数值反演模型模拟层状土壤水力性质

摘要

土壤水力性质主要包括土壤水力传导率和水分特征曲线,是进行土壤水分运动数值模拟必不可少的基础数据.自然界中的土壤大都呈层状分布,模拟中涉及的水力性质参数较均质土壤更多.通过室内土柱入渗试验,利用Hydrus-1D软件对垂向一维水分运动进行数值模拟,以入渗过程中不同实测变量(累积入渗量、压力水头及二者组合)为目标函数开展数值反演,优化得到各层土壤水力性质.根据决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)、变异系数(CVs)、优化参数相关矩阵及优化参数标准误差等评价指标,探讨了不同测定变量对解非唯一性、准确性等的影响.结果表明,目标函数仅含有累积入渗量时,虽然反演模拟值与实测值符合度较高,R2达到0.999,RMSE小于0.00562 cm,但用压力水头实测值验证参数准确性,效果较差,R2最高仅为0.338,RMSE小于0.0965 cm.使用压力水头作为目标函数进行参数优化求解时,拟合度R2达到0.855以上,RMSE小于0.0384 cm;用累计入渗量实测值进行验证,效果较好,R2可达到0.99以上,RMSE小于0.03856 cm.累积入渗量和压力水头联合反演求土壤水力性质拟合度较高,R2达到0.905以上,RMSE小于0.0354 cm.虽然累积入渗量和压力水头联合反演时R2和RMSE指标次于累积入渗量,但累积入渗量和压力水头联合反演可以一定程度降低优化参数的相关性和标准误差,从而降低解的非唯一性,提高解的准确性.以上结论可为层状土壤瞬态流试验反演参数过程中,测量变量的选取提供科学依据.