基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型Ⅱ——模型应用

利用作者开发的基于SGA和SRFR模型构建的畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数优化反演模型,在不同田间灌溉实例条件下进行参数优化估值,分析评价依据地表水流推进(消退)数据估算得到的土壤入渗参数和田面糙率系数进行畦灌地表水流运动过程模拟的效果。结果表明,利用基于地表水流推进数据估算的参数可很好地模拟非稳定状态下的水流推进过程,但其模拟地表水流消退过程的效果却普遍较差,而采用基于地表水流消退数据估算的参数虽可较好地模拟稳定状态下的水流消退过程,但用其模拟水流推进过程的精度却有所下降,只有采用基于地表水流推进与消退组合数据估算的参数,才能获得较佳的综合模拟效果。与人工试算法和离散变量法估算的参数相比,基于SGA优化估值参数模拟的畦灌地表水流运动过程效果更好,SGA是改善参数估值精度的有效手段。     

用畦灌试验资料推求土壤入渗参数的非线性回归法

本文对利用畦灌试验资料推求土壤入渗参数的Maheshwari法和Esfandiari法进行改进,把利用模式搜索技术进行参数计算,改为利用非线性回归法进行多次逼近计算,使计算工作量大大减少。实测资料的验证表明,改进后的方法具有更高的计算精度。在此基础上,本文对Maheshwari法、Esfandiari法及经过改进的算法进行了评价,认为几种算法各有优缺点,使用时应根据试验资料及观测精度选择。     

果园土壤入渗参数与畦灌田面综合糙率的确定

对果园畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数的准确测定,有助于提高畦灌的灌水效果。文中在山西省夹马口灌区果园,选择四种土壤表面形态进行了入渗试验,确定了土壤入渗参数,根据试验结果,将灌区土壤分为强入渗、较强入渗、中等入渗和弱入渗四种入渗类型。利用模拟畦灌水流运动零惯量模型,采用反求参数的方法,获得四种土壤入渗类型畦灌田面综合糙率系数,为类似地区进行畦灌设计和管理提供重要的参考依据。     

基于畦首水深和田面水流推进过程的畦灌流量反演方法

针对畦灌稳健设计中单宽流量难以实现无干扰测量的问题,研究入畦流量的反演方法。利用在中科院南皮生态农业试验站进行的灌水试验数据,采用两点法估算入渗参数,引入地表储水形状系数和地下储水形状系数,根据畦首水深和水流推进的数据,估算了畦田的单宽流量。与实测单宽流量相比,N1、N2、N3号畦田的相对误差分别为13.27%、8.02%、11.24%。结果表明:该方法用于畦灌稳健设计中单宽流量控制误差调查是可行的。     

基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型(Ⅰ)——模型建立

利用基于地表非稳定流运动方程的地面灌溉模型对畦灌性能进行分析评价是改进传统地面灌溉方式、提高畦灌性能的重要举措，而准确地确定畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数是改善畦灌性能模拟精度的重要前提。本文基于基本遗传算法SGA和地面灌溉一维模型SRFR建立的畦灌土壤入渗参数与田面糙率系数优化反演模型，可在给定的参数值域范围内开展多参数全局性寻优，利用计算机动态解析技术对SRFR模型执行程序进行解析处理，建立SGA与SRFR模型间的内部运行衔接方式，实现畦灌土壤入渗参数与田间面糙率系数优化反演过程的自动化运作，进而有效提高了参数寻优估值的工作效率。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟：Ⅰ模型

本文基于零惯性量方程和一维对流-弥散方程建立起畦灌溉施肥地表水流溶质运移模型,并利用HYDRUS-2D软件模拟二维非饱和土壤水流溶质运移过程,以一维地表水流溶质运移模拟得到的通量条件作为二维非饱和土壤水流溶质运移模拟的上边界,利用编制的程序将两个模型进行集成,构建起畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型。基于多时段分步迭代计算方法,实现沿畦长地表入渗溶质通量动态变化条件下的二维非饱和土壤水流溶质运移模拟。     

由波涌畦灌灌水资料推求土壤入渗参数和减渗率系数

本文根据水量平衡原理，提出了利用大田畦灌灌水资料推求土壤入渗参数的方法，在此基础上，又提出了利用波涌灌水流推进和消退资料确定间歇入渗减渗率系数的方法。实例计算表明，这些方法能简单而有效地求得田间土壤平均入渗参数和减渗率系数。该研究成果为波涌畦灌技术要素设计和灌水质量评价奠定了基础。     

