充分供水条件下垂直线源灌入渗模型简化研究

为了定量预测和分析充分供水条件下垂直线源灌土壤入渗特性,基于HYDRUS-2D模型,设置了144种模拟情景,模拟得到了9种土壤在不同线源直径和线源长度条件下的累积入渗量。采用Philip入渗公式对模拟数据进行拟合,从而获得吸渗率和稳渗率。在此基础上,研究了吸渗率和稳渗率与灌溉参数间的关系,建立了考虑线源渗水面积和饱和导水率的充分供水垂直线源灌土壤累积入渗量简化计算模型。最后,利用试验数据验证了简化入渗模型的准确性。结果表明:同一土质的吸渗率与稳渗率均随线源渗水面积的增大而增大,且吸渗率与线源渗水面积符合线性函数关系,稳渗率与线源渗水面积符合幂函数关系。土壤累积入渗量的简化计算模型的统计指标E_(MAE)与E_(RMSE)分别介于1.57～2.05 L与2.38～2.88 L之间,E_(NSE)≥0.92,计算值与实测值一致性较好,简化计算模型预测效果较好,可初步实现仅通过饱和导水率K_s这个物理参数来预测充分供水垂直线源灌的入渗量。     

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。     

考虑黄土结构变形的Philip入渗模型参数预报

基于黄土高原区区域尺度大田耕作土壤的水分入渗试验,考虑黄土备耕头水地土壤结构的变形特性,建立了Philip半理论半经验入渗模型参数的BP神经网络预报模型,实现了以土壤基本理化参数为输入变量、Philip模型参数为输出变量的BP预报。对Philip模型中吸湿率S、稳渗率A以及90 min累计入渗量的预测值与实测值进行比较,结果显示:吸湿率S的平均相对误差为1.41%,稳渗率A的平均相对误差为2.81%,90 min累计入渗量的平均相对误差为1.75%,三者的平均相对误差值均在3%以下,预测精度很高。这表明以土壤基本理化参数为输入变量的BP神经网络预测是可行的,考虑备耕头水地土壤结构变形使得BP预报结果更符合土壤水分入渗实际状况。     

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.     

基于改进BP神经网络的水分入渗参数预测模型

基于晋北盐碱地土壤水分原位入渗试验,建立了容量为150组的盐碱地Philip入渗模型参数样本,借助MATLAB软件,分别构建基于最值归一化法、联合归一化法的BP神经网络预测模型,其中模型的输入变量为土壤基本理化参数,输出变量为Philip入渗模型参数吸渗率S和稳渗率A,由两模型的预测结果发现,预测误差均小于6%,在建模误差允许范围之内,所建模型可靠;对比模型预报结果发现,联合归一化法处理过的输入数据更具代表性,且提高了网络收敛速度及预测精度。用实测资料对基于联合归一化法建立的模型进行精度检验,结果表明对入渗参数预测的相对误差均小于10%,模型预报精度较高,可满足实际应用的要求。     

基于Green-Ampt模型的变水头积水入渗模型建立及其参数求解

通过对变水头积水入渗物理机制的分析,将入渗水头对入渗的影响归结为对表面饱和导水率的影响,基于Green-Ampt入渗模型,引用了湿润区的平均含水率的概念,并考虑了湿润区平均含水率随入渗时间的变化,建立了具有物理意义的3种变水头积水入渗模型,分析了利用入渗率-累积入渗量及入渗率-真实湿润锋图形获得模型参数的求解方法。通过室内试验,得到了湿润区的平均含水率与入渗时间之间呈乘幂函数变化的规律。利用实测资料对模型及其参数求解的方法进行检验,结果表明所建立的3种模型是正确的,求解参数的方法合理。     

水平土柱入渗法测定土壤导水率

本文提出一种用水平土柱入渗测定土壤水分运动参数——导水率的方法,其原理基于土壤水动力学已有的理论基础,通过测得的土壤吸渗率与作用水头的关系,便可求出土壤的饱和导水率K_s和非饱和导水率K(ψ),本方法概念明确,仪器设备简单,操作方便。     

