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。     

层状夹砂土柱室内积水入渗试验及模拟

为了研究夹砂层对入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响,进行了室内层状夹砂土柱一维薄层积水入渗试验和相应情况下均质土柱的对照试验。结果表明,当湿润锋到达夹砂层上界面后,层状夹砂土柱的入渗过程与均质土入渗表现出明显不同。在湿润峰穿过夹砂层上界面时入渗率有较大波动,且最终进入稳渗阶段,其稳渗率明显小于同时刻均质土柱入渗率;当湿润锋穿过夹砂层后,夹砂层内的土壤含水率明显小于其饱和含水率。根据试验和分析,建立了针对层状夹砂土入渗的S-Green-Ampt模型,该模型可以较准确地反映层状夹砂土柱积水入渗的机     

不同入渗水头条件下的Green-Ampt模型

在蓄水坑灌灌水时,蓄水坑内入渗水头的增加会改变入渗界面土壤结构性状,从而导致土壤水分入渗特性发生变化。为了能够模拟不同入渗水头作用下的入渗过程,该文在分析入渗水头对水分入渗影响的机制基础上,将入渗水头对入渗的影响归结为对概化饱和区导水率的影响,建立了能够模拟不同入渗水头对入渗影响的改进Green-Ampt模型。在室内进行了不同入渗水头入渗试验对改进后的Green-Ampt模型进行验证,结果表明不同入渗水头条件下不同时刻对应入渗率的Green-Ampt模型计算值和试验实测值吻合较好,改进的Green-Ampt模型可以有效地模拟不同入渗水头条件下的入渗过程。     

膜孔灌灌溉入渗量的简化计算方法及验证

为简化膜孔灌入渗量的数值计算,将膜孔入渗量分解为垂直入渗量和膜孔侧渗量,引入单位膜孔周长侧渗量计算膜孔侧渗量。采用HYDRUS-1D/3D软件对土壤垂直一维入渗特性和膜孔入渗特性进行数值模拟,利用模拟结果分析单位膜孔周长侧渗量与垂直一维入渗的影响因素及其入渗系数,结果表明:膜孔直径对单位膜孔周长侧渗量影响微弱,可忽略其对单位膜孔周长侧渗量的影响;土壤质地对相对吸渗率(单位膜孔周长侧渗量的吸渗率与垂直一维入渗的吸渗率的比值)和相对稳渗率(单位膜孔周长侧渗量的稳渗率与垂直一维入渗的稳渗率的比值)影响均较大,相对吸渗率随初始含水率增大而略有减小,减小幅度为5.49%~24.72%,灌溉水深对其影响较小,最大变化幅度为21.80%;相对稳渗率随灌溉水深增大而增大,增大幅度为2.55%~42.76%,初始含水率对其影响微弱,最大变化幅度为2.94%。据此,建立侧向入渗系数与垂向入渗系数间的函数关系式,提出包括膜孔直径、灌溉水深、垂直一维吸渗率和饱和导水率的膜孔灌入渗量简化计算模型,实现由垂直一维入渗参数确定膜孔入渗参数的可能。利用室内垂直一维入渗和膜孔入渗试验及已有文献资料验证所建模型的可靠性,结果表明,所建模型计算值与实测值一致性较好(R2≥0.995,P0.001),平均相对误差在5%左右(4.84%~6.81%)。所建模型仅有2个待定系数,只需垂直一维入渗和膜孔入渗2组试验数据即可推求,试验设计简化,可为准确预测膜孔灌入渗特性提供参考。     

Green-Ampt模型参数简化及与土壤物理参数的关系

简化模型表达形式从而减少参数个数,对于Green-Ampt入渗模型的实际应用具有重要的现实意义。该文通过推导湿润锋处平均基质吸力与Philip模型中土壤吸湿率关系基础上提出了简化的Green-Ampt入渗模型,基于新疆222兵团两块壤质土壤田块上土壤水分入渗试验资料,分析了Green-Ampt简化入渗模型参数与土壤物理参数之间的关系,建立了模型参数与土壤物理参数之间的定量经验转换函数。结果表明,入渗参数A(组合参数)与土壤初始含水率呈对数负相关,相关系数为0.77,A与土壤紧实度和黏粒含量均呈指数负相关,相关系数分别为0.70和0.74。饱和导水率Ks与土壤紧实度和黏粒呈指数负相关,相关系数分别为0.74和0.73。A和Ks与土壤初始含水率、土壤紧实度和黏粒含量呈高度和中度多元线性相关,相关系数分别为0.9和0.79。研究表明Green-Ampt简化入渗模型能够在一定精度下分析土壤入渗过程。     

