网格尺度上平原区土壤水分入渗机制及其过程模拟的不确定性研究

频繁的干旱使得我国的水资源供需矛盾加剧，基于分布式水文模型，提高水资源利用效率是缓解这一矛盾的有效工具之一。但是分布式水文模型发展中的诸多问题尚有待解决，比如：模型参数众多，直接测定困难；土壤水力特性具有很大的空间变异性和尺度依赖性；一些土壤特性（容重、饱和导水率、稳定入渗率）在人类活动的影响下表现出很强的时间变异；模型参数与其测定方法和过程机制存在尺度不匹配问题。网格是分布式水文模拟的基本单元，入渗则是最能集中体现这些问题的水文过程。本项目以华北平原典型地区为例，对网格尺度上入渗及土壤特性的时空变异规律进行研究，寻找在网格尺度上决定土壤水分入渗时空变异的主要因素；在比较现有的点尺度扩展的入渗模式的基础上，探索网格尺度上土壤水分入渗过程的作用机制；并通过模拟分析土壤特性的空间变异，尤其是人类活动强烈干扰下土壤特性的季节性变异对入渗模拟结果的不确定性影响。

入渗是土壤水文过程的基本环节之一，但由于下垫面的普遍异质性，大尺度上的入渗过程准确模拟仍面临诸多问题。网格尺度上有代表性的入渗模型参数测定困难，影响入渗时空变异的机制和原因尚不清楚是其主要障碍。首先，本项目提出和发展了土壤水力特性模型参数间接测定的一系列方法，利用这些方法，仅通过简单的入渗过程监测，即可直接获得Brooks-Corey模型参数；此外，以封丘地区为例，利用圆盘入渗仪为主要工具对网格尺度上入渗及土壤特性指标的时空变异规律进行了研究。结果表明，（1）相对于其他土地利用方式（免耕地，杨树林地和金银花地），频繁的耕作会降低土壤的结构性，导致入渗特性空间变异强度的减弱，同时增加了其时间变异的强度；（2）质地对入渗特性的绝对大小有显著影响，对一般土壤入渗特性的时间变异强度似乎没有明显影响, 但过粗的质地不利于土壤结构的形成，致使土壤入渗特性空间变异的结构性较差，时间变异强度较大；（3）土壤入渗特性的时间变异很难说可以忽略，无论在田块，还是网格尺度上，其时间变异强度基本是空间变异强度的一半左右或更高。最后，对不同尺度上决定土壤水分入渗空间变异的主要变异源进行分析后发现：（1）在田块尺度上，有机质是耕作农田和林地土壤入渗特性尺度依赖性最主要的变异源；（2）免耕地上没有特别显著的决定入渗特性田块尺度上尺度依赖性的变异源；（3）在网格尺度上，砂粒含量是导致入渗特性尺度依赖性最为重要的变异源；（4）试验时土壤的初始含水量和水温的差异在一些情况下也可能显著地干扰土壤特性空间变异源的研究结果。本项目关于入渗不确定性及其来源的研究结果对于今后水文模型的完善和改进有重要参考价值。