微地形和入渗时空变异及其对畦灌系统影响的二维模拟评价

摘要

目前，我国约95％的灌溉面积仍采用各种形式的地面灌溉方法，且地面灌溉田间灌溉水利用效率普遍偏低，改进地面灌溉技术具有较大的节水潜力。田面微地形和土壤入渗是影响灌溉性能的两个最为重要的要素，在研究二者空间变异特性的基础上借助数值模拟方法系统模拟评价其对灌溉性能的影响，对优化田间灌溉设计和管理具有重要的指导意义，有助于缓解农业水资源短缺的矛盾，保持农田生态环境，促进灌溉农业的可持续发展。 本文基于大量田间实测数据，采用经典统计学和地质统计学方法对田面微地形和土壤入渗时空变异特性进行研究。根据统计分析所得各类畦田田面微地形的空间变异结构，基于 Monte-Carlo 方法和Kriging插值方法建立随机模拟田面微地形的方法；根据不同模拟精度要求给出随机模拟方法所需的最小样本容量；并通过田间试验对田面微地形随机模拟方法进行验证。在应用研究上，将田面微地形随机模拟方法与二维灌溉模拟模型B2D相结合，首先系统模拟分析各类畦田田面微地形空间变异性(微地形起伏幅度和微地形起伏位置空间分布差异)对畦灌系统(畦灌过程和畦灌性能)的影响，其次依据田间灌溉试验数据，基于微地形随机模拟，对同时考虑微地形和入渗空间变异下畦灌系统的数值模拟效果进行田间验证；最后，结合微地形随机模拟和二维灌溉模拟模型系统模拟评价不同灌溉技术要素组合下微地形和入渗空间变异性对畦灌性能的影响，探讨二者空间变异性对畦灌性能的影响程度与各灌溉要素之间的关系。 通过对以上内容的研究，本文主要结论和创新点在于： (1) 基于大量不同类型田块的实测微地形数据，系统地对田面微地形空间变异特性进行研究，得出田面微地形的空间变异结构可统一采用球状半方差函数模型进行描述，提出根据田块几何参数估算各类田块田面微地形空间变异特征参数(块金值、基台值和变程)的方法。该成果可为随机模拟田面微地形分布状况提供理论基础。 (2) 根据田面相对高程分布既具有随机性又具有空间相关性的特点，基于Monte-Carlo方法和Kriging插值方法建立了随机模拟田面微地形分布状况的方法，解决了随机模拟方法在实际应用中所遇到的最小样本容量的确定问题。该方法的提出具有较高的实用价值，为系统研究田面微地形对畦灌系统性能的影响方面提供了有效工具。 (3) 提出应从微地形起伏幅度和微地形起伏位置的空间分布两方面对微地形空间变异性进行表征。基于微地形随机模拟方法，系统地模拟分析了微地形起伏幅度和起伏位置空间分布差异对畦灌过程和畦灌性能的影响。结果表明，微地形起伏位置空间分布差异对畦灌溉性能的影响取决于相应的微地形起伏幅度，起伏幅度越大其分布差异造成的影响也越大。不同田面平整条件下(对应不同S<,d>值)是否考虑该分布差异带来的影响取决于人们对畦灌性能评价指标C<,v>值的最低允可程度。 (4) 在对同时考虑微地形和入渗空间变异下基于微地形随机模拟和二维灌溉模拟的数值模拟评价方法进行田间验证的基础上，系统地模拟评价了不同坡度和入畦单宽流量下微地形和入渗空间变异对畦灌性能的影响。结果表明，微地形和入渗空间变异对畦灌性能的影响程度与二者空间变异程度密切相关，且相互影响。单个要素变异程度越大，对畦灌性能的影响程度也越大；同时随着一个要素变异程度的增加，另一个要素对畦灌性能的影响又会被消弱。当微地形标准偏差S<,d>>1cm后，微地形空间变异性对畦灌性能的影响尤为显著，在田间灌溉设计、评价和管理中必须考虑微地形空间变异性的影响。入渗空间变异性对各畦灌性能指标的影响相对小一些，且主要对灌溉均匀度产生影响，而对水流恰好覆盖整个田面所需的灌水量无影响；当入渗空间变异为弱变异程度时，在实际工作中基本可以不考虑入渗空间变异性；但当土地平整条件较好(S<,d><2cm)，且田面设计坡度为零坡度时，土壤入渗空间变异性对畦灌性能的影响非常显著，实际应用中不容忽视。 本文的研究使数值模拟确定田面微地形的空间分布成为可能，克服了仅靠田间试验获得相关数据的局限性，为地面灌溉过程的实时控制提供了有利条件，对促进现代化灌溉管理进程具有重要意义。通过系统模拟分析田面微地形和入渗空间变异性对畦灌性能的影响，所得结果对地面灌溉系统设计和管理中在什么情况下需考虑二者空间变异性以及如何考虑具有较强的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1田面高程的确定

