土壤水力學(xué)參數(shù)數(shù)值反演方法研究進(jìn)展

周曉冰

（青島大學(xué)，山東青島266071）

土壤水力性質(zhì)是水分運(yùn)動(dòng)方程的重要參數(shù)，主要包括水力傳導(dǎo)率K(θ)、土壤水分特征曲線θ(h)等。其中水力傳導(dǎo)率K(θ)決定了水和溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移速率，土壤水分特征曲線表示土壤水分含量與壓力水頭的函數(shù)關(guān)系，是建立土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，這些參數(shù)的可靠性直接影響著水分運(yùn)動(dòng)模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[1]。盡管有許多實(shí)驗(yàn)室和田間方法可以用來確定包氣帶中以土壤水分特征曲線和非飽和水力傳導(dǎo)率為代表的土壤水力性質(zhì)，但大多數(shù)方法需要靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)流條件來滿足相應(yīng)分析方法的假設(shè)或需要較精密的儀器，這使得測(cè)量耗時(shí)耗力，可行性不高。因此，人們開始發(fā)展間接的方法來估計(jì)及土壤水力性質(zhì)。

間接方法有土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)法、物理-經(jīng)驗(yàn)法、分形幾何法、土壤形態(tài)學(xué)法和數(shù)值反演方法等[2]。數(shù)值反演方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要精密的測(cè)量?jī)x器；（2）在初始和邊界條件上比直接方法方法更加靈活，不需要達(dá)到穩(wěn)態(tài)；（3）可以從單個(gè)瞬態(tài)流實(shí)驗(yàn)同時(shí)估算土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率函數(shù)；（4）為優(yōu)化參數(shù)提供置信區(qū)間，因此受到研究者的關(guān)注。

反演方法估計(jì)土壤水力性質(zhì)參數(shù)在國外已有較長時(shí)間的研究。反演方法首先由Gardner[3]應(yīng)用于壓力板出流方法，將飽和的土樣置于密閉壓力室的多孔板上，并逐步對(duì)其進(jìn)行加壓，在每次壓力增加后測(cè)量出流量直至平衡，以此計(jì)算水力傳導(dǎo)率和擴(kuò)散率。Whisler和Watson[4]（1968）首次提出應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型估算土壤水力參數(shù)，他們通過匹配土壤排水流量的模擬值和實(shí)測(cè)值估計(jì)了土壤的非飽和導(dǎo)水率。Zachman[5]等人（1981）使用土壤排水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬表示，如果累計(jì)排水量與預(yù)測(cè)量值相吻合，則可獲得最佳優(yōu)化參數(shù)結(jié)果。此后Zachman等人[6]（1982）表明了選擇合適的土壤水力特征參數(shù)形式的重要性。Kool和Parker[7]（1988）和Russo等人[8]（1991）將這種方法應(yīng)用于一維非飽和流動(dòng)問題以此來估計(jì)實(shí)驗(yàn)室土柱中非飽和多孔介質(zhì)的參數(shù)值。

解的非唯一性是數(shù)值反演方法在確定土壤水力性質(zhì)時(shí)通常存在的問題。關(guān)于如何減少數(shù)值反演方法解的非唯一性和提高參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性，國內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)研究。Toorman等[9]使用數(shù)值反演法借助響應(yīng)曲面方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了分析，使用了出流量、壓力水頭、含水量的不同組合作為目標(biāo)函數(shù)的測(cè)量變量，結(jié)果表明如果在目標(biāo)函數(shù)中包含有壓力水頭值，對(duì)參數(shù)估計(jì)的敏感性將有一定程度的提高，此外壓力水頭的測(cè)量位置對(duì)參數(shù)估計(jì)也有影響，可以據(jù)此確定需要測(cè)定的測(cè)量變量和測(cè)量的位置。Eching等[10-11]在多步出流實(shí)驗(yàn)中累積出流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上添加測(cè)定的土壤壓力水頭數(shù)據(jù)，以三次不同初始參數(shù)反演結(jié)果的變異系數(shù)表征解的唯一性，在反演土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率方面取得了較好的擬合效果，驗(yàn)證了增加壓力水頭信息可以提高解的獨(dú)特性。Simunek和van Genuchten[12]應(yīng)用了張力圓盤入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值反演對(duì)水力特征參數(shù)求解，通過參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)曲面分析了使用哪些入滲數(shù)據(jù)可以提高解的唯一性，認(rèn)為可以適當(dāng)增加剖面的壓力水頭信息和含水量信息來提高計(jì)算準(zhǔn)確性，而加入累積入滲量信息不能改善擬合結(jié)果。張俊[13]利用數(shù)值反演方法耦合瞬時(shí)出流實(shí)驗(yàn)推求土壤水力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示，一步出流實(shí)驗(yàn)增加壓力、多步出流實(shí)驗(yàn)在目標(biāo)函數(shù)中聯(lián)合累積出流量和壓力水頭信息均可以減小反演問題的非唯一性。

數(shù)值反演方法由于操作簡(jiǎn)單、快捷而被廣泛應(yīng)用，但仍需注意的是該方法在應(yīng)用使存在的唯一性和穩(wěn)定性的問題，且在實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果能否很好的在田間使用的問題。

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