灌水次数对土壤入渗影响的试验分析

利用野外双环入渗仪和TST-70室内土壤入渗仪进行入渗试验,分析室内以1.35 g/cm3容重装土与田间翻耕地在0、1和2次灌水后的土壤入渗过程,研究Kostiakov入渗模型中各参数随着灌水次数的变化及田间与室内试验中入渗参数的差异性。结果表明:灌水和室内装土试验均使经验指数α有了一定程度的增大。同时,灌水和装土试验的Kostiakov入渗模型中第一个单位时间内平均渗吸速度i0较田间未灌水都有了明显的减小,经验指数α取值范围较有关资料中所给值小。4种处理中,一次灌水和室内装土试验的累积入渗量与时间双对数关系拟合很好,室内试验的误差分析值最小。因此,在利用Kostiakov入渗模型确定灌水技术参数时,应该考虑适用条件以及灌溉情况。     

黄丘区自然草地对坡面土壤入渗的影响机制

利用野外人工模拟降雨试验,研究了草地覆盖度变化对土壤入渗过程的影响,定量分析了草地作用下入渗参数的变化规律。结果表明:草地覆盖度对土壤入渗率的影响存在着分级现象,36%~54%覆盖度范围内入渗率随着覆盖度增大而增大的幅度并不大,只有当草地覆盖度超过59%之后,入渗率才明显增大;草地具有削减入渗波动的能力;Horton和Philip入渗公式均能有效地反映不同植被覆盖度下降水在土壤中的入渗过程及特性;草地覆盖能有效增大土壤初始入渗率和稳渗率,并且土壤初始入渗率以及稳渗率与草地覆盖度均可用指数函数关系表示;草地覆盖度越高,初始入渗率和稳渗率相差越小,入渗率衰减得越慢。     

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。     

Application of isotopic information for estimating parameters in Philip infiltration model

Minimizing parameter uncertainty is crucial in the application of hydrologic models.Isotopic information in various hydrologic components of the water cycle can expand our knowledge of the dynamics of water flow in the system,provide additional information for parameter estimation,and improve parameter identifiability.This study combined the Philip infiltration model with an isotopic mixing model using an isotopic mass balance approach for estimating parameters in the Philip infiltration model.Two approaches to parameter estimation were compared:(a) using isotopic information to determine the soil water transmission and then hydrologic information to estimate the soil sorptivity,and(b) using hydrologic information to determine the soil water transmission and the soil sorptivity.Results of parameter estimation were verified through a rainfall infiltration experiment in a laboratory under rainfall with constant isotopic compositions and uniform initial soil water content conditions.Experimental results showed that approach(a),using isotopic and hydrologic information,estimated the soil water transmission in the Philip infiltration model in a manner that matched measured values well.The results of parameter estimation of approach(a) were better than those of approach(b).It was also found that the analytical precision of hydrogen and oxygen stable isotopes had a significant effect on parameter estimation using isotopic information.     

根据畦田水流推进过程水力因素确定Philip入渗参数和田面平均糙率

根据水流水面线为幂函数曲线假定用满宁水流公式,推求了水流在畦田推进过程的表达式。根据水量平衡原理,建立了利用水流推进过程有关水力因素确定土壤入渗参数和田面平均糙率方法。同时,利用实验资料对所提出的方法进行了检验,结果表明该法所推求的入渗参数与利用推进和消退过程推求的参数相一致。     

葡萄根系分区交替滴灌的土壤水分动态模拟

在根系分区交替滴灌土壤水分动态和根系分布试验观测的基础上,提出了葡萄二维根系吸水模型,并确定了与土壤表层含水率有关的棵间土壤蒸发方程,然后在土壤水分运动基本方程的基础上结合交替滴灌的入渗特性,建立了根系分区交替滴灌的土壤水分动态模型(APRI-Model),模型考虑了该种灌水方式下棵间土壤蒸发和根系吸水的变化特征。通过与田间实测值进行比较,结果表明,模型的均方差在0.01~0.022cm3/cm3范围内,模拟值与实测值的平均相对误差在10%左右,因此,认为模型能很好的模拟干旱区蒸发力较大和作物根系分布不均匀条件下的土壤水分动态。     

