夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证

对于土层夹砂结构,湿润锋穿过砂层上界面时,入渗率变为稳渗率。为确定各因素下夹砂层土壤的稳渗率,在Green-Ampt入渗模型基础上,引入导水度系数(小于1)来量化上层土壤的导水程度,建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型。采用HYDRUS-1D软件,模拟了不同土壤质地、初始含水率、压力水头、砂层埋深和砂层厚度条件下的稳渗过程,根据模拟结果分析了夹砂层土壤的入渗规律及其影响因素,稳渗率主要受土壤质地、压力水头和砂层埋深的影响。在相同压力水头、初始含水率和砂层厚度下模拟获得不同砂层埋深的稳渗率,并采用改进的Green-Ampt入渗模型拟合,求得导水度系数和进水吸力值。分析发现导水度系数变化较小,为简化计算,取其平均值0.95。在此基础上,提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用秦王川地区的夹砂层土壤积水入渗试验及已有文献资料验证所建模型的有效性,结果表明所建模型待定参数少,计算误差基本在5%以内,且试验设计较简单,可为农田水分管理及工程防渗技术提供理论依据。     

具有砂质夹层的土壤入渗计算

根据室内系统的试验研究，对土壤具有砂质夹层的入渗计算问题，即非线性入渗阶段转为稳渗阶段时间与稳渗率，提出了一个以现有均质土积水入渗公式为基础的计算方法。该方法利用Kostiakov入渗模型与砂层以上土体达到饱和所需水量建立水量平衡关系，由该关系可以确定出非线性入渗阶段转为稳渗阶段的时间；再由实验数据回归的方法，将层状土转折后的稳渗率与均质土入渗过程在转折时刻的瞬时入渗率的比值与夹层的埋深及中值粒径建立相关关系，从而可由夹层土壤埋深、中值粒径以及均质土在转折时刻的瞬时入渗率确定出层状土转折后的稳渗率。该方法经试验数据的检验，除个别点外，误差均在5%以内。由于确定稳渗率与夹层土壤埋深、颗粒组成、均质土入渗规律等有关，实际确定时会有一定困难，因此该方法尚待完善和生产实际的考验。     

应用HYDRUS-1D模拟砂质夹层土壤入渗特性

依据非饱和土壤水分运动理论,采用HYDRUS-1D软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响。结果表明：砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水和减渗作用;湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和,土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响。研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理论依据。     

应用HYDRUS-1D模拟砂质夹层土壤入渗特性

依据非饱和土壤水分运动理论,采用HYDRUS-1D软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响。结果表明:砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水和减渗作用;湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和,土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响。研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理论依据。     

初始含水率及容重影响下红壤水分入渗规律

运用室内模拟土柱试验,研究了初始含水率为7%,11%和15%这3个梯度及容重为1.2,1.3,1.4,1.5g/cm~3这4个梯度对均质红壤水分入渗规律的影响;根据Kostiakov模型和Philip模型对入渗过程进行拟合分析,得出入渗模型参数。试验结果表明:均质红壤水分入渗,入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系,Philip入渗模型较适用;随着时间的推进,土壤逐渐达到饱和,入渗率、湿润锋运移速率的变化也越来越小;入渗率与初始含水率成反比关系,初始含水率越高,入渗率越低;湿润锋运移速率随初始含水率增加而增大;土壤容重越大,入渗率越低,湿润锋运移越慢。     

砾石覆盖厚度对斥水土壤入渗特性的影响及模型优选

基于室内一维垂直入渗土柱试验,研究砾石覆盖厚度(0,3,6,9,12 cm)对斥水土壤积水入渗及水分再分布的影响,并利用不同入渗模型进行拟合。结果表明:砾石覆盖显著增加斥水土壤湿润锋运移距离(p0.05);同一时段内,各处理累积入渗量皆高于对照组(p0.05),斥水性红壤累积入渗量与砾石覆盖厚度呈正相关关系;斥水性红壤初渗率与稳渗率随砾石覆盖厚度变化均可用指数函数来描述,决定系数分别为0.91和0.87,砾石覆盖使得斥水性潮土初渗率与稳渗率增大,其中稳渗率与砾石覆盖厚度呈二次函数关系,决定系数为0.78,覆盖6 cm时稳渗率达到最大;砾石覆盖明显提高斥水土壤剖面平均含水率,斥水性红壤和潮土最大分别增长180.8%和57.6%;隔绝蒸发条件下,再分布过程斥水土壤湿润体含水率表现为停渗时刻再分布1天再分布3天再分布7天;Horton模型对砾石覆盖斥水土壤入渗过程的拟合效果最好,是分析和预测砾石覆盖斥水土壤水分入渗特征的适宜模型。     

