负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。     

压砂条件下水分一维垂直入渗试验研究

为研究压砂对土壤水分垂直入渗规律的影响,选取沙土和壤土这2种土壤作为研究对象,采用土柱试验模拟压砂条件下沙土和壤土的水分入渗垂直运动的影响规律,并分别设置2种土壤无压砂处理的对照试验,分析压砂对2种土壤的水分入渗垂直运动的影响规律.结果表明:压砂提高了包含砂层在内的土壤入渗能力,但抑制了砂层下土壤的入渗性能;通过函数拟合得到了累积入渗量随入渗时间变化的经验方程式,拟合程度较高;压砂条件对土壤初渗速率有较大影响,压砂条件下的沙土的初渗速率为不压砂的1.67倍,壤土为2.37倍,压砂对壤土初渗速率影响更为明显;稳渗速率均较小,且压砂对2种土壤的稳渗速率无明显影响;压砂对2种土壤的湿润深度随累积入渗量的变化均起到抑制作用,且对壤土抑制作用更强,2种土壤去除砂层影响后土层的湿润锋深度与累积入渗量的关系均近似呈线性规律.     

土石混合介质水分运动规律研究

通过一维垂直积水入渗试验,研究碎石含量与碎石粒径对土壤累积入渗量与湿润峰的影响,结果表明碎石的存在明显的促进水分的运动,在碎石含量为30%时,累积入渗量与湿润峰均达到最大,碎石粒径在5~10 mm时,累积入渗量与湿润峰均达到最大,碎石含量对水分运动的影响程度要大于碎石粒径的影响程度;累积入渗量随入渗历时的变化过程与湿润峰随入渗历时的推进过程均可以利用Philip入渗模型进行描述。     

垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律及其模型适用性研究

为了提高垂直线源灌的水分利用效率,探明垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,通过模拟试验,研究了垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,比较了三种常规入渗模型的适用性。结果表明,随着线源直径的增加,入渗率和累积入渗量均增大;三种模型均能模拟不同线源直径下的入渗规律,其中Kostiakov入渗公式和Philip入渗模型较精确,Horton(变形)入渗公式更适合于入渗中期和后期的模拟;得出不同线源直径3种入渗模型的经验公式。该研究结果可为垂直线源灌技术推广应用提供理论依据。     

青海省农业区典型土壤的入渗特性研究

对青海省农业区3种典型土壤(栗钙土、灰钙土和黑钙土)进行充分供水条件下的入渗实验。通过室内土箱模拟实验,研究了不同土壤在积水条件下的入渗规律。实验结果表明,在相同的时间内,灰钙土的湿润锋入渗深度最大,栗钙土其次,黑钙土最小。用Kostiakov公式对这3种土壤的累积入渗量与时间的关系进行拟合,效果很好。     

降水头垂直入渗Green-Ampt模型显式近似解研究

在分析降水头入渗过程的基础上,应用Green-Ampt入渗模型,并假定降水头垂直一维入渗也适用于Philip入渗模型的前提下,通过二模型参数间的转换关系建立了适用于降水头垂直一维入渗的累积入渗量的显式函数,并利用3种不同土壤进行了检验。结果表明,降水头垂直一维入渗的累积入渗量可适用于Philip入渗模型,所建立的降水头垂直一维累积入渗量显函数的整体相对误差分别为1.89%、0.02%、0.10%;均方根误差分别为0.13、0.07、0.08,模型的模拟精度较高,能有效地模拟连续降水头条件下的入渗过程。     

无压地下灌溉条件下土壤水分入渗特性研究

通过室内土箱试验,研究了不同供水压力(-3、0、3cm)和灌水器孔径(4、6、8mm)对无压灌溉下累积入渗量、湿润峰动态变化以及土壤含水率分布的影响。结果表明,不同供水压力和灌水器孔径下累积入渗量、土壤湿润体水平向和垂直向最大湿润距离均随入渗时间的增加以幂函数形式增大,湿润体内土壤含水率沿湿润球体半径方向以二次抛物线形式逐渐减小。随着供水压力的增大,相同时段内的土壤入渗量增大,湿润锋的迁移速度也随之变快;在供水压力相同的条件下,大孔径灌水器在相同时段内的土壤入渗量、水平向和垂直向最大湿润距离均比小孔径灌水器情况下的数值要大。在中大灌水器孔径条件下,土壤含水率随供水压力增大而增大,而小孔径情况下差异显著。     

