基于数据同化的流域尺度土壤水/地下水流耦合的数值模拟

)：以大沽河流域（青岛市所辖范围，产芝水库以下4781 平方公里）为研究对象，通过大量的野外和室内试验（土壤、地下水），建立田间尺度上的土壤水/地下水流耦合模型，并对田间尺度上的耦合模型进行校正、验证及参数的不确定性分析；收集该流域上的气象、水文、地形、地质、水文地质、土壤、遥感等资料且根据情况补充一些野外试验，在此基础上，以GIS 为平台，结合地质统计学、蒙特卡罗（MC）模拟和土壤转换函数（PTFs）等方法，将田间尺度上的模型扩展到流域尺度；把集合卡尔曼滤波方法与流域尺度上的土壤水-地下水流耦合模型进行同化运算，以减小输入数据、参数和模型本身等所带来的误差，从而更加准确地评价流域上的土壤水-地下水资源；根据未来气候和土地利用状况等条件的改变，预测变化环境下大沽河流域尺度上的水资源量，进而为流域尺度上水资源的可持续利用提供科学依据和技术支撑。

土壤水是大气降水、地表水、土壤水和地下水“四水转化”中的一个非常重要的环节，与地下水之间存在着密切联系，在一定条件下可以相互转化。尤其在地下水浅埋区，降水通过包气带入渗补给地下水，反过来，地下水又通过毛细作用并受到蒸发的驱动力上升排泄或补给包气带。.但是，无论是国内还是国外，过去几乎都是把土壤水和地下水分开来研究，土壤水研究中总是将波动的地下水面过分简化，忽视地下水的某些作用，降低了模型精确性甚至产生严重错误；而地下水研究总是将包气带作为“黑箱”处理，用输入输出确定地下水与大气降水之间的响应，忽略了土壤水与地下水的紧密联系，这与实际情况是不相符合的。只是近些年来C. Twarakavi等（2008）把渗流带（土壤带）水和地下水作为一个整体考虑，建立了土壤水-地下水的耦合模型，但这个模型只进行了理论上的验证，还没应用到实际问题的模拟中去，更没扩展到流域尺度上去。.本项目以大沽河流域（青岛市所辖范围，产芝水库以下4781 平方公里）为研究对象，在流域内大致均匀布设了106个点（土壤剖面），分2-3层取样测定其基本理化性质，并原位测定了土壤饱和水力传导率；选择流域内10个代表性点开展了不同深度土壤剖面含水量和地下水位的长期观测，探讨了流域土壤水分、地下水位的时空分布及动态变化特征；在大量的野外和室内试验（土壤、地下水）基础上，建立起田间尺度上的土壤水/地下水流耦合模型，并对田间尺度上的耦合模型进行了校验，分析了农田水分转化及作物需水规律；收集整理了流域上的土地利用、气象、水文地质、水文地质、土壤、遥感等资料且根据情况补充了一些野外试验；以ArcGIS 为平台，结合地质统计学、马尔科夫链蒙特卡罗方法（AM_MCMC）、土壤转换函数（PTFs）等方法，将初步将田间尺度上的模型扩展到了流域尺度；结合不同年度大气降水条件，建立土壤水与地下水联合管理下的农业节水和水资源利用新模式，实现大沽河流域尺度上水资源的可持续利用。