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水资源是人类赖以生存的基础。在区域的水资源管理和有效利用方面,土壤入渗率是一个重要参数,其不仅反映土壤的入渗和渗漏性质。还影响流域的水文过程线,是很多水文模型要考虑的重要参数。鉴于此,国内外学者对土壤入渗率开展了广泛的研究。田间实验的方法在面对区域尺度的研究时,不仅显得费时费力,还难以解决点面转换的尺度问题,为此学者们提出土壤转换函数的方法。在实验测定的基础上,结合土壤转换函数法就能够获得北京地区可靠而又科学的土壤入渗率值。这不仅可以为区域水资源管理提供坚实的科学依据,而且还对土壤入渗率的理论和实验研究有重要意义。
本文以北京地区为实验区域,选取30个典型样点,运用双环法和环刀法对北京地区土壤入渗状况及其影响因素进行研究。同时在土壤颗粒分形研究的基础上,结合土壤传递函数对北京地区土壤饱和导水率分布状况进行研究。主要结论如下:
(1)双环法测定的土壤饱和导水率值普遍高于双环法(两个奇异点除外),且两种方法测定的入渗率结果具有显著的线性相关性。说明环刀法适合于北京地区大部分类型土壤的入渗测定。
(2)土壤的分形维数介于2.2753与2.5778之间且总体变异性很弱;分形维数能够作为反映复杂环境条件下土壤质地的指标;土壤分形维数与饱和导水率相关性显著,可以一定程度反映自然状态下土壤的入渗能力;分形维数与有机质含量正相关,可以一定程度反映有机质含量的高低;分形维数与容重、毛管孔隙度和饱和持水量相关性则较差。土壤分形维数仅可以指示部分土壤的重要理化性质。综上所述,在北京地区复杂地理环境条件下,土壤颗粒分形维数可以反映土壤质地;但土壤颗粒分形维数指示土壤理化性质的作用有限,应慎用。
(3)土壤颗粒粒径在0.002~0.1mm尺度范围为土壤颗粒统计分形的无标度区间,且在此无标度区间内求得的分形维数D更为准确。本研究还表明,是否考虑无标度区间对分形维数值D影响很大,若不考虑无标度区间,则求得的D值往往要偏大,平均偏离幅度为5.95%;无论是否考虑无标度区间,求得的D值皆呈弱变异性,因此,上述偏差会对D值的准确性造成影响。
(4)对于北京地区15个土壤亚类而言,在0.001~0.1mm粒级范围内,分型模型对已知土壤资料的粒级个数、土壤质地以及所预测粒级的大小等因素并不敏感,具有较高的预测精度和稳定性;与对数正态模型、逻辑生长模型和三次样条插值相比,分形模型表现出良好的预测精度且未出现大误差预测数据,预测效果总体优于上述三种预测模型,可以有效对不同土粒分级标准间土壤质地资料进行转换。
(5)在SPSS软件平台下,采用回归分析的方法构建出6组12个土壤传递函数(PTFs),并优选出6个模拟效果相对较好的PTFs。其中模拟效果最好的模型判别系数R2达0.776。总体上,6个模型模拟效果比较令人满意,基本可以满足预测北京地区土壤饱和导水率的需要。对模型输入参数的研究发现,分形维数D包含更为丰富的土壤质地信息,其作为输入参数可以显著提高PTFs的模拟精度。
对北京地区饱和导水率的空间模拟发现,北京地区的土壤饱和导水率空间变异性较大。北京北部和西部山区土壤饱和导水率偏大。中南部平原地区土壤饱和导水率相对较小。总体上,饱和导水率由西部和北部向东南部递减。