不同微地形条件下入渗空间变异对畦灌性能影响分析

入渗空间变异对畦灌性能影响显著。本文基于构建的畦灌数值模拟试验条件,借助二维灌溉模拟模型,针对规格不同的3类畦田系统模拟分析不同微地形空间变异程度、入畦单宽流量和坡度条件下入渗空间变异对畦灌性能的影响,讨论其影响程度与入渗和微地形空间变异程度、入畦单宽流量和坡度之间的关系。结果表明,入渗空间变异主要对灌溉均匀度CU和灌溉效率Ea产生影响,对水流恰好覆盖整个田面所需灌水量基本无影响,入渗空间变异越强畦灌质量越差。当入渗空间变异为弱变异时,在实际工作中可不考虑其影响,当入渗空间变异系数Cv大于0.5以后其影响则非常显著;入渗空间变异对畦灌性能的影响程度随微地形空间变异的变化趋势与坡度密切相关,零坡度条件下随着微地形空间变异的减小而增加,当田面平整精度较高(Sd小于2cm)且坡度为零时,其影响尤为显著,实际应用中不容忽视。     

SRFR模型对畦灌技术试验中参数模拟结果的评价

根据田间试验,对棉花畦灌设计不同的入畦流量、畦田规格、平整度等试验因素,并利用SRFR模型,对形状因子a为0.363,入渗系数K为4.974,稳定入渗率f0为0.926,田面糙率系数n为0.102条件下,水流推进距离与受水时间关系进行了模拟,对比发现水流推进速度随畦宽的增大而降低.将平均累积入渗量作为因变量,其与畦宽、畦长、平整度、入畦流量的线性关系为:Davg=56.642+0.0572W-0.3224L-0.1111S-0.8086Q,相关性达显著.     

考虑入渗空间分布变异性的适宜土壤紧实度采样密度分析

土壤入渗采样密度直接影响其空间分布变异性的合理表征,进而影响畦灌性能评价与系统设计。本文基于新疆供试田块上获得的实测数据,借助地质统计学和条件模拟方法分析不同土壤紧实度采样密度下简化的Green-Ampt入渗模型参数的统计特征值、空间变异结构与状况,对比不同土壤紧实度采样密度对畦灌性能模拟效果的影响,综合确定适宜的土壤紧实度采样密度。结果表明,当土壤紧实度采样密度大于50个/hm2时,简化的Green-Ampt入渗模型参数的变程和空间分布状况在田块尺度上都趋于稳定,而畦田尺度上的畦灌性能评价指标模拟值与实测值间的相对误差均保持在10%以内,故适宜的土壤紧实度采样密度值应为不低于50个/hm2。     

估算土壤入渗参数的改进Maheshwari法

本文引用Fok和Bishop提出的地表下储水形状系数计算公式，通过数学推导，变Maheshwari法的模式搜索为直接计算，在数据处理方法上进行了改进。实例计算的结果表明，本文提出的改进Maheshwari法在减少计算工作量的情况下，其入渗参数的估算结果与Maheshwari法一致。作者还结合计算实例对计算过程中地表储水形状系数的取值问题进行了分析，结果表明，地表储水形状系数可以简单地取0.75.     

分析供水边界含水层抽水试验数据的新方法

提出了一种分析直线供水边界含水层抽水试验数据的新方法。本文将井函数中的2个级数表达式分别采取不同的简化方式，建立了一个二元线性回归方程。将试验数据分别转换为对应回归方程中因变量和自变量的数据后，利用线性最小二乘法计算回归方程中的常数，然后利用这些常数计算含水层参数和映射井至观测井间的距离。与传统方法相比较，本文方法不需预先绘制专门图解曲线；不存在人为的随意性对计算结果精度的影响，计算过程易于程序化。     

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%。     

An Approximately Semi-Analytical Model for Describing Surface Runoff of Rainwater Over Sloped Land

