石膏对土壤水分入渗特性的影响

[目的]分析石膏对土壤水分入渗特性的影响,以期为土壤入渗模型及石膏更好地应用于生产实际、土壤改良等领域提供科学依据。[方法]采用室内一维土柱模拟试验,利用垂直一维入渗代数模型分析在施加石膏前期,其对土壤水分运动特性的影响。[结果]在施加石膏前期,与对照组相比,随着石膏施量的增加,累积入渗量分别减小了10.2%,16.15%,30.73%和40.38%;入渗率分别减小了18.78%,21.07%,42.13%和54.82%;土壤剖面含水量显著降低。利用垂直一维入渗模型对土壤水分入渗资料进行分析可知,与对照组相比,随着石膏施量的增加,土壤饱和导水率逐渐减小,且分别减小了18.42%,36.84%,59.21%和75.00%;而非饱和土壤水吸力分配系数β与土壤水分特征曲线和非饱和导水率综合形状系数α无明显变化规律。预测值累积入渗量与实测累积入渗量之间的接近程度较高,相关性较好,且决定系数R2均在0.99以上,且均方根误差小于0.5,说明在施加石膏前期,其可以有效地削弱土壤的入渗能力,减少水分渗漏,降低入渗速率,而且还可以改变土壤水分的分布状况,且利用垂直一维入渗模型可以较好地分析石膏对土壤水分特征的影响。[结论]石膏可以有效地降低土壤的入渗能力和导水特性。     

多点源滴灌条件下土壤水分运动的数值模拟

为了摸清多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,为密植作物滴灌系统的合理设计提供依据,本文根据非饱和土壤水动力学理论和多点源滴灌条件下土壤水分运动特征,建立了多点源滴灌条件下土壤水分运动数学模型,利用商业化软件Hydrus对模型进行了求解。模拟结果与实测情况对照表明,模拟的入渗过程与实测的入渗过程基本吻合,均遵循点源入渗、湿润区交汇和最终形成湿润带的演变规律;模拟的交汇时间和入渗深度与实测的相比,偏差均在10%以内;在湿润锋交汇前,湿润区内部土壤含水率模拟值与实测值的差异较小,吻合较好,在湿润锋交汇后,湿润区上部土壤含水率的模拟值要比实测值小一些。总体而言,模拟结果还是能比较真实地反映多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,可为滴灌系统的合理设计及运行提供一定的理论依据。     

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。     

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。     

基于遗传算法的土壤水分运动参数识别

土壤水分运动参数的识别是研究土壤水分运动的基础。该文以反映土壤含水率实测值和计算值吻合程度的均方差最小为优化目标,以土壤导水率和扩散率经验参数上下限为约束条件,建立了土壤水分运动参数识别的优化计算模型。采用遗传算法和田间均质土壤一维非饱和运动数值计算相结合的方法,获得土壤导水率和扩散率经验参数最优值。经验证计算,土壤含水率实测值和计算值吻合程度较高,表明这一方法是可行的。     

负水头条件下的土壤水分垂直一维入渗特性研究

通过室内模拟试验研究了3种土壤在不同负水头条件下的土壤水分垂直一维入渗特性,并基于Brooks-Corey模型,结合非饱和土壤水动力学方程,推导分析了负水头条件下土壤水分垂直一维入渗时累积入渗量、入渗率、湿润锋以及入渗时间之间的理论关系,并利用入渗试验资料检验了这些变量关系。同时,验证了Philip入渗公式在负水头条件下的适用性。研究结果表明:这些理论关系可以很好地描述负水头条件下的土壤水分垂直一维入渗特性。     

