土壤水力學參數數值反演方法研究進展

周曉冰

（青島大學，山東青島266071）

土壤水力性質是水分運動方程的重要參數，主要包括水力傳導率K(θ)、土壤水分特征曲線θ(h)等。其中水力傳導率K(θ)決定了水和溶質在土壤中的運移速率，土壤水分特征曲線表示土壤水分含量與壓力水頭的函數關系，是建立土壤水分運動數學模型的基礎，這些參數的可靠性直接影響著水分運動模型預測的準確性[1]。盡管有許多實驗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率為代表的土壤水力性質，但大多數方法需要靜態或穩態流條件來滿足相應分析方法的假設或需要較精密的儀器，這使得測量耗時耗力，可行性不高。因此，人們開始發展間接的方法來估計及土壤水力性質。

間接方法有土壤轉換函數法、物理-經驗法、分形幾何法、土壤形態學法和數值反演方法等[2]。數值反演方法具有以下優點：（1）不需要精密的測量儀器；（2）在初始和邊界條件上比直接方法方法更加靈活，不需要達到穩態；（3）可以從單個瞬態流實驗同時估算土壤水分特征曲線和非飽和導水率函數；（4）為優化參數提供置信區間，因此受到研究者的關注。

反演方法估計土壤水力性質參數在國外已有較長時間的研究。反演方法首先由Gardner[3]應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，并逐步對其進行加壓，在每次壓力增加后測量出流量直至平衡，以此計算水力傳導率和擴散率。Whisler和Watson[4]（1968）首次提出應用計算機模型估算土壤水力參數，他們通過匹配土壤排水流量的模擬值和實測值估計了土壤的非飽和導水率。Zachman[5]等人（1981）使用土壤排水數據進行模擬表示，如果累計排水量與預測量值相吻合，則可獲得最佳優化參數結果。此后Zachman等人[6]（1982）表明了選擇合適的土壤水力特征參數形式的重要性。Kool和Parker[7]（1988）和Russo等人[8]（1991）將這種方法應用于一維非飽和流動問題以此來估計實驗室土柱中非飽和多孔介質的參數值。

解的非唯一性是數值反演方法在確定土壤水力性質時通常存在的問題。關于如何減少數值反演方法解的非唯一性和提高參數估計的準確性，國內外學者做了許多相關研究。Toorman等[9]使用數值反演法借助響應曲面方法對目標函數進行了分析，使用了出流量、壓力水頭、含水量的不同組合作為目標函數的測量變量，結果表明如果在目標函數中包含有壓力水頭值，對參數估計的敏感性將有一定程度的提高，此外壓力水頭的測量位置對參數估計也有影響，可以據此確定需要測定的測量變量和測量的位置。Eching等[10-11]在多步出流實驗中累積出流量數據基礎上添加測定的土壤壓力水頭數據，以三次不同初始參數反演結果的變異系數表征解的唯一性，在反演土壤水分特征曲線和非飽和導水率方面取得了較好的擬合效果，驗證了增加壓力水頭信息可以提高解的獨特性。Simunek和van Genuchten[12]應用了張力圓盤入滲數據進行數值反演對水力特征參數求解，通過參數與目標函數的響應曲面分析了使用哪些入滲數據可以提高解的唯一性，認為可以適當增加剖面的壓力水頭信息和含水量信息來提高計算準確性，而加入累積入滲量信息不能改善擬合結果。張俊[13]利用數值反演方法耦合瞬時出流實驗推求土壤水力學參數，結果顯示，一步出流實驗增加壓力、多步出流實驗在目標函數中聯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。

數值反演方法由于操作簡單、快捷而被廣泛應用，但仍需注意的是該方法在應用使存在的唯一性和穩定性的問題，且在實驗室獲得的結果能否很好的在田間使用的問題。

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[13]張俊,徐紹輝,劉建立,等.土壤水力性質參數估計的響應界面和敏感度分析[J].水利學報,2005,36(4):445-451.