲率,mm/min;a—土壤水下滲曲線(xiàn)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(gè)參數(shù)為K和a，通過(guò)試驗(yàn)方法建立土壤物理特性參數(shù)與下滲參數(shù)之間的非線(xiàn)性函數(shù)來(lái)獲取以上兩個(gè)參數(shù)，測(cè)定了區(qū)域兩種主要土壤類(lèi)型下不同耕作措施下的土壤物理特性參數(shù)，參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3—4。

表1 1#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的土壤質(zhì)地分析結(jié)果

表2 2#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的土壤質(zhì)地分析結(jié)果

2.2 模型非線(xiàn)性回歸方程的建立

結(jié)合區(qū)域?qū)崪y(cè)土壤水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)不同耕作方式下的土壤物入滲物理參數(shù)的非線(xiàn)性變化特征進(jìn)行了分析，建立了各組測(cè)定數(shù)據(jù)下的回歸方程，兩個(gè)觀(guān)測(cè)井回歸方程的分析結(jié)果見(jiàn)表5—6。

從表5第一個(gè)觀(guān)測(cè)井土壤水入滲參數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果可看出，其統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)值均可通過(guò)95%的回歸方程顯著性檢驗(yàn)，可基于土壤入滲率參數(shù)進(jìn)行回歸方程的建立，犁底層由于表層土壤較少，因此不對(duì)其入滲參數(shù)K進(jìn)行分析。從入滲參數(shù)a的檢驗(yàn)結(jié)果可看出，在耕作層也可通過(guò)回歸檢驗(yàn)，基于測(cè)定的土壤水下滲數(shù)據(jù)建立的回歸方程可滿(mǎn)足檢驗(yàn)要求。在第二個(gè)觀(guān)測(cè)井不同土層土壤水入滲參數(shù)K的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值要好于第一個(gè)觀(guān)測(cè)井，這主要是因?yàn)榈诙€(gè)觀(guān)測(cè)井的數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度要高于第一個(gè)觀(guān)測(cè)井，因此其回歸方程的參數(shù)的回歸檢驗(yàn)效果較好。

2.3 模型方程非線(xiàn)性檢驗(yàn)

在回歸方程建立的基礎(chǔ)上，對(duì)兩個(gè)觀(guān)測(cè)井土壤水預(yù)測(cè)的回歸方程進(jìn)行非線(xiàn)性特征的檢驗(yàn)，分析結(jié)果見(jiàn)表7—8。

從分析結(jié)果可看出，兩個(gè)土壤水入滲參數(shù)的95%F和T檢驗(yàn)水平下的誤差均低于均低于15%，兩個(gè)觀(guān)測(cè)井的F檢驗(yàn)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(xiàn)性變化特征，均可通過(guò)F檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)，從分析結(jié)果還可看出，各參數(shù)下的回歸方程的F檢驗(yàn)。本文建立的回歸方程可用于區(qū)域土壤水監(jiān)測(cè)。

表3 1#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土壤水下滲率測(cè)定結(jié)果

表4 2#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土壤水下滲率測(cè)定結(jié)果

表5 1#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)非線(xiàn)性回歸方程的自變量分析結(jié)果

表6 2#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)非線(xiàn)性回歸方程的自變量分析結(jié)果

表7 1#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土壤入滲非線(xiàn)性檢驗(yàn)結(jié)果

表8 2#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土壤入滲非線(xiàn)性檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 預(yù)報(bào)實(shí)例分析

基于建立的回歸方程，結(jié)合實(shí)測(cè)土壤水測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)建立的模型進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9—10。

從兩個(gè)觀(guān)測(cè)井土壤水預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)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(gè)觀(guān)測(cè)井不同土壤水測(cè)定樣本下的誤差均在15%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足土壤水預(yù)測(cè)的精度要求。可見(jiàn)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(cè)非線(xiàn)性回歸方程是解決北方旱區(qū)土壤水預(yù)測(cè)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(cè)具有較好的適用性。

3 結(jié)論

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

表9 1#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的土壤水預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)結(jié)果

表10 02#監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的土壤水預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)結(jié)果

(2)在采用雙參數(shù)凍融模型進(jìn)行土壤水回歸預(yù)測(cè)時(shí)，可結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H的土壤質(zhì)地情況，對(duì)下滲率和下滲曲線(xiàn)指數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，從而提高模型預(yù)測(cè)精度。