非充分供水土壤水分入渗规律的试验研究与过程模拟

摘要

非充分供水土壤水分入渗过程是自然界降雨水分和灌溉水进入土壤的重要过程之一，小强度降水或喷洒条件下的水分入渗属于非充分供水入渗。研究非充分供水土壤水分入渗过程对降雨径流计算和喷灌技术参数确定有重要价值。本论文是以国家自然科学基金项目(40671081)“区域尺度上土壤入渗参数多元非线性传输函数研究”为支撑，选择从沙到黏的八种不同质地的土壤为研究对象，采用试验研究与理论研究相结合、理论分析与数值模拟相结合的研究方法，系统地研究了非充分供水条件下的土壤水分入渗特性及其影响主导因素，建立了非充分供水三阶段入渗模型；探索了非充分供水入渗模型参数与充分供水入渗模型参数间的数量关系；利用多元线性、非线性、BP神经网络土壤传输函数对非充分供水入渗模型参数及入渗过程进行预报；实现了对非充分供水入渗过程的数值模拟。主要研究成果和创新点如下：
　　 ⑴揭示了非充分供水土壤水分入渗的基本特性。其入渗过程可分为供水强度控制入渗阶段、非饱和土入渗阶段和饱和土入渗阶段，积水时刻和相对稳定入渗时间是三者的分界点。
　　 ⑵建立了非充分供水土壤水分入渗三阶段模型。第一阶段供水强度控制阶段，入渗率为一常数，其值等于供水强度；第二阶段非饱和土入渗控制阶段，入渗率符合Kostiakov三参数模型；第三阶段饱和土入渗控制阶段，入渗率等于相对饱和渗透系数。
　　 ⑶影响非充分供水土壤水分入渗特性的主要因素有供水强度、土壤质地、初始含水率、土壤结构等。建立了积水时刻、稳定入渗时间、入渗量、湿润锋及入渗模型参数与这些主要影响因素间的数量关系。积水时刻随供水强度的变化符合负幂函数关系,随着土壤干容重、土壤黏粒含量、初始含水率的变化符合对数函数关系。
　　 ⑷建立了非充分与充分供水土壤水分入渗率模型参数间的关系,实现了用充分供水入渗模型参数来预报非充分供水入渗模型参数。①积水后第一个单位时间末的入渗率B1等于供水强度与稳定入渗率之差。②非充分供水入渗的稳定入渗率f01等于充分供水稳定入渗率f0。③入渗衰减指数α1与α间的关系为：
　　
　　 ⑸利用多元线性、非线性和BP神经网络土壤传输函数对非充分供水土壤水分入渗模型参数及入渗过程的预报是可行的。多元线性和非线性两种土壤传输函数(5个变量)的预报误差相差不大，各预报量的预报误差范围在14.9[％]-43.8[％]之间；BP神经网络土壤传输函数采用单隐层结构(5-10-1),各预报量的预报误差范围在6.8[％]-18.8[％]；BP网络土壤传输函数的预报误差最小。
　　 ⑹建立了非充分供水条件下的土壤水分运动的定解问题，利用有限差分法对其入渗过程进行数值模拟。该程序实现了非充分供水土壤水分入渗过程、湿润锋推进距离和任一时刻含水率分布的模拟。
　　 本研究的创新点包括：
　　 ⑴建立了非充分供水土壤水分入渗三阶段模型。
　　 ⑵系统分析了土壤质地、含水率、结构、供水强度对入渗积水时刻的影响，建立了入渗积水时刻与各影响因素间的数量关系及积水时刻的预报模型，为降雨径流计算、喷灌技术参数确定提供了理论依据。
　　 ⑶根据8种土壤质地的入渗试验数据，建立了同土壤条件下的非充分供水入渗与充分供水入渗模型参数间的关系，为非充分供水入渗模型参数的获取提供一种新的方法。
　　 ⑷在400组样本的基础上，利用多元线性、非线性和BP网络土壤传输函数，实现了对非充分供水入渗模型参数的预报。BP网络预报的精度最高。
　　 本研究是以指导农田喷灌和降雨径流研究为主要出发点，对非充分供水条件下的土壤水分入渗特性进行了较为全面深入的研究，实现了用多种土壤传输函数预报非充分供水入渗模型参数及入渗过程。但是由于数据观测误差、试验方法或预测方法等原因，使得某些参数的预报精度还较低，还需要进一步探索新的预报方法，将预报误差控制在10[％]以下。