蓄水坑灌条件下变水头作用的垂直一维土壤入渗参数试验研究

蓄水坑灌法是针对中国北方山丘区存在着干旱和水土流失这两个突出问题而提出的一种适用于果林灌溉的新方法.蓄水坑灌条件下的土壤入渗是在变水头作用下进行的.该文通过室内试验,对垂直土柱在不同水头作用下的土壤入渗参数进行研究,结果表明入渗水头对入渗系数有较为显著的影响,入渗系数随入渗水头的变化呈现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势;入渗水头对入渗指数也有一定的影响,但其变化范围较小.这一研究成果对蓄水坑灌条件下的变水头入渗及土壤水分运动特性的进一步研究具有重要价值.     

蓄水坑灌条件下变水头作用的垂直一维土壤入渗参数试验研究

蓄水坑灌法是针对中国北方山丘区存在着干旱和水土流失这两个突出问题而提出的一种适用于果林灌溉的新方法。蓄水坑灌条件下的土壤入渗是在变水头作用下进行的。该文通过室内试验，对垂直土柱在不同水头作用下的土壤入渗参数进行研究，结果表明入渗水头对入渗系数有较为显著的影响，入渗系数随入渗水头的变化呈现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势；入渗水头对入渗指数也有一定的影响，但其变化范围较小。这一研究成果对蓄水坑灌条件下的变水头入渗及土壤水分运动特性的进一步研究具有重要价值。     

入渗水头对土壤水平一维入渗影响初探

蓄水坑灌法是一种适用于我国北方山丘区果林灌溉的新方法。蓄水坑灌条件下的土壤水分入渗是在变水头条件下进行的。本文着眼于研究蓄水坑的侧向水平入渗,通过室内试验,对水平土柱在不同水头作用下的土壤入渗状况进行研究,结果表明入渗水头对入渗系数有较为显著的影响,对入渗指数有一定的影响,入渗系数和入渗指数均随入渗水头的变化呈现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势。这一研究成果对进一步研究蓄水坑灌条件下的变水头入渗及土壤水分运动特性具有重要价值。     

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。     

蓄水坑灌单坑土壤水分运动有限元模拟

为了合理设计干旱地区果树蓄水坑灌,该文根据土壤水动力学原理和单坑入渗土壤水分运动特点,建立了单坑二维土壤水分运动数学模型,采用有限单元法求解,并根据质量守恒原理建立了确定坑内水位变化过程的数学模型。室内单坑入渗土壤水分运动验证试验结果表明坑内水位变化过程、土壤含水率、湿润锋的实测值与模型计算值吻合较好,说明所建立的单坑二维土壤水分运动数学模型和坑内水位变化过程数学模型是正确的,采用有限元法对其求解是可行的,该模型可用于模拟单坑土壤水分分布规律。     

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。     

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。     

不同田间工程措施条件下降水入渗规律的数值模拟

采用数值模拟方法针对北京市主要土壤类型研究了不同工程措施（免耕、深松、免耕覆盖、深松覆盖）条件下的降水入渗问题。在研究过程中,考虑了雨滴打击下地表密实问题,即考虑地表密实的降雨入渗问题。地表密实使土壤入渗能力降低,覆盖可以避免表层土壤密实保持土壤入渗能力。深松可使土壤入渗能力提高,在该实验条件下１２０ｍｉｎ入渗量裸地和覆盖分别可以增加入渗１．７９ｃｍ和２．２８ｃｍ;适宜的松土深度裸地为１５～２０ｃｍ,覆盖为３０ｃｍ。提高降水入渗的田间工程措施为深松覆盖,松土深度３０ｃｍ。     

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。     

室内模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分布试验

降雨入渗对城市绿化、防洪排涝、农业生产等方面有着重要的意义。采用室内模拟降雨,使用时域反射仪采集相关数据,从土壤含水率变化特征和湿润锋运移特点等方面,研究了在垂向一维条件下不同雨强降雨对水分入渗的影响,探讨在降雨条件下土壤水分的再分布情况,从而确定试验所用砂壤土保水性最优土层范围。结果表明：降雨结束后,土壤水分的再分布主要受土水势控制,随着时间的延长,蒸发作用逐渐占据主导地位;试验所用砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35 cm,可为植物的选栽提供参考。     

