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垄沟灌溉土壤水分入渗模拟研究

张勇勇  
【摘要】:垄沟灌溉是在垄作沟播间(套)作种植基础上,通过改变地面微地形形成宽“垄沟结构”,利用灌水沟输水并借助土壤毛管力作用,将水分侧渗到宽垄种植带的地面灌水方式。其仅对沟内种植作物进行灌溉,并依靠土壤水分侧渗实现水分在垄沟间的分配,满足垄沟种植带的作物需水要求。如果灌溉系统设计和管理不善,导致土壤水分交汇和深层渗漏严重,灌水均匀度差,因此需要确定垄沟灌溉适宜的沟垄比例,而灌溉土壤水分运动和空间分布规律是确定适宜沟垄比例的重要依据。本研究通过室内土槽模拟垄沟灌土壤水分入渗过程,利用HYDRUS-2D软件数值模拟垄沟灌土壤水分运动过程;定量评价分析土壤物理性质、耕作技术参数和灌水技术等因素对垄沟灌入渗过程的影响程度和湿润体特征的影响;建立垄沟灌土壤入渗的人工神经网络模型;通过理论分析和模拟计算确定垄沟灌适宜的垄宽和沟垄比例,为田间试验和灌水技术优化管理提供理论支撑。初步得出以下主要研究结果: (1)基于非饱和土壤水动力学理论,修正了土壤入渗动力学模型使其适用于垄沟灌土壤入渗过程。推导出重壤土和砂壤土垄沟灌土壤水分运动参数,确定出垄沟灌土壤入渗的初始条件和边界条件,利用HYDRUS-2D软件数值求解并通过试验验证垄沟灌土壤水分入渗的动力学模型,该模型能较好地模拟垄沟灌土壤水分入渗过程。土壤水动力学模型在模拟垄沟灌累积入渗量和湿润锋运移距离精度较高,而土壤含水量空间分布方面模拟精度稍偏低。 (2)通过数值模拟,分析了不同影响因素对垄沟灌湿润体水分分布和入渗量的影响。相同灌水条件下,土壤质地对水分分布和累积入渗量影响明显,在垄沟灌工程设计中需根据土壤质地对灌溉系统进行设计和优化,在质地重的土壤下应用垄沟灌技术较好;沟底覆膜改善土壤水分在垄沟间的分配,使垂向入渗距离减小,有利于土壤水分侧向入渗,灌水后土壤含水量在垄沟间分配更加均匀,因此,沟底覆膜是垄沟灌溉较为理想的田间措施;沟底宽度对垄沟灌水分分布和累积入渗量影响显著,对于浅根系作物应选择宽沟种植,深根系作物应选择窄沟种植;灌溉水深对垄沟灌溉累积入渗量有影响,同时对水平侧渗影响显著,相同灌水条件下,灌溉水深增加,土壤水分从沟向垄的侧渗过程更加明显,累积入渗量亦增加,较高的灌溉水深有利于提高灌溉水利用效率和灌水均匀度。 (3)通过统计学方法,评价了不同因素对垄沟灌溉土壤入渗影响的显著程度和入渗模型的适用性。通径分析方法表明,灌水湿周、容重、过水断面面积和初始含水量对累积入渗量变化的影响程度分别为51.62%、47.2%、38.12%和6.44%,垄沟灌土壤入渗主成分因素为灌水湿周和土壤容重。统计学指标评价了Kostiakov-Lewis模型、Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型在模拟垄沟灌入渗过程中的适应性,其中Kostiakov-Lewis模型模拟效果较好。在上述研究基础上,建立了以湿周为主成分因素的垄沟灌累积入渗量简化计算模型,该模型计算结果较好,可用于推算垄沟灌入渗量的变化过程。 (4)采用空间矩分析法研究了不同因素对垄沟灌溉湿润体特征量的影响。不同影响因素的矩分析湿润体呈扁平椭圆状,土壤初始含水量增加,湿润体椭圆重心纵坐标zc、椭圆的长轴σ_x和短轴σ_z均增大,椭圆面积亦增大,初始含水量对椭圆的特征量影响较其它因素小;土壤质地对椭圆特征量的影响差异明显;灌水沟底宽对椭圆的特征量影响非常明显,随着沟底宽度增大,椭圆重心纵坐标zc、椭圆的长轴σ_x和短轴σ_z均增大,椭圆面积亦增大;随着入渗水头的增大,土壤水分分布的椭圆重心纵坐标zc减小,而椭圆长轴σ_x和短轴σ_z随之增大,椭圆面积亦增大,椭圆的偏心率e较大,土壤水分侧向入渗过程明显。 (5)基于矩分析的垄沟灌溉入渗湿润体的特征量,改进BP神经网络,采用贝叶斯快速学习算法,建立垄沟灌溉土壤水分入渗的人工神经网络模型,改进的BP人工神经网络模型模拟矩分析的湿润体特征量精度高,预测结果较好,利用具有高度非线性映射功能的BP人工神经网络模型能较好刻画垄沟灌溉土壤水分空间分布的复杂特性。 (6)基于土壤水分运动模拟,初步提出了垄沟灌溉适宜沟垄比例的确定方法,并进行了实例研究。通过土壤水分运动模型模拟了不同垄宽下土壤水分空间分布,并采用欧式距离,计算了其与间(套)作种植适宜土壤含水量相互匹配程度,最终确定了模拟条件下重壤土垄沟灌适宜的沟垄比例为60cm:75cm,砂壤土为60cm:70cm,可为间(套)作垄沟灌溉系统的合理设计提供依据。


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