用土壤物理特性推求Green-Ampt入渗模型中吸力参数Sf

Green-mpt模型是1911年由Green-Ampt基于毛管理论提出的入渗模型［1］,国外在50年代就有广泛的应用,70年代以后又有了新的发展和完善。该模型形式简单,且具有一定的物理学基础。虽然 它是基于均质土壤推导而来,但70年代以后被普遍用于非均质土壤或初始含水量分布不均匀的情况,结果均较为满意［2］。土壤质地较为均一的假定对分布极广、水平层理发育较好的黄土是完全可以满足的。1973年Mein和Larson提出了将Green-Ampt模型应用于降雨入渗的研究领域,并推导出了相应的修正模型［3］。自此Green-Ampt模型被广泛应用于降雨入渗、坡面产流、土壤侵蚀预测预报模型等研究领域,在欧洲的LISEM模型［4］和美国的WEPP模型［5］中均有应用。实际应用Green朅mpt模型时,如何准确、迅速确定饱和导水率Ks和土壤吸力参数Sf具有一定的难度。一般Ks可用常水头法测定,而Sf则不易用实验直接测定,在国外一般先假定Sf值,利用土壤入渗试验结果进行反推,这种方法既费时费力,又精度不高,而在国内还没有现成的推求方法,从而限制了 Green-Ampt模型在我国的应用和发展。     

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。     

非均匀土壤区域SVAT模型中土壤水动力学参数的整合研究

荷兰Cabauw地区一个 10km×10km区域内的四种主要土壤的水动力学参数用一种实验室直接测定法 (Wind氏蒸发法 )和两种间接方法 (“分段土壤推导函数”、“连续土壤推导函数”)确定 ,而该区域水动力学特性参数的整合则采用两组方案 (聚合土壤参数法和有效土壤参数法 )进行。一个SVAT模型的模拟输出结果———感热通量、潜热通量与实测数据的比较分析表明 :(1)对于用“分段土壤推导函数”确定的土壤水动力学参数的区域整合 ,以“逆模拟法”(有效土壤参数法 )较为可行 ,其模拟感热、潜热的精确性接近参比方案 (“模拟 平均法”) ;(2 )对于实验室直接测定的参数 ,则以几何平均vanGenuchten Mualem经验公式参数的方案 (聚合土壤参数法 )为佳 ;(3)对于“连续土壤推导函数”推导的水动力学参数 ,几何平均土壤组分方案 (聚合土壤参数法 )和“逆模拟法”方案 (有效土壤参数法 )二者均可得到优于参比方案 (“模拟 平均法”)的模拟结果 ,其中以前者最佳 ;(4 )所有区域化参数整合方案中 ,以水平几何平均区域内实验室直接测定的参数的方案最优 ;同时 ,“连续土壤推导函数”法的土壤组分几何平均方案的模型输出精确性接近该最优方案     

土壤剖面的反射光谱研究

研究表明，土壤反射光谱包含有丰富的土壤信息，可从中获取有机质含量、氧化铁含量、质地、主导粘土矿物类型等多种有用信息。本文以不同地区的土壤剖面为例，解读它们的反射光谱，以获得土壤形成特征的某些信息，为在土壤研究中进一步应用反射光谱提供有益的探索。     

考虑滴头堵塞位置的灌水均匀系数模型优化

为准确评价堵塞对滴灌工程灌水均匀性的影响,从确定采样点布置方式入手,利用HYDRUS-2D模拟不同堵塞情况下的土壤水分状况,首先分析灌水均匀性与土壤水分分布均匀性之间的关系,然后以土壤水分分布均匀系数为依据,在考虑滴头堵塞位置的基础上对灌水均匀系数模型进行优化,最后通过温室灌溉试验进行验证。结果表明,取样点布置方式对土壤水分分布均匀系数影响显著,适宜的取样间距和深度分别为60 cm及地表下20 cm。土壤水分分布均匀系数与不同灌水均匀系数之间存在良好的线性关系,且随着堵塞滴头数量的增加,堵塞滴头位置分布情况对土壤水分分布均匀性的影响增大。小区灌溉试验结果表明,当堵塞滴头数量较多时,土壤水分分布均匀系数与考虑滴头堵塞位置的优化灌水均匀系数具有较高的相关性,优于原指标,可较好反映由堵塞滴头位置改变引起的土壤水分分布均匀性变化,故在评价滴灌系统灌水均匀性时宜使用优化均匀系数。     

非均匀土壤区域SVAT模型中土壤水动力学参数的整合研究

荷兰Cabauw地区一个 10km10km区域内的四种主要土壤的水动力学参数用一种实验室直接测定法 (Wind氏蒸发法 )和两种间接方法 (分段土壤推导函数、连续土壤推导函数)确定 ,而该区域水动力学特性参数的整合则采用两组方案 (聚合土壤参数法和有效土壤参数法 )进行。一个SVAT模型的模拟输出结果感热通量、潜热通量与实测数据的比较分析表明 :(1)对于用分段土壤推导函数确定的土壤水动力学参数的区域整合 ,以逆模拟法(有效土壤参数法 )较为可行 ,其模拟感热、潜热的精确性接近参比方案 (模拟 平均法) ;(2 )对于实验室直接测定的参数 ,则以几何平均vanGenuchten Mualem经验公式参数的方案 (聚合土壤参数法 )为佳 ;(3)对于连续土壤推导函数推导的水动力学参数 ,几何平均土壤组分方案 (聚合土壤参数法 )和逆模拟法方案 (有效土壤参数法 )二者均可得到优于参比方案 (模拟 平均法)的模拟结果 ,其中以前者最佳 ;(4 )所有区域化参数整合方案中 ,以水平几何平均区域内实验室直接测定的参数的方案最优 ;同时 ,连续土壤推导函数法的土壤组分几何平均方案的模型输出精确性接近该最优方案     