数值反演模型模拟层状土壤水力性质

土壤水力性质主要包括土壤水力传导率和水分特征曲线,是进行土壤水分运动数值模拟必不可少的基础数据。自然界中的土壤大都呈层状分布,模拟中涉及的水力性质参数较均质土壤更多。通过室内土柱入渗试验,利用Hydrus-1D软件对垂向一维水分运动进行数值模拟,以入渗过程中不同实测变量(累积入渗量、压力水头及二者组合)为目标函数开展数值反演,优化得到各层土壤水力性质。根据决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)、变异系数(CVs)、优化参数相关矩阵及优化参数标准误差等评价指标,探讨了不同测定变量对解非唯一性、准确性等的影响。结果表明,目标函数仅含有累积入渗量时,虽然反演模拟值与实测值符合度较高,R~2达到0.999,RMSE小于0.005 62 cm,但用压力水头实测值验证参数准确性,效果较差,R~2最高仅为0.338,RMSE小于0.0965cm。使用压力水头作为目标函数进行参数优化求解时,拟合度R~2达到0.855以上,RMSE小于0.038 4 cm;用累计入渗量实测值进行验证,效果较好,R~2可达到0.99以上,RMSE小于0.038 56 cm。累积入渗量和压力水头联合反演求土壤水力性质拟合度较高,R~2达到0.905以上,RMSE小于0.035 4 cm。虽然累积入渗量和压力水头联合反演时R~2和RMSE指标次于累积入渗量,但累积入渗量和压力水头联合反演可以一定程度降低优化参数的相关性和标准误差,从而降低解的非唯一性,提高解的准确性。以上结论可为层状土壤瞬态流试验反演参数过程中,测量变量的选取提供科学依据。     

点源地下滴灌土壤水分运动数值模拟及验证

依据非饱和土壤水动力学理论，借助计算机数值模拟方法，应用Hydrus软件建立了地下点源滴灌的土壤水分轴对称二维数值模拟模型，分析对比了几种土壤条件下地埋点源滴灌时土壤水分的运动状况。应用土壤剖面含水率、土壤水湿润峰运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模型值对模型进行了验证。结果表明，两者具有较好的一致性，相对误差在10%以内，说明所建模型能比较真实地反映供试土壤条件下的水分运动情况。     

地下渗灌土壤水分运动数值模拟

为了寻找一种准确实用的土壤水分运动模拟方法用于指导田间渗灌,该文对一种橡塑渗灌管田间渗灌过程进行监测,并采用Green-Ampt积水入渗模型和一维水平吸渗模型Philip解法分别对渗灌过程中土壤水分在垂直和水平方向的运动进行模拟,通过与田间实测值对比,检验模型的适用性。结果表明,应用Green-Ampt积水入渗模型模拟田间渗灌过程垂直方向土壤水分运动具有较好的准确性,一维水平吸渗模型Philip解法在水平方向的模拟则存在一定偏差。     

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。     

黑钙土不同土层在两种材质负压渗水器下的吸渗特性

基于–5 k Pa负压灌水条件下的一维垂直水分吸渗试验,分析了陶土和聚乙烯醇缩甲醛泡沫塑料(PVFM)两种材质负压渗水器在黑钙土A、B层的渗水性能,测定累计吸渗量、吸渗率、湿润峰及土壤含水率等指标,并利用它们考察了Kostiakov,Horton、Philip 3种常用的土壤水分吸渗模型及垂直一维非饱和土壤水分运动代数模式描述负压吸渗过程的适用性,进一步比较了不同处理下的模型参数。结果表明:(1)–5 k Pa灌水条件下,PVFM渗水器和陶土渗水器的累计吸渗量没有明显差异,前者能有效替代后者作为负压渗水器;(2)黑钙土B层土壤水分吸渗特性比A层差,同时间内累计吸渗量较少,吸渗率降低速度更快;(3)短时间负压灌溉条件下,不同土层的累计吸渗量与湿润峰、吸渗率与湿润峰倒数、湿润峰平方与时间均存在明显的线性关系;(4)负压灌溉后距离渗水器上下各15 cm范围内,土壤含水率维持于20%~33%范围内,变异系数均在10%左右;(5)拟合结果表明,Kostiakov与Philip模型能很好地描述–5 k Pa负压灌溉下不同处理的水分吸渗特性,而Horton模型描述黑钙土A、B层较长时间的吸渗效果较差。     

