黑土区土壤水分特征曲线模拟及模型优选

土壤水分特征曲线是重要的土壤水力性质参数之一。为获取预测土壤水分特征曲线方法,以4种经验模型模拟黑土区土壤水分特征曲线。根据离心机实测试验数据,分析不同质地土壤水分特征曲线变化趋势。结果表明,在低吸力段,土壤水分特征曲线变化率大,土壤释水能力强;中高吸力段,曲线缓慢降低并趋于平稳,持水性强。对比分析VG、BC、MG、LND 4种经验模型拟合可知,VG、MG和LND模型拟合值与实测值接近,而BC模型偏差较大。误差分析可知,VG、MG模型模拟效果优于BC和LND模型,其中VG、MG模型对不同类型土壤模拟效果最好,LND模型次之,BC模型模拟效果最差。因此,VG和MG模型可作为黑土区土壤水分特征曲线估算最优模型。     

基于数值方法的农田土壤零通量面的模拟

零通量面能够反映土壤水分运动情况,定量计算土壤水分的入渗和蒸散量。采用Richards方程描述了降雨和蒸发边界条件下的一维土壤水分运移,通过土壤传递函数估算得到Van-Genuchten水分特征曲线参数,借助参数化Hydrus-1D模型计算得到一维土壤空间不同层的土壤含水量和基质势的数值解,并采用田间实测数据对数值解进行了验证,根据不同层的水势梯度和水流通量的值判断零通量面出现位置以及零通量面类型,最后分别设置5个不同的降雨和蒸发强度,模拟分析了土壤零通量面的空间位置和类型。研究结果表明:(1)采用Hydrus-1D可以准确模拟降雨和蒸发条件下的一维土壤水分运移;(2)在降雨和入渗条件下,零通量面位置随之降低;(3)蒸发强度增加时,零通量面上部土水势降低,土壤吸力增大,使其位置上升。结果证明该方法可行,能够模拟零通量面的动态变化。     

北京西山地区人工林土壤水分特性的研究

通过实测得出土壤水分特征曲线和土壤水分常数,并对北京西山地区不同立地条件下的土壤水分特性进行分析.结果表明,在中、低吸力段(＜1 5 MPa)土壤水吸力与土壤含水量之间存在显著的函数关系,经验方程:θ=ΑS-B对该地区的土壤水分特征曲线有良好的模拟性,土壤的有效水上限(田间持水量)为0.03 MPa 土壤水吸力所对应的土壤湿度,易效水与难效水的吸力界点以0.3 MPa 为宜,土壤的持水性和供水性较低,混交林水分特性优于纯林,同一立地条件下,底层土优于表层土.     

基于SRFR软件垄沟灌土壤水分入渗参数反推方法评价

以民勤绿洲沟灌水流推进试验实测资料为依据,建立了垄作沟灌土壤水分入渗Kostiakov模型,并利用WinSRFR数值模拟软件反向率定沟灌Kostiakov入渗模型中入渗系数k和入渗指数α,模拟分析不同沟底宽灌水沟裸地条件下水流推进和消退过程,并通过实测与模拟的水流推进过程相匹配来反向率定在动水头影响下的土壤入渗参数。结果表明,通过相对误差K、均方根误差RMSE以及不同灌水沟在30 cm处的水深变化过程来评价得到的入渗参数的精确度,表明利用大田实测与WinSRFR模型反推的入渗参数模拟的水流推进和消退过程较为一致。WinSRFR软件反推法求得的沟灌土壤水分入渗参数模拟结果满足试验精度要求,大大减小了入渗参数确定的工作量。     

参数平均方式对层状夹砂土壤积水入渗数值模拟的影响

为研究非饱和土壤水分运动方程中参数的平均方式对层状土水分运动数值模拟的影响,采用有限差分方法对Richards方程进行离散,并用MATLAB软件编程模拟层状夹砂土柱的薄层积水入渗过程。对差分网格中半节点参数的8种不同平均方式进行了数值模拟稳定性和精度的比较。结果表明:不同平均方式下湿润峰到达某一深度的时间与该处的土壤含水量增速呈负相关关系;间接算术平均和调和平均下的土壤含水率数值振荡较大;几何平均和三点平均2种方式下入渗率、累积入渗量和湿润锋误差相对较小。综合分析,几何平均和三点平均更适合层状夹砂土情况下薄层积水入渗过程的数值模拟。     