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。     

有机酸改良剂对盐碱土水盐运移的影响

土壤盐碱改良剂的应用研究对土壤改良及作物生长有重要意义,其中富含有机酸的改良剂因其无毒无害效果显著被广泛使用。通过室内一维土柱入渗试验,选取“禾康”盐碱清除剂作为典型有机酸改良剂(简称OA),设置4组施用含量梯度(0.140,0.145,0.150,0.155 g/cm^2),以未施加OA的处理作为对照,同时设置不同的OA施加深度(5—10,15—20,25—30 cm),以研究OA对盐碱土水盐运移的影响。结果表明:混施OA处理中,随着OA施加量的增加,土壤入渗能力减弱,稳定入渗率显著下降,通过Philip和Green-Amp入渗模型对入渗过程拟合,Philip模型较Green-Ampt与拟合参数的一致性较好,更适合于土壤中含有有机酸改良剂作用的入渗过程模拟,吸渗率S、稳渗率A相对误差分别为9.82%,2.23%,吸渗率S、稳渗率A、饱和导水率KS及土壤水吸力Sf均呈减小趋势,土壤的持水性能和土壤脱盐率显著提升。在层施OA处理下,随着层施深度的增加,累积入渗量增大,稳渗率降低,土壤的脱盐率无明显提高。研究结果为有机酸改良剂在盐碱土改良应用中提供理论依据。     

添加γ-聚谷氨酸减少土壤水分深层渗漏提高持水能力

γ-聚谷氨酸(Poly-γ-glutamic acid,γ-PGA)是一种高分子聚合物,具有超强的吸水能力和生物降解性。为探明γ-PGA在土壤改良方面的应用及对土壤水分运动的影响,该文基于室内垂直一维入渗土柱试验,研究了不同γ-PGA施量配比(0、0.5%、1%、2%、4%)对土壤水分入渗及持水特性的影响。结果表明:与对照组相比,添加4%的γ-PGA的累积入渗量、入渗率和湿润锋分别减少了57.95%、53.89%、59.58%;四种入渗模型参数的模拟结果显示,与对照组相比,随着γ-PGA施量的增加,Kostiakov公式中的经验系数从0.808减小到0.538,经验指数从0.530增大到0.623;Philip入渗公式中的吸渗率从0.704减小到0.292;Green-Ampt公式中,饱和导水率从0.0043减小到0.0011 cm/min,湿润区有效的土壤水扩散率从1.19减小到0.16 cm~2/min,湿润锋处的土壤水吸力无明显变化;垂直一维入渗代数模型中,饱和导水率从0.0044减小到0.001 cm/min,非饱和土壤吸力分配系数和土壤水分特征曲线和非饱和导水率综合形状系数均无明显变化趋势。土壤的持水特性结果表明:随着γ-PGA施量的增加,土壤饱和含水率增加,且与对照相比,表层土壤(0~10 cm土层)的含水率呈显著增加趋势,深层土壤(≥10~40 cm土层)的含水率则呈减小趋势。同时,湿润土层的厚度逐渐减小,说明γ-PGA不仅可增强土壤的持水能力,而且还可改变土壤剖面水分的分布形态,使更多水分蓄积在作物根区土层区域。该研究为γ-PGA的田间土壤改良及应用提供了理论支撑。     

充分供水条件下点源入渗参数影响因素及其简化模型

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了充分供水条件下点源入渗的土壤水分运动数学模型,并应用SWMS-3D软件对模型进行了求解,模拟并分析了充分供水条件下多种典型土壤的点源入渗特性及其影响因素。结果表明,充分供水条件下点源入渗累积入渗量曲线符合Philip模型;在相同土壤质地、容积密度下,吸渗率与稳渗率随着膜孔直径的增大而增大;稳渗率随灌溉水深的增大而略有增大。基于Philip模型,提出了包含膜孔直径、灌溉水深的充分供水条件下点源入渗简化模型。并利用黄土高原典型土壤的室内试验资料与已有文献资料对简化模型进行了验证。验证结果表明,所建简化模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可较准确地反映充分供水条件下点源入渗特点。     

