Green-Ampt 公式在层状土入渗模拟计算中的应用

通过对Green-Ampt入渗模型特点的进一步分析和总结,概述了目前对Green-Ampt 入渗模式的发展情况,特别在沙层阻水、浑水入渗、间歇入渗和降雨入渗方面的应用进行分析,并对Green-Ampt公式在这些方面应用中参数确定方法进行了进一步探讨,为在黄土区的应用提供指导.     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

非均匀土壤剖面的Green-Ampt模型

给出了相应条件下的Green-Ampt模型,入渗量、入渗速率、湿润层深度以及入渗时间的具体表达式,并对1次实测灌水入渗过程进行了模拟,结果表明,Green-Ampt模型计算的入渗时土壤水分剖面与水流连续议程的计算结果存在较大差别,但这种差别经过再分布后逐渐消失。在作较长时段的土壤水分动态模拟时利用Green-Ampt模型模拟入渗过程是适用的,特别是在已知入渗总量而未知入渗强度过程的情况下具有优越性。     

利用一维代数模型分析微咸水入渗特征

由于淡水资源短缺,微咸水的开发利用成为缓解农业水资源短缺的重要措施,为了研究微咸水条件下的土壤入渗过程,进行了室内微咸水垂直一维入渗试验,分析了不同矿化度的微咸水累积入渗水量随时间的变化过程,并利用一维代数入渗模型模拟计算了土壤含水率剖面。结果表明：含水率模拟计算结果与实测值相吻合。同时利用一维代数入渗模型和Green-Ampt模型对试验资料进行处理,结果表明两模型均可以比较精确地描述微咸水入渗过程,因此两模型可以互相计算参数,但长历时入渗用Green-Ampt模型计算更加精确。     

四种入渗模型对斥水土壤入渗规律的适用性

土壤斥水性影响入渗,进而影响作物产量。国外学者进行了一定的研究,但在中国研究的还很少。该文基于实测资料探讨几种常规的入渗模型在斥水土壤中的适用性。采用室内土柱进行积水入渗试验,对比了不同积水高度和斥水度条件下的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了土壤入渗率变化特征。结果表明,累积入渗量随入渗历时的变化可用幂函数描述,不斥水土壤累积入渗量明显大于斥水土壤;累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系;利用Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov公式和指数公式对入渗率与入渗历时间的关系进行拟合,其中Kostiakov公式更接近于实测值,其他模型拟合效果因斥水程度等因素的不同而异。     

基于信息熵方法的土壤水分入渗方程试验研究

对沙壤土、黏壤土进行水分入渗试验,确定4种熵方程(E-Horton、E-Kostiakov、E-Philip、E-GreenAmpt)系数并标定了一般方程(Horton、Kostiakov、Philip、Green-Ampt)系数。根据所得到的方程计算相应的入渗率,并与试验观测数据进行比较。结果表明:在沙壤土中,E-Horton、E-Kostiakov、E-Philip方程能较好地反映土壤水分入渗规律,E-Green-Ampt方程高估了土壤水分入渗率。在黏壤土中,4种熵方程拟合效果均较差。与一般方程比较,基于信息熵方法的土壤水分入渗方程更适于沙质土壤,因为该方法不需要标定方程的参数,简便可行,而且较好地反映了参数的物理意义,为优化灌溉提供理论依据。     

土壤水分入渗模型的研究方法综述

在查阅大量文献资料的基础上,回顾、总结了国内外土壤水分入渗模型的研究进展,对入渗模型进行了比较分析。土壤水分入渗的研究一直是研究热点,但是在土壤水分下渗模型的改进和应用,研究如何将单点入渗模型扩展到较大区域等方面,还有大量问题有待深入研究。     

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。     

辽西低山丘陵区坡地砾石含量及粒径对土壤入渗性能的影响

基于室内土柱模拟试验对比分析辽西低山丘陵区坡地不同粒径及砾石含量的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了含砾石土壤对传统土壤入渗模型的适用性。结果表明:粒径一定时,随砾石含量的增加土壤累积入渗量减少,随累积入渗量的增加土柱湿润锋变化速率由小变大;砾石含量小于20%时,湿润锋前进到一定深度下,土壤累积入渗量随粒径的增加而增大;当砾石含量增大到一定值时,砾石含量相同直径不同的土壤累积入渗量与湿润锋随时间的变化基本无差异。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、通用模型、Horton模型和Kostiakov模型对入渗率与入渗历时的关系进行拟合,其中砾石含量为5%时,Horton模型拟合效果最好,砾石含量为10%~30%时通用模型适用性更强,Horton模型拟合效果最差,其他模型拟合效果因砾石含量及粒径等因素的不同而异。     

