使用土壤水分成像法和地形指數(shù)模型研究土壤水分時空分布
2022年09月16日 13:20:23
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土壤水分成像法
土壤水分成像法是對土壤含水量空間分布實現(xiàn)成像的方法。通過三維空間上土壤電阻率成像,可使用土壤分析儀分析土壤含水量在三維空間上的分布特征[12]。首先,對試驗區(qū)域進行高密度電位差測定,建立土壤電阻率的初始模型;然后,應(yīng)用有限元法計算各點理論電位差值,并與實測電位差值進行比較,對土壤電阻率模型進行修正,實現(xiàn)三維空間上的電阻率成像。之后,通過在試驗區(qū)域內(nèi)代表性取樣,并在室內(nèi)測定土壤的電阻率隨土壤含水量的變化關(guān)系,應(yīng)用描述多孔介質(zhì)含水量和電阻率之間關(guān)系的Archie方程[13],對所測得的數(shù)據(jù)進行擬合,確定相關(guān)參數(shù),再將三維空間的土壤電阻率值和相關(guān)參數(shù)值代入Archie方程,獲得三維空間上的土壤含水量分布,即實現(xiàn)土壤水分成像。周啟友等認為[14]此方法獲得的值與實測土壤含水量誤差較大,應(yīng)用這些資料分析土壤水分空間詳細分布特征十分困難。但考慮到土壤水分成像法中影響含水量的因素都是內(nèi)在和確定的因素,且計算的含水量和實測含水量之間存在線型關(guān)系,因此,通過分析成像法中的含水量的時間變化特征,仍可探討土壤含水量在三維空間的總體分布特征和時序變化規(guī)律。
地形指數(shù)模型
地形指數(shù)模型是用地形指數(shù)在流域中的空間格局來確定流域飽和缺水量的空間分布和產(chǎn)流區(qū)的空間位置與范圍的一種方法[15]。在同一地理位置,土壤水分分布受地形影響表現(xiàn)出一定的空間變異,在地勢平緩、上坡匯流面積大的地貌部位,土壤含水量相對較高[16]。因此,可借鑒該方法充分考慮地形對土壤含水量的影響,用地形指數(shù)ln(A/tanB)的空間格局來反映土壤水分空間分布。其中A為坡面任一點i處單位等高線長度的匯流面積,B為該處坡度。
地形指數(shù)是Topmodel的核心,該指數(shù)在準定常假定下根據(jù)動力波方程推導(dǎo)而得[17]。在定常狀態(tài)下根據(jù)動力波方程,單位時間、單位等高線長度的地下水通量為qi=Ar(式中:r為單位時間單位面積的地下水補給率;A為流經(jīng)i點的單位等高線長度的匯流面積)。
假定地下水面與地表平行,則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為土壤剛飽和時在局地坡度b處的地下水通量(假定k0不隨空間變化);Si為土壤相對含量,與土壤飽和缺水量D的數(shù)值相等符號相反;B為i點處的局地坡度。根據(jù)式(1)和(2)推導(dǎo)出式(3):Si=mln(A/tanB)-mln(k0/r)(3)即土壤相對含水量與地形指數(shù)呈線性關(guān)系,地形指數(shù)的空間分布反映了土壤相對含水量的空間分布。目前已廣泛使用數(shù)字地形模型計算地形指數(shù)的空間分布[18-20],根據(jù)地形指數(shù)與土壤相對含水量的聯(lián)系,可以簡便地確定流內(nèi)土壤水分的空間分布而減少工作量。
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