水坑灌條件下果園SPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移研究.pdf

1、蘋果樹是我國北方種植最為廣泛的果樹之一，然而在北方，水資源緊缺和干旱問題十分嚴(yán)重，直接影響著蘋果的產(chǎn)量和品質(zhì)。蓄水坑灌法是一種能同時(shí)解決干旱和水土流失問題，適合于山丘區(qū)果林灌溉的新方法。本文在分析國內(nèi)外果園SPAC 系統(tǒng)水分運(yùn)移和蓄水坑灌法研究現(xiàn)狀與存在問題的基礎(chǔ)上，采取理論分析、數(shù)值模擬與田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在山西省太谷縣蘋果園，對蓄水坑灌條件下果園SPAC 系統(tǒng)水分運(yùn)移進(jìn)行研究，主要研究結(jié)果如下：
　　 1、對蓄水坑灌田間

2、工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，確定了蓄水坑直徑為30cm，坑深為40-60cm，環(huán)狀溝深度為20cm；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了閘管灌供水水力計(jì)算研究，建立了閘管配水水力計(jì)算模型，并開發(fā)了閘管配水水力計(jì)算軟件，以方便成果推廣應(yīng)用。
　　 2、將普通遺傳算法和Levenberg-Marquardt 優(yōu)化算法相結(jié)合，構(gòu)建了新的混合遺傳算法，對Van Genuchten 方程中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果表明：與普通遺傳算法相比，混合遺傳算法不但收斂效率高，而

3、且收斂迭代次數(shù)也大大減?。换旌线z傳算法估計(jì)參數(shù)的精度比非線性單純形法和阻尼最小二乘法高，而且不需要給定參數(shù)初值。
　　 3、建立了積水入滲條件下反求土壤水力參數(shù)優(yōu)化模型，采用混合遺傳算法對優(yōu)化模型求解，并進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)和土柱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用混合遺傳算法求解積水入滲條件下土壤水力參數(shù)優(yōu)化模型具有較高的精度，說明建立的土壤水力參數(shù)優(yōu)化模型是正確的，求解方法是可行的。
　　 4、根據(jù)土壤水動(dòng)力學(xué)原理和單坑入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)

4、特征，建立了單坑二維土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用有限元法求解，并根據(jù)質(zhì)量守恒原理建立了確定坑內(nèi)水位變化過程的數(shù)學(xué)模型，利用室內(nèi)試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所建立的單坑二維土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型能夠較好的模擬單坑土壤水分運(yùn)動(dòng)過程，數(shù)值計(jì)算的坑內(nèi)水位變化過程與試驗(yàn)實(shí)測坑內(nèi)水位變化過程吻合較好。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)對蓄水單坑濕潤體影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明：灌水量越大，水平和垂直濕潤鋒推進(jìn)距離越大；坑直徑越大，水平濕潤鋒推進(jìn)距離越大，垂直濕潤鋒

5、推進(jìn)距離越??；坑深越大，水平濕潤鋒推進(jìn)距離越小，垂直濕潤鋒推進(jìn)距離越大；初始含水率越大，水平和垂直濕潤鋒推進(jìn)距離越大。并采用多元乘冪函數(shù)對水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒與初始含水率、坑直徑、坑深和灌水量之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)分別為0.965和0.956。
　　 5、對蓄水坑灌田間土壤水分分布特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：蓄水坑坑深為60cm時(shí)，土壤水分主要分布在地面以下20-140cm 范圍內(nèi)，坑深為40cm時(shí)，土壤水分主要分布在地

6、面以下20-120cm 范圍內(nèi)；而采用地面灌溉時(shí)，土壤水分主要分布在地面以下0-80cm 范圍內(nèi)。蓄水坑灌表層土壤(0-20cm)含水率較小，含水率分布以蓄水坑為中心向四周逐漸減小，最大值出現(xiàn)在蓄水坑坑底附近；地面灌溉表層土壤含水率最大，含水率隨著深度增大而減小。
　　 6、對不同覆蓋措施、不同坑深條件下蓄水坑灌果園坑壁的蒸發(fā)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：灌后坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間呈先增大后減小的趨勢，坑壁不同深度處的蒸發(fā)強(qiáng)度不同，越靠近坑底