容重对斥水粘壤土水分运动特性的影响

为研究容重对斥水粘壤土水分运动的影响,本文选用5个不同容重斥水粘壤土,采用压力膜法测定其土壤水分特征曲线,应用RETC软件中的van Genuchten模型、Brooks-Coery模型模型进行拟合水力参数,并对拟合效果进行评价,分析进气值及土壤水分常数的影响。结果表明:不同容重的斥水粘壤土水分特征水曲线变化,在低吸力阶段随着吸力增加,土壤含水率下降速度较快,土-水曲线呈平缓状;在高吸力阶段,土壤含水率下降速度较慢,容重对各参数土-水曲线呈陡直状;用van Genuchten模型回归斥水粘壤土水分特征曲线参数,得出残余含水率、经验参数n随容重变化没有显著差异,经验参数a随容重增加减小,进气值随容重的增加而增加(关系符合Rational模型,R2为0. 9835)。该成果可为斥水粘壤土入渗研究提供水分运动特性。     

土壤水分特征曲线研究综述

土壤水分特征曲线是土壤水分含量与土壤水吸力(基质势)的关系曲线,反映了土壤水能量与土壤含水量的函数关系,是表示土壤基本水动力学特性的重要指标。本文综合概述了土壤水分特征曲线的应用、测定方法、影响因素、模型,简单介绍了它的应用范围。     

波涌灌间歇供水土壤水分入渗机理的数值模拟

通过间歇供水土壤水分入渗过程的动态模拟,探讨了间歇供水的入渗机理,提出了描述波涌灌效果的指标－后续供水渗速度的折减系数。利用计算机模拟试验的方法研究了灌水技术参数对土壤水分入渗特征参数的影响,给出了各供水段土壤水分入渗特征参数的求解方法,为田面行水流动模拟时入渗过程的描述提供了参数依据。     

调亏灌溉试验中土壤水分胁迫水平设置研究

在讨论植物水分胁迫发展对植物生理过程的影响模式和土壤水分有效性范围划分的基础上,给出区分土壤水分胁迫水平的土壤水吸力值,然后结合试验测定的土壤水分特征曲线,换算出相应的土壤水分胁迫下的土壤含水量水平值。     

一维非均质条件下农田土壤水分运移模拟及应用

为了定量化描述一维非均质条件下土壤水分的运移过程,采用Richards方程的基质势形式阐述了一维多层质地下土壤水分的运移过程,根据田间实际情况设定了土壤水分运移模型模拟方程的定解条件,以各层粒径组成和容重为输入参数借助传递函数给出了模型参数的初始值,利用数值差分法求解了模型的数值解,最后采用田间实测的各层土壤含水量与参数敏感性分析对模型参数进行了校正和模拟效果评价。结果表明,模型参数敏感性主要受土壤水力特征参数α和n的影响,参数α值越大,土壤进气值越低,含水量越少;n值减小,土水势降低,土壤吸力增大,含水量增加;在调整数值模型精度时,α和n引起的误差范围为10%～30%;模拟值和测量值的变化过程比较吻合,表明研究构建的基质势方程能够实现对田间一维多层质地土壤水分运移过程的准确模拟。     

两种间接推求非饱和土壤导水参数的方法比较

间接推求非饱和土壤导水参数方法为现今土壤水分运动研究热点,土壤水分再分布过程法和简单入渗法是比较常用的两种方法.以洛川黑垆土为例,对这两种方法进行比较研究.结果发现,简单入渗法具有较高精度,土壤水分再分布过程法适合于低容积含水量的土壤,在高含水量情况下,误差较大.     

地表干扰恢复措施对宁南黄土丘陵区典型草原土壤水分入渗特性的影响

[目的]探讨黄土丘陵区地表干扰恢复措施对土壤水分入渗特性的影响。[方法]用双环法测定了宁南黄土丘陵区典型草原鱼鳞坑、水平沟和封育3种恢复措施实施5年后土壤水分入渗特性。[结果]鱼鳞坑、水平沟措施使土壤水分入渗速率显著增加,这与地表干扰导致土壤容重和孔隙度增加有关。水分入渗过程适合用Philip入渗公式模拟。[结论]地表干扰恢复措施可提高土壤水分入渗性能。     