基于人工降雨的土壤水分入渗研究

以半干旱区农田水循环为出发点,以西辽河半干旱区建平县为代表,通过人工模拟降雨及三因素三水平正交试验设计,对不同农田下垫面处理方式对降雨入渗的影响进行研究。为全面了解情况,共选取雨强(10、20、30mm/h)、土壤初始含水率(田间持水率的50%、60%、70%)及农田下垫面处理方式(平整裸地、起垄不覆膜、起垄覆膜)3个降雨入渗影响因素。结果表明:农田下垫面处理方式变化对降雨入渗的影响受控于降雨强度,雨强为最大降雨累积入渗量的首要影响因素,土壤初始含水率的影响较小。起垄覆膜对降雨入渗的影响主要体现为加快湿润锋推移,缩短入渗时间,减少降雨累积入渗量。     

土壤容重对土壤水分入渗特性影响研究

采用一维垂直积水入渗法研究不同容重对入渗率、累积入渗量及湿润锋的影响,试验结果表明对应于同一入渗时间,容重越大,入渗率、累积入渗量及湿润锋深度均越低;相对于基准入渗量和基准湿润锋,容重越大,其减渗率μ和减锋率η均随之越大;稳定入渗率有随土壤容重的增加而减小的趋势;不同容重的累积入渗量和时间的平方根呈显著的线性关系,拟合的系数M随容重增加而降低,并与容重较好的呈幂函数关系;湿润锋深度与入渗时间呈幂函数关系,随着容重的增加,入渗的系数A降低,而指数B差异较小,系数A与容重之间较好的符合乘幂函数关系。研究结果为从入渗特性推求容重与土壤水分运动参数的关系提供定量分析依据。     

不同初始含水率条件下的微咸水入渗实验

针对矿化度均为3g/L的微咸水入渗时,土壤初始含水率对土壤入渗过程的影响,采用室内均匀土柱一维垂直入渗实验方法,分别对初始含水率为2.25%、8.18%、13.12%、16.40%的土柱入渗过程进行了研究。分析了不同土壤初始含水率对累积入渗量和湿润锋推进深度以及土柱剖面含水率的影响。采用Kostiakov模型对累积入渗量和时间的关系进行了拟合,结果表明累积入渗量与初始含水率呈负相关关系。采用幂函数将初始阶段的湿润锋推进深度与时间关系进行拟合,结果表明二者呈明显的幂函数关系,且初始含水率越高湿润锋推进速度越慢。采用一维代数模型对土壤剖面含水率进行分析发现,初始含水率越高,模型的理论值越准确。总之微咸水在土壤中的入渗能力与初始含水率有着密切关系,随着入渗过程的进行,初始含水率对入渗能力的影响逐渐减小。     

供水水头和灌水器对负压灌溉土壤水运移的影响

研究了不同供水水头（H）（0.5、0、-0.5、-1、-2m）及不同孔径的负压灌水器（3～4、5～6μm）对负压灌溉出水量及土壤水分运移的影响。试验结果表明,不同处理中,湿润锋运移规律相似,湿润体近似为椭球体。当灌溉时间相同时,湿润体体积随供水水头的减小而减小。累计入渗量、最大水平和垂直湿润距离随高程差呈幂函数变化。灌...     

