恒定水头井入渗Green-Ampt 模型的改进与验证

在假定恒定水头井入渗近似为以井内积水表面积为入渗面的一维入渗基础上,用湿润体内平均体积含水率增量代替Green-Ampt活塞模型中的饱和含水率与初始含水率差值。用入渗率和累积入渗量倒数的线性关系间接推求Green-Ampt模型中的参数,用湿润锋平均基质吸力和土壤饱和导水率。从而建立了适用于恒定水头井入渗的Green-Ampt模型。同时根据体积等效原理,定义了三维入渗中难以直接测定的概化湿润锋深度。经3种类型土壤的室内试验检验,表明该模型具有较好的精度,能精确地计算不同累积入渗量时的湿润体体积。     

间接地下滴灌导水装置规格参数模型

本文根据灌水过程中水量平衡原理为间接地下滴灌建立了导水装置规格(直径,高度)参数模型,该模型中综合考虑了滴头流量、灌水定额、土壤水力特性等参数对导水装置规格的影响。通过室内恒定水头钻孔积水入渗试验与Philip模型的应用,研究了不同导水装置规格类型对三维土壤渗吸率S和土壤入渗率A的影响。基于三维土壤入渗率A等于稳定入渗量QS的假定,定量化了导水装置规格模型中的土壤水力特性参数。通过大田间接地下滴灌试验,验证了模型的可行性。结果表明,Philip模型可用于描述三维恒定水头钻孔积水入渗过程,但在土壤类型一定时,三维入渗中的土壤渗吸率S和土壤入渗率A还与导水装置总的透水面积有关。该模型设计的导水装置规格能满足间接地下滴灌灌水过程中水分不外溢的要求。间接地下滴灌灌水过程中变化的渗透面积和恒定水头钻孔积水入渗过程中恒定的渗透面积之间差异的存在,是模型误差产生的主要来源。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律，推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数，获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合，其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率，基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法，将用此方法估计的参数值与理论值进行比较，并进行了模型中参数的敏感性分析，结果表明本研究所求得的参数有较高的精度，为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。     

不同水头作用下土壤垂直入渗特性试验研究

变水头作用对垂直入渗特性的影响是蓄水坑灌法研究的一个关键问题。通过对太谷县三台村的均质扰动黄土的垂直入渗试验分析,得出了湿润锋推进距离随水头变化的规律以及入渗率的变化规律,并对入渗参数的变化机理进行了分析。     

入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布的影响

为了研究入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布特性的影响,通过室内注射灌入渗模拟试验,测定了不同入渗水头下注射灌的累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤剖面的含水率。研究表明:注射灌的累积入渗量与时间呈幂函数关系,入渗水头越大,相同入渗时间的累积入渗量越大。土壤湿润锋近似为圆心在出水口偏下的半圆形,湿润锋随时间延长运移速度变缓。在出水口下方土壤湿润范围比出水口上方大,土壤含水率也较大。入渗水头越大,相同入渗时间的土壤湿润范围越大,相同位置的土壤含水率越高。本研究结果丰富了注射灌理论,为入渗水头的选择提供参考。     

采用基因表达式编程的沟灌入渗模型参数估计方法

入渗参数的准确估计是沟灌系统设计优化的关键问题。本文基于基因表达式编程(GEP)算法,通过数值试验获得了沟灌入渗模型参数γ估计GEP算法所需的有效数据集合,进行了参数γ的敏感性分析,确定了模型参数γ估计GEP算法的输入因子及其最优组合,建立了γ与最优组合因子的定量关系,进而提出了γ的估计方法。研究结果表明,γ对积水深度、初始有效含水率和沟深度最敏感;土壤水力特性参数对γ影响较大,模型参数γ估计GEP算法的最优输入因子组合为积水深度、沟深、初始有效含水率、饱和导水率和进气值参数;变积水深度条件下γ的估计值与定积水深度的γ值相近;在变积水深度条件下,与利用HYDRUS-2D模型计算得到的"精确"入渗量相比,应用基于γ估计值的沟灌入渗模型计算的累积入渗量误差小于5%,满足计算精度要求。入渗过程中边界效应对总入渗量的贡献逐渐增大,与细质土壤相比,粗质土壤中边界效应对总入渗量的贡献更大,本研究条件下黏壤土中边界效应最终贡献约为25%,砂土中约为37%。研究表明GEP算法可作为沟灌入渗模型参数γ估计的一种有效方法。     

土壤水分特征曲线模型对数值模拟非饱和渗流的影响

土壤水分特征曲线直接影响非饱和渗流场压力水头和含水率的预测结果。Brooks-Corey模型和van Genuchten模型是目前运用最广泛的土壤水分特征曲线模型。本文给定三种不同质地土壤(粘土、砂土和砾石)的BC模型参数,根据Morel提出的BC模型与VG模型等价的参数关系计算出VG模型参数。采用上述两模型分别对这三种土壤进行了均质土柱的入渗过程模拟。两种模型的计算结果有一定差别。三种土壤土柱的VG模型湿润锋推进速度都比BC模型大。由于粘土的初始含水率接近饱和,BC模型和VG模型的渗流场差距最大。粘土土柱上表面压力水头的变化幅度BC模型小于VG模型,而含水率的变化幅度BC模型大于VG模型。砂土和砾石土柱上表面压力水头和含水率的变化幅度都为BC模型大于VG模型。砂土土柱BC模型和VG模型的渗流场差距随入渗时间的持续而加剧。     