含沙率对层状土浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为探究不同浑水含沙率对层状土入渗特性的影响,通过室内膜孔灌自由入渗试验,研究了以夹砂层位置为5~10cm的层状土条件下清水和不同含沙率的浑水(2%,5%,7%,9%)入渗的累积入渗量、湿润锋运移规律以及湿润体内土壤含水量分布情况,分别建立了层状土不同含沙率浑水膜孔灌入渗量、湿润锋运移距离与入渗时间之间的关系;提出了基于清水入渗的不同浑水含沙率单位膜孔面积累积入渗量模型。结果表明:不同浑水含沙率累积入渗量变化趋势一致,但含沙率越大,累积入渗量越小,浑水减渗作用越明显,对应入渗系数越小,入渗指数越大;湿润锋运移距离随含沙率的增大而减小,当水分入渗到壤—砂交界面时,湿润锋在垂向上出现明显停滞,仅在水平方向上随入渗时间不断推进;供水结束后不同浑水含沙率下土壤湿润体内水分主要集中砂层以上,土壤含水量随浑水含沙率的增大而减小。研究结果可为进一步研究层状土浑水膜孔灌灌溉技术提供理论参考。     

气相阻力与土壤容重对一维垂直入渗影响的定量分析

分析了土壤容重和气阻对一维垂直积水入渗的入渗率、累积入渗量以及湿润锋的影响,并对入渗过程中土壤平均含水率增量进行了研究。容重和气阻均对入渗率、累积入渗量和湿润锋有明显的影响:容重增加导致累积入渗量减少的减渗率在入渗过程中为一常数,相对于容重为1.3g/cm3土壤的累积入渗量,容重为1.4g/cm3和1.5g/cm3土壤的减渗率分别为31.79%和52.03%。容重增加导致湿润锋减少的减渗率在入渗过程中并非一常数,受到了入渗时间的影响;气阻导致累积入渗量和湿润锋减少的减渗率随基准入渗量的增加而变大,受到了入渗时间的影响。对应于1.3,1.4,1.5g/cm3等3个容重土壤的积水入渗,入渗过程中土壤剖面平均含水率增量Δθ分别为0.377,0.3411,0.3137。     

夹砂层状土条件下渠道渗漏的室内试验和数值模拟

为了解渠床含有夹砂层情况下的渠道渗漏规律,开展了均质土（砂壤土）和层状土（含夹砂层）条件下的室内渠道渗漏试验,对不同渠道水位、渠床土质结构影响下渠道渗漏量的变化以及土壤中湿润锋的前进过程进行了试验观测。选用饱和－非饱和土壤水、热和溶质运移模拟软件HYDRUS-2D,对室内试验过程进行了模拟验证及分析。结果表明,渠床中禁锢气体的存在可能阻碍湿润锋行进,使模拟结果产生误差。但总体来说基于Richards方程的饱和－非饱和土壤水分运动模型能够对含有夹砂层渠床的渠道渗漏及土壤水分运动进行模拟。当渠床中有砂质夹层时,湿润锋在交界面处会出现不连续的现象。夹砂层的阻水减渗现象在渠道水位较低时比较明显,当渠道水位较高时,夹砂层的存在甚至会增大入渗量。研究成果可为渠床含有砂层情况下的渠道防渗技术提供参考。     

层状土垂直一维入渗土壤水分运动数值模拟与验证

[目的]为进一步认识层状土垂直一维入渗土壤水分运动规律。[方法]依据非饱和土壤水分运动理论,建立了垂直一维土壤饱和—非饱和水分运动的数学模型,并用SWMS-2D软件进行求解。采用已有文献资料,对均质土和层状土的土壤剖面含水率、土壤湿润锋运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模拟值进行分析验证。[结果]实测值与模拟值具有较好的一致性,所提出的数学模型既适用于均质土壤,也适用于层状土壤。[结论]所建模型能比较真实地反映均质土和层状土垂直一维入渗土壤水分运动的状况,证明利用SWMS-2D软件对层状土柱中土壤水分运动进行模拟具有可行性。     