7、坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度越??；坑壁同一深度處，淺坑(40cm)的蒸發(fā)強(qiáng)度比深坑(60cm)的大；坑口無覆蓋措施的坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于有覆蓋措施的蒸發(fā)強(qiáng)度，塑料膜覆蓋稍大于秸稈覆蓋；
　　 在相同含水率條件下坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于棵間地表蒸發(fā)，坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度僅占同條件下地面蒸發(fā)強(qiáng)度的11[％]。
　　 7、對不同坑深、不同樹冠條件下的蓄水坑灌果園棵間地表蒸發(fā)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：灌后，地面灌溉棵間地表蒸發(fā)強(qiáng)度是蓄水坑灌棵間地表蒸發(fā)強(qiáng)度的1.4-

8、3.5倍；在同一樹冠下，距樹干50cm處的蒸發(fā)強(qiáng)度最小，100cm和150cm處的蒸發(fā)強(qiáng)度比較接近；蓄水坑坑深對其棵間地表蒸發(fā)沒有明顯影響。蓄水坑灌果園棵間蒸發(fā)量包括棵間地表蒸發(fā)和坑壁蒸發(fā)兩部分，蓄水坑灌棵間蒸發(fā)量僅是地面灌溉棵間蒸發(fā)量的52[％]。
　　 8、分別采用水量平衡法和雙作物系數(shù)法計(jì)算蓄水坑灌果園蒸發(fā)蒸騰量，結(jié)果表明兩種方法的計(jì)算結(jié)果比較接近，最大相對誤差為7.35[％]，說明兩種方法均可用于蓄水坑灌果園蒸發(fā)蒸騰量計(jì)

9、算。
　　 9、建立了基于天氣預(yù)報(bào)資料輸入的最小二乘支持向量機(jī)的參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型，采用混合遺傳算法對模型中的超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用實(shí)測氣象資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型具有較好的泛化能力，可用于參考作物騰發(fā)量的計(jì)算。
　　 10、對蓄水坑灌條件下果樹吸水根系分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用地面灌溉和蓄水坑灌的果樹根長密度隨深度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，地面灌溉果樹根系主要分布在地表以下0-110cm 范圍內(nèi)，蓄水坑灌果

10、樹根系主要分布在地表以下0-150cm 范圍內(nèi)，蓄水坑灌果樹根系在根區(qū)中深層60cm-150cm 范圍內(nèi)的根長密度明顯大于地面灌溉，是地面灌溉的1.67倍；
　　 蓄水坑坑深不同，果樹根系分布范圍不同，坑深為60cm時(shí)果樹根系主要分布在地表以下0-150cm，坑深為40cm時(shí)果樹根系主要分布在地表以下0-130cm；樹冠大小不同，在根區(qū)同一深度處果樹根長密度亦不同，樹冠越大根長密度越大。
　　 11、建立了根據(jù)土壤含水率

11、資料反求根系吸水模型參數(shù)的優(yōu)化模型，采用混合遺傳算法對模型求解，并利用實(shí)測土壤含水率資料確定了蓄水坑灌條件下果樹三維根系吸水模型參數(shù)；根據(jù)建立的根系吸水模型，對蓄水坑灌條件下無水分脅迫的果樹根系最大吸水速率分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明最大根系吸水速率在垂向主要分布在0-150cm 范圍內(nèi)，其最大值出現(xiàn)在蓄水坑坑底附近。
　　 12、在分析蓄水坑灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，建立了蓄水坑灌條件下果園SPAC 系統(tǒng)三維水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型