基于Green-Ampt的膜孔灌三维入渗模型建立与验证
发布时间：2021-08-05 05:53
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。
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
一维Green-Ampt入渗公式示意图注：zf为概化湿润锋深度，cm；H为土壤表层积水深度
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年70润区和未湿润区，在湿润区土壤含水率为饱和含水率θs，而未湿润区含水率为初始含水率θi。如图1所示，设地表积水深度为H，不随时间变化，概化湿润锋位置为zf，概化湿润锋处的土壤水吸力为Sf，被认为是某一定值。设地表Z轴处坐标原点，向下为正方向。则地表处的水势为H，湿润锋处总水势为(Sf+zf)，其水势梯度为()fffSzHz。由达西定律知ffsfzSHiKz（1）式中i为入渗率，cm/min；KS为表征导水率，cm/min；zf为概化湿润锋深度，cm；Sf为湿润锋面处水吸力，cm；H为土壤表层积水深度，cm。由水量平衡原理知：()sifIz（2）式中I为累积入渗量，cm；θs为土壤饱和含水率，cm3/cm3；θi为土壤初始含水率，cm3/cm3。入渗率i和累积入渗量I存在函数关系为ddIit（3）式中t为时间，min。式（1）－式（3）为Green-Ampt入渗公式，对于着重研究土壤入渗过程，Green-Ampt入渗公式具有特殊的作用。此公式因其各符号有着明确的物理量含义以及在使用过程中具有较高的准确性而受到广泛的应用。注：zf为概化湿润锋深度，cm；H为土壤表层积水深度，cm。Note:zfisgeneralizedwettingfrontdepth,cm；Hisdepthofsoilsurfacewater,cm.图1一维Green-Ampt入渗公式示意图Fig.1Schematicdiagramofone-dimensionalGreen-Amptinfiltrationformula1.2膜孔灌三维入渗模型的建立1.2.1膜孔灌入渗膜孔灌入渗为三维入渗问题，如?
蚱涓鞣?庞凶琶魅返奈锢砹亢?逡约霸?使用过程中具有较高的准确性而受到广泛的应用。注：zf为概化湿润锋深度，cm；H为土壤表层积水深度，cm。Note:zfisgeneralizedwettingfrontdepth,cm；Hisdepthofsoilsurfacewater,cm.图1一维Green-Ampt入渗公式示意图Fig.1Schematicdiagramofone-dimensionalGreen-Amptinfiltrationformula1.2膜孔灌三维入渗模型的建立1.2.1膜孔灌入渗膜孔灌入渗为三维入渗问题，如图2a所示，膜孔为具有恒定水头的圆柱形水室，其湿润体过膜孔中心的各个垂直剖面均相同。如图3为过膜孔中心的垂直剖面，其形状接近于1/2椭圆[20-21]，因此整个湿润体形状为接近于以垂直剖面绕Z轴旋转后的旋转椭球体。为了研究方便，这里仅取过膜孔中心的垂直剖面研究。图2b所示垂直剖面中Z轴取向下为正方向，并设土层表面为Z轴起点，X轴为土壤表层，X轴与Z轴交点o点为膜孔中心处。过膜孔中心的各个垂直剖面均相同，故可将膜孔灌三维入渗简化为二维入渗问题：由剖面（过膜孔中心的垂直剖面）上方的膜孔水室对剖面进行入渗的二维入渗问题，该膜孔水室为从d到d（d为膜孔半径）、单位宽度的线状水室，在此将线状水室看作压力水头为H′（H′为膜孔水室水头）的线状入渗源。注：d为膜孔半径，cm；H′为膜孔水室水头，cm。Note:disradiusoffilmhole,cm；H"isheadofmembraneholewaterchamber,cm.图2膜孔灌入渗图Fig.2Infiltrationofmembraneholeirrigation注：L为点（x，0）到点（a，b）的渗流路径，即2点间距离，cm。Note:Listheseepagepathfrompoint(x,0)topoint(a,b),thatisthedistancebetweentwopoints，cm.图3膜孔灌垂直剖面概