Characteristics of Water Infiltration in Layered Water-Repellent Soils

Water-repellent(WR) soil greatly influences infiltration behavior. This research determined the impacts of WR levels of silt loam soil layer during infiltration. Three column scenarios were utilized, including homogeneous wettable silt loam or sand, silt loam over sand(silt loam/sand), and sand over silt loam(sand/silt loam). A 5-cm thick silt loam soil layer was placed either at the soil surface or 5 cm below the soil surface. The silt loam soil used had been treated to produce different WR levels, wettable, slightly WR, strongly WR, and severely WR. As the WR level increased from wettable to severely WR, the cumulative infiltration decreased. Traditional wetting front-related equations did not adequately describe the infiltration rate and time relationships for layered WR soils. The Kostiakov equation provided a good fit for the first infiltration stage. Average infiltration rates for wettable, slightly WR, strongly WR, and severely WR during the 2 nd infiltration stage were 0.126, 0.021, 0.002, and 0.001 mm min~(-1) for the silt loam/sand scenario,respectively, and 0.112, 0.003, 0.002, and 0.000 5 mm min~(-1) for the sand/silt loam scenario, respectively. Pseudo-saturation phenomena occurred when visually examining the wetting fronts and from the apparent changes in water content(?θ_(AP)) at the slightly WR,strongly WR, and severely WR levels for the silt loam/sand scenario. Much larger ?θAPvalues indicated the possible existence of finger flow. Delayed water penetration into the surface soil for the strongly WR level in the silt loam/sand scenario suggested negative water heads with infiltration times longer than 10 min. The silt loam/sand soil layers produced sharp transition zones of water content. The WR level of the silt loam soil layer had greater effects on infiltration than the layer position in the column.     

降雨条件下分层土壤入渗特性

通过室内模拟降雨入渗试验,研究了粘土、壤土和沙土3种土壤不同分层组合方式对土壤入渗特性的影响。结果表明:垂直入渗条件下,分层土壤入渗特征由土壤分层组合方式决定;分层土壤累计入渗量与湿润锋距离呈线性相关关系;分层土壤入渗过程中,当粗沙覆盖细沙且降雨强度大于下层细沙土稳定入渗率时,湿润锋以上剖面可以达到或接近饱和,当细沙覆盖粗沙且降雨强度大于细沙土稳定入渗率时,湿润锋剖面中,除细沙土部分剖面达到饱和,其余粗沙土剖面无法达到饱和,且其饱和程度和下层粗沙土土壤持水能力有关。     

基于信息熵方法的土壤水分入渗方程试验研究

对沙壤土、黏壤土进行水分入渗试验,确定4种熵方程(E-Horton、E-Kostiakov、E-Philip、E-GreenAmpt)系数并标定了一般方程(Horton、Kostiakov、Philip、Green-Ampt)系数。根据所得到的方程计算相应的入渗率,并与试验观测数据进行比较。结果表明:在沙壤土中,E-Horton、E-Kostiakov、E-Philip方程能较好地反映土壤水分入渗规律,E-Green-Ampt方程高估了土壤水分入渗率。在黏壤土中,4种熵方程拟合效果均较差。与一般方程比较,基于信息熵方法的土壤水分入渗方程更适于沙质土壤,因为该方法不需要标定方程的参数,简便可行,而且较好地反映了参数的物理意义,为优化灌溉提供理论依据。     

石羊河尾闾黏土质夹层结构土壤对降雨入渗的响应

为探明该种土壤结构如何影响降雨在土壤中再分配及其影响效果,采用自然降雨背景下的人工试验方法开展了黏土质夹层对降雨入渗影响效果的试验研究。结果表明:(1)降雨后经过相同时间水分再分布后的土壤末期含水率主要受控于降雨初期含水率、降雨入渗所能达到的最高含水率及其黏土夹层厚度;(2)黏土质夹层表层沙土土壤含水率在降雨条件下经过长期水分再分布后表现出黏土层厚度越小,表层含水率越低的特征;黏土层及黏土层下部的沙土层初始含水率越高,在降水初期水分增加量、增加速度以及水分流失量、流失速度与初始含水率具有一定的正相关关系。因此,黏土质夹层结构土壤阻滞水分入渗到植物难以利用到的深层,将水分固持于黏土层及黏土层上下部,在表层覆沙20 cm情景下,10,20,30 cm厚度的黏土质夹层以10 cm处理总体水分保持效果最好。     

聚丙烯酸钠对土壤水分入渗影响的模拟研究

采用一维垂直积水入渗法,分析了聚丙烯酸钠(SA)4种浓度(0,0.08%,0.2%与0.5%)处理、不同质地土壤间(砂土、壤土和黏土)累积人渗能力差异性和不同入渗模型的拟合效果.研究结果表明,初始入渗阶段3种土壤累积入渗能力较强,累积入渗量增加很快,随着人渗过程的进行累积入渗量曲线上升趋势变缓;3种土壤对照处理的累积人渗能力顺序为:壤土>砂土>黏土.3种土壤累积人渗能力都随着SA浓度的加大而减弱;随着聚丙烯酸钠浓度的增大(0.08%～0.5%),人渗能力都不同程度的降低,砂土累积人渗能力降低幅度最大.Horton模型对拟合各个处理的累积人渗过程效果最佳,Kostiakov模型和Philip模型拟合效果次之.     

