土壤人渗模型参数的线性预报模型研究

发布时间：2016-07-29 07:54

第一章 引言

1.1 问题的提出与研究意义
我国是一个人口大国，但是水资源极度缺乏加之对有限的水资源利用率很低导致我国用水危机加剧，特别是以水资源为命脉的农业生产活动，难以根据科学的灌水技术参数进行农田灌溉导致农业用水的浪费。为了缓解日趋严重的水资源供求矛盾，提高农业生产灌溉效率，为广大农民提供更便于接受的节水灌溉新方法，需寻求一条科学获取灌水技术以及灌水参数的有效途径。无论采用何种农田灌溉方法，水分都需通过入渗界面进入土壤，使灌溉水入渗转换为土壤水供植物吸收利用，称之为“土壤入渗”，土壤入渗过程作为一项必不可少的田间土壤水分循环环节，从根本上决定着由降雨及灌溉水转化而成土壤水的时空分布以及转化速率，进而影响到农田灌溉的质量和效果。由于各地区的土壤理化性质均有所差异，因此入渗特性也必然有所差异，导致土壤入渗具有空间上的变异性；某些土壤理化性质会随着耕作时间的不同发生一定的变化，改变其入渗特性，导致土壤入渗具有时间上的变异性。因此土壤入渗特性随着土壤状态的唯一性而难以直接确定，如何快速获取土壤入渗模型参数，因地制宜地进行农田灌溉，成为了科学选择灌水方法，提高灌溉水利用效率，改进落后灌水技术的关键手段。目前获取土壤入渗模型参数的方法主要是试验法，从精度的要求看，试验的方法是能够满足农业灌溉水管理的需求，但由于土壤样本具有唯一性使得采用试验方法获取目标参数的技术难度加大、设备要求复杂，浪费人力、物力、财力。本文本着快速、准确的原则试图借助土壤入渗参数和土壤常规理化参数试验大样本利用土壤传输函数法获取入渗模型参数。土壤基本理化参数（土壤容重、土壤含水量、土壤质地、土壤有机质、土壤含盐量）可以用来描述土壤样本的唯一性，表征土壤样本特性。土壤入渗随着土壤样本基本理化性质的不同而不同，通过土壤传输函数法建立的多元统计模型够表征入渗模型目标参数与土壤基本理化参数之间的定量关系，提出了利用容易获取的土壤基本理化参数来预测较难获取的土壤入渗参数的方法，寻求到获取土壤入渗参数的便捷途径，为提高农业灌溉效率及获取灌水技术参数提供了强有力的技术支撑。
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1.2 国内外研究动态
在灌溉或者降雨的条件下水分通过地表渗入到土壤并且储存在土壤中运动形成土壤水的过程成为土壤水分入渗，大田土壤水分入渗是田间水循环一项必不可少的环节，从根本上决定着由降雨及灌溉水转化而成土壤水的时空分布以及转化速率，进而影响到农田灌溉的质量和效果。对土壤入渗的研究由来已久，Buckinghan 于 1904 年首次提出了毛管势的概念，为土壤入渗模型的研究奠定了一定的理论基础。之后，众多国内外的研究学者在毛管势理论的基础上对土壤的入渗特性进行更深层次的研究，建立了各类具有不同意义和用途的土壤水分入渗模型，总体上可将各入渗模型分为经验入渗模型和理论入渗模型，经验入渗模型的建立不是基于明确的物理基础，如 Kostiakov 入渗模型、Horton 模型及 Holtan 入渗模型等；而理论入渗模型是建立在明确的物理基础上的，能够明确表征目标参数与土壤物理性质之间的特征关系，如 Green-Ampt 入渗模型、Philip入渗模型及 Smith 入渗模型等[1]。
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第二章 样本数据建立的室内外试验条件与方法