温度对土壤水分运动影响的研究

通过室内实验 ,分析了不同温度条件下水平入渗的湿润锋运移位置及累积入渗量与温度的关系 ,认为湿润锋运移位置和累积入渗量均随温度升高而增大 ;在一定温度范围内 ,湿润锋运移位置和累积入渗量与温度成幂函数关系 ;并建立考虑温度影响的湿润锋运移模型和累积入渗量模型 ,经实测资料进行验证 ,结果良好。     

干缩开裂黄褐土非饱和水平吸渗特征研究

通过室内水平吸渗试验,结合Matlab数字图像处理与形态学算法,在黄褐土土壤中添加秸秆模拟不同生长期作物根系密度,对干缩开裂黄褐土中的非饱和水平吸渗及湿润锋推移特征进行研究。结果表明:不同秸秆密度处理裂缝稳定形态面积密度和裂缝平均宽度差异显著(p0.05),当秸秆密度由0 cm/cm~3增加到1.5 cm/cm~3时裂缝面积密度和裂缝平均宽度分别减小为1.73%、0.071 cm,随着秸秆密度增大土壤稳定形态裂缝面积密度与裂缝平均宽度显著减小。秸秆添加间接影响入渗过程历时,但土壤最终累积入渗量无显著差异。裂缝的存在导致入渗率发生波动现象,且在入渗前中期尤为明显;未开裂土和开裂土累积入渗量随时间的变化关系均符合Kostiakov经验入渗模型,其经验参数与秸秆密度有关,拟合方程达到显著水平。引入湿润锋均匀系数对水平吸渗不均匀性进行评价,土壤裂缝面积密度及裂缝平均宽度越大入渗初期的水分不均匀性特征越明显,均匀系数随着时间推移逐渐减小;根据湿润锋推进速率随时间的变化特征,开裂黄褐土土壤的水平吸渗过程可以分为3个阶段,即初始裂隙流阶段、稳渗基质流阶段和吸渗末期阶段。     

四种入渗模型在KCl溶液入渗的适应性

为了探讨4种常规的入渗模型在含盐水入渗条件下的适用性,采用室内一维垂直土柱进行积水入渗实验,对比不同KCl质量浓度下的土壤入渗规律,并采用4种模型分别拟合土壤入渗率变化特征。结果表明,相同时间内的累积入渗量随KCl质量浓度的增加而增加,并且湿润锋的推进距离与累积入渗量之间具有较好的线性关系(R2>0.7)。Philip和Horton入渗模型的拟合效果要优于Green-Ampt模型和Kostiakov公式。     

残膜对土壤水分入渗的影响及入渗模型适用性分析

为研究不同残膜量对土壤水分入渗的影响,通过室内土箱模拟试验,研究了滴灌条件下6个残膜添加量(0、80、160、320、640和1 280 kg/hm2)处理分别对土壤入渗率、湿润锋运移距离及水分分布的影响,比较了Kostiakov模型、Philip模型和Green-Ampt模型对含残膜土壤水分入渗过程的适用性。结果表明,残膜延长了土壤水分入渗时间,入渗至45 cm土层深度时入渗历时随残膜量增加而增大;入渗一定时间,含残膜的入渗曲线与无残膜曲线分离,分离时间随残膜量增加而提前,分离时间与残膜量之间呈对数函数减小;Kostiakov模型更适合模拟含残膜土壤的入渗过程;湿润锋运移距离与入渗时间呈幂函数增长关系,但湿润锋运移距离随残膜量增加而递减;随残膜量增加,作物适宜生长区和水分分布重心逐渐上移。残膜对土壤水分入渗有较大不利影响,其影响程度随残膜量增加而增大。     

利用圆盘入渗仪测定土壤水动力参数的入渗特征试验研究

通过圆盘入渗试验,分析了4种土壤在5个负水头下(-1、-3、-6、-9和-12 cm)的入渗特征。结果表明,随着负水头的增加,4种土壤的稳定入渗率、吸湿率和非饱和导水率总体表现减小的趋势,同时,在相同负水头条件下,入渗率、吸湿率和非饱和导水率大小规律表现为塿土盐碱土3盐碱土2盐碱土1。根据实测资料确定了不同负水头下非饱和导水率的Gardner指数模型参数,为盐渍化土壤水力参数的确定提供理论参考。