雙參數(shù)凍融模型在鞍山地區(qū)凍土期土壤水預(yù)測中的應(yīng)用

姜 峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

東北地區(qū)凍土期土壤水受冬季凍融影響具有較為復(fù)雜的下滲變化影響，土壤水呈現(xiàn)較為明顯的非線性下滲變化特征，傳統(tǒng)土壤水線性回歸預(yù)測方程很難滿足凍土期土壤水預(yù)測的精度[1]。對于東北地區(qū)冬季農(nóng)作物灌溉而言其凍土期土壤水預(yù)測的精度十分重要。當(dāng)前，雙參數(shù)凍融模型在國內(nèi)一些地區(qū)土壤水預(yù)測中得到應(yīng)用和適用性分析[2-15]，通過實(shí)例應(yīng)用表明雙參數(shù)凍融模型相比于傳統(tǒng)土壤水預(yù)測模型，可綜合考慮土壤層物化參數(shù)對其土壤水下滲率的綜合影響，通過建立土壤水和下滲參數(shù)之間的非線性回歸方程，對土壤水進(jìn)行非線性預(yù)測，從而提高其預(yù)測的精度。雙參數(shù)凍融模型在東北地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，尤其是在冬季凍土期的預(yù)測中還未進(jìn)行相關(guān)研究，為提高東北地區(qū)冬季凍土土壤水預(yù)測的精度，引入雙參數(shù)凍融模型，結(jié)合鞍山地區(qū)的臺安徑流試驗(yàn)站土壤水觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對其模型預(yù)測的精度和適用性進(jìn)行探討。研究成果對于東北地區(qū)凍土期土壤含水量的分布特征具有重要的參考價值。

1 凍土期土壤水觀測試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)站概況

以鞍山地區(qū)的臺安徑流試驗(yàn)站為土壤水觀測試驗(yàn)區(qū)域，臺安徑流試驗(yàn)站所處氣候?yàn)楦珊蛋敫珊禋夂?，冬季氣溫低且較為干燥，凍土層厚度最高值可達(dá)到85cm，試驗(yàn)每年從12月土壤層開始凍結(jié)，次年4月份土壤層開始解凍，砂壤土和壤土為試驗(yàn)站主要兩種土壤質(zhì)地類型。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)站的地下水井為此土壤灌溉試驗(yàn)用水，采用雙環(huán)(外環(huán)和內(nèi)環(huán))自動入滲儀進(jìn)行土壤水入滲試驗(yàn)觀測，采用土埂考慮到凍土期入滲環(huán)埋入較難代替入滲外環(huán)進(jìn)行土壤水下滲的觀測試驗(yàn)。內(nèi)環(huán)采用尺寸一致的3套雙環(huán)入滲儀。在試驗(yàn)土壤區(qū)凍土前按照埋深為20cm埋入入滲觀測儀，土壤的犁底層為其最大埋環(huán)深度。采用人工量筒進(jìn)行土壤下滲水量的試驗(yàn)觀測，土壤水入滲時間在非凍土期穩(wěn)定在50min左右，土壤水下滲時間在凍土期相對較長。凍土期土壤考慮下滲同步性一般要高于80min。采用烘干沉重方式進(jìn)行土壤含水量的測定，采用蠟封試驗(yàn)進(jìn)行土壤干密度的測定，采用比重計(jì)法對土壤粒徑級配進(jìn)行測定。采用重鉻酸鉀氧化一油浴加熱法對土壤中化學(xué)有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測定。

1.3 計(jì)算方程

雙參數(shù)凍融入滲模型由于參數(shù)相對較少，適合于土壤水的非線性預(yù)測，其計(jì)算方程為：

H=Kta

(1)

式中，H—穩(wěn)定期后土壤水下滲累積量，mm；K—土壤下滲率經(jīng)驗(yàn)值；a—下滲率指數(shù)。

2 模型構(gòu)建

2.1 參數(shù)設(shè)置

通過土壤水觀測試驗(yàn)對模型輸入?yún)?shù)K和a進(jìn)行初始值的設(shè)定，從而解決東北地區(qū)凍土期土壤水下滲參數(shù)由于較難設(shè)定的難題。首先通過試驗(yàn)方法對土壤物化參數(shù)進(jìn)行測定，建立土壤下滲2個參數(shù)和土壤物化參數(shù)之間的回歸方程，雙參數(shù)凍融入滲模型2個參數(shù)可通過建立的線性回歸方程進(jìn)行設(shè)置。結(jié)合臺安徑流試驗(yàn)站不同類型土壤對其進(jìn)行土壤化學(xué)參數(shù)的測定，試驗(yàn)測定結(jié)果見表1。

表1 臺安徑流試驗(yàn)站凍土層土壤物化及下滲參數(shù)設(shè)定值

2.2 模型建立與檢驗(yàn)