2.1 试验区气候条件
试验区域位于华北西部的黄土高原东翼山西省境内，全年气候变化范围较大，冬天寒冷；夏天炎热；春天风沙较多；秋天气候温和。试验区气候特征是降雨量偏少，日照时间较长，气候干燥，日夜温差偏大。试验区气温分布的总体趋势是自南向北，自平川向山地递减，北部以及中部的山区，年均气温一般浮动在 5℃~7℃范围内；试验区西部地区，年平均气温浮动在 8℃~10℃范围内，整个试验区南北温差很大。试验区冬季寒冷，气温较低均处于 0℃以下，夏季炎热，气温较高，日平均气温达到 21℃~26℃。试验区无霜期的分布是南部较长而北部较短，平川地区较长而山区较短。试验区的年降水时间分布不均衡，通常情况下 6~8 月份的降水强度较大且较为集中，约占全年降雨量的 60%以上；试验区的降水量空间分布也极不均衡，受地形影响较大，几个典型试验区的气候条件详细情况如下：大同市：地处山西省北部，位于黄土高原东北部边缘，属于大陆性季风气候，降水量较少，日照时间较长，昼夜温差相对较大。该地区的年均年日照时数达到 3000 h，无霜期分布为东南部 156 天、西北部 100 天，年均气温大概在 7℃左右，年最高温度可高达 38℃，年最低温度可低至-29℃，通常全年 1 月份温度最低，平均气温保持在-11.3℃左右。大同地区年均降水量大概在 360 ~450 mm 之间，年均蒸发量大概在 1144mm 左右，降水通常都集中在 7~9 月间。
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2.2 土壤条件
土壤是在地表植被、气候、地形地貌、成土母质、时间因素和人为活动等众多因素的共同作用下形成的。试验区纬度、海陆位置和成土环境条件差异性较大，导致该试验区的气候条件具有多样性，植被的变异状况较明显，从而该试验区土壤类型条件具有复杂性和多样性，主要包括：棕壤土、棕壤性土、；褐土、淋溶褐土、石灰性褐土、栗钙土、栗褐土、山地草甸土、潮土等主要土壤类型此外，还有黄绵土、红黏土等多种类型土壤。非冻结试验区的土壤大田入渗试验是在大同市的南郊区、新荣区、天镇县、阳高县、大同县、广灵县、浑源县、左云县、朔州应县、吕梁方山县、临汾汾西县、运城河津市、文峪河灌区、晋城泽州县、长治长子县等地进行。南郊区地处大同市近郊，该区北部、西部和西南部均为黄土丘陵阶地区，以坡积黄土为主要土壤类型，是黄土质沙壤土，该区东部、东南部是源于山前的季节性河流携带泥沙形成的冲积平原区，土壤母质系黄土质，其下游地区主要为轻砂壤土；新荣区位于山西省最北端，土壤类型以栗钙土为主，在沿河一带形成了少量的草甸土和盐土，东西部地区主要是山地栗钙土，约占该区总土壤面积的 7%左右，丘陵阶地区主要是淡栗钙土，占土壤总面积的 70%；天镇县位于山西省东北部，土壤类型主要为栗钙土，耕作层的土壤分布为南北两边主要为砂土、砂壤土，中部主要为粘壤土；阳高县地处山西省东北部，该区位于冲积平原区和黄土丘陵区，除北部有少量的盐碱草甸土外大多地区是栗钙土；大同县处于大同市的冲积平原区，岩性颗粒较细，土壤以中细砂、粉细砂为主，南北两侧主要为砂质土；广灵县位于永定河上游，该区土壤以淡褐土为主，土壤质地为沙土和壤土，并且携带有少量轻壤土；浑源县位于黄土高原区的边缘地带，土壤类型主要为山地粟钙土、淡粟钙土；左云县地处黄土高原东部边缘，土壤类型主要为栗钙类，淡栗钙土亚类，土壤质地为砂壤土、轻壤土；泽州县的土壤资源丰富，土壤类型较多，大部分山地主要为草灌褐土，丘陵地以及丘间盆地多为典型褐土并分布有少量的草甸土；长子县以褐土和草甸土两大类型土壤为主；临汾市的土层发育较好形成较厚的粘化层，养分充足，土壤类型丰富，以褐土为主并且分布有草原草甸土、棕壤土、草甸土、沼泽土等；文峪河灌区土壤发育较单一，仅有褐土和草甸土两大类。
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3.1 土壤含水量.........21
3.2 土壤结构.............25
3.2.1 土壤结构对土壤入渗能力的影响.......... 25
3.2.2 土壤容重对各土壤入渗模型参数的影响........26
3.2.3 土壤入渗能力及各入渗参数与土壤容重的定量关系.......29
3.3 土壤质地.............30
3.4 土壤有机质.........35
3.5 土壤温度.............40
3.6 土壤含盐量.........43
3.7 影响土壤入渗参数主导因素、次要因素分析..........44
第四章 Kostiakov 与 Philip 入渗模型参数预测模型精度比较......47
4.1Kostiakov 和 Philip 入渗模型.......... 47
4.1.1Kostiakov 入渗模型......474.1.2 Philip 入渗模型............ 47
4.2 入渗参数影响因素的初步选定......47
4.3 入渗模型参数结构.......48
4.4 入渗模型参数线性预报模型.......... 53
4.5 预测模型精度分析.......55
4.6 本章小结....56
第五章 考虑土壤结构变形的 Kostiakov 入渗模型参数......57
5.1 备耕头水地三参数入渗模型参数的预报模型...........57
5.2 考虑结构变形的土壤入渗模型参数的线性预报模型........65
5.3 本章小结....74

