Green-Ampt模型与Philip入渗模型的对比分析

土壤入渗是田间水循环的重要组成部分,国内外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型。该文通过对比分析了具有明确物理意义的Philip入渗模型和Green-Ampt入渗模型,建立了两模型参数间的内在关系,并利用一维垂直入渗实验资料对理论关系进行了比较。发现Philip入渗模型对参数精度要求较高,而Green-Ampt入渗模型对参数要求较低     

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。     

夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证

对于土层夹砂结构,湿润锋穿过砂层上界面时,入渗率变为稳渗率。为确定各因素下夹砂层土壤的稳渗率,在Green-Ampt入渗模型基础上,引入导水度系数(小于1)来量化上层土壤的导水程度,建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型。采用HYDRUS-1D软件,模拟了不同土壤质地、初始含水率、压力水头、砂层埋深和砂层厚度条件下的稳渗过程,根据模拟结果分析了夹砂层土壤的入渗规律及其影响因素,稳渗率主要受土壤质地、压力水头和砂层埋深的影响。在相同压力水头、初始含水率和砂层厚度下模拟获得不同砂层埋深的稳渗率,并采用改进的Green-Ampt入渗模型拟合,求得导水度系数和进水吸力值。分析发现导水度系数变化较小,为简化计算,取其平均值0.95。在此基础上,提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用秦王川地区的夹砂层土壤积水入渗试验及已有文献资料验证所建模型的有效性,结果表明所建模型待定参数少,计算误差基本在5%以内,且试验设计较简单,可为农田水分管理及工程防渗技术提供理论依据。     

盐碱土入渗下修正Green-Ampt模型参数确定与验证

为进一步探究盐碱土的入渗机理,实现科学的盐碱土农业生产与灌溉,基于传统Green-Ampt模型,根据盐碱土的入渗特性引进扩散率,并结合对土壤剖面含率分布的划分假定对模型进行修正.利用5种盐碱土进行一维积水入渗试验,采用入渗率、湿润锋数据验证该修正模型.结果显示:修正模型模拟值与实测值的一致性良好,进行相关分析得到5种盐...     

由膜孔灌田面灌水参数推求基于Kostiakov模型的点源入渗参数

利用膜孔灌大田灌水试验实测资料,基于水量平衡原理,提出了利用膜孔灌大田水流推进和消退曲线参数推求基于Kostiakov入渗模型的膜孔灌单点源入渗参数的方法,这一方法能简单而有效地求得大田膜孔灌平均入渗参数,有效消除农田土壤空间变异性对单膜孔入渗参数的影响,研究成果为膜孔灌技术要素设计和灌水质量评价提供了科学基础。     

土壤初始含水率对膜孔灌湿润体特征的影响

为了研究膜孔灌中土壤初始含水率对湿润体特征及累积入渗量的影响,首先通过室内试验验证HYDRUS模拟西安粉壤土膜孔灌湿润体形状以及含水率分布的可靠性,然后基于HYDRUS模型模拟在不同初始含水率条件下膜孔灌湿润体的变化过程。结果表明:基于HYDRUS模型模拟的累积入渗量和湿润锋运移距离与室内试验结果的R~2均接近1,标准偏差绝对值均小于10%,拟合良好,表明HYDRUS模型模拟入渗过程的可靠性。膜孔灌湿润锋形状可采用椭圆方程表示。当初始含水率较小(不大于0.1 cm~3/cm~3)时,湿润体半径的含水率分布可采用椭圆方程表示;从膜孔中心到湿润锋表面,随着初始含水率的增大,湿润体内的含水率梯度减小,湿润体半径的含水率分布曲线由椭圆曲线逐渐转变为平缓曲线。基于湿润体含水率分布规律建立了考虑初始含水率的累积入渗量模型,累积入渗量与湿润体半径的三次方呈正比,湿润体半径可表示为湿润锋水平运移距离和垂向运移距离的几何平均值;对于不同的膜孔半径(1～5cm),模型计算累积入渗量与HYDRUS模拟值的R~2为0.99,标准偏差绝对值小于10%;对于粉土、粉壤土和壤土,当初始体积含水率不大于0.25 cm~3/cm~3算累积入渗量与HYDRUS模拟值的R~2为0.99,标准偏差绝对值小于10%,结果表明该模型对不同土壤质地和膜孔半径的适用性良好;该模型在计算作物灌水需求量方面优于Kostiacov模型等传统的经验模型。该研究揭示了不同初始含水率下的膜孔灌湿润体特征,并建立了累积入渗量模型,可为膜孔灌灌溉水量的计算提供参考依据。     