不同生物炭施加量的土壤水分入渗及其分布特性

为了揭示生物炭施加到黑土区土壤后形成的特殊双层土壤结构对土壤水分入渗及其分布的影响,该研究采取室内与田间试验相结合的方法,探讨了积水入渗条件下不同生物炭施加量(0、10、20、40和80 t/hm~2)的土壤水分入渗特性,并建立了生物炭-土壤双层土壤结构水分分布模型,对不同生物炭施加量的农田土壤水分分布进行了模拟。结果显示,生物炭-土壤双层结构土壤水分入渗过程表现为斜率由大变小的两段非线性曲线,转折点为入渗锋面到达生物炭-土壤交界面后暂停继续下渗,上层土壤质量含水率累积到界面含水率超过临界含水率42.5%的时间;生物炭的施加使土壤入渗率、饱和导水率和临界吸力与对照相比提高的比例范围分别为21.95%~112.20%、14.29%~52.38%和13.75~78.69%,同时也可显著增强上、下层土壤的持水性能。在上层土壤厚度为20 cm时,影响临界吸力的因素只有生物炭的施加量,且其与施炭量的相关性大于土壤入渗率和饱和导水率;施用生物炭条件下的土壤水分分布规律可以用本研究所建立的生物炭-土壤双层土壤结构水分分布模型来表达。研究表明,生物炭添加能够改善黑土区土壤持水能力和水分入渗特性,有利于作物生长,减少地表径流和水土流失;同时也为生物炭在黑土区农业生产上的应用选择合理施加量提供科学参考。     

多因素作用下浑水入渗对土壤导水特性的影响

浑水土壤入渗具有复杂的上边界变化过程,其上边界导水能力的变化规律是研究浑水土壤入渗特性的重要基础。为研究浑水入渗形成致密层过程中导水率的变化情况,该研究进行了17组(9组正交试验处理,8组用于模型验证)浑水饱和土柱入渗试验,通过对试验结果进行多元回归构建多因素(浑水含沙率、黏粒含量及入渗时间)影响下砂土导水率动态模型;并结合浑水饱和土柱入渗特性进行合理假设,分别建立浑水砂壤土和粉壤土饱和土柱导水率动态模型并进行验证。结果表明:浑水含沙率、黏粒含量及入渗时间对砂土导水率影响极显著(P<0.01),入渗时间为砂土影响导水率变化的主要因素,其次为含沙率和黏粒含量;建立的砂土导水率动态模型决定系数为0.853,均方根误差为0.004 cm/min,表明该模型可客观反映各因素与导水率之间的关系;模型验证试验结果中均方根误差小于0.01 cm/min,相对误差绝对值均值小于7%,说明该导水率动态模型可靠性较高;砂壤土和粉壤土导水率动态模型决定系数分别为0.912和0.930,均方根误差分别为2×10^-3和5×10^-5 cm/min;模型验证中均方根...     

不同含盐土壤圆盘入渗特征试验

不同含盐土壤水分入渗特征是获得准确的土壤水力参数的基础。该文通过圆盘入渗试验,分析了4种土壤在5个（-1、-3、-6、-9和-12 cm）负水头下的入渗特征。结果表明,随着水头的减小,4种土壤的吸湿率线性减小,稳定入渗率和非饱和导水率呈不同程度减小。随土壤含盐量增加稳定入渗率和导水率呈增大规律。根据实测资料确定了不同负水头下非饱和导水率的Gardner指数模型参数,为盐渍化土壤水力参数的确定提供理论参考。     

非饱和土壤一维水分入渗与再分布的解析解法

Soil infiltration and redistribution are important processes in field water cycle, and it is necessary to develop a simple model to describe the processes. In this study, an algebraic solution for one-dimensional water infiltration and redistribution without evaporation in unsaturated soil was developed based on Richards equation. The algebraic solution had three parameters, namely, the saturated water conductivity, the comprehensive shape coefflcient of the soil water content distribution, and the soil suction allocation coefficient. To analyze the physical features of these parameters, a relationship between the Green-Ampt model and the algebraic solution was established. The three parameters were estimated based on experimental observations, whereas the soil water content and the water infiltration duration were calculated using the algebraic solution. The calculated soil water content and infiltration duration were compared with the experimental observations, and the results indicated that the algebraic solution accurately described the unsaturated soil water flow processes.     

去电子处理微咸水矿化度对土壤水盐运移特征的影响

为探究去电子处理微咸水对土壤水盐运移的影响,该文通过室内土柱试验,分析了不同矿化度微咸水(0.14、2、3、4、5 g/L)经去电子处理后土壤水分入渗及盐分分布规律。结果表明:不同矿化度去电子微咸水土壤入渗速率及湿润锋运移速率明显大于未处理微咸水,入渗时间为200 min时,累积入渗量和湿润锋运移深度在矿化度为4 g/L时增加幅度最大。相同矿化度去电子微咸水与未处理微咸水相比,Philip入渗公式吸渗率、Green-Ampt入渗公式饱和导水率及湿润锋处吸力均显著增加。去电子微咸水能够显著提高土壤的持水效率和上层土壤盐分的淋洗效果,矿化度为4 g/L时,相对淋盐率和Na+相对淋洗率最大。该研究表明去电子化处理能够改善土壤水盐运移特性,有利于微咸水安全利用。