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。     

基于农户生计和水资源高效利用的黑河流域生态治理政策研究

[目的]分析影响黑河中游地区生态输水治理工程可持续发展的潜在因素,为该地区生态环境修复提供科学依据。[方法]通过问卷调查的方式对样本区550户农户进行调查,并采用逻辑回归分析方法对问卷数据进行建模分析。[结果]中游农户对生态输水治理工程持认可态度,但大部分农户考虑到成本效益、土地规模和灌溉技术等条件的限制,不愿意发展节水农业;同时项目对农户生计造成一定影响。[结论]黑河生态输水治理工程对节水农业投入不足,水资源短缺形式依然严峻;农户生计受到一定影响,加大了生态治理成果维护的风险。因此,在进行生态输水治理的同时,要建立流域水资源生态补偿机制,扶持节水农业发展,改善农户生计多样化,实现农户生计安全和环境保护的良性互动。     

黑河流域上游水沙变化特征及成因分析

[目的]研究黑河流域上游干流的水沙时空变化特征及其成因,为流域生态保护和水资源开发利用提供科学依据。[方法]选取黑河上游干流主要水文站近60a的实测径流、输沙及降雨资料,通过采用Mann-Kendall秩相关检验法、累积距平法和相关分析法,研究水沙变化特征及驱动因子。[结果]黑河上游干流径流量总体上从20世纪80年代以后呈增加趋势;输沙量从20世纪70年代开始呈不显著增加趋势,但莺落峡水文站输沙量从2001年开始呈显著下降趋势。[结论]降水增加是影响黑河上游径流量增多的重要原因;水土流失导致了札马什克站和祁连站输沙量的增加,而水库拦沙是莺落峡水文站输沙量显著减少的主要原因。     

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。     

不同覆盖模式下砂壤土水盐运移特征研究

地表蒸发引起土壤水分的散失是造成盐分表聚的重要原因之一,土壤表层进行覆盖可改变地表结构,从而影响土壤水分蒸发和盐分迁移过程。为了揭示不同覆盖模式的蓄水控盐效果,通过室内模拟试验,研究了不同覆盖模式下土壤水分入渗过程和水盐迁移特征。试验设置无覆盖(CK)、覆砂(S)、覆砂+覆膜(SM)、覆秸秆+覆膜(JM)和覆秸秆+覆砂(JS)5种模式。结果表明:土壤表层进行的不同覆盖处理会降低土壤湿润锋推进速率和水分入渗速率,具有一定的阻渗作用;湿润锋推进距离与时间符合幂函数F=a·t~b,累积入渗量与时间符合Kostiakov入渗公式,湿润锋推进距离与累积入渗量符合线性关系I=K·Z_f+c。土壤表层进行的不同覆盖处理可有效抑制土壤水分蒸发,土壤保水效果为SMJSSJMCK;随土层深度的增加,土壤含水率减小的趋势逐渐减缓。土壤表层进行的不同覆盖处理也可减弱土壤盐分表聚,缩小盐分在土壤中迁移的范围;覆盖处理的土壤盐分主要在0—20cm范围内迁移,CK在0—35cm范围内。综合考虑不同覆盖模式对土壤水分入渗、抑制水分蒸发和减弱盐分表聚效果,认为砂石覆盖模式是较适合西北旱区的覆盖模式。     

基于GSM短信息的灌区流量遥测系统的研究

针对灌区流量水量监测系统存在的通讯网络投资费用大、维护困难、利用率低的问题,研究了基于GSM网络短消息(SMS)的灌区流量水量监测系统总体结构、GSM通讯模块TC35与下位单片机及上位监控计算机之间的接口电路与软件等,研制了基于GSM短信息的灌区流量遥测系统.实际应用表明:对于测控点极为分散、数据流量小的灌区,利用该系统进行数据传输,具有投资省、网络运行可靠、成本低的优点.     

西北旱区压砂地土壤水分的时空分布特征

以西北旱区有着300多年历史的压砂地为研究对象,利用平均相对偏差、统计回归等方法研究土壤水分的时空稳定性特征。结果表明,表层土壤水分变异性最强,随着土层深度的增大,变异性减弱。0～10 cm土壤水分高低值区差异较明显,图形破碎化程度较大,随着土层深度的增大,土壤水分等值线由密变疏,逐渐趋于平滑,图形的破碎化程度相对减弱,斑块的空间连续性增强。土壤水分在干旱条件下斑块的空间破碎化程度高于湿润条件下,时间稳定性随土层厚度的增加而增强,平均相对偏差及标准差变化范围较小,可以选择代表性测点代表0～10、＞10～20、＞20～30、＞30～50 cm土壤水分平均值的估计值。利用2013年数据建立的统计回归模型对2014年不同土层代表性测点土壤水分进行预测,预测精度较高（相对误差最大为15.42%）,表明代表性测点可表征整个研究区土壤水分的均值。以期为该区域合理布设土壤水分监测点和墒情的准确预测提供理论依据。     

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。     

压砂地土壤盐分演替特征研究

针对西北旱区特有的压砂地,分析了不同种植年限压砂地土壤盐分演替特征,结果表明,裸地及新、中、老压砂地土壤盐分平均相对偏差介于-15.43%~28.14%之间,标准差介于4.44%~31.02%之间,变化范围较小,Spearman秩相关系数较大且显著相关,通过时间稳定性可初步确定研究区土壤盐分均值的代表性测点。盐分均值与代表测点值相关系数的变化范围为0.762~0.952,标准误差及平均偏差均较小,代表测点的土壤盐分与区域平均值相关性较高,差异性较小。对新砂地表层土壤盐分进行时空模拟,各时段土壤盐分累计分布曲线变化规律相似,模拟值与实测值略有差异,其空间分布基本趋势与实测数据相符。各时段土壤盐分均属于中等弱变异性,盐渍化程度表现为裸地老砂地新砂地中砂地,压砂地土壤盐分时刻都在发生着演替,中砂地土壤盐渍化程度最小,但伴随着种植时间的延长和覆盖砂石土砂比的增加,老砂地土壤盐渍化呈加剧趋势。     

由Philip模型参数求解Green-Ampt模型参数的改进与验证

Philip入渗模型与Green-Ampt入渗模型具有相似的物理基础。为间接推求Green-Ampt模型参数,对2种入渗模型进行了对比分析,建立了2模型参数间的数值关系。经理论推导发现,Green-Ampt模型中表征饱和导水率取值介于Philip模型参数稳渗率的1~1.5倍之间,为简化计算,取1.25倍关系,在此基础上,改进了Green-Ampt模型中湿润锋面吸力的求解式。利用数值模拟结果和文献资料进行验证,并对其适用性进行评价。结果表明,所建模型方法计算的入渗率接近模拟值或实测值,且适用于不同土质,其相对误差均小于5%,最大仅为3.61%,均方根误差最大为0.049。说明本文所建模型具有一定的可靠性和普适性,可利用Philip模型参数求解Green-Ampt模型参数,进而描述入渗问题。