1.2.2微地形时空变异及其对灌溉性能影响

1.2.3土壤入渗参数的确定

1.2.4土壤入渗时空变异性及其对灌溉性能影响

1.2.5地面灌溉模拟模型及其应用

1.3研究方案

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3技术路线

第二章田间试验观测与研究方法

2.1试验区概况

2.2田间试验观测方法

2.3统计分析方法

2.3.1经典统计学方法

2.3.2地质统计学方法

2.4地面灌溉模拟方法

2.4.1二维地面灌溉模拟模型B2D

2.4.2二维地面灌溉模拟模型的改进

2.4.3二维地面灌溉模拟模型的验证

2.5地面灌溉性能评价指标

第三章田面微地形时空变异特性研究

3.1田面微地形空间变异特性

3.1.1典型田块基本参数及概化分类

3.1.2田面相对高程的统计特征

3.1.3田面相对高程的空间变异结构

3.1.4田面相对高程空间变异特征参数值的确定

3.2田面微地形时间变异特性

3.2.1田面相对高程特征参数的时间变异性

3.2.2田面微地形空间分布的时间变异性

3.3结论

第四章田面微地形随机模拟模型的构建

4.1田面微地形随机模拟方法

4.1.1基于Monte-Carlo方法随机生成田面相对高程

4.1.2随机生成的田面相对高程的值域范围限定

4.1.3随机生成的田面相对高程空间相关性修正

4.1.4随机生成的田面相对高程的统计特征修正

4.2随机生成的田面相对高程最小样本容量

4.2.1数值模拟试验设计

4.2.2畦灌性能指标统计特征值与样本容量间的关系

4.2.3畦灌性能指标值的概率分布检验

4.2.4确定最小样本容量的数学方法

4.2.5随机生成的田面相对高程最小样本容量的确定

4.3田面微地形随机模拟方法的验证

4.4结论

第五章田面微地形空间变异性对畦灌系统影响的模拟分析

5.1畦灌数值模拟试验设计

5.2微地形起伏幅度对畦灌系统影响的模拟分析

5.3微地形起伏位置空间分布差异对畦灌系统影响的模拟分析

5.4微地形空间变异性对畦灌系统影响的模拟分析

5.5结论

第六章土壤入渗参数时空变异特性研究

6.1田间入渗试验设计

6.2土壤入渗参数空间相关结构分析

6.3合理入渗采样点的确定

6.4土壤入渗参数时空变异分布特征

6.5结论

第七章考虑微地形和入渗时空变异的畦灌系统模拟效果田间验证

7.1考虑微地形和入渗空间变异的畦灌数值模拟评价方法

7.2田间试验与方法

7.2.1畦灌试验设计

7.2.2畦灌数值模拟条件设定

7.2.3畦灌数值模拟效果评价指标

7.3实测与模拟所得畦灌过程对比

7.3.1推进过程

7.3.2消退过程

7.3.3地表水深变化过程

7.4实测与模拟所得畦灌性能对比

7.5结论

第八章微地形和入渗空间变异对畦灌性能影响的要素分析

8.1确定表征微地形和入渗空间变异性的指标

8.2畦灌数值模拟试验设计

8.3微地形空间变异对畦灌性能影响的要素分析

8.3.1不同要素组合下微地形空间变异性对畦灌性能的影响

8.3.2微地形空间变异对畦灌性能的影响程度与其他要素间的关系

8.4入渗空间变异对畦灌性能影响的要素分析

8.4.1不同要素组合下入渗空间变异性对畦灌性能的影响

8.4.2入渗空间变异对畦灌性能的影响程度与其他要素间的关系

8.5结论

第九章结论与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