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土壤饱和导水率是土壤重要的物理性质之一,它是研究水分、溶质在土壤中运动过程的重要水力参数,在很大程度上影响着水文模型的精度。准确获得土壤的饱和导水率,不仅有助于模拟地区土壤水分运动状况,对农业水资源灌溉管理起指导作用,还可在水文地质调查中指导布设采样点。统计技术作为数据挖掘的一种方法,可以对原始数据进行更深层次的分析,而作为地质统计学中一种参数描述方法,将条件模拟用于模拟土壤饱和导水率中,深层挖掘饱和导水率的空间分布信息,可同时生成多个实现,再现其空间结构,既可得出土壤饱和导水率值的空间概率分布状况,也可描述其空间变异特征,不仅可以指导以后水文调查中采样点的布置,而且在风险性变量研究中具有重要意义,同时也可为进一步的风险评估提供依据。
本研究以位于黄淮海平原中部的天然文岩渠流域潮土为对象,在大量实测土壤剖面数据的基础上,利用斯坦福大学开发的地统计学软件包GSLIB中提供的序贯高斯模拟方法对天然文岩渠流域土壤饱和导水率进行了条件模拟(取100个实现),计算每层100个实现的变异系数,描述不确定性;同时进行了克里格估值,并将条件模拟、克里格方法的结果与实测数据进行了对比分析,且用FORTRAN语言、在MATFOR软件包基础上自行开发的三维像元成图程序进行三维条件模拟结果的显示。随后用美国盐土实验室开发的HYDRUS-1D模型模拟了天然文岩渠流域2008年夏玉米生长期内土壤剖面在不同饱和导水率下的水分渗漏量,得出流域内发生水分渗漏最大量时饱和导水率的阈值,并从100个条件模拟实现中计算大于此阈值时的概率分布情况,从而为制定更适宜的水分管理措施提供依据。
分析条件模拟实现可知,各个实现各不相同,但具有相同的分布趋势,模拟结果的各项统计量与原始数据相近,每层100个实现的变异系数显示该流域西南部地区土壤饱和导水率变异强烈,不确定性较大;三维像元成图程序可直观显示土壤剖面饱和导水率的空间分布;
通过分析条件模拟和克里格方法对天然文岩渠流域土壤表层饱和导水率的模拟结果可知,模拟结果的空间分布趋势与该流域土壤质地分布具有较好的一致性,风沙土、砂土分布地区的饱和导水率较大,饱和导水率较小地区则对应于壤土、黏土分布区域,因此用条件模拟和克里格方法模拟土壤饱和导水率具有可行性。由于克里格方法是描述某一属性空间分布随机函数的条件数学期望的估计,因而在模拟中表现出明显的平滑效应,模拟结果大大减小了数据间的变异,改变了数据的空间结构,它适合于对变化不太剧烈的空间属性进行估计和预测;而条件模拟在保证模拟值接近实测值的前提下,再现了变量的空间波动性,保持了数据的空间结构。
用HYDRUS-1D模型模拟天然文岩渠流域2008年夏玉米生长期内1.8m土体水分渗漏量。研究表明,天然文岩渠流域东北部、中部偏西地区土壤出现水分渗漏的可能性大,水量较多,可能会造成水资源的浪费;而且,在农作区伴随着水分渗漏易出现氮淋失现象,容易造成地下水污染。因此,在以后的水文调查中,可加大此区域采样点密度,并按照实地调查结果制订适宜的灌溉措施,减少水分渗漏量和氮淋失量,节约并保护水资源。