撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证

模拟撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程,构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流速场和溶质浓度场,建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型,并利用典型畦灌施肥试验结果,检验该模型的模拟效果。结果表明,建立的模型不仅具有在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力,还具备较佳的水量和溶质质量守恒性,从而为评价撒施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比,提供了实用的数值模拟工具。     

基于畦面糙率各向异性的畦灌地表水流运动模型及其验证

选取合理的畦面糙率模型,对于利用畦灌水流数值模型准确地评价和优化畦灌系统性能具有重要的理论与现实意义。该文利用二维全水动力学畦灌模型,采用张量逆运算等数学处理方法,在源项糙率矢量中构建畦面糙率各向异性模型,构建起基于畦面糙率各向异性的二维畦灌地表水流运动模型。基于典型畦灌试验结果对比分析糙率各向异性与各向同性畦灌模型的模拟效果。结果表明,与各向同性相比,所有实例各向异性糙率值下的水流推进过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小3.08～6.83百分点,水流消退过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小2.5～6.81百分点。采用各向异性糙率描述畦灌地表水流运动过程,可明显改善畦灌模拟效果,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了实用可靠的数值模拟工具。     

波涌灌溉技术田间适应性分析

利用地面灌溉模型对波涌灌溉条件下地表水流及入渗过程进行模拟,在模拟结果与田间实测资料对比基础上,确定适宜的田间灌水参数,即土壤入渗强度、田块规格、田面坡度、入地流量、田间微地形等的变化范围,给出适合于波涌灌水方法应用的田间组合条件,提出波涌灌水技术对壤类土质的田间适应性,为制定波涌灌溉的田间实施方案提供科学的依据     

畦灌地表储水形状系数的变化规律

为了提高水量平衡模型模拟水流运动过程的精度。以水量平衡原理为基础,结合动力波（KW）模型,通过对其无量纲化,研究了畦灌过程中的地表储水形状系数变化规律并提出了估算其值的经验计算式。研究表明同一次畦灌过程中地表储水形状系数并非恒定值,而是随灌水时间和水流推进距离等因素变化的。结合已有文献资料验证,结果表明采用水量平衡模型模拟畦灌水流运动过程,考虑动态的地表储水形状系数取值,可有效提高模型的计算精度23.32%。同时也表明采用该文所建经验计算式估算畦灌地表储水形状系数值是可靠的。     

基于混合数值解法的一维全水动力学畦灌模型

数值模拟畦（沟）灌水流运动过程可为地面灌溉系统设计与评价提供必要的工具和手段。该文采用时-空混合数值解法构建起一维全水动力学畦灌模型,并基于典型畦灌试验结果,对比分析采用混合数值解法和Roe有限体积法数值求解一维畦灌全水动力学模型在数值计算稳定性与收敛性、计算精度与效率间的差异,验证基于混合数值解法的模型模拟效果。结果表明,混合数值解法要比Roe有限体积法表现出更佳的数值计算稳定性和收敛性,形成的水平衡误差和平均相对误差相对较低,相同度量环境下的计算效率提高2倍以上。基于混合数值解法的一维畦灌全水动力学数值模拟方法可明显增强数值计算的稳定性和收敛性,有效提高了计算精度和效率,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了可靠的数值模拟手段。     

波涌灌溉土壤间歇入渗数学模型研究现状

波涌灌溉土壤间歇入渗数学模型是进行波涌灌溉田面水流运动数值模拟和灌水方案优 化设计的基础.本文介绍了国内外波涌灌溉土壤间歇入渗的几类主要数学模型:Richards模 型、权重函数模型、Kostiakov-Lewis模型或Kostiakov模型、周期-循环率模型、梯函数模 型和其它模型的应用现状,并进行了分析和评价.     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀。输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义。通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度5°、10°、15°)下细沟水流的输沙能力,进一步采用多变量非线性方程分析流量、坡度、近地表水流饱和深度及其交互作用对细沟水流输沙能力的影响。结果表明,输沙能力随近地表水流饱和深度的增加而增大,且增大的速率逐渐减小,最终输沙能力趋于稳定。细沟水流输沙能力与流量、坡度及近地表水流饱和深度呈正相关关系,与坡度相比流量对输沙能力的影响作用更大。试验结果为明确地表径流与近地表水流耦合作用的土壤侵蚀机制提供了一定的理论基础与科学依据。     

