垂直线源灌土壤入渗模拟及其预测模型研究

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1、分类号：TB126密级：公开研究生学位论文论文题目（中文）垂直线源灌土壤入渗模拟及其预测模型研究ResearchonSimulationofSoilInfiltration论文题目（外文）duringVerticalLineSourceIrrigationanditsPredictionModel研究生姓名范严伟学科、专业力学·工程力学研究方向土壤水动力学学位级别博士导师姓名、职称黄宁教授论文工作起止年月2014年9月至2018年5月论文提交日期2018年4月论文答辩日期2018年6月学位授予日期校址：甘肃省兰州市垂直线源灌土壤入渗

2、模拟及其预测模型研究摘要中国西部地区拥有丰富的土地资源和充足的光照条件，是发展林果业的理想区域。垂直线源灌是一种适用于深根系植物的灌水方法，作为新发展的灌水技术，垂直线源灌的设计和管理尚缺乏完整的理论基础，需要系统开展垂直线源灌土壤入渗特性和湿润体特性研究，以实现深根系植物水分高效利用理论的创新。本文以垂直线源灌为研究对象，采用模拟分析和试验验证相结合的方法，探究2种（充分和非充分）供水方式下土壤入渗特性和湿润体特性，寻求其主导影响因素，提出计算累积入渗量和湿润锋运移距离的简化预测模型并进行验证。初步结果如下：（1）通过室内试验，对

3、垂直微润灌微润管出流特性进行研究，基于达西定律，建立了包含水压力、土压力和水吸力的微润管比流量计算式。基于Richards方程，分别建立了2种供水方式下垂直线源灌土壤水分运动数学模型，利用HYDRUS-2D软件进行求解。选取累积入渗量、湿润距离及灌水结束时湿润体水分分布等数据进行验证，模拟值与实测值的MAE和RMSE接近0，PBIAS<±10，NSE≥0.946。证明利用HYDRUS-2D模拟垂直线源灌土壤水分运动是可行的，所建数学模型及其求解方法是可靠的。（2）利用HYDRUS-2D模拟研究了不同土壤特性、灌水器规格和设计参数对垂

4、直线源灌土壤水分运动规律的影响。2种供水方式下，土壤湿润体轮廓线和含水率等值线均为围绕线源的近似“椭球体”，各方向湿润距离随时间的延续而增加。灌水初期，湿润锋运移距离符合水平方向>垂直向下>垂直向上的规律，随灌溉时间的延续，粗质土的湿润锋运移距离逐渐表现出垂直向下>水平方向>垂直向上的规律。充分供水条件下，土壤入渗率和入渗量主要受土壤质地和线源渗水面积影响，土壤初始含水率和线源埋深对其影响较小；湿润锋运移距离主要受土壤质地影响，线源直径和线源长度对其影响较小，土壤初始含水率和线源埋深对其影响微弱；相同灌水定额时，土壤湿润体体积主要受

5、土壤质地、线源长度和线源埋深影响，初始含水率和线源直径对其影响较小。非充分供水条件下（垂直微润灌），土壤湿润体特性主要受土壤质地和微润管渗水率影响，初始含水率对其影响相对较小；微润管渗水率主要受压力水头、线源长度和线源埋深影响。I（3）充分供水垂直线源灌土壤累积入渗量I与灌水时间t的关系可采用Philip入渗公式（I=St0.5+At）表达。相同土壤质地下，吸渗率S与线源渗水面积Sa具有良好的线性关系（S=aSda+b），稳渗率A与Sa具有良好的幂函数关系（A=cSa），不同土壤质地下，系数a和c与饱和导水率Ks呈幂函数关系，系数b

6、和d变化较小，据此建立了包含Sa的相同土质累积入渗量简化预测模型，模型含2个待定参数，只需1组试验数据即可推求，精度较高，可对相同土质的充分供水垂直线源灌土壤累积入渗量进行预测；提出了包含Sa和Ks的不同土质累积入渗量简化预测模型，预测值与实测值误差稍大，但模型简单，初步实现了由土壤参数（Ks）预测不同土质充分供水垂直线源灌累积入渗量的可能。（4）充分供水垂直线源灌土壤湿润锋运移距离F与灌水时间t的关系可用幂函数（F=atb）描述，系数a随饱和导水率的增大而增大，指数b在水平和垂直向上方向上变化较小，而在垂直向下方向上随饱和导水率的

7、增大而增大，建立了不同土质充分供水垂直线源灌土壤湿润锋运移距离简化预测模型，预测值与实测值吻合较好；模型中所需的唯一参数是Ks，可以方便最终用户进行快速的现场评估。（5）垂直微润灌土壤湿润锋运移距离F与灌水时间t的关系可用幂函数（F=atb）表示，系数a在垂直向上和水平方向上随饱和导水率的增大而增大，而在垂直向下方向上随饱和导水率的增大而减小，指数b在垂直向上和水平方向上变化较小，而在垂直向下方向上随饱和导水率的增大而增大；建立了包含饱和导水率和微润管渗水率的不同土质垂直微润灌土壤湿润锋运移距离简化预测模型，预测值与试验值误差较小；

8、模型中包含微润管参数（长度和比流量），便于设计者针对不同土质确定合理的灌溉参数。关键词：垂直线源灌，充分供水，垂直微润灌，简化入渗模型，湿润锋运移距离预测模型，HYDRUS-2DIIRESEARCHONSIMULATIONOFSOIL