【参考文献】：
期刊论文
[1]膜孔灌溉下土壤入渗特征的多因素分析[J]. 钟韵,费良军,刘乐,陈琳. 水科学进展. 2018(04)
[2]膜孔直径对浑水膜孔灌土壤水氮运移特性的影响[J]. 刘利华,费良军,陈琳,白瑞. 水土保持学报. 2018(03)
[3]土壤初始含水率对浑水膜孔灌肥液自由入渗水氮运移特性影响[J]. 陈琳,费良军,刘利华,王子路,钟韵. 水土保持学报. 2018(02)
[4]枯草芽孢杆菌改良盐碱土过程中水盐运移特征[J]. 周蓓蓓,侯亚玲,王全九. 农业工程学报. 2018(06)
[5]水平微润灌湿润体HYDRUS-2D模拟及其影响因素分析[J]. 范严伟,赵彤,白贵林,刘文光. 农业工程学报. 2018(04)
[6]添加γ-聚谷氨酸条件下Philip模型与Green-Ampt入渗模型的对比分析[J]. 梁嘉平,史文娟,王全九. 干旱地区农业研究. 2017(03)
[7]膜孔灌灌溉入渗量的简化计算方法及验证[J]. 范严伟,赵彤,赵文举,毕贵权. 农业工程学报. 2016(13)
[8]灌溉定额对膜孔灌玉米土壤水氮分布和产量的影响[J]. 董玉云,费良军,贾丽华. 土壤通报. 2014(05)
[9]基于分层假设的Green-Ampt模型改进[J]. 彭振阳,黄介生,伍靖伟,郭会. 水科学进展. 2012(01)
[10]基于Green-Ampt模型的变水头积水入渗模型建立及其参数求解[J]. 马娟娟,孙西欢,郭向红. 水利学报. 2010(01)
本文编号：3323197
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
一维Green-Ampt入渗公式示意图注：zf为概化湿润锋深度，cm；H为土壤表层积水深度
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年70润区和未湿润区，在湿润区土壤含水率为饱和含水率θs，而未湿润区含水率为初始含水率θi。如图1所示，设地表积水深度为H，不随时间变化，概化湿润锋位置为zf，概化湿润锋处的土壤水吸力为Sf，被认为是某一定值。设地表Z轴处坐标原点，向下为正方向。则地表处的水势为H，湿润锋处总水势为(Sf+zf)，其水势梯度为()fffSzHz。由达西定律知ffsfzSHiKz（1）式中i为入渗率，cm/min；KS为表征导水率，cm/min；zf为概化湿润锋深度，cm；Sf为湿润锋面处水吸力，cm；H为土壤表层积水深度，cm。由水量平衡原理知：()sifIz（2）式中I为累积入渗量，cm；θs为土壤饱和含水率，cm3/cm3；θi为土壤初始含水率，cm3/cm3。入渗率i和累积入渗量I存在函数关系为ddIit（3）式中t为时间，min。式（1）－式（3）为Green-Ampt入渗公式，对于着重研究土壤入渗过程，Green-Ampt入渗公式具有特殊的作用。此公式因其各符号有着明确的物理量含义以及在使用过程中具有较高的准确性而受到广泛的应用。注：zf为概化湿润锋深度，cm；H为土壤表层积水深度，cm。Note:zfisgeneralizedwettingfrontdepth,cm；Hisdepthofsoilsurfacewater,cm.图1一维Green-Ampt入渗公式示意图Fig.1Schematicdiagramofone-dimensionalGreen-Amptinfiltrationformula1.2膜孔灌三维入渗模型的建立1.2.1膜孔灌入渗膜孔灌入渗为三维入渗问题，如?