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究。采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm; 3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征。结果表明:不同近地表水流饱和深度下细沟剥蚀率随沟长和含沙量分别呈指数和线性下降,剥蚀能力在近地表水流饱和深度为15 cm时最大,随着近地表水流饱和深度减小而减小;多元非线性回归方程分析表明,细沟剥蚀率与流量、坡度和近地表水流饱和深度均呈正相关关系,其标准化系数分别为1.14,0.72,0.36,说明细沟剥蚀率在近地表水流存在的条件下对流量的敏感性大于坡度。研究结果为紫色土近地表水流作用下细沟侵蚀机理提供一定的理论依据。     

畦田自然要素时空变异性及其对灌水质量的影响

土壤入渗参数、田面糙率、坡度等自然要素是畦灌方案设计的基础参数,其变异性是导致灌水质量远低于预期的重要原因。为揭示畦田自然要素时空变异特征及其对灌水质量的影响,该研究在11组畦田上开展了4 a畦灌观测试验,通过实测数据全面研究了灌前自然要素的畦内空间变异性、畦间空间变异性和年际时间变异性,并结合WinSRFR地面灌溉模型,模拟分析了自然要素时空变异性对畦灌水流运动过程及灌水质量的影响。结果表明：对畦灌灌水质量影响最大的3个自然要素依次是入渗系数、入渗指数和糙率,三者空间变异系数平均值分别为11.00%、4.05%和7.94%,时间变异系数平均值是分别为26.87%、7.73%和21.86%。畦田自然要素变差导致灌水质量整体下降,自然要素的时间变异性对灌水质量的影响大于其空间变异性的影响。入渗参数和糙率的变异性对畦田后半段的水流消退过程影响较大,忽视其年际时间变异性会加大畦尾积水风险。该研究结果可为畦灌方案设计提供指导,为精细地面灌溉发展提供科学依据。     

山区流域坡面流的一种近似解

在山区流域面流近似为运动波的条件下，利用Ｇｏｖｉｎｄａｒａｊｕ．ｅｔ．ａｌ．提出的坡面流分离变量形式，导出了坡面流的偏微分基本方程，根据坡面净雨历时与汇流平衡时间的关系，得到不同净雨历时的坡面流漫流过程。     

喷灌和畦灌对冬小麦农田表层土壤结构的影响

A two-year experiment was carried out on the effect of sprinkler irrigation on the topsoil structure in a winter wheat field. A border-irrigated field was used as the control group. The total soil porosity, pore size distribution, pore shape distribution, soil cracks and soil compaction were measured. The sprinkler irrigation brought significant changes to the total soil porosity, capillary porosity, air-filled porosity and pore shape of topsoil layers in comparison with the border irrigation. The total porosity and air-filled porosity of the topsoil in the sprinkler irrigation were higher than those in the border irrigation. The changes in the air-filled and elongated pores were the main reasons for the changes in total porosity. The porosities of round and irregular pores in topsoil under sprinkler irrigation were lower than those under border irrigation. Sprinkler irrigation produced smaller soil cracks than border irrigation did, so sprinkler irrigation may restrain the development of macropore flow in comparison with border irrigation. The topsoil was looser under sprinkler irrigation than under border irrigation. According to the conditions of topsoil structure, it is preferable for crops to grow under sprinkler irrigation than under border irrigation.     

根系分区交替灌溉对苹果根系活力、树干液流和果实的影响

为了实现节水增效并不断改进苹果灌溉方式,在太行山片麻岩山区山地果园,以长富2号苹果为试材,通过3/4、1/2、1/4根系体积交替灌溉、1/2根系体积固定灌溉、常规畦灌和全根系干旱6个处理,研究了不同灌溉方式对苹果根系活力、树干液流和果实产量、品质的影响。结果表明,根系分区交替灌溉的灌溉区根系活力在各时期均高于常规畦灌,3/4交替灌溉的平均根系活力最高,与1/2交替灌溉和常规畦灌无显著差异;树干液流通量随灌溉体积的减少逐渐降低,1/2根系体积为保证液流的最小灌溉体积;1/2交替灌溉的产量比常规畦灌降低了7.10%,与3/4交替灌溉无显著差异,但糖酸比却最高。综上表明1/2根系分区交替灌溉可以作为片麻岩山地果园的有效节水灌溉方式。     