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。     

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%（Green-Ampt模型）,0.66%（修正模型）和2.68%（快速计算模型）。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。     

妫水河流域不同植被覆盖条件下土壤入渗及模型的比较分析

 为恢复官厅水库库区植被提供科学依据,在官厅库区妫水河流域内延庆县大榆树镇上辛庄小流域试验区,进行了不同植被覆盖条件下的土壤积水入渗试验,并用4种入渗公式进行了拟合。通过分析比较,得出了不同植被覆盖条件下的土壤入渗规律,并对采用考斯恰可夫、Horton、通用经验公式以及Philip入渗模型时的适用性和准确性进行了评价。     

非均匀流动示踪试验及活动性流场模型的应用

采用显色和离子示踪方法,研究水流运动和溶质迁移非均匀特性,并分析活动性流场模型(ARM)描述水流运动和溶质迁移的有效性。运用碘-淀粉显色方法观测水流非均匀流动模式,用溴、氯和硝酸根三种离子示踪水流的非均匀运动特性。ARM耦合非均匀流动所具有的分形特性,该模型本构关系参数反映活动性流场面积比例和土壤水有效饱和度之间的分形关系。与连续性模型相比,ARM模拟土壤水流和溶质迁移结果与测定值更符合。在水平剖面三种离子浓度均表现出正态或对数正态分布规律,且总体上分布离散程度表现出随深度增加而减小的趋势,ARM有效地描述了非均匀流动下水流运动和溶质迁移所表现出的宏观特性。     

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...     

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。     

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     

层状夹砂土柱室内积水入渗试验及模拟

为了研究夹砂层对入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响,进行了室内层状夹砂土柱一维薄层积水入渗试验和相应情况下均质土柱的对照试验。结果表明,当湿润锋到达夹砂层上界面后,层状夹砂土柱的入渗过程与均质土入渗表现出明显不同。在湿润峰穿过夹砂层上界面时入渗率有较大波动,且最终进入稳渗阶段,其稳渗率明显小于同时刻均质土柱入渗率;当湿润锋穿过夹砂层后,夹砂层内的土壤含水率明显小于其饱和含水率。根据试验和分析,建立了针对层状夹砂土入渗的S-Green-Ampt模型,该模型可以较准确地反映层状夹砂土柱积水入渗的机     

基于Green-Ampt的膜孔灌三维入渗模型建立与验证

在膜孔灌入渗方面研究中的入渗模型缺少明确的物理意义,针对这一问题,该文以一维Green-Ampt公式为基础进行探讨。对公式中概化湿润锋为平面的假设条件进行深化讨论,结合膜孔灌三维入渗特点,建立了包含膜孔直径、表征导水率和湿润锋面水吸力的膜孔灌入渗模型,利用室内入渗试验和以不同土壤质地（典型砂壤土、典型壤土和典型粉壤土）的Hydrus-2D软件数值模拟结果对其进行验证。结果表明：试验观测和数值模拟得到的单位面积累积入渗量随时间的变化规律与模型计算得出的结果一致,二者均方根误差和平均绝对误差接近于0,偏差百分比小于10%,数值相差不大;由模型计算得出的概化湿润锋由试验及模拟结果在入渗前期相差很小,在入渗后期差别逐渐变大;另外,相较于水平方向,垂直方向的概化湿润锋计算结果更加接近试验观测值和数值模拟值。建立的模型可为准确计算膜孔灌累积入渗量、预测湿润锋形状提供依据。     

Effects of conservation agriculture techniques on infiltration and soil water content in Zambia and Zimbabwe

The adoption of conservation agriculture (CA), based on minimal soil movement, permanent soil cover with crop residues or growing plants and crop rotation has advanced rapidly in the Americas and Australia over the last three decades. One of the immediate benefits of CA in dryland agriculture is improved rainfall-use efficiency through increased water infiltration and decreased evaporation from the soil surface, with associated decreases in runoff and soil erosion. This paper focuses on the effect of CA techniques on soil moisture relations in two researcher-managed trials in Zambia and Zimbabwe. In 2005/2006 and 2006/2007, we found significantly higher water infiltration on both sites on CA fields compared to conventionally ploughed fields. At Henderson Research Station, Zimbabwe, on a sandy soil, a direct seeded CA treatments had a 49% and 45% greater infiltration rate than the conventionally tilled plots after a simulated rainfall in both seasons. At Monze Farmer Training Centre, Zambia, on a finer-textured soil, the same treatment had 57% and 87% greater infiltration rate than the conventionally tilled control treatment in both seasons. Treatments that included reduced tillage and surface residue retention had less water runoff and erosion on runoff plots at Henderson Research Station, Zimbabwe. On average, soil moisture was higher throughout the season in most CA treatments than in the conventionally tilled plots. However, the full potential of CA in mitigating drought was not evident as there was no significant drought period in either season. Results suggest that CA has the potential to increase the productivity of rainfall water and therefore reduce the risk of crop failure, as was apparent at the Monze Farmer Training Centre, Zambia, in 2005/2006 when a period of moisture stress at tassling affected CA treatments less than the conventionally tilled treatment.