基于水量平衡原理的土壤入滲參數(shù)研究

基于水量平衡原理的土壤入滲參數(shù)研究

利用水流推進(jìn)和利用田面布置的方法,選擇合適的入滲參數(shù),進(jìn)行復(fù)合化、確定、轉(zhuǎn)資選擇。首先是利用地表深變化過程土壤入滲的平均參數(shù)和土壤總厚的綜合錯(cuò)誤率是設(shè)計(jì)地面灌溉的重要參數(shù)。許多科學(xué)家對此進(jìn)行了大量研究，并提出了不同的方法。對土壤入滲參數(shù),常用雙環(huán)入滲法測定,但由于土壤的空間變異性和水流對土壤入滲特征的影響,導(dǎo)致利用雙環(huán)入滲儀測定工作量大,且引入了樣本誤差。因此,眾多學(xué)者研究利用灌溉水流運(yùn)動過程來推求土壤平均入滲參數(shù)的方法。王文焰等提出利用兩個(gè)畦田的水流推進(jìn)和消退過程來估算入滲參數(shù),其計(jì)算精度較高,但試驗(yàn)工作量較大;Maheshwari、Esfandiari等提出利用水流推進(jìn)過程和畦(溝)地表水深變化過程,采用計(jì)算機(jī)尋優(yōu)技術(shù)來推求入滲參數(shù)的方法,但其存在著地表水深變化難確定的問題且計(jì)算量大;繳錫云等、張新民等分別對文獻(xiàn)和的方法進(jìn)行了改進(jìn),變多點(diǎn)尋優(yōu)計(jì)算為直接計(jì)算或運(yùn)用非線性回歸計(jì)算,減少了工作量,但畦(溝)水深較難準(zhǔn)確測定。對于田面糙率,學(xué)者多利用畦灌時(shí)的田面水深對其進(jìn)行估算,但田面水深在田間試驗(yàn)中難以準(zhǔn)確獲取,影響了推求精度和應(yīng)用;許迪等、吳軍虎等采用零慣量模型對田面糙率進(jìn)行試算,需先確定入滲參數(shù),因此需尋求一種簡化的可同步確定田間平均入滲參數(shù)和糙率的方法。王全九等通過對水面特征的概化,提出了基于水流推進(jìn)資料同時(shí)確定土壤入滲參數(shù)和田面糙率的方法,但該方法采用Philip一項(xiàng)入滲公式,只適用于灌水歷時(shí)較短的情況;馬東豪等同樣利用水流推進(jìn)資料,采用Horton入滲公式,克服了文獻(xiàn)方法對長歷時(shí)灌水不適用的缺點(diǎn),但由于Horton公式所含參數(shù)較多,其應(yīng)用受到一定影響。畦田水流推進(jìn)過程是地面坡度、入畦流量、平均土壤入滲特性和糙率的綜合反映且易于獲得,因此本文通過對地表水面線概化,結(jié)合水量平衡原理,采用理論基礎(chǔ)強(qiáng)、使用范圍廣的Philip二項(xiàng)入滲公式,利用畦灌水流推進(jìn)過程同步推求Philip平均土壤入滲參數(shù)和田面綜合糙率。1理論分析1.1田間入滲模型在畦灌過程中,從水流進(jìn)入畦首開始,水流推進(jìn)到某一位置時(shí)的地表水面線與濕潤范圍如圖1所示。圖中,h為地表水深,m;Z為累計(jì)入滲量,m;x為水流推進(jìn)位置與田間首部的距離,m;Vh為水流推進(jìn)至x處時(shí),單位寬度上的地表儲水量,m2;VZ為單位寬度上的地下儲水量,m2。水量平衡模型是在不計(jì)蒸發(fā)損失的情況下,根據(jù)質(zhì)量守恒原理,進(jìn)入田間的流量等于入滲量與地表積水量之和。對于單位田間寬度上有q0t=Vh+VZ(1)式中q0——入畦單位寬度流量,m2/st——灌水時(shí)間,s1.2h計(jì)算入滲量m畦灌水流前鋒推進(jìn)至與畦首距離l(水流推進(jìn)距離)處時(shí),單位寬度上的地表儲水量為Vh=∫l00lhdx(2)研究表明地面水流推進(jìn)過程中水面線呈冪函數(shù)特征,可描述為h=h01?xl1-xlm(3)式中h0——畦首水深,mm——水面線形狀擬合系數(shù)將式(3)代入式(2),并引入地表儲水形狀系數(shù)σh,令σh=1/(1+m),則有Vh=h0l1+m=σhh0l(4)Vh=h0l1+m=σhh0l(4)對于σh,Alazba建議在0.7～0.9之間取值;繳錫云等建議在0.7～0.8之間取值,并分析其不同取值對計(jì)算累積入滲量的影響,結(jié)果表明影響不大。Sepaskhah等建議取其均值0.75,Kanya等建議取0.77,綜合考慮以上建議,對σh分別取0.70、0.75、0.80進(jìn)行計(jì)算,m值經(jīng)計(jì)算分別為0.43、0.33、0.25。