Accurate prediction of surface runoff is critical to watershed management. In this research a semi-analytical model was adopted to solve the kinematic wave equation based on the assumption that the rate of overland-flow depth change is proportional to the rainfall excess. Simulations were compared with the results from laboratory experiments at various rain intensities. Parameters of infiltration rate and Manning’s roughness coefficient were determined. The accuracy of the semi-analytical model was evaluated by numerical simulations. The predicted outflow rates from the numerical simulations agreed well with the observed data. Further, our study indicated that the ratio (c) of the overland-flow depth change to the rainfall excess was a power function of the rain intensity. The depth and velocity of water flow at any time and distance could be calculated with the semi-analytical model. Hydraulic parameters including Reynolds number, Froude number, hydraulic shear stress, stream power and Darcy-Weisbach friction factor characterizing the dynamic features of overland flow of rainwater were calculated based on calculated overland-flow depth and velocity. The proposed analytical method can provide a new way to predict infiltration and runoff over sloped land.     

A Water Budget Model for the Yun-Lin Plain,Taiwan

A water budget model is proposed to estimate the infiltration, runoff, evapotranspiration and recharge in vadose zone and apply to a case study. The instantaneous redistribution of infiltrated water is assumed to be uniform and a linear relationship between evapotranspiration and effective saturation is imposed. Infiltration is described by Philip's solution in conjunction with the time compression approximation method during rainfall. Runoff occurred when rainfall rate exceeds soil-infiltrating rate. The soil profile drainage was determined by evapotranspiration and recharge. Cumulative infiltration, runoff, evapotranspiration and recharge are estimated with different climate conditions and different soil hydraulic properties during simulating period. Analysis shows that initial effective saturation affects the estimated results in this water budget model in the short or mid-term simulations while not in long-term simulations. The climatic conditions of Yun-Lin plain area, Taiwan from 1991 to 1997 are used by referring to hydrological and hydrogeological parameters to provide the computational procedures of this study for estimating recharge. Results showed that the amount of annual recharge was affected by the amount of annual rainfall and soil properties.     

Runoff load estimation of particulate and dissolved nitrogen in Lake Inba watershed using continuous monitoring data on turbidity and electric conductivity

Easy-to-measure surrogate parameters for water quality indicators are needed for real time monitoring as well as for generating data for model calibration and validation. In this study, a novel linear regression model for estimating total nitrogen (TN) based on two surrogate parameters is proposed based on evaluation of pollutant loads flowing into a eutrophic lake. Based on their runoff characteristics during wet weather, electric conductivity (EC) and turbidity were selected as surrogates for particulate nitrogen (PN) and dissolved nitrogen (DN), respectively. Strong linear relationships were established between PN and turbidity and DN and EC, and both models subsequently combined for estimation of TN. This model was evaluated by comparison of estimated and observed TN runoff loads during rainfall events. This analysis showed that turbidity and EC are viable surrogates for PN and DN, respectively, and that the linear regression model for TN concentration was successful in estimating TN runoff loads during rainfall events and also under dry weather conditions.     

单裂隙辐射流渗流试验研究

通过裂隙辐射流渗流试验装置对人工裂隙进行不同法向荷载下渗流试验,分析法向应力和渗流压力对渗流量的影响机理。各级法向荷载下裂隙面冲刷痕迹大体接近,被冲刷的区域集中在试件中心进水口处,进水口附近水流产生较大紊动。不同法向应力下渗流量与入渗水头近似呈线性关系,说明了试验过程中裂隙水的运动特性符合达西定律;相同入渗水压下的渗流量大致相同,上下试件之间的接触状态不随法向应力的加大发生变化,而是维持一个稳定的裂隙开度。入渗水压从0.1 MPa到0.2 MPa之间水头损失增加较快,0.2 MPa后增速变慢且趋近直线;水头损失百分比曲线呈现先增大后减小的规律,拟合曲线为三次多项式。     

城市屋顶降雨径流过程单位线模型研究

城市屋顶按透水性质可分为不透水与绿色(渗透)屋顶.对于绿色屋顶,基于土壤水饱和下渗理论,考虑基质土壤层厚度有限性及表面积水深影响,推导建立了降雨径流过程的单位线模型,再联合不透水屋顶降雨径流过程单位线模型,共同构成城市屋顶降雨径流过程的单位线模型,并建立了统一的数学方程表达形式,参数包括响应速率与径流(产流)起始时间....