耕作后土壤水分入渗参数BP预报模型

根据黄土高原区耕作后土壤水分入渗资料所建立的基于Kostiakov三参数经验模型公式的BP神经网络预报模型,对土壤水分入渗参数进行预测。预测结果表明:利用土壤基本理化参数耕作层(0~20 cm)土壤含水率及其密度、砂粒含量、粉粒含量、有机质含量预报入渗模型参数具有可行性。入渗模型参数入渗指数α、入渗系数k的平均相对误差约为1%;稳渗率f_0的平均相对误差约为8%,在可接受范围内;90 min累计入渗量I_(90)的平均相对误差小于3%。模型整体预测精度较高,实现了利用土壤基本理化参数预报土壤水分入渗参数,可为黄土高原区耕作后土壤的灌水技术参数的确定提供理论与技术支撑。     

考虑倾角的土质边坡Green-Ampt改进入渗模型

针对传统Green-Ampt入渗模型忽略坡角和土体非饱和区对边坡降雨入渗的影响这一情况,利用倾角对土体入渗势能梯度进行修正,并将入渗时边坡土体按含水率划分为饱和层、过渡层和未湿润层,建立考虑倾角的土质边坡分层假定入渗模型,推导边坡降雨入渗深度与降雨历时的关系,并通过入渗实例将新模型与传统模型进行比较。研究结果表明:分层假定模型预测的坡面产流时间及湿润锋深度与降雨历时的关系较传统Green-Ampt入渗模型（简称为GA模型）更接近实测值;自由入渗阶段,分层假定模型的湿润锋扩展深度与GA模型一致,但入渗速率低于GA模型;积水入渗阶段,分层假定模型的湿润锋扩展深度及入渗速率均大于GA模型,湿润锋扩展深度的差值随着降雨历时的增大逐渐增大,而入渗速率差值的变化呈相反趋势。根据新模型,分析了倾角和雨强对边坡降雨入渗的影响,发现随着边坡倾角的增大或雨强的减小,雨水入渗到坡体内相同深度所需的降雨历时增加,这种现象在倾角大于60°或雨强小于20 mm/h时尤为明显。     

基于降雨入渗全过程的非饱和湿润峰模型

对降雨入渗过程进行研究有助于充分发挥土壤的蓄水能力,减缓城市管网的泄洪压力。为更真实地反映入渗过程中土壤的含水率分布情况,将降雨入渗过程进行分段,确定各阶段土壤含水率分布函数,提出了修正的非饱和湿润峰模型。同时,结合达西定律,引入土体非饱和参数,得到均匀土体在不同降雨强度下,土壤含水率、浸润深度和累计入渗量随时间变化的曲线。结果显示,入渗过程中土壤表层含水率和浸润深度随时间呈非线性变化。对于高强度降雨,当表层土壤饱和后,开始出现积水。累计入渗量最终取决于土壤的饱和渗透性质,降雨强度对其影响有限。分别将4种土质土体的计算结果与有限元法得到的结果进行对比,两者相对偏差均小于5%。     

沟灌二维入渗参数的影响因素与计算模型研究

为简化沟灌二维入渗参数的获取,本文以室内入渗试验为基础,分析了土壤容重、初始含水量、入渗水头这三个因素对二维和一维入渗参数参数比值的影响,初步建立了由一维垂直入渗参数推求二维入渗参数的多因子计算模型,并对模型分析简化,增加了模型的稳健性,通过大田试验对所建计算模型进行检验。结果表明文中所建二维入渗参数计算模型所求结果为整个灌水田块的均值,其与整个田块全部灌水沟由水流运动数据推求的入渗参数平均值误差不大,且入渗参数k、a增减相反,对累积入渗量的计算结果影响较小,说明本文所建模型对精度要求不高的沟灌灌水方案设计具有一定的指导意义。     

增湿路径对非饱和土水气渗透系数的影响研究

对水气运动联合测定的方法，提出了3种渗水稳定时间判定方法及3种渗水驱动势的计算方法。对同一干密度的试样，进行不同增湿路径的渗透试验，分析了不同的渗水稳定时间判定方法、渗水驱动势计算方法对渗水系数的影响，得出考虑渗水驱动势随时间变化的变水头计算方法最为合理和稳定。进而以变水头计算方法为基础，分析了增湿路径对水气渗透系数测定值的影响。结果表明，增湿路径对渗水系数的影响总体不大，而在较高饱和度范围内对渗气系数的影响较大。     

