微地形和入滲時空變異及其對畦灌系統(tǒng)影響的二維模擬評價.pdf

1、目前，我國約95％的灌溉面積仍采用各種形式的地面灌溉方法，且地面灌溉田間灌溉水利用效率普遍偏低，改進地面灌溉技術具有較大的節(jié)水潛力。田面微地形和土壤入滲是影響灌溉性能的兩個最為重要的要素，在研究二者空間變異特性的基礎上借助數(shù)值模擬方法系統(tǒng)模擬評價其對灌溉性能的影響，對優(yōu)化田間灌溉設計和管理具有重要的指導意義，有助于緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺的矛盾，保持農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，促進灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 本文基于大量田間實測數(shù)據(jù)，采用經(jīng)典統(tǒng)計學和地

2、質(zhì)統(tǒng)計學方法對田面微地形和土壤入滲時空變異特性進行研究。根據(jù)統(tǒng)計分析所得各類畦田田面微地形的空間變異結構，基于 Monte-Carlo 方法和Kriging插值方法建立隨機模擬田面微地形的方法；根據(jù)不同模擬精度要求給出隨機模擬方法所需的最小樣本容量；并通過田間試驗對田面微地形隨機模擬方法進行驗證。在應用研究上，將田面微地形隨機模擬方法與二維灌溉模擬模型B2D相結合，首先系統(tǒng)模擬分析各類畦田田面微地形空間變異性(微地形起伏幅度和微地形起伏

3、位置空間分布差異)對畦灌系統(tǒng)(畦灌過程和畦灌性能)的影響，其次依據(jù)田間灌溉試驗數(shù)據(jù)，基于微地形隨機模擬，對同時考慮微地形和入滲空間變異下畦灌系統(tǒng)的數(shù)值模擬效果進行田間驗證；最后，結合微地形隨機模擬和二維灌溉模擬模型系統(tǒng)模擬評價不同灌溉技術要素組合下微地形和入滲空間變異性對畦灌性能的影響，探討二者空間變異性對畦灌性能的影響程度與各灌溉要素之間的關系。 通過對以上內(nèi)容的研究，本文主要結論和創(chuàng)新點在于： (1) 基于大量不同類

4、型田塊的實測微地形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地對田面微地形空間變異特性進行研究，得出田面微地形的空間變異結構可統(tǒng)一采用球狀半方差函數(shù)模型進行描述，提出根據(jù)田塊幾何參數(shù)估算各類田塊田面微地形空間變異特征參數(shù)(塊金值、基臺值和變程)的方法。該成果可為隨機模擬田面微地形分布狀況提供理論基礎。 (2) 根據(jù)田面相對高程分布既具有隨機性又具有空間相關性的特點，基于Monte-Carlo方法和Kriging插值方法建立了隨機模擬田面微地形分布狀況的方法，解

5、決了隨機模擬方法在實際應用中所遇到的最小樣本容量的確定問題。該方法的提出具有較高的實用價值，為系統(tǒng)研究田面微地形對畦灌系統(tǒng)性能的影響方面提供了有效工具。 (3) 提出應從微地形起伏幅度和微地形起伏位置的空間分布兩方面對微地形空間變異性進行表征?；谖⒌匦坞S機模擬方法，系統(tǒng)地模擬分析了微地形起伏幅度和起伏位置空間分布差異對畦灌過程和畦灌性能的影響。結果表明，微地形起伏位置空間分布差異對畦灌溉性能的影響取決于相應的微地形起伏幅度，起

6、伏幅度越大其分布差異造成的影響也越大。不同田面平整條件下(對應不同S<,d>值)是否考慮該分布差異帶來的影響取決于人們對畦灌性能評價指標C<,v>值的最低允可程度。 (4) 在對同時考慮微地形和入滲空間變異下基于微地形隨機模擬和二維灌溉模擬的數(shù)值模擬評價方法進行田間驗證的基礎上，系統(tǒng)地模擬評價了不同坡度和入畦單寬流量下微地形和入滲空間變異對畦灌性能的影響。結果表明，微地形和入滲空間變異對畦灌性能的影響程度與二者空間變異程度密切相

7、關，且相互影響。單個要素變異程度越大，對畦灌性能的影響程度也越大；同時隨著一個要素變異程度的增加，另一個要素對畦灌性能的影響又會被消弱。當微地形標準偏差S<,d>>1cm后，微地形空間變異性對畦灌性能的影響尤為顯著，在田間灌溉設計、評價和管理中必須考慮微地形空間變異性的影響。入滲空間變異性對各畦灌性能指標的影響相對小一些，且主要對灌溉均勻度產(chǎn)生影響，而對水流恰好覆蓋整個田面所需的灌水量無影響；當入滲空間變異為弱變異程度時，在實際工作中基

8、本可以不考慮入滲空間變異性；但當土地平整條件較好(S<,d><2cm)，且田面設計坡度為零坡度時，土壤入滲空間變異性對畦灌性能的影響非常顯著，實際應用中不容忽視。 本文的研究使數(shù)值模擬確定田面微地形的空間分布成為可能，克服了僅靠田間試驗獲得相關數(shù)據(jù)的局限性，為地面灌溉過程的實時控制提供了有利條件，對促進現(xiàn)代化灌溉管理進程具有重要意義。通過系統(tǒng)模擬分析田面微地形和入滲空間變異性對畦灌性能的影響，所得結果對地面灌溉系統(tǒng)設計和管理中在