使用土壤水分成像法和地形指数模型研究土壤水分时空分布
2022年09月16日 13:20:23
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土壤水分成像法
土壤水分成像法是对土壤含水量空间分布实现成像的方法。通过三维空间上土壤电阻率成像,可使用土壤分析仪分析土壤含水量在三维空间上的分布特征[12]。首先,对试验区域进行高密度电位差测定,建立土壤电阻率的初始模型;然后,应用有限元法计算各点理论电位差值,并与实测电位差值进行比较,对土壤电阻率模型进行修正,实现三维空间上的电阻率成像。之后,通过在试验区域内代表性取样,并在室内测定土壤的电阻率随土壤含水量的变化关系,应用描述多孔介质含水量和电阻率之间关系的Archie方程[13],对所测得的数据进行拟合,确定相关参数,再将三维空间的土壤电阻率值和相关参数值代入Archie方程,获得三维空间上的土壤含水量分布,即实现土壤水分成像。周启友等认为[14]此方法获得的值与实测土壤含水量误差较大,应用这些资料分析土壤水分空间详细分布特征十分困难。但考虑到土壤水分成像法中影响含水量的因素都是内在和确定的因素,且计算的含水量和实测含水量之间存在线型关系,因此,通过分析成像法中的含水量的时间变化特征,仍可探讨土壤含水量在三维空间的总体分布特征和时序变化规律。
地形指数模型
地形指数模型是用地形指数在流域中的空间格局来确定流域饱和缺水量的空间分布和产流区的空间位置与范围的一种方法[15]。在同一地理位置,土壤水分分布受地形影响表现出一定的空间变异,在地势平缓、上坡汇流面积大的地貌部位,土壤含水量相对较高[16]。因此,可借鉴该方法充分考虑地形对土壤含水量的影响,用地形指数ln(A/tanB)的空间格局来反映土壤水分空间分布。其中A为坡面任一点i处单位等高线长度的汇流面积,B为该处坡度。
地形指数是Topmodel的核心,该指数在准定常假定下根据动力波方程推导而得[17]。在定常状态下根据动力波方程,单位时间、单位等高线长度的地下水通量为qi=Ar(式中:r为单位时间单位面积的地下水补给率;A为流经i点的单位等高线长度的汇流面积)。
假定地下水面与地表平行,则水力坡度用地表坡度表示,通量qi可近似表示成:qi=k0exp(Si/m)tanB
式中:k0为土壤刚饱和时在局地坡度b处的地下水通量(假定k0不随空间变化);Si为土壤相对含量,与土壤饱和缺水量D的数值相等符号相反;B为i点处的局地坡度。根据式(1)和(2)推导出式(3):Si=mln(A/tanB)-mln(k0/r)(3)即土壤相对含水量与地形指数呈线性关系,地形指数的空间分布反映了土壤相对含水量的空间分布。目前已广泛使用数字地形模型计算地形指数的空间分布[18-20],根据地形指数与土壤相对含水量的联系,可以简便地确定流内土壤水分的空间分布而减少工作量。
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