浑水波涌灌溉入渗机制及其Green—Ampt模型

根据不同含沙量连续和间歇供水条件下的入渗资料，分析了ＧｒｅｅｎＡｍｐｔ［１］假定在浑水间歇入渗过程中的适用性，建立了清水、浑水、连续和间歇入渗之间的联系．讨论了模型中参数的确定方法．实验证明，对于间歇入渗ＧｒｅｅｎＡｍｐｔ假定是有效的．     

半干旱草原型流域土壤入渗过程及转换函数研究

为了进一步探究半干旱草原砂质草甸地土壤入渗过程与影响因素相互作用的关系,以内蒙古锡林河流域为研究区,在厚栗黄土、草甸沼泽土、草原风沙土、石灰性草甸土、淡黑土等5种土壤类型下设置38个土壤入渗试验点以及62个土壤生态调查点,测定了各点位土壤的粒径、容重、有机质、含水率、地下生物量等理化特征。使用Green-Ampt、Philip、Kostiacov、Horton、Mezencev及USDA-NRCS等6种入渗模型模拟入渗过程,结果显示Horton和USDA-NRCS模型模拟效果最好,Adj-R~2分别为0.975和0.911,并利用模拟效果最好的Horton模型计算稳定入渗率,对土壤入渗特性和入渗影响要素进行了主成分和相关性分析并建立土壤转换函数,在此基础上对整个研究区的土壤稳定入渗率进行了1 km×1 km精度的面尺度拓展。研究表明,半干旱草原型流域的土壤入渗主要受到土壤物理属性与外界环境两种要素的影响,使用相关性显著的影响要素建立的土壤转换函数可以较好地模拟半干旱草原型流域的土壤入渗特征值,在小流域尺度上使用土壤转换函数的预测效果相较入渗模型的面尺度拓展更加精细。     

供水压力对地下点源水分入渗过程的影响研究

根据大田地埋地下滴灌毛管单孔入渗试验资料,分析了供水压力对水分入渗过程以及入渗模型参数的影响.研究结果表明,供水压力对地下点源入渗过程具有明显的影响,累积入渗量随供水压力的增大而增加,压力势是影响土壤中水分运动的主导势,其相对稳定入渗率与供水压力所产生的压力势梯度直接相关;供水压力与考斯加可夫人渗模型人渗系数有一定的相关关系,而与入渗指数相关性差.研究成果对土壤水分运动理论的研究和地下滴灌灌水技术参数的确定具有一定的参考价值.     

单点膜孔入渗特性的试验研究

膜孔入渗是指在覆膜灌溉中，水通过膜孔渗入土壤的过程。作者对陕北榆林壤土进行了5种膜孔直径的单点膜孔入渗室内试验，观测并分析了累计入渗量、湿润深度及表面湿润半径随入渗历时的变化规律。结果表明：①单点膜孔的累积入渗量变化过程符合Kostiakov模型；②相对入渗参数(单点膜孔入渗参数与垂直一维入渗参数之比值)与膜孔直径具有显著的相关关系；③单点膜孔的湿润深度小于垂直一维入渗的湿润深度，并且相对湿润深度(单点膜孔的湿润深度与垂直一维入渗的湿润深度之比值)与膜孔直径具有显著的相关关系；④单点膜孔入渗的表面湿润半径与入渗历时符合幂函数关系，并与膜孔直径存在着显著的相关关系；⑤在相同入渗历时的情况下，与垂直一维入渗相比，膜孔入渗的湿润土体平均含水率较小。     

堆积体内部裂隙对降雨入渗的影响

降雨条件下滑坡体稳定性与裂隙诱发入渗密切相关。为了探究裂隙发育对堆积体降雨入渗的影响,以澜沧江某巨型堆积体坡表发育的裂隙现象为出发点,设计了均质堆积体和主-次裂隙堆积体2种模型。通过室内物理模拟试验及数值分析,并结合土体中的含水率、基质吸力、湿润锋迁移速度及深度的变化趋势可得出以下结论:裂隙型堆积体在降雨1 h和观测23 h的整个时间段内,其湿润锋迁移变化趋势可归纳为入渗加速→峰值→入渗减速→趋向于0;裂隙的存在为雨水入渗提供了有利的通道,雨水可到达土体深部,形成暂态饱和区,随降雨结束又逐渐消散;降雨在裂隙型发育的堆积体中的入渗过程可分为4个阶段,即前期完全入渗、裂隙下方强烈入渗、补偿加速入渗及水平侧渗。研究结果可为后续滑坡复活机理和稳定性评价提供参考。     

影响土壤水分入渗特性主要因素的试验研究

以大田土壤入渗试验为依据,分析讨论了影响大田土壤水分入渗特性的主要因素.试验结果表明:土壤含水量、土壤质地及土壤结构是土壤水分入渗特性的主导影响因素;土壤含水量、土壤质地及土壤结构对大田土壤入渗能力的影响十分明显;土壤累积入渗量随土壤含水量的增加而减小;以土壤粒径小于0.002 mm的黏粒质量百分数为反映土壤质地的物理量,土壤质地由轻变重,土壤入渗能力减小;土壤结构由疏松变密实,土壤入渗能力递减.研究结果对于地面灌溉合理灌水技术参数的确定及水资源合理利用具有重要价值.