蓄水坑灌单坑土壤氮素迁移转化的数值模拟

为了提高蓄水坑灌条件下土壤氮素的利用率,建立了蓄水单坑土壤氮素迁移转化的数学模型,利用有限体积法进行了求解,并利用室内蓄水单坑灌施尿素条件下土壤水分和氮素运移转化实测数据进行了验证。结果表明,蓄水单坑灌施尿素1 700 mg/L条件下,土壤铵态氮主要分布在20～70 cm深度范围内,1～3 d内土壤铵态氮含量明显增大,7 d后开始减小;土壤硝态氮主要分布在湿润锋附近,1～7 d内硝化作用逐渐增强,20～70 cm范围内硝态氮浓度不断增大。土壤含水率、湿润锋、铵态氮、硝态氮含量计算值与实测值吻合较好,说明所建立的蓄水单坑土壤氮素迁移转化的数学模型是正确的,采用有限体积法求解是可行的。该模型可较好地模拟蓄水坑灌单坑土壤氮素迁移转化的动态变化。     

蓄水坑入渗表层土壤体积质量和饱和导水率的变化

表层土壤体积质量和导水率是影响土壤入渗及水分运动的重要物理参数。该文采用土壤切片技术和数字图像分析技术,分析了蓄水坑灌条件下入渗水头对砂壤土表层土壤体积质量的影响,进行了不同入渗水头、土壤体积质量对砂壤土表层土壤饱和导水率的试验研究,并对蓄水坑侧向水平入渗湿润锋变化的试验结果与数值模拟结果进行对比分析。结果表明：该研究试验条件下（土壤体积质量为1.345 g/cm3）,入渗水头对土壤体积质量和表层土壤饱和导水率有较明显的影响。随着入渗水头的增大,其作用下的表层土壤体积质量趋于增大,土壤结构趋于密实,表层土壤的饱和导水率趋于减小;表层土壤饱和导水率与入渗水头和土壤体积质量之间呈乘幂关系,且表层土壤饱和导水率对土壤体积质量的变化较为敏感,当土壤体积质量达到某一程度时（1.466 g/cm3）,入渗水头对表层土壤饱和导水率的影响甚微。研究成果揭示了入渗水头影响蓄水坑土壤入渗的微观机制,为进一步研究蓄水坑灌法提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

为减少大型喷灌机的喷灌水分蒸发漂移损失,将低压喷头改装成按适当间距布置的大流量压力补偿滴灌管,使大型喷灌机自走时拖拽滴灌管,实现边移动边滴灌。该移动滴灌系统融合了大型喷灌机与滴灌的技术优势,具有较高的节水潜力,研究其土壤水分入渗规律对于设计节水高效的灌溉系统具有重要意义。为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况,该研究搭建了移动滴灌试验装置,设置30、40与50 mm 3种灌水深度进行移动滴灌土箱试验,同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。模拟与实测结果对比表明,所构建模型能较准确地反映移动滴灌的土壤水分运动规律,土壤剖面中的水分运动均遵循面源入渗模式,灌水后48 h土壤剖面含水率模拟值的标准均方根误差低于20%,各测点处含水率变化过程模拟的标准均方根误差值总体低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土与粉壤土3种不同的土壤质地,20、30与40 mm 3种不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm3/cm3 5种不同的土壤初始含水率对移动滴灌条件下土壤水分入渗规律的影响。结果表明土壤质地对湿润峰运移距离与湿润体形状的影响较大,土壤砂性越强,湿润体横截面积越大,可以适应更大的滴灌管安装间距;对于供试砂壤土而言,增大灌水深度与土壤初始含水率,均可以提高湿润峰运移距离和灌水均匀性,但会加大深层渗漏风险。该研究结果对于大型喷灌机的移动滴灌系统设计运行具有重要参考价值。     

无压灌溉土壤湿润体含水率分布规律与模拟模型研究

该文通过室内试验,分析研究了无压灌溉土壤入渗率变化过程和土壤湿润体内含水率分布规律。试验结果表明：无压灌溉的累计入渗量与时间呈幂指数关系,土壤入渗率趋于零是无压灌溉过程结束的标志。同时,引进场的概念,结合土壤含水率试验数据,建立了无压灌溉土壤湿润体内含水率分布的理论模拟模型,并用实测值进行了验证。该模型简单、实用、精度高,实测值与预测值之间具有较高的相关性,相关系数达0.899以上。该研究结果对大田土壤水分调节和管理具有指导作用。     

入渗水矿化度对土壤水盐运移影响的试验研究

合理开发利用咸水和微咸水资源已成为当今世界各国关注的热点问题.为了分析微咸水矿化度、水量及土壤初始条件等因素对土壤水盐运移的影响,采用土柱在室内进行了微咸水入渗试验.该文分析了入渗水矿化度对入渗过程的影响,分析了盐分的分布特征,建立入渗水矿化度和土壤总盐量之间的数学模型,总结了土壤剖面的盐分运移规律.分析结果表明入渗水矿化度的增加可增大土壤的入渗能力,入渗水的矿化度在1～5 g/L时,土壤积盐量随入渗水矿化度增加而增大;不同矿化度的水入渗后,土壤表层含水率基本相近,接近饱和含水率.