蚱涓鞣?庞凶琶魅返奈锢砹亢?逡约霸?使用过程中具有较高的准确性而受到广泛的应用。注：zf为概化湿润锋深度，cm；H为土壤表层积水深度，cm。Note:zfisgeneralizedwettingfrontdepth,cm；Hisdepthofsoilsurfacewater,cm.图1一维Green-Ampt入渗公式示意图Fig.1Schematicdiagramofone-dimensionalGreen-Amptinfiltrationformula1.2膜孔灌三维入渗模型的建立1.2.1膜孔灌入渗膜孔灌入渗为三维入渗问题，如图2a所示，膜孔为具有恒定水头的圆柱形水室，其湿润体过膜孔中心的各个垂直剖面均相同。如图3为过膜孔中心的垂直剖面，其形状接近于1/2椭圆[20-21]，因此整个湿润体形状为接近于以垂直剖面绕Z轴旋转后的旋转椭球体。为了研究方便，这里仅取过膜孔中心的垂直剖面研究。图2b所示垂直剖面中Z轴取向下为正方向，并设土层表面为Z轴起点，X轴为土壤表层，X轴与Z轴交点o点为膜孔中心处。过膜孔中心的各个垂直剖面均相同，故可将膜孔灌三维入渗简化为二维入渗问题：由剖面（过膜孔中心的垂直剖面）上方的膜孔水室对剖面进行入渗的二维入渗问题，该膜孔水室为从d到d（d为膜孔半径）、单位宽度的线状水室，在此将线状水室看作压力水头为H′（H′为膜孔水室水头）的线状入渗源。注：d为膜孔半径，cm；H′为膜孔水室水头，cm。Note:disradiusoffilmhole,cm；H"isheadofmembraneholewaterchamber,cm.图2膜孔灌入渗图Fig.2Infiltrationofmembraneholeirrigation注：L为点（x，0）到点（a，b）的渗流路径，即2点间距离，cm。Note:Listheseepagepathfrompoint(x,0)topoint(a,b),thatisthedistancebetweentwopoints，cm.图3膜孔灌垂直剖面概
【参考文献】：
期刊论文
[1]膜孔灌溉下土壤入渗特征的多因素分析[J]. 钟韵,费良军,刘乐,陈琳. 水科学进展. 2018(04)
[2]膜孔直径对浑水膜孔灌土壤水氮运移特性的影响[J]. 刘利华,费良军,陈琳,白瑞. 水土保持学报. 2018(03)
[3]土壤初始含水率对浑水膜孔灌肥液自由入渗水氮运移特性影响[J]. 陈琳,费良军,刘利华,王子路,钟韵. 水土保持学报. 2018(02)
[4]枯草芽孢杆菌改良盐碱土过程中水盐运移特征[J]. 周蓓蓓,侯亚玲,王全九. 农业工程学报. 2018(06)
[5]水平微润灌湿润体HYDRUS-2D模拟及其影响因素分析[J]. 范严伟,赵彤,白贵林,刘文光. 农业工程学报. 2018(04)
[6]添加γ-聚谷氨酸条件下Philip模型与Green-Ampt入渗模型的对比分析[J]. 梁嘉平,史文娟,王全九. 干旱地区农业研究. 2017(03)
[7]膜孔灌灌溉入渗量的简化计算方法及验证[J]. 范严伟,赵彤,赵文举,毕贵权. 农业工程学报. 2016(13)
[8]灌溉定额对膜孔灌玉米土壤水氮分布和产量的影响[J]. 董玉云,费良军,贾丽华. 土壤通报. 2014(05)
[9]基于分层假设的Green-Ampt模型改进[J]. 彭振阳,黄介生,伍靖伟,郭会. 水科学进展. 2012(01)
[10]基于Green-Ampt模型的变水头积水入渗模型建立及其参数求解[J]. 马娟娟,孙西欢,郭向红. 水利学报. 2010(01)
本文编号：3323197
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