容重对不同有机质含量土壤水分入渗特性的影响

通过不同有机质含量的土壤入渗试验,分析有机质含量及容重对土壤水分入渗特性的影响.结果表明:容重对质地相同而有机质含量不同的土壤表现出不同的影响程度,对高有机质含量的土壤影响显著,有机质含量高的土壤在容重递增的过程中,土壤累积入渗量、湿润深度显著下降,稳定入渗率以乘幂形式迅速下降;有机质含量较低的土壤,容重增加对土壤入渗过程影响相对较小,容重增加时,其累积入渗量、入渗率、湿润深度也有不同程度的减小,但其减小的幅度范围较小,稳定入渗率呈平缓线性降低.采用Green-Ampt模型与Philip模型模拟不同容重及有机质含量的土壤饱和导水率结果与实测值吻合较好.     

秸秆生物炭对黏壤土入渗规律的影响

为提高干旱半干旱区耕作土壤灌溉水的利用效率,采用秸秆生物碳对黏壤土进行改良,并用3种经典入渗模型进行入渗模拟,寻求适于描述研究区土壤入渗规律的模型及改良方案。采用双环入渗试验测定4种生物炭施用水平（10 t/hm²,20 t/hm²,30 t/hm²,50 t/hm²）的田间作物生育期内土壤含水率、入渗速率及累积入渗量,分别采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov经验公式对试验组与对照组（CK）的入渗过程进行模拟。结果表明:施用量为30 t/hm²较CK效果最为明显,施用层（0—40 cm）入渗速率增加44.6%,耕作层土壤含水率增加8.9%,累积入渗量增加45.45%。比较3种模型的入渗过程拟合结果,认为Kostiakov经验公式拟合的效果符合实测规律,可为研究区改良土壤水分入渗过程提供理论依据。     

不同有机物料对黄土高原治沟造地土壤水分运移的影响

为了改善黄土高原治沟造地土壤结构较差的问题,采用一维定水头土柱模拟试验,探讨了不同有机物料(生物有机肥、粉碎秸秆、50%粉碎秸秆+50%生物有机肥、尿素、对照)对治沟造地土壤湿润锋推移、累积入渗量、入渗速率和土壤水分蒸发特征的影响,并采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov模型拟合分析土壤水分入渗规律。结果表明:(1)粉碎秸秆与有机肥均降低了土壤水分移动速率,增强了土壤持水能力;粉碎秸秆同时降低了土壤稳定入渗速率,与对照相比减小了17.65%;(2)湿润锋推进深度与累积入渗量呈良好的线性关系;通过对3种入渗模型拟合发现,Philip模型和Kostiakov模型的拟合效果较好,符合黄土高原治沟造地土壤入渗率和时间的动态关系;(3)土壤水分蒸发过程中,添加粉碎秸秆具有阻截和蓄积土壤水分,提高土壤含水量的积极作用。     

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。     

砒砂岩区原状和扰动土壤水分入渗过程

基于内蒙古准格尔旗砒砂岩区为研究对象,通过野外原状土的采集和室内模拟土柱试验,采用一维垂直入渗试验,分析了砒砂岩区黄土、砒砂岩、风沙土的原状土和填装土的水分入渗过程。结果表明:原状情况下入渗率、累积入渗量的变化趋势为风沙土黄土砒砂岩;扰动情况下入渗率、累积入渗量的变化趋势为风沙土砒砂岩黄土;两种土壤中湿润锋的变化趋势与累积入渗量变化趋势一致。利用Philip模型、Kostiakov经验公式和Green-Ampt模型对原状土和扰动土累积入渗量和入渗历时的关系拟合方程均可较好地描述原状土扰动土的入渗过程,其中Kostiakov经验公式拟合值更接近于实测值,拟合精度更高。     

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。     

冬小麦膜缝灌入渗模型试验研究

膜缝灌是一种新的灌水技术,其应用理论基础尚有待进一步研究。在大量的膜缝入渗和垂直一维入渗试验的基础上,分析了膜缝宽度和初始含水率对入渗参数的影响,根据试验分析,提出了包含膜缝宽度和初始含水率影响的入渗模型。这一研究对膜缝灌技术的应用研究将具有重要的价值。