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。     

残膜量对膜孔灌土壤水氮运移特性的影响

为探究土壤残膜量对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响,通过室内土箱模拟试验设置0,90,180,360,720 kg/hm2的5个残膜量水平,分析不同残膜量下膜孔灌肥液入渗累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体特征和水氮分布规律.结果表明:残膜对膜孔灌肥液入渗具有阻渗作用,残膜土累积入渗量较无残膜土减少10.63％～30...     

微咸水入渗条件下Philip模型与Green-Ampt模型参数的对比分析

近年来，国内外学者对土壤入渗特征进行了大量研究，提出了具有不同特点和用途的入渗模型。随着土壤水分运动理论的发展，模型的发展日益趋于简单化、数值化、理论化，各模型之间的关系越来越紧密，许多学者试图通过对土壤入渗模型中特征参数的对比分析，建立模型参数间的关系，从而为获取相关土壤入渗参数提供手段，便于土壤入渗模型的实际应用。描述土壤水分入渗过程的模型很多，其中Philip和Green-Ampt入渗模型具有明确的物理意义，应用较广泛。王全九等建立了Philip和Green-Ampt两个入渗模型参数间的理论关系，并用实验结果进行了合理性验证。在利用淡水入渗的情况下，发现利用Green-Ampt参数推求Philip公式的参数适用于计算短历时的累积入渗量，而利用Philip模型推求的Green．Ampt参数对于长短入渗时间的累积入渗量计算的精度都比较高。利用淡水入渗得出如上结论，那么当用微咸水入渗时，入渗过程中发生复杂的物理化学作用，所建立的参数关系是否仍然成立？入渗水的矿化度对计算精度的影响如何？都是值得探讨的问题，需要进一步分析研究。本文利用室内进行的垂直一维微咸水入渗实验资料，分别用Philip和Green-Ampt两个入渗模型处理实验资料，分析不同水质对入渗参数的影响，并应用王全九建立的理论关系式互推模型参数，验证该公式在微咸水入渗情况下的精度及分析水质对计算精度的影响。     

不同膜孔直径的浑水膜孔灌单向交汇入渗特性

根据室内浑水膜孔灌单向交汇入渗试验资料,研究了不同膜孔直径的浑水膜孔灌单向交汇入渗特性;建立了浑水膜孔灌单向交汇入渗参数、单向交汇时间、湿润锋运移参数与不同膜孔直径的关系;提出了不同膜孔直径的浑水膜孔灌单向交汇入渗单位膜孔面积累积入渗量模型、稳定入渗率模型、自由面和交汇面湿润锋运移模型。结果表明:随着膜孔直径增大,单点膜孔累积入渗量逐渐增大,单位膜孔面积累积入渗量逐渐减小;单位膜孔面积累积入渗量的K值随着膜孔直径的增大而减小,α随着膜孔直径的增大而逐渐增大;在膜孔间距一定的情况下,入渗发生交汇的时间随着膜孔直径的增大而减小;在相同入渗时间内,随着膜孔直径的增大,自由面和交汇面垂直和水平湿润锋运移距离都逐渐增加。     