涌泉根灌湿润体特征值变化规律研究

在米脂山地微灌枣树示范基地进行原状土涌泉根灌人渗试验,研究了不同流量、不同灌水历时条件下涌泉根灌湿润体特征值的变化规律.结果表明:湿润体的水平扩散半径、向上人渗距离、向下人渗深度随流量的增大而增大,且均与入渗时间有显著的幂函数关系;在相同流量情况下,向上人渗最快.水平扩散次之,向下人渗最慢;湿润体体积受灌水量和流量的影响;在不同流量条件下,湿润体体积与灌水量间,湿润体水平扩散半径、垂直扩散距离与灌水量间均存在极显著的幂函数关系;针对五年生枣树根系分布特征,确定了枣树适宜灌水时间和灌水量.     

波涌灌土壤的粒度组成研究

本文通过对宝鸡峡灌区波涌灌和连续灌前后大量土壤取样的粒度组成分析认为,灌水对农田土壤粒度组成的时空分布的影响是长期效应。波流灌灌水技术参数,除入沟、畦流量外,放、停水时间及循环率对土壤的粒度组成没有明显的影响。灌水过程中入渗携带的极少细颗粒并不是波涌灌表层土壤导水率降低的原因。     

基于主成分分析的畦灌质量评价

针对畦灌灌水质量影响因素和评价指标较多造成分析和评价困难的问题,基于大田灌水试验数据,使用主成分分析方法将各评价指标的加权和作为灌水质量综合主成分指标,并利用该指标评价和分析灌水质量。结果表明,灌水质量综合主成分可以代表96.74%的灌水质量变异信息,且服从正态分布,具有较好的代表性与客观性,可用于畦灌灌水质量的评价。利用灌水质量综合主成分作为指标分析表明,畦长和改水成数对灌水质量有显著的影响,各因子对灌水质量的影响从大到小依次为改水成数、畦长、坡度、单宽流量、灌水定额、入渗系数、粗糙系数和入渗指数,并且影响灌水质量的因子之间存在相互拮抗作用或相互协同的作用。     

不同灌水技术要素组合下畦灌灌水深度的控制目标

研究地面灌溉反馈控制技术,加强对灌溉过程的控制和管理是当前改进地面灌溉技术的重点所在。该文基于以往研究成果,结合农民实际灌水经验,提出3种灌水深度控制目标(即田面最小灌水深度大于0时关口,入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口,田面最小灌水深度等于灌溉需水量时关口),并借助灌溉模拟模型以确定关口时间,从而控制灌溉水量。将田间试验与数值模拟相结合,分析不同土质、地形、畦长、入畦单宽流量下灌溉性能指标值对3种灌水深度控制目标的响应关系,确定不同灌水技术要素组合下适宜的灌水深度控制目标。结果表明,灌水深度控制目标对灌溉性能指标值的影响程度受畦长影响最为明显,其次是田面坡度和土质、再后是田面平整精度,入畦流量的影响不明显。砂壤和黏壤土质下畦长为50 m时,灌水深度控制目标取入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳;畦长为100 m时,零坡度下灌水深度控制目标取田面最小灌水深度大于0时关口最佳,有坡度下取入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳;畦长为150 m时,除黏壤土有坡度田面平整精度好的情况采用入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳外,其他建议采用田面最小灌水深度大于0时关口。研究成果为畦灌反馈控制方案的制定提供了决策依据。     

波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动数值模拟及试验

考虑到地下水浅埋对上层包气带水分分布造成一定影响,该研究结合波涌灌技术,对地下水浅埋下间歇入渗的土壤水分分布特征和运动规律进行了分析,建立了基于饱和-非饱和土壤条件下一维间歇入渗水分运动模型,根据试验实测资料采用Hydrus-1D软件反推土壤水分运动参数,并对入渗过程进行了模拟。在此基础上,确定了饱和导水率的估算模型。结果表明:所建参数估算模型较好地反映了饱和导水率与间歇周期数、循环率以及周期时间之间的相关关系,所建水分运动模型模拟值与实测值比较,累计入渗量、土壤含水率以及湿润体运移距离总体相关系数高于0.96,均方差在0.5以内,吻合度较高,能够较好地描述了地下水影响条件下波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动特征。该研究为波涌灌技术进一步发展奠定了科学基础。