田间土壤水-溶质运移参数反演方法与传递函数研究

How to accurately and quickly estimate soil water-solute transport parameters is an important scientific issue in agricultural soil and water engineering and soil physics. The commonly used determination method has such problems as small sample size, insufficient representativeness, and low solving efficiency. Based on the soil water solute dynamics, fractal, and geostatistics theories, the present project therefore intends to adopt the technical method combining theoretical analysis, numerical simulation and experimental research to analyze the influences of solute concentration, soil moisture, infiltration rate, and cumulative infiltration on the precision of the established inversion model of soil hydraulic characteristic parameters and solute transport parameters, and further propose a fast and robust inversion method of soil water and solute characteristic parameters under pounding infiltration condition. Besides, combined with field scale solute infiltration test, this project inverses the parameters to analyze the relationship between soil water-solute transport parameters and soil physicochemical properties, attempts to construct the transfer function that can rapidly and accurately estimate soil water and solute characteristic parameters and preliminarily forms a framework for rapid analysis and estimation of soil water-solute transport parameters based on soil physical and chemical properties. The findings can provide a theoretical support for field-scale regulation of water, fertilizer, and salt and further deepen the scientific connotation in agriculture water and soil science.

如何准确快速的估算田间土壤水-溶质运移参数，是农业水土工程、土壤物理等学科的重要科学问题，本项目针对目前常用土壤水-溶质运移参数测定法存在试样尺度小、代表性不足和反演方法中解的唯一性和稳定性不高、求解效率较低等问题，拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的技术方法，以土壤水溶质动力学、分形、地统计学等理论为基础，系统分析溶质浓度、土壤含水率、入渗速率和累积入渗量等因素对所建土壤水力特性参数和溶质运移参数反演模型精度的影响，提出积水入渗条件下土壤水-溶质特性参数快速稳健反演方法；结合田间入渗试验，进行参数反演，分析黄土高原多点土壤水-溶质运移参数与土壤理化特性的关系，尝试构建可快速准确估算土壤水-溶质特性参数的传递函数，初步形成一套基于土壤理化特性的土壤水-溶质运移特性参数快速分析和估算的方法框架，为水肥/盐调控的参数获取提供方法基础，项目研究成果也可丰富农业水土工程学科的学科内涵。

土壤水力特性参数和溶质运移参数是分析模拟土壤水-溶质运动研究的重要基础，本课题以针对目前常用土壤水-溶质运移参数测定法存在试样尺度小、代表性不足和反演方法中解的唯一性和稳定性不高、求解效率较低等问题，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的技术方法系统分析溶质浓度、土壤含水率、入渗速率和累积入渗量等因素对所建土壤水力特性参数和溶质运移参数反演模型精度的影响，构建了由VEGA和PSO算法所构建的混合算法反演积水入渗条件下水力特性参数的求解效率较负压条件有所降低，通过引入了Ks-v之间的关系，显著缩小了Ks的寻优范围，同时对积水入渗土壤垂直剖面含水率均一分布条件下水力特性参数进行了反演求解；量化比较了典型土壤考虑测量误差反演所得积水入渗土壤垂直剖面含水率均一分布条件下水力特性参数与参考值之间的差异,说明了所提反演方法具有较高的稳健性。建立了关于湿润锋、累积入渗量与时间和入渗浓度的关系式，利用评价指标对试验结果进行评价，拟合效果较好。构建了土壤水分扩散率与土壤体积含水量的指数关系，分析了土壤质地、入渗溶液浓度均对土壤水分扩散率D值有影响，通过对D值进行参数拟合，发现土壤质地、入渗溶液浓度对参数α的相关关系。构建了水动力弥散系数Dsh与含水量θ的函数关系，分析了溶质入渗浓度与参数之间的规律。基于RETC软件对不同土壤质地、容重、温度条件下的土壤水分特征曲线参数模型模拟，根据参数拟合分析模型中θr、θs、α、n数值受土壤质地、容重、溶液浓度的影响及变化规律。分析了非吸附性溶质中，以Clˉ为例，分析盐离子与土壤颗粒的絮凝作用，分别建立了湿润锋运移距离、累积入渗量、入渗率与时间和浓度的函数关系，并利用回归分析指标进行评价。采用CXTFIT软件对溶质穿透曲线的参数进行模拟，并分析土壤质地及溶质浓度与水动力弥散系数Dsh间的关系越大，为农田土壤灌溉施肥提供理论支撑。