由于畦田地面不平整等原因,大田畦灌試驗(yàn)中畦首水深h0難以準(zhǔn)確測定,采用文獻(xiàn)的方法,假定田面綜合糙率n相同,沿畦長方向的畦田水流推進(jìn)過程雖為非均勻流,但畦長方向水流狀況變化緩慢,可近似按均勻流處理,則畦灌過程中的滿寧公式可表示為n=hR2/3J1/2/q,式中R為畦田各測點(diǎn)處水力半徑,J為各測點(diǎn)處田面坡度,畦灌時(shí)R的計(jì)算公式為R=BhB+2h(5)R=BhB+2h(5)式中,B為畦田寬度,考慮到畦灌時(shí)畦寬遠(yuǎn)大于田面水深,R可近似簡化為R=h。因此,畦灌過程中的滿寧公式可表示為n=h5/3J1/2/q,對滿寧公式進(jìn)行變形,可求得畦首水深h0為h0=(q0n)3/5J3/100(6)h0=(q0n)3/5J03/10(6)式中,J0為畦田首部田面比降,假定畦灌過程中整個(gè)畦田田面坡度保持一致,則J0同時(shí)為整個(gè)畦田的平均田面比降。將式(6)代入式(4)可得Vh=σhl(q0n)3/5J3/100(7)Vh=σhl(q0n)3/5J03/10(7)1.3儲水量的計(jì)算方法土壤的入滲規(guī)律采用Philip入滲公式,即I=St0.5+At(8)式中I——單位面積上的入滲水量,cmS——入滲參數(shù),cm/minA——穩(wěn)滲率,cm/min畦灌水流前鋒推進(jìn)距畦首l處時(shí),單位寬度上的地下儲水量為VZ=∫l00lIdx(9)對式(9)的求解比較困難,若能簡化式(9)的求解過程,則可極大地方便地下儲水量的計(jì)算。因此眾多學(xué)者研究其簡化計(jì)算方法。研究表明若入滲公式采用Kostiakov修正模型,即I=Stα+At(10)式中α——入滲指數(shù)則式(9)可簡化為VZ=σZStαl+At1+γl(11)VΖ=σΖStαl+At1+γl(11)式中,γ為地表水流推進(jìn)過程冪函數(shù)表達(dá)式x=ptγ中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);σZ為地下儲水形狀系數(shù),張新民等建議σZ在0.5～1.0之間取值;Fok和Bishop在假定地表水流推進(jìn)過程符合冪函數(shù)規(guī)律、且土壤入滲符合Kostiakov模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得出下滲水形狀系數(shù)的計(jì)算式為σZ=α+γ(1?α)+1(1+α)(1+γ)(12)σΖ=α+γ(1-α)+1(1+α)(1+γ)(12)由于本文采用Philip入滲公式即式(8),可將式(8)等同為α=0.5的Kostiakov修正模型,則式(12)變?yōu)棣襔=3+γ3(1+γ)(13)σΖ=3+γ3(1+γ)(13)將式(8)、式(13)代入式(11),得VZ=3+γ3(1+γ)3+γ3(1+γ)St0.5l+Atl1+γ(14)St0.5l+Atl1+γ(14)1.4u3000活性參數(shù)的計(jì)算將式(7)和式(14)代入式(1)中,可得到q0t=σh(q0n)3/5lJ3/100+St0.5l(3+γ)3(1+γ)+tlA1+γ(15)q0t=σh(q0n)3/5lJ03/10+St0.5l(3+γ)3(1+γ)+tlA1+γ(15)令a=q0、b=σhq3/5003/5/J3/10003/10、c=σZ、d=1/(1+γ),將式(15)進(jìn)行整理,則at=bn3/5l+cSt0.5l+dAtl(16)式(16)中a、b、c、d為已知參數(shù):a可在試驗(yàn)中直接測定;b與畦田的單寬流量q0、地面坡度J0和地表儲水形狀系數(shù)σh的取值有關(guān),而這些參數(shù)值可直接測定或給定;通過試驗(yàn)中觀測畦灌水流推進(jìn)過程的多點(diǎn)水流推進(jìn)距離l和相應(yīng)推進(jìn)時(shí)間t,并對其采用冪函數(shù)擬合得出參數(shù)γ值,由此可求得下滲水形狀系數(shù)σZ值,即可得c和d值。因此式(16)所含的未知參數(shù)為畦田平均Philip入滲參數(shù)S、A和田面綜合糙率n。