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。     

南方丘陵区多层土壤结构水平和垂向渗流特征试验与模拟研究

南方丘陵地区地形起伏,上下游田块及田块内部不同层之间土壤质地差异较大,存在复杂的水分转化关系。为揭示该地区田块内多层土壤水分运动规律,在湖北省漳河水库灌区团林灌溉试验站,开展田块变化水层条件下水分通过犁底层垂直入渗以及通过耕作层侧向入渗试验,观测土壤累积入渗量及各层含水率的变化过程;建立基于HYDRUS-2D的土壤水分二维渗流模拟模型。经验证,模型模拟值和田间实测值基本吻合;试验发现由于土壤性质差异,田块犁底层的存在会抑制水流的垂直运动,减少深层渗漏,但同时增强了水流沿耕作层侧向运动的能力。试验期间,水分沿犁底层平均垂向入渗速率为0.094 cm/min,沿耕作层平均侧向入渗速率为0.138 cm/min;入渗稳定后,渗漏水量占田面累积入渗量的21.11%,其中垂直渗漏水量占0.46%,侧向渗漏水量占20.65%,耕作层侧向渗漏水量占侧向渗漏水量的81.06%。结果表明,土壤侧向渗漏对水量损失的贡献较大,控制田块渗漏特别是耕作层侧向渗漏对南方地区节水减排具有十分重要作用。     

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。     

地下水位下降对干旱区膜下滴灌棉花需水量的影响

膜下滴灌种植方式大面积在西北干旱地区推广应用,使得该区地下水得不到有效补给,地下水位出现大幅下降。水位下降使地下水对土壤水的顶托作用和潜水的蒸发作用减弱,对作物需水量产生一定影响。利用2008~2018年新疆巴音郭楞蒙古自治州国家重点灌溉试验站不同地下水位进行滴灌实验的有利条件,研究地下水位下降对干旱地区膜下滴灌棉花滴灌水量的影响,并使用Penman-Monteith公式计算地下水埋深7～8 m时膜下滴灌棉花的需水量。研究表明：地下水位下降致使干旱地区的膜下滴灌棉花高产的需水量上升;滴灌水的入渗能力具有随矿化度增加而增加的趋势,且适宜的含盐量对棉花的生长具有一定的协同作用;当地下水埋深大于6 m时,水位的进一步下降将不再促使膜下棉花的需水量进一步上升。     

沙雅县枣树间作棉花滴灌

沙雅县农田灌溉采用高效节水灌溉方式,田间灌溉以滴灌为主,结合农作物种植式多采用红枣套种棉花,通过沙雅县托依堡镇枣树间作棉花滴灌项目的设计和实施,详细介绍了滴灌设计中的参数确定、滴灌带参数的选择、灌溉定额、管网的布置、水利计算等分析,为沙雅县其他乡(镇)推广枣树间作棉花种植提供重要技术依据和宝贵的经验。     

滴灌湿润体内土壤墒情监测点位置的试验研究

为了快速精确地监测土壤水分,通过田间试验观测了滴灌带一个湿润体内不同位置的7个中子仪监测点0～120cm深度土壤剖面的水分分布,分析了膜下滴灌湿润体内土壤水分随监测点位置的变化情况。结果表明:土壤含水率的差异,只与监测点与滴灌带的距离有关,距滴头5 cm处的监测点与距滴灌带30 cm处的土壤含水率垂直分布无显著性差异,与距滴灌带55、70 cm处的土壤含水率垂直分布有显著性差异。因此,墒情监测点应布置于距滴灌带0～30 cm范围内,不宜超过此范围。