土石混合介质导气率变化特征试验

土壤中碎石的存在改变了土壤结构和孔隙分布,进而影响土壤通气性能。该文通过对碎石单粒径土石混合介质导气率变化特征研究,旨在探讨单粒径土石混合介质导气内在机理,为进一步研究复杂的野外土石混合介质的导气特性提供基础。为了研究土石混合介质中碎石对导气率的影响,该文通过试验研究,分析土壤颗粒小于2mm的样本(砂土、砂壤土、黏壤土)、碎石质量分数(10%、20%、30%、40%、50%)和碎石粒径(2～3、>3～5mm)对土石混合介质导气率的影响。结果表明:在土壤颗粒小于2mm的样本条件下,土壤导气率呈砂土>砂壤土>黏壤土;在相同碎石质量分数的土石混合介质中导气率呈砂壤土>砂土>黏壤土;碎石的存在改善黏壤土的导气性能,使黏壤土碎石混合介质的导气率大于黏壤土的导气率;降低了砂壤土和砂土的导气性能,且砂土的降低幅度远大于砂壤土;在砂壤土中碎石粒径2～3mm的导气率大于>3～5mm的导气率;在砂土中碎石质量分数30%之内,碎石粒径>3～5mm的导气率稍大于2～3mm的导气率,在40%则相反,但两种粒径下混合介质导气率差异不是很明显。     

不同地面覆盖材料对壤土浑水径流入渗规律的影响

通过模拟覆盖、双环入渗试验，对两种土壤质地带新造人工林地、50%覆盖度条件下，地膜、渗水膜、干草、塑料泡膜4种地面覆盖材料对浑水入渗性能的影响及其机制进行了研究。结果表明，在浑水特性一定条件下，地面覆盖对浑水入渗性能的影响，既与土壤质地有关，又与覆盖材料的透水性和孔隙结构有关； 4种地面覆盖材料，降低了土壤的入渗性能、延长了达到稳渗的历时。在常规地面覆盖栽培条件下，地面覆盖对积水型浑水入渗的削弱作用，在于覆盖材料改变了土壤表面的水动力特性，起着阻碍水分下渗的瓶颈作用。其中，尤以不透水的地膜最为明显，与对照相比，其稳渗率降幅达33%(轻壤土)～39%(中壤土)；渗水膜和干草次之，塑料泡膜对下渗的削弱作用最小。覆盖对中壤土稳渗率及稳渗历时的影响大于轻壤土，稳渗历时延长60%～80%，但对累积入渗量的影响不及轻壤土。通过统计分析，得出了与覆盖材料性质和土壤质地有关的特征阻抗参数，为利用常规的浑水入渗资料推求覆盖条件下浑水入渗提供了可能。     

A study of some tillage practices for sustainable crop production in India

Soil tilth has been defined in terms of a ‘Physical Index’ based on the product of the ratings of eight physical properties — soil depth, bulk density, available water storage capacity, cumulative infiltration or apparent hydraulic conductivity, aggregation or organic matter, non-capillary pore space, water table depth and slope. The Physical Index and a tillage guide were used to identify the tillage requirements of different soils varying in texture from loamy sand to clay in the semi-arid tropics. The physical index was 0.389 for a loamy sand, 0.518 for a black clay loam and 0.540 for a red sandy loam soil and the cumulative rating indices in summer and winter seasons were 45 and 44 for loamy sand, 52 and 51 for red sandy loam and 54 and 52 for black clay loam soils, respectively. The compaction of the loamy sand by eight passes of a 490 kg tractor-driven roller (0.75 m diameter and 1.00 m length) increased the physical index to 0.658 and chiselling of the red sandy loam and black clay loam increased the physical indices to 0.686 and 0.729, respectively. The grain yields of rainfed pearl millet and guar and irrigated pearl millet, wheat and barley increased significantly over the control (no compaction) yields by compaction.

The chiselling of the soils varying in texture from loamy sand to clay at 50 to 120-cm intervals up to 30–40 cm depth, depending upon the row spacing of seedlines and depth of the high mechanical impedance layer, increased the grain yields of rainfed and irrigated maize on alluvial loamy sand, rainfed maize on alluvial sandy loam and red sandy loam, rainfed sorghum on red sandy loam and black clay loam, irrigated sorghum on black clay loam and rainfed black gram on red sandy loam, pod yield of rainfed groundnut, tuber yield of irrigated tapioca and fresh fruit yield of rainfed tomato on red sandy loam and sugarcane yield on black clay soil, significantly over the yields of no-chiselling systems of tillage such as disc harrow and country plough.