利用灌水過程中多組不同灌水時(shí)間t和相應(yīng)的水流推進(jìn)距離l值,采用Matlab軟件在滿足S>0、A≥0約束條件下對式(16)的非線性方程進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)計(jì)算,可求得出畦田平均Philip入滲參數(shù)S、A和田面綜合糙率n等未知參數(shù)值。2模型入滲參數(shù)對個(gè)體的影響為檢驗(yàn)方法的可靠性,用國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)資料和大田試驗(yàn)對式(16)進(jìn)行驗(yàn)證,如表1所示。畦田1～7號基本參數(shù)取原文獻(xiàn)給定值,由于原文獻(xiàn)采用Kostiakov入滲公式,為便于與本文方法進(jìn)行對比,用原文獻(xiàn)的k、α值反求出philip入滲參數(shù)值。畦田8～11號為在楊凌區(qū)三級階地中壤土的冬小麥地進(jìn)行的畦灌試驗(yàn),試驗(yàn)前測定畦田坡降;入畦單寬流量q0用三角薄壁堰測定求得;畦田中每隔5m或10m設(shè)立觀測點(diǎn)并記錄水流推進(jìn)時(shí)間,入滲參數(shù)值采用多點(diǎn)雙環(huán)入滲法確定(畦首、中、尾部各取2個(gè)測點(diǎn),對入滲參數(shù)取其均值),同時(shí)用田間試驗(yàn)資料采用零慣量模型模擬確定田面綜合糙率n。將表1中的q0、J0和原文獻(xiàn)或試驗(yàn)中水流推進(jìn)過程中多點(diǎn)的推進(jìn)距離l和推進(jìn)時(shí)間t代入式(16),并對σh分別取0.70、0.75、0.80,用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算,可同步推求得出不同取值下畦田平均Philip入滲參數(shù)S、A和糙率n值,見表1。計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)σh的不同取值對入滲參數(shù)S和A值無影響,對田面綜合糙率n值有較大影響。由表1可看出,本文模型所求入滲參數(shù)和糙率值與原文獻(xiàn)或試驗(yàn)所給參數(shù)值差別較為明顯,但并不表示本文模型可信度低,其原因可能為田面綜合糙率對水流運(yùn)動過程的敏感性較低,且采用Philip公式為二項(xiàng)式,其入滲參數(shù)之間交互影響導(dǎo)致其差別較大。為檢驗(yàn)本文模型所求入滲參數(shù)的可靠性,分別用文獻(xiàn)或試驗(yàn)所測入滲參數(shù)與本文模型所確定入滲參數(shù)計(jì)算的單位面積累積入滲量過程進(jìn)行比較(圖2),由于篇幅有限,僅列舉部分對比結(jié)果;同時(shí)用本文模型和原文獻(xiàn)方法計(jì)算的各畦田單位寬度灌水時(shí)間內(nèi)入滲總水量進(jìn)行比較,見表2。由表2可看出,文獻(xiàn)方法和本文模型所求總?cè)霛B水量除個(gè)別組外誤差均較小,說明本文模型所求入滲參數(shù)的可靠性較好。為驗(yàn)證所求糙率值的可靠性以及分析其對水流運(yùn)動過程的敏感性,將本文模型所求參數(shù)代入零慣量模型(采用SRFR4.06軟件)模擬水流運(yùn)動過程。其水流運(yùn)動過程的模擬值與實(shí)測值比較見圖3,由于篇幅有限,僅列舉部分模型求解值與實(shí)測值的對比結(jié)果;同時(shí)計(jì)算了各畦田不同糙率n值的不同時(shí)間水流推進(jìn)距離模擬值與實(shí)測值誤差絕對值均值見表3,各畦田所取觀測點(diǎn)不少于6個(gè)。從表3和圖3可知,采用不同田面綜合糙率n值的零慣量模型模擬水流運(yùn)動過程的模擬值與實(shí)測值相比誤差較小,其多組畦田誤差絕對值均值最大為5.09%,低于文獻(xiàn)模型7%的平均計(jì)算誤差,說明用本文模型同步推求不同σh取值下畦田平均Philip入滲參數(shù)S、A和田面綜合糙率n值是可靠的,同時(shí)表明田面綜合糙率值對水流運(yùn)動過程的影響較小。3模型求解與驗(yàn)證以水量平衡原理為基礎(chǔ),通過假定畦灌水流推進(jìn)過程中地表水面線為冪函數(shù)曲線,并將Philip入滲公式等同為α=0.5的Kostiakov修正模型的情況下,建立了利用畦灌水流推進(jìn)過程同步推求田間平均Philip入滲參數(shù)和田面綜合糙率的模型。采用Matlab軟件對模型進(jìn)行求解,得出不同地表儲水形狀