非充分供水土壤水分入滲規(guī)律的試驗(yàn)研究與過程模擬.pdf

1、非充分供水土壤水分入滲過程是自然界降雨水分和灌溉水進(jìn)入土壤的重要過程之一，小強(qiáng)度降水或噴灑條件下的水分入滲屬于非充分供水入滲。研究非充分供水土壤水分入滲過程對降雨徑流計(jì)算和噴灌技術(shù)參數(shù)確定有重要價值。本論文是以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40671081)“區(qū)域尺度上土壤入滲參數(shù)多元非線性傳輸函數(shù)研究”為支撐，選擇從沙到黏的八種不同質(zhì)地的土壤為研究對象，采用試驗(yàn)研究與理論研究相結(jié)合、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地研究了非充分供水條

2、件下的土壤水分入滲特性及其影響主導(dǎo)因素，建立了非充分供水三階段入滲模型；探索了非充分供水入滲模型參數(shù)與充分供水入滲模型參數(shù)間的數(shù)量關(guān)系；利用多元線性、非線性、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土壤傳輸函數(shù)對非充分供水入滲模型參數(shù)及入滲過程進(jìn)行預(yù)報(bào)；實(shí)現(xiàn)了對非充分供水入滲過程的數(shù)值模擬。主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 ⑴揭示了非充分供水土壤水分入滲的基本特性。其入滲過程可分為供水強(qiáng)度控制入滲階段、非飽和土入滲階段和飽和土入滲階段，積水時刻和相對穩(wěn)定入

3、滲時間是三者的分界點(diǎn)。
　　 ⑵建立了非充分供水土壤水分入滲三階段模型。第一階段供水強(qiáng)度控制階段，入滲率為一常數(shù)，其值等于供水強(qiáng)度；第二階段非飽和土入滲控制階段，入滲率符合Kostiakov三參數(shù)模型；第三階段飽和土入滲控制階段，入滲率等于相對飽和滲透系數(shù)。
　　 ⑶影響非充分供水土壤水分入滲特性的主要因素有供水強(qiáng)度、土壤質(zhì)地、初始含水率、土壤結(jié)構(gòu)等。建立了積水時刻、穩(wěn)定入滲時間、入滲量、濕潤鋒及入滲模型參數(shù)與這些主要影

4、響因素間的數(shù)量關(guān)系。積水時刻隨供水強(qiáng)度的變化符合負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,隨著土壤干容重、土壤黏粒含量、初始含水率的變化符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系。
　　 ⑷建立了非充分與充分供水土壤水分入滲率模型參數(shù)間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了用充分供水入滲模型參數(shù)來預(yù)報(bào)非充分供水入滲模型參數(shù)。①積水后第一個單位時間末的入滲率B1等于供水強(qiáng)度與穩(wěn)定入滲率之差。②非充分供水入滲的穩(wěn)定入滲率f01等于充分供水穩(wěn)定入滲率f0。③入滲衰減指數(shù)α1與α間的關(guān)系為：
　　

5、>　　 ⑸利用多元線性、非線性和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土壤傳輸函數(shù)對非充分供水土壤水分入滲模型參數(shù)及入滲過程的預(yù)報(bào)是可行的。多元線性和非線性兩種土壤傳輸函數(shù)(5個變量)的預(yù)報(bào)誤差相差不大，各預(yù)報(bào)量的預(yù)報(bào)誤差范圍在14.9[％]-43.8[％]之間；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土壤傳輸函數(shù)采用單隱層結(jié)構(gòu)(5-10-1),各預(yù)報(bào)量的預(yù)報(bào)誤差范圍在6.8[％]-18.8[％]；BP網(wǎng)絡(luò)土壤傳輸函數(shù)的預(yù)報(bào)誤差最小。
　　 ⑹建立了非充分供水條件下的土壤水分運(yùn)動

6、的定解問題，利用有限差分法對其入滲過程進(jìn)行數(shù)值模擬。該程序?qū)崿F(xiàn)了非充分供水土壤水分入滲過程、濕潤鋒推進(jìn)距離和任一時刻含水率分布的模擬。
　　 本研究的創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　 ⑴建立了非充分供水土壤水分入滲三階段模型。
　　 ⑵系統(tǒng)分析了土壤質(zhì)地、含水率、結(jié)構(gòu)、供水強(qiáng)度對入滲積水時刻的影響，建立了入滲積水時刻與各影響因素間的數(shù)量關(guān)系及積水時刻的預(yù)報(bào)模型，為降雨徑流計(jì)算、噴灌技術(shù)參數(shù)確定提供了理論依據(jù)。
　　 ⑶

7、根據(jù)8種土壤質(zhì)地的入滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了同土壤條件下的非充分供水入滲與充分供水入滲模型參數(shù)間的關(guān)系，為非充分供水入滲模型參數(shù)的獲取提供一種新的方法。
　　 ⑷在400組樣本的基礎(chǔ)上，利用多元線性、非線性和BP網(wǎng)絡(luò)土壤傳輸函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對非充分供水入滲模型參數(shù)的預(yù)報(bào)。BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)的精度最高。
　　 本研究是以指導(dǎo)農(nóng)田噴灌和降雨徑流研究為主要出發(fā)點(diǎn)，對非充分供水條件下的土壤水分入滲特性進(jìn)行了較為全面深入的研究，實(shí)現(xiàn)了用多種土壤傳