第五章 考虑土壤结构变形的 Kostiakov 入渗模型参数的预报模型

备耕地灌溉前后土壤地表结构会发生变化（地表土壤容重增加），为避免灌溉过程中造成的水资源浪费现象，在生产实践中需考虑这种现象的发生。本章通过对备耕头水地在考虑土壤结构变形与不考虑土壤结构变形时建立的入渗模型参数线性预报模型的精度进行对比，证实灌溉时考虑考虑土壤结构变形的重要性，在此基础上最终建立能够适用于整个农业生产周期的非冻结非盐碱土壤入渗模型参数的线性预报模型。

5.1 备耕头水地三参数入渗模型

参数的预报模型备耕土壤是为耕作做准备经过翻松以后待开春后进行播种的土壤，备耕土壤地表有一层干土层，地表土壤较难固结，形不成地表致密层，因此备耕土壤结构较为松散。对备耕土进行第一次灌溉后表层松散的结构会被破坏，并且随着水分浸入土壤而导致表层土崩塌、湿陷，特别是对松散的黄土更是如此，灌溉水进入土壤后表土会形成致密层使得土壤容重增加。这意味着随着灌溉水分的入渗，表层土壤骨架会由疏松变密实，干容重由小变大，导致头水前后的土壤容重有很大差别。为研究预测 Kostiakov 三参数入渗模型参数的预报模型时是否该考虑土壤结构变形，分别对考虑土壤结构变形的情况以及不考虑土壤结构变形的情况进行分析，建立入渗参数的线性预测模型，将预测模型进行对比分析，得到合理的结论。本章利用有较好代表性的 59 组备耕头水土壤入渗试验数据样本进行研究，土壤类型基本囊括了山西省境内主要土壤类型。

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结论

①土壤入渗能力随着土壤含水量增加呈线性关系而减小；随着土壤容重的增加呈线性关系而减小；随着土壤黏粒含量的增加呈指数关系而减小；随着土壤有机质含量的增加呈对数关系增大；对于冻结土壤，，土壤入渗能力随着地中 5cm 温度的增加呈指数关系增加。
② 入渗系数 K 随着土壤含水量的增加呈对数关系而减小；随着土壤容重的增加呈指数关系而减小，但不受表层土壤结构变化的影响，仅与耕作层（0~20cm）的土壤常规理化参数相关；随着土壤黏粒含量的增加呈对数关系而减小；随着土壤有机质含量的增加呈对数关系而减小；对于冻结土壤，土壤入渗能力随着地中 5cm 温度的增加呈指数关系增加。
③ 入渗指数 a 随着土壤含水量的增加呈对数关系而增加；随着土壤容重的增加呈指数关系而减小；随着土壤黏粒含量的增加呈对数关系而减小；随着土壤有机质含量的增加呈对数关系而减小；对于冻结土壤，土壤入渗能力随着地中 5cm 温度的增加呈指数关系增加。
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参考文献(略)

本文编号：78071