2.2.1建立回歸方程

土壤水下滲參數(shù)對于凍土期雙參數(shù)凍融模型影響較為復(fù)雜，相比于單參數(shù)土壤水預(yù)測模型雙參數(shù)凍融模型可采用多變量非線性函數(shù)進(jìn)行土壤水預(yù)測更符合凍土期土壤下滲水量的變化特征。采用非線性函數(shù)建立土壤下滲參數(shù)和土壤物化參數(shù)的回歸方程。首先采用離散方法對土壤水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并建立單變量土壤水下滲率回歸方程，在此基礎(chǔ)上建立雙參數(shù)的非線性回歸方程，并采用T方法對構(gòu)建的多元回歸方程進(jìn)行自變量的檢驗(yàn)。

(1)確定單變量回歸方程。對土壤水下滲率和其他影響因子按照土壤水試驗(yàn)離散點(diǎn)變化趨勢進(jìn)行單變量回歸方程的確定。

(2)確定雙參數(shù)非線性回歸方程。確定雙參數(shù)非線性回歸方程后采用T檢驗(yàn)方法對各變量因子進(jìn)行檢驗(yàn)，對其變量最小T檢驗(yàn)值進(jìn)行篩除，并對其余變量進(jìn)行T檢驗(yàn)，當(dāng)所有自變量檢驗(yàn)值|T|≥T0.05/2后不再進(jìn)行T檢驗(yàn)。建立的回歸方程見表2—3。

表2 單變量回歸方程建立結(jié)果

表3 耕作層和犁底層自變量

從單變量回歸方程建立結(jié)果可看出，除去土壤厚度外其他物化參數(shù)和土壤下滲參數(shù)均呈現(xiàn)對數(shù)相關(guān)性，土壤干密度以及黏粒百分比經(jīng)過對變量進(jìn)行逐因子檢驗(yàn)和下滲參數(shù)存在回歸不顯著，下滲經(jīng)驗(yàn)指數(shù)和土壤耕作層有機(jī)質(zhì)含量回歸顯著性也不高。通過篩選后lnθ、θ、eT、G、lnγ0、lnw1、lnγ1、lnw2為雙參數(shù)凍融模型的回歸自變量。耕作層和犁底層入滲參數(shù)和各自變量的多元入滲回歸方程如下所示：

k=-0.525-0.8051lnθ+5.5236θ+0.08129e0.245T+2.7539lnG

k=2.1352+0.242lnθ-2.453θ+0.2735lnγ0-0.4135lnγ1-0.0523e0.5T-0.4435lnω1-0.0392lnω2

2.2.2回歸方程檢驗(yàn)

采用F和T檢驗(yàn)對建立的多元回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P<0.05為回歸方程檢驗(yàn)水平，若高于檢驗(yàn)水平表明構(gòu)建的回歸方程具有較好的顯著性，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 回歸方程檢驗(yàn)結(jié)果

從回歸方程檢驗(yàn)結(jié)果可看出，F(xiàn)檢驗(yàn)下各下滲參數(shù)檢驗(yàn)誤差均低于10%，T檢驗(yàn)值均高于其檢驗(yàn)水平值，建立的各回歸方程均可通過F和T檢驗(yàn)，具有較好的回歸顯著性，可用來進(jìn)行區(qū)域凍土期土壤下滲水量的預(yù)測。

3 預(yù)測精度評定

結(jié)合臺安徑流試驗(yàn)站未進(jìn)行觀測的土壤下滲水量樣本對構(gòu)建的雙參數(shù)凍融模型進(jìn)行預(yù)測精度的評定，各組土壤物化參數(shù)見表5，預(yù)測精度評定結(jié)果見表6。

表5 精度評定試驗(yàn)土壤物化指標(biāo)

表6 土壤下滲精度評定結(jié)果

從建立的雙參數(shù)凍融方程下凍土期土壤下滲精度評定結(jié)果可看出，兩個參數(shù)試驗(yàn)測定值和回歸計(jì)算值之間的誤差均低于5%，具有較好的預(yù)測精度，通過其各試驗(yàn)樣本下的土壤下滲累積量和預(yù)測值的誤差評定也可看出，其總體誤差在5.65%～6.87%之間，對于凍土期土壤預(yù)測具有較好的精度，這主要是因?yàn)樗⒌碾p參數(shù)凍融回歸方程可綜合考慮土壤物化參數(shù)對其下滲參數(shù)的影響，通過建立多元回歸方程考慮不同影響因素，且通過T檢驗(yàn)方法對其顯著性影響變量進(jìn)行篩選，提高了其回歸預(yù)測的精度。

4 結(jié)論

(1)凍土期土壤耕作層和犁底層土壤下滲影響因素有所差異，對于耕種層而言，土壤表層0～20cm溫度以及含水率對其下滲率影響顯著，對于犁底層而言，土壤干密度和土壤下層20～40cm黏粒含量是其土壤下滲率影響的兩個主因，其他土壤物化因子影響程度均較低。

(2)在進(jìn)行雙參數(shù)凍融模型構(gòu)建時，結(jié)合凍土期土壤水觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議針對多個影響因子采用T檢驗(yàn)方法進(jìn)行自變量的篩選，對于T檢驗(yàn)最低的自變量可篩除。

(3)本文在構(gòu)建雙參數(shù)凍融模型時，未能考慮地表溫度變幅范圍對其下滲參數(shù)的影響，存在不足，在后續(xù)研究中應(yīng)重點(diǎn)對地表溫度變化范圍對凍土期下滲影響進(jìn)行評估。