Characteristics and simplified model of film slit irrigation

Research on the factors affecting the characteristics of film slit irrigation has not received sufficient attention, although this is a wide-adopted irrigation technology. Infiltration modelling based on fewer factors deserves priority in the field studies. A laboratory theoretical study was conducted to investigate the simulated effects of SWMS-2D (simulating water movement through soil in two-dimensional) on soil moisture and cumulative infiltration of film slit irrigation. Error analyses indicated that SWMS-2D was suitable for infiltration simulation. Besides, SWMS-2D was applied to investigate the cumulative infiltration affected by soil texture, initial soil moisture, irrigation water depth, soil structure, opening ratio (ρ), and film slit width (d) and spacing. Results showed that for a certain soil, initial soil moisture and irrigation water depth had the poorest effects, whereas ρ and d had the strongest effects on cumulative infiltration among the 6 influencing factors. Furthermore, a simplified model with only ρ and d was proposed and verified by 3 soil types, which indicated that the proposed double-factor model can be employed for cumulative infiltration estimation under film slit irrigation, due to small mean absolute error of 1.03–3.13 mm, root mean square error of 1.24–3.80 mm, and high Nash-Sutcliffe coefficient around 1.0.     

不同浓度粉末活性炭及其施用方式对土壤入渗的影响

以喀斯特地区典型的石灰土为研究对象,采用室内一维定水头法土柱模拟试验手段,以4种活性炭浓度(0,0.005,0.01,0.02 g/g)及2种混合施用方式(0—10,10—20 cm)、3种成层施用方式(6—8,10—12,16—18 cm)为变量,观测土壤湿润锋推移及累积入渗量的动态变化过程,利用线性关系式和van Genuchten经验公式分别模拟湿润锋推移情况及水分特征曲线经验公式,测量不同土层的质量含水量来研究活性碳粉对土壤入渗过程的影响。结果表明:(1)相同入渗时间内,较高浓度(0.02 g/g)和较浅层的施用方式(0—10 cm混施和6—8 cm层施)对比其他试验组,在土柱湿润锋推移速度的减缓方面表现最优;(2)在前期(t=80 min),入渗受活性炭粉末抑制的程度与其浓度呈正相关,但高浓度的碳粉同时会减缓湿润锋推移速度,故最终入渗量(t=340 min)受其浓度影响较小,同时土壤入渗受活性炭粉末理化性质的影响,层状铺设入渗后期呈现斜率增大的趋势;(3)van Genuchten经验公式及RETC软件对土壤入渗过程的模拟皆表明活性炭粉末施入土壤后,其浓度与土壤吸收水分的能力呈正相关,与土壤释水能力呈负相关;(4)活性炭粉末使得土壤田间持水量与凋萎系数均有所提升,活性炭粉末施用浓度越高,田间持水量越大。(5)层施状态下的活性炭粉末能增加所在土层的质量含水量,为对于其他深度土层的含水量则影响不大。     

不同有机物料对黄土高原治沟造地土壤水分运移的影响

为了改善黄土高原治沟造地土壤结构较差的问题,采用一维定水头土柱模拟试验,探讨了不同有机物料(生物有机肥、粉碎秸秆、50%粉碎秸秆+50%生物有机肥、尿素、对照)对治沟造地土壤湿润锋推移、累积入渗量、入渗速率和土壤水分蒸发特征的影响,并采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov模型拟合分析土壤水分入渗规律。结果表明:(1)粉碎秸秆与有机肥均降低了土壤水分移动速率,增强了土壤持水能力;粉碎秸秆同时降低了土壤稳定入渗速率,与对照相比减小了17.65%;(2)湿润锋推进深度与累积入渗量呈良好的线性关系;通过对3种入渗模型拟合发现,Philip模型和Kostiakov模型的拟合效果较好,符合黄土高原治沟造地土壤入渗率和时间的动态关系;(3)土壤水分蒸发过程中,添加粉碎秸秆具有阻截和蓄积土壤水分,提高土壤含水量的积极作用。     

根据土壤水平一维入渗推求紫色土水动力学参数

选择3种不同质地的紫色土,通过室内土壤水平一维入渗试验,探讨简单入渗法和入渗特性法推求水动力学参数对于紫色土的适用性。结果显示,简单入渗法和入渗特性法推求的水动力学参数中,水分特征曲线准确性较高,水分扩散率和非饱和导水率准确性较差。简单入渗法推求的水分扩散率和非饱和导水率均低于实测值1～2个数量级,但推求值与实测值曲线趋势较为一致。入渗特性法推求的水分扩散率和非饱和导水率在高含水量小于实测值,在低含水量大于实测值,推求值随含水量变化趋势响应缓慢。