【摘要】：地表致密層的形成及減滲作用是波涌灌區(qū)別傳統(tǒng)地面灌的主要入滲特性之一。本文在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合國家自然基金課題,針對我國北方旱區(qū)波涌灌和農(nóng)田施肥特點,旨在揭示和掌握層狀土波涌畦灌間歇入滲規(guī)律及肥液的水氮運移規(guī)律,通過改進間歇入滲模型,對優(yōu)化波涌灌溉技術(shù)要素具有重要的理論意義和應(yīng)用價值,通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和理論研究,取得的主要成果為:(1)研究了均質(zhì)土和層狀土的上升毛管水運動特性通過試驗資料分析與理論研究,建立了基于Philip模型的均質(zhì)土毛管水上升模型,模型中系數(shù)與土壤含水率之間符合一元二次函數(shù)關(guān)系,揭示了層狀土地下水補給量和毛管水上升高度隨時間變化規(guī)律,含砂層層位越大,非線性階段補給量和上升高度越小,線性階段補給量和上升高度越大,含砂層厚度越大,非線性階段對補給量和上升高度無影響,線性穩(wěn)定補給速率和上升速率越小。建立了層狀土上升毛管水運動特性方程,通過相關(guān)性分析指出,土壤含砂層厚度和含砂層層位均與模型的時間常數(shù)無關(guān),但補給量常數(shù)和上升高度常數(shù)與含砂層層位之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,地下水穩(wěn)定補給率和毛管水穩(wěn)定上升速率與含砂層層位之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系,而含砂層厚度僅與穩(wěn)定補給率和毛管水穩(wěn)定上升速率之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系;通過層狀土多因素交互作用研究指出,土壤容重、含砂層層位和含砂層厚度之間的交互作用對層狀土上升毛管水運動變化影響最大。(2)研究了非飽和土壤條件下基于Green-Ampt和Philip二模型的間歇入滲改進模型通過試驗資料分析與理論研究,建立了波涌灌間歇入滲條件下的GA-P(Green-Ampt和Philip)改進入滲模型,進而確定了模型參數(shù)的求解方法;確立了關(guān)于土壤周期性含水率增量隨時間變化的函數(shù)關(guān)系,將土壤含水率增量隨時間的定量變化概化為實際累積入滲量與實際濕潤鋒之間的比值,并將周期數(shù)大于2時的土壤水分剖面分布劃為兩階段(Ⅰ區(qū)補水階段和Ⅱ區(qū)入滲階段),并假定Ⅰ區(qū)濕潤鋒出流通量等于濕潤鋒進入Ⅱ區(qū)的進水通量,通過圖形特征的方法得到土壤含水率增量與入滲時間的0.5次方符合較好的線性函數(shù)關(guān)系,最終求得進入Ⅱ區(qū)時對應(yīng)的飽和導水率和土壤濕潤鋒面水吸力值,其濕潤鋒運移距離和累積入滲量實測值與計算值進行對比結(jié)果顯示模型計算精度較高,通過不同含砂層埋深對比發(fā)現(xiàn),周期數(shù)越大,含砂層埋深對間歇入滲濕潤鋒運移距離及入滲量的影響差異越不明顯。(3)研究了地下水影響的層狀土壤波涌畦灌間歇入滲模型通過試驗資料分析與理論研究,建立了波涌灌間歇入滲條件下的層狀土 BC-GA(Brook-Corey和Green-Ampt)改進入滲模型,確立了層狀土間歇入滲濕潤鋒面水吸力與濕潤深度的函數(shù)關(guān)系,確定了層狀土間歇入滲進入夾砂層時的穩(wěn)滲率,明確了含砂層內(nèi)部土壤飽和導水率、滯留含水率,進氣吸力值,導水度系數(shù),形狀系數(shù)和深度變化是層狀土間歇入滲運移距離變化的主要影響參數(shù);通過不同含砂層埋深對土壤間歇入滲的對比分析指出,周期數(shù)增加,相同含砂層埋深下的累積入滲量減小,濕潤鋒運移距離增大,含砂層埋深增加,相同供水周期的累積入滲量增大,濕潤鋒增大,供水周期達到最大時,含砂層埋深對累積入滲量和濕潤鋒運移距離影響減小。(4)肥液濃度對淺埋地下水間歇入滲土壤水分運動特性研究探明了肥液濃度對土壤間歇入滲的入滲量、土壤含水率變化規(guī)律,肥液濃度越大,時間常數(shù)越大,土壤孔隙體積常數(shù)越大,穩(wěn)滲率越大,有利于土壤水分向下運移。采用Hydrus-1D模型對間歇入滲土壤運動過程進行了數(shù)值模擬,明確了土壤飽和含水率、進氣吸力值和飽和導水率為肥液間歇入滲的主要影響因素,但與土壤滯留含水率和土壤形狀系數(shù)關(guān)系不大;探明了基于V-G模型的分形維數(shù)與土壤孔隙類型之間的變化關(guān)系,分形維數(shù)與非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,其中非毛管孔隙度對進氣吸力倒數(shù)和飽和導水率的影響貢獻最大,通過相關(guān)性分析指出,周期數(shù)增加且肥液濃度減小,分形維數(shù)增大,土壤容重增大,通氣導水能力降低。(5)肥液濃度對淺埋地下水間歇入滲土壤氮素運移特性研究探明了肥液間歇入滲的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的分布規(guī)律及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮與土壤含水率之間的變化關(guān)系,入滲時,周期數(shù)越大,地表銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度逐漸增大,濃度小于250mg/l肥液不利于兩者的累積,大于250mg/l肥液有利于表層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮聚集。再分布時肥液濃度越大,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度越大,且再分布時間越長,硝態(tài)氮易發(fā)生深層滲漏。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨土壤水分變化均經(jīng)歷了淋失和累積兩階段,肥液濃度增大,土壤銨態(tài)氮含量隨水分的增加淋失量減小,土壤硝態(tài)氮淋失量的減小不明顯,周期數(shù)增加,兩者累積階段含量增大,但硝態(tài)氮含量上限值隨周期數(shù)的增加影響減小,肥液濃度增大,兩者累積階段的含量也增大,再分布5天的淋失階段,土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮淋失量隨時間的增加減小,累積階段的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均增大;采用Hydrus-1D模型對肥液濃度條件下的間歇入滲土壤氮素運移及轉(zhuǎn)化過程進行了數(shù)值模擬,分析了地表5cm和地下水淺埋處土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度再分布的變化規(guī)律,明確了地表5cm和地下水淺埋處的凈礦化量、凈硝化量隨時間變化的動力學函數(shù)關(guān)系,通過氮素有效轉(zhuǎn)化分析表明了肥液濃度增加,有利于硝態(tài)氮快速下滲,增加硝態(tài)氮滲漏地下水的可能,且不利于反硝化的進行,可為土壤溶質(zhì)運移理論和模型建立提供參考和理論依據(jù)。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S275
【參考文獻】
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本文編號：
2676140