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。     

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。     

沟灌入渗湿润体运移距离预测模型

为进一步探明沟灌入渗湿润体的影响因素和其运移规律,该文通过黏壤土和砂土的室内沟灌入渗试验,重点研究了土壤容重、沟中水深和土壤初始含水率对沟灌入渗湿润体的影响。通过分析,发现湿润锋垂直和水平方向运移距离与时间的1/2次方呈线性函数关系,建立了包含土壤容重、沟中水深、土壤初始含水率等因素的湿润峰运移距离预测模型,并对模型进行验证,结果表明模型精度较高,用其模拟沟灌入渗湿润峰运移距离是可行的。研究结果可为改进沟灌灌水技术提供参考。     

膜孔单点源肥液入渗湿润体特性试验研究

该文通过室内试验，研究了单点源肥液入渗的湿润体特性。研究结果表明：湿润锋的纵剖面形状曲线符合椭圆方程；湿润锋运移距离随时间的变化符合幂函数方程；建立了湿润体纵剖面动态变化的数学模型和膜孔肥液入渗累积入渗量的经验模型以及湿润体平均含水率随时间变化的关系。在此基础上，研究了湿润体内土壤水分的分布特性。该研究为进一步进行膜孔灌溉技术研究奠定了基础。     

点源供水条件下残膜对土壤水分运移的影响

通过室内模拟试验,研究残留地膜对土壤水分运移的影响,阐明不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程。试验共设置6个残膜梯度,采用马氏瓶恒压供水175 min,根据时间间隔记录马氏瓶读数和湿润面积,分析不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程的差异。研究结果表明,残膜会阻碍土壤湿润锋的运移,残膜量在0~360 kg/hm2区间时,当湿润锋经过0~10 cm土层,湿润锋横向距离随着残膜量的增加呈现先减小后增加的变化,当湿润锋经过10~20 cm土层,横向距离随着残膜量的增加而逐渐降低。残膜对湿润锋的垂向运移有显著的阻碍作用,但残膜量的多少对湿润锋垂向距离变化没有显著影响。残膜的存在会提高土壤湿润比和稳定入渗率,残膜区土壤湿润体变小,水分滞留在湿润体内,影响水分在土壤中正常运移与分布。当残膜量达到720 kg/hm2时,残膜区土壤大孔隙比例增加,导致土壤优势流明显,与其他残膜处理相比,湿润锋的运移加快,湿润比和稳定入渗率降低。该研究从土壤水分运移角度阐明了残膜污染危害的过程和机理,为残膜污染的防治提供了理论的依据。     

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。     

基于Hydrus-2D分析农田覆膜对降雨入渗的影响

为探究覆膜处理对农田降雨入渗过程的影响,该研究建立Hydrus-2D降雨入渗模型,模拟不同下垫面条件下不同覆膜和降雨情况对降雨入渗的影响。设裸地平作、无垄覆膜、起垄覆膜3种下垫面,覆膜宽度、降雨量和降雨历时3个因素,每个因素4个水平,共设置144种方案,模拟各方案的降雨入渗过程,分析其土壤含水率空间分布、湿润锋运移、雨后入渗量和有效降雨系数变化。结果表明,无垄覆膜、起垄覆膜处理雨后的膜间表层土壤含水率与裸地平作相比分别增加5.8%和9.2%,膜间水分入渗深度分别增加10.67和12.45 cm,说明覆膜和起垄均能促进降雨入渗;与裸地平作相比覆膜和起垄覆膜能显著提高有效降雨系数,特别是小降雨量的有效降雨系数增加明显;不同覆膜宽度对有效降雨系数的影响达到了显著水平,膜宽70 cm时有效降雨系数最大。因此通过调整覆盖地膜的宽度和设置垄沟可增加降雨入渗量及水分入渗深度,提高降雨资源和农田水分利用效率,这对缓解干旱半干旱区的农业缺水紧张情势,丰富农田水分运移、不同下垫面降雨入渗等相关理论具有重要作用。