多分区多随机参数非饱和土壤水分运动的随机配点数值方法研究及区域地下水补给分析

随机理论是研究非均匀多孔介质中地下水运动非确定性特征的重要工具和手段，随机数值方法则是实现随机理论的有效途径，而随机数值计算中的主要难题就是计算工作量大和参数随机结构难以确定的问题。本课题的目的是研究实用、高效的求解非饱和土壤水分运动的随机配点数值模型和计算方法，针对区域深厚非饱和带水分运动特征，将土壤随机参数概化为多分区多随机参数的空间分布问题，研究基于随机参数多分区分布的非饱和水流问题随机配点法，提升随机模拟的计算速度；以土壤含水量为条件，研究深厚包气带土壤水分运动随机条件模拟技术，提高随机模拟的计算精度。以此为基础，进一步分析深厚包气带岩性特征、降雨腾发对区域地下水补给的影响，探求地下水补给量对各种随机参数的响应规律。研究结果将对区域地下水补给分析和地下水脆弱性评估提供有效工具和基础分析方法。

非饱和带是区域地下水补给的关键环节，是防治区域地下水面源污染的保护带和缓冲区，其最大特点是土壤性质的空间变异性，因此需要用随机数值方法进行研究。另外，非饱和土壤水分运动具有非线性特征，所涉及的参数较多，各种源汇项的影响极为复杂，进行随机数值计算时的主要难题就是计算工作量大和参数随机结构难以确定。本项目研究高效实用、多随机变量、非线性的土壤水分运动的随机数值模拟方法。针对区域深厚非饱和带水分运动特征，将土壤随机参数概化为多分区多随机参数的空间分布问题，利用随机参数的分区表达和随机分布的土壤负压（或土壤含水量）的多项式混沌展开，建立基于随机参数多分区分布的非饱和土壤水分运动随机数值模型，采用随机配点法求解，从而提升随机模拟的计算精度，降低计算成本；与参数随机场相比，由于参数（随机变量）的统计指标在实际应用中较容易得到，利用对参数随机变量的描述代替原来对参数随机场的描述，使模型更为简化，实用性更强；以土壤含水量为条件，研究深厚包气带土壤水分运动随机条件模拟技术，进一步提高了随机模拟的计算精度；在上述研究的基础上，分析了深厚包气带分层土壤参数随机变量的不同分布特征和渗透参数空间变异性对区域地下水补给的影响，得出土壤渗透参数变异性对地下水补给的影响主要集中于作物根系层附近和参数均值的一定范围内。研究成果对区域地下水补给分析和地下水脆弱性评估提供了有效工具和基础分析方法。