城市草地土壤水分模拟及水循环研究——以扬州市区域性草地植被为例

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开展城市草地土壤水分模拟及水循环的研究对揭示和掌握草地土壤水分收支与分配规律等具有重要意义。为评估城市草地土壤水分循环过程,本文选取位于扬州城市一隅的扬州大学某校区农水与水文生态试验场内单一草种(狗牙根)草地为研究区,基于研究区气象数据和草地土壤水分的观测结果,对不同等级降雨事件的降雨量与入渗深度的关系进行分析,构建多元线性回归模型对不同深度土壤含水量增量与各对应深度初期土壤含水量及降雨特征因子(降雨事件的降雨量、降雨历时、1h平均降雨量)的线性关系进行评价;对HYDRUS-1D和HYDRUS-2D模型在研究区草地植被土壤水分模拟中的适用性进行检验;结合土壤含水量增量实测值对各降雨事件下不同深度土壤含水量增量的模拟值进行评价;验证基于不同深度土壤含水量增量模拟值与各对应深度初期土壤含水量及降雨特征因子所构建的多元线性回归模型的合理性;基于2021年逐月降雨量、草地截留量、土壤蓄水量变化量、蒸散发、入渗对地下水的补给量、土壤水与地下水的交换量的推求结果;对研究区草地土壤水分的月收支过程进行分析及评价,进而对2021年土壤水分循环过程进行评估。论文主要研究结果如下:(1)对于研究区草地植被(狗牙根草坪),不同等级降雨事件的降雨量导致入渗深度的差异,小雨事件的入渗深度多小于10cm,中雨事件的入渗深度超过10cm但多小于25cm,大雨事件的入渗深度多超过60cm(但小于100cm),暴雨较大雨的入渗深度更大。(2)各深度(10、25、60、100cm)多元线性回归模型中土壤含水量增量(△SWC)与对应深度初期土壤含水量(SWCpre)及降雨事件的降雨量(P)、降雨历时(T)、1h平均降雨量(Ia)呈正相关;SWCpre、P、T、Ia与△SWC的相关程度存在差异;10、100cm深SWCpre与△SWC的相关程度比P、T、Ia大;25cm深Ia与△SWC的相关程度较大,SWCpre次之,P、T较小;60cm深各自变量与△SWC的相关程度从大到小为P>SWCpre>Ia>T。10cm多元线性回归模型对实测数据的拟合程度要高于其它深度;P、T、Ia及不同深度SWCpre与各对应深度△SWC整体上的线性关系显著;10cm深SWCpre、Ia对△SWC的影响显著;25cm深SWCpre、P、Ia对△SWC的影响显著;而60cm深仅P对△SWC的影响显著;100cm深仅SWCpre对△SWC的影响显著。(3)HYDRUS-1D和HYDRUS-2D模型在研究区草地土壤水分数值模拟中具有很好的适用性,与HYDRUS-1D相比,HYDRUS-2D的模拟精度较高。(4)HYDRUS-1D对不同深度土壤含水量增量模拟结果的RMSE在0.013~0.028之间,NSE在0.62~0.80之间;HYDRUS-2D对不同深度土壤含水量增量模拟结果的RMSE在0.012~0.027之间,NSE在0.64~0.81之间,两个模型对研究区草地土壤含水量增量的模拟结果均具有较高的精度。(5)利用研究区草地不同深度土壤含水量增量实测值与对应深度初期土壤含水量及降雨特征因子所构建的多元线性回归模型,检验了基于HYDRUS-1D和HYDRUS-2D对研究区草地各深度土壤含水量增量模拟值所构建的多元线性回归模型的合理性。(6)对研究区草地2021年的逐月水收支各因子进行了量化和评价,对年水平衡进行了评价;2021年降雨量为1062.4mm,草地截留量为65.2mm,土壤蓄水量减少26.0mm,累积蒸散发量为427.0mm,入渗对地下水的补给量为342.3mm,土壤水与地下水交换量为-253.9mm;月降雨量对草地截留量、入渗对地下水的补给量有明显影响,土壤蓄水量变化量受逐月降雨量及地下水埋深的影响较大;全年草地土壤水分收支的推求结果相对合理。
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