Guelph入渗仪在松华坝水源区土壤入渗性能上的应用

【目的】验证Guelph入渗仪进行室内模拟的可行性以及研究松华坝水源区不同土地利用类型对土壤入渗性能的影响。【方法】利用Guelph入渗仪通过野外测定和室内模拟研究了林地、林改坡地和坡耕地土壤水分入渗过程。【结果】通过野外测定,土壤入渗性能强弱表现为林地林改坡地坡耕地,室内模拟的结果与其一致,且两种方法的结果显著相关;通过对土壤入渗性能与影响土壤入渗因素的相关分析发现,含水率、砂粒、容重、总孔隙度是影响土壤入渗性能的重要因素;利用3种公式对野外测定的土壤入渗速率进行拟合,Kostiakov公式拟合效果最好,通用经验公式次之,Philip公式还存在一定的偏差。【结论】利用Guelph入渗仪进行室内模拟可以很好地反映土壤渗透性能,更易控制实验条件,还可以观测到指标的变化过程,土壤入渗量和湿润锋等指标的测定更能全面地表达土壤入渗性能。     

农田土壤入渗特性空间不确定性分析

研究土壤入渗变化规律,有助于分析农田土壤水分运动的机理,同时土壤入渗特性影响着地面灌溉过程,是地面灌溉系统设计的重要依据。本研究基于Kostiakov-Lewis、Philip、Horton 3种土壤入渗模型,根据大田测试数据,对土壤入渗过程进行了模拟和分析,探究入渗过程中农田土壤空间变异造成的入渗不确定性,提出了直接法和参数均值法两种随机入渗模拟的方法。以95%置信度下累积入渗量的变化区间大小及其稳定性为指标,比较分析了不同模拟方法与3种模型组合的随机模拟效果,最终确定适合该农田入渗特性的模型和随机模拟方法。结果表明:大田试验中3种模型的相关系数均达到0.98以上,拟合精度无明显差异。就空间不确定性程度(以均方根误差表示)而言,直接法参数均值法。以Kostiakov-Lewis模型与参数均值法组合模拟的不确定性更小,组合模拟效果更好,更适合于农田尺度土壤入渗规律的模拟。     

保水剂对土壤积水入渗特征的影响

 【目的】水分在田间的入渗过程是发展节水型农业的重要依据之一,比较研究保水剂对土壤积水入渗特征及其变化过程的影响,以期为保水剂的研发和大田合理应用提供理论参考。【方法】模拟大田积水入渗过程,分别层施(L)和混施(M)不同浓度(0、0.2%、0.4%和0.6%)的2种保水剂——日本触媒(JP)和德国巴斯夫(BF),比较分析保水剂对土壤水分垂直入渗的3个特征量：累积入渗量、入渗速率和稳定入渗率的影响。【结果】2种保水剂对土壤水分累积入渗量和入渗速率的影响具有稳定性和一致性。同时,层施和混施保水剂都能不同程度地增加土壤入渗;不同的是,层施保水剂对土壤入渗增加的效应是有限的,JP以浓度0.2%,BF以0.4%为界,大于此浓度不仅会抑制土壤入渗,而且抑制效应会随着保水剂浓度的进一步增加而加剧;但是混施条件下,保水剂可使120 min内土壤累积入渗量增加1.1—2.1倍,且土壤入渗的增加与保水剂浓度正相关。【结论】在本试验条件下,保水剂对土壤水分向下运动的影响与保水剂自身的吸水倍率和膨胀性能密切相关。     

扰动地表下不同长度坡面土壤物理性质及水分入渗特征

【目的】研究扰动地表下不同长度坡面土壤物理性质及水分入渗特征,为合理开发利用土地资源提供科学依据。【方法】通过野外调查与室内分析相结合的方法,于2013年选择具有代表性的坡度为15°的地块,设置6个处理:长度20m人工扰动地表坡面、长度20m自然坡面、长度40m人工扰动地表坡面、长度40m自然坡面、长度60m人工扰动地表坡面、长度60m长自然坡面,测定不同处理土壤的物理性质及水分入渗过程,采用常用的4种入渗模型(Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型、通用经验公式模型)对土壤入渗过程进行拟合,并分析土壤水分入渗特征指标(初始入渗速率、平均入渗速率、稳定入渗速率、90min累计入渗速率)与理化性质的相关性。【结果】相同措施处理下,坡长越长,土壤体积质量越小。在扰动地表和自然坡面下,总孔隙度和非毛管孔隙度的差异不显著,扰动地表坡面土壤初始含水率表现为60m坡长40m坡长20m坡长。采用常用入渗模型进行拟合时,Kostiakov模型的拟合精度在0.646~0.963,平均值为0.886;Horton模型的拟合精度在0.878~0.981,平均值为0.953,Philip模型的拟合精度在0.317~0.709,平均值0.592,通用经验公式模型的拟合精度在0.765~0.970,平均值为0.920,可知Horton模型拟合精度最大。不同坡长下,自然坡面的土壤入渗特征指标大于扰动地表坡面。相关性分析结果显示,土壤水分入渗特征指标与土壤体积质量呈显著或极显著负相关,与非毛管孔隙度呈正相关,与土壤通气度呈极显著正相关;而毛管孔隙度、总孔隙度、自然含水率、有机质与土壤水分入渗特征指标相关性不显著。【结论】20m坡长下,扰动地表不利于改善土壤渗透性,扰动地表处理措施下的土壤水分入渗能力弱于自然坡面;60m坡长下,土壤通气性和透水性较好,土壤水分入渗能力强。Horton模型是分析和预测扰动地表下不同坡长土壤水分入渗的最优模型。     

