中尺度水文模型中Richards方程与入渗能力方法的比较评估及其参数化研究

这篇研究通过多尺度参数区域化(MPR)技术，对比评估了水文模型mHM中一维Richards方程(1D RE)与入渗能力(IC)方案在土壤水分模拟中的表现。研究创新性地采用三种不同pedo-transfer functions(PTFs)对RE参数进行校准，在德国201个流域验证了参数的可迁移性。结果表明：两种方法在径流预测上表现相当(KGE>0.85)；RE方案因双向通量特性能更好刻画深层土壤水分动态；IC方案虽存在深层饱和问题，但在土壤水分异常捕捉上仍具优势。该研究为陆面模型(LSMs)的物理过程参数化提供了重要参考。

　　

研究背景与意义

土壤水分(SM)入渗过程是水文建模的核心环节，直接影响径流形成、地下水补给和蒸散发等关键过程。当前中尺度模型(1-10,000 km²)主要采用两类方法：基于物理的一维Richards方程(1D RE)和简化的入渗能力(IC)方案。前者能模拟双向垂直通量但计算复杂，后者仅考虑下渗但效率更高。研究团队在mHM模型中创新性地整合了这两种方法，通过多尺度参数区域化(MPR)技术解决RE在粗分辨率下的参数化难题。

模型与方法创新

研究采用土壤-凋落物-同位素(SLI)模型的RE求解模块，引入Ross快速数值解法提升计算效率。通过MPR框架测试了三种PTFs：Cosby(1984)仅用土壤质地、Campbell(1985)结合质地与容重、Rawls(1989)额外包含残余含水量。参数在200m原生分辨率估算后，上采样至12/6/3/1km进行验证。实验设计包含：单流域校准(201个德国流域)、跨流域验证、跨尺度验证(12→1km)以及点尺度土壤水分验证(46个站点)。

关键发现

径流模拟显示所有模型变体(mHM-IC和三种mHM-RE)的KGE中位数均达0.85-0.90，但mHM-RE在跨流域验证时性能下降约22%。计算效率方面，mHM-RE 2在最大流域(37,809 km²)的运行时长达165分钟，是mHM-IC的6倍，这与低饱和导水率(K_s)导致的数值稳定性问题相关。参数分析揭示：校准后的PTF参数基本保持物理合理性，如孔隙分布指数(b)随砂含量增加而升高，空气进气值(ψ_a)则呈负相关。

土壤水分动态差异

深层土壤(25-60cm)验证表明：mHM-IC因单向流动限制导致饱和问题，相关系数(r)仅0.6；而mHM-RE 3凭借双向通量机制显著改善动态模拟(r=0.8)。绝对含水量方面，mHM-RE 2因高孔隙度(θ_s=0.41-0.54)在德国北部过估，mHM-RE 1则因低估θ_s值(最低0.15)普遍偏低。异常值分析显示所有模型均能有效捕捉SM时序波动，证实RE方案在保持径流性能同时增强了过程物理一致性。

研究启示与展望

该研究证实通过MPR技术可使RE方程具备跨尺度和跨流域的参数可迁移性。尽管IC方案在业务化应用(如洪水预报)中仍具效率优势，但RE方案为耦合地下水模型奠定了基础。未来需通过多变量校准(结合ET、地下水等数据)进一步约束参数，并探索函数空间优化(FSO)等自动参数化方法。这些进展将推动新一代陆面模型在气候影响评估中的精准应用。