设施栽培对土壤结构及水分特性的影响

在测定土壤水分特征曲线和土壤结构的基础上,就设施栽培对土壤水分特性及结构的影响进行了研究。结果表明:设施栽培后土壤水分特征曲线均低于同层露地土壤,土壤持水性降低;设施土壤与露地土壤水吸力与土壤含水量之间均存在显著的幂函数关系,具有良好的拟合性。设施栽培后0～40cm土层土壤总孔度和毛管孔度均有所增加,土壤田间持水量、有效水含量等水分常数显著提高,有利于改善耕层土壤结构。设施土壤和露地土壤供水性随土壤吸力增加呈递减变化趋势,上层土壤供水性优于下层土壤,两种土壤比水容量均在0.06MPa时达到10-2数量级,土壤吸力小于0.06MPa时设施土壤0～20cm土层对作物有效水的供给能力强于露地土壤。     

两种方法对土壤水分特征曲线的拟合及比较

土壤水分特征曲线是土壤水吸力与含水率之间的关系曲线。此次试验利用压力膜仪测定银川北部盐渍土的土壤水吸力和含水率。对土壤水分特征曲线的Van-Genuchten模型采用Matlab软件和Microsoft Excel软件进行拟合。经过比较和分析后发现,用Microsoft Excel软件与Matlab软件拟合土壤水分特征曲线精度近似相同,但是Microsoft Excel软件对于不懂任何编程语言的人来说操作更为简便。     

滴头间距对双点源交汇入渗影响的模拟研究

【目的】研究滴头间距对双点源滴灌土壤水分入渗的影响。【方法】应用HYDRUS 3D软件,在滴头间距分别为10,20,30和40 cm时,对湿润峰交汇时间、交汇面土壤含水量、湿润峰运移速率和湿润体的形状变化进行模拟研究,并进行试验验证。【结果】湿润峰交汇时间随着滴头间距的增大呈指数级增加,湿润峰运移速率与滴头间距之间呈幂函数关系;随着滴头间距的增加,湿润体形状依次从1个近似半球体向近似半药囊形、半花生壳形及2个分离的近似半球体转变,湿润体内高含水量区域也从2个逐渐转化为1个。以土壤剖面含水量、湿润峰运移距离及总入渗量为指标进行验证试验,结果表明,土壤含水量、湿润峰运移距离及总入渗量的模拟值与实测值均具有较好的一致性。【结论】滴头间距对双点源滴灌土壤水分入渗影响显著,土壤水分三维数值模拟模型能较准确地反映双点源入渗条件下粘壤土的水分运动规律。     

基于FLUENT的滴灌条件下土壤水分入渗数值模拟

[目的]研究滴灌过程中土壤水分的入渗规律对合理滴灌与作物增产有重要意义。[方法]本文采用Fluent软件对行距为50cm的滴灌种植模式计算求解。[结果]通过模拟得到土壤水分入渗的速度分布云图与各点水分分布云图。模拟结果与实际试验结果基本一致,入渗速度随入渗深度和宽度的增加而减小,水平方向和垂直方向的平均入渗速度分别为2.73×10~(-4) m·s~(-1)、2.24×10~(-4) m·s~(-1),水平方向入渗速度较大;水分到达距地面10cm深处作物根部所需时间大约为100~120min;入渗时各点土壤含水率增速随时间下降,随宽度和深度的增加而减小。[结论]模拟结果表明,数值模拟能够较好地反映滴灌条件下土壤水分入渗规律,为确定最优种植模式提供理论指导。