發(fā)布時間：2016-07-29 07:54

第一章 引言

1.1 問題的提出與研究意義
我國是一個人口大國，但是水資源極度缺乏加之對有限的水資源利用率很低導(dǎo)致我國用水危機加劇，特別是以水資源為命脈的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，難以根據(jù)科學(xué)的灌水技術(shù)參數(shù)進(jìn)行農(nóng)田灌溉導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水的浪費。為了緩解日趨嚴(yán)重的水資源供求矛盾，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉效率，為廣大農(nóng)民提供更便于接受的節(jié)水灌溉新方法，需尋求一條科學(xué)獲取灌水技術(shù)以及灌水參數(shù)的有效途徑。無論采用何種農(nóng)田灌溉方法，水分都需通過入滲界面進(jìn)入土壤，使灌溉水入滲轉(zhuǎn)換為土壤水供植物吸收利用，稱之為“土壤入滲”，土壤入滲過程作為一項必不可少的田間土壤水分循環(huán)環(huán)節(jié)，從根本上決定著由降雨及灌溉水轉(zhuǎn)化而成土壤水的時空分布以及轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而影響到農(nóng)田灌溉的質(zhì)量和效果。由于各地區(qū)的土壤理化性質(zhì)均有所差異，因此入滲特性也必然有所差異，導(dǎo)致土壤入滲具有空間上的變異性；某些土壤理化性質(zhì)會隨著耕作時間的不同發(fā)生一定的變化，改變其入滲特性，導(dǎo)致土壤入滲具有時間上的變異性。因此土壤入滲特性隨著土壤狀態(tài)的唯一性而難以直接確定，如何快速獲取土壤入滲模型參數(shù)，因地制宜地進(jìn)行農(nóng)田灌溉，成為了科學(xué)選擇灌水方法，提高灌溉水利用效率，改進(jìn)落后灌水技術(shù)的關(guān)鍵手段。目前獲取土壤入滲模型參數(shù)的方法主要是試驗法，從精度的要求看，試驗的方法是能夠滿足農(nóng)業(yè)灌溉水管理的需求，但由于土壤樣本具有唯一性使得采用試驗方法獲取目標(biāo)參數(shù)的技術(shù)難度加大、設(shè)備要求復(fù)雜，浪費人力、物力、財力。本文本著快速、準(zhǔn)確的原則試圖借助土壤入滲參數(shù)和土壤常規(guī)理化參數(shù)試驗大樣本利用土壤傳輸函數(shù)法獲取入滲模型參數(shù)。土壤基本理化參數(shù)（土壤容重、土壤含水量、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、土壤含鹽量）可以用來描述土壤樣本的唯一性，表征土壤樣本特性。土壤入滲隨著土壤樣本基本理化性質(zhì)的不同而不同，通過土壤傳輸函數(shù)法建立的多元統(tǒng)計模型夠表征入滲模型目標(biāo)參數(shù)與土壤基本理化參數(shù)之間的定量關(guān)系，提出了利用容易獲取的土壤基本理化參數(shù)來預(yù)測較難獲取的土壤入滲參數(shù)的方法，尋求到獲取土壤入滲參數(shù)的便捷途徑，為提高農(nóng)業(yè)灌溉效率及獲取灌水技術(shù)參數(shù)提供了強有力的技術(shù)支撐。
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1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)
在灌溉或者降雨的條件下水分通過地表滲入到土壤并且儲存在土壤中運動形成土壤水的過程成為土壤水分入滲，大田土壤水分入滲是田間水循環(huán)一項必不可少的環(huán)節(jié)，從根本上決定著由降雨及灌溉水轉(zhuǎn)化而成土壤水的時空分布以及轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而影響到農(nóng)田灌溉的質(zhì)量和效果。對土壤入滲的研究由來已久，Buckinghan 于 1904 年首次提出了毛管勢的概念，為土壤入滲模型的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。之后，眾多國內(nèi)外的研究學(xué)者在毛管勢理論的基礎(chǔ)上對土壤的入滲特性進(jìn)行更深層次的研究，建立了各類具有不同意義和用途的土壤水分入滲模型，總體上可將各入滲模型分為經(jīng)驗入滲模型和理論入滲模型，經(jīng)驗入滲模型的建立不是基于明確的物理基礎(chǔ)，如 Kostiakov 入滲模型、Horton 模型及 Holtan 入滲模型等；而理論入滲模型是建立在明確的物理基礎(chǔ)上的，能夠明確表征目標(biāo)參數(shù)與土壤物理性質(zhì)之間的特征關(guān)系，如 Green-Ampt 入滲模型、Philip入滲模型及 Smith 入滲模型等[1]。
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第二章 樣本數(shù)據(jù)建立的室內(nèi)外試驗條件與方法

2.1 試驗區(qū)氣候條件
試驗區(qū)域位于華北西部的黃土高原東翼山西省境內(nèi)，全年氣候變化范圍較大，冬天寒冷；夏天炎熱；春天風(fēng)沙較多；秋天氣候溫和。試驗區(qū)氣候特征是降雨量偏少，日照時間較長，氣候干燥，日夜溫差偏大。試驗區(qū)氣溫分布的總體趨勢是自南向北，自平川向山地遞減，北部以及中部的山區(qū)，年均氣溫一般浮動在 5℃~7℃范圍內(nèi)；試驗區(qū)西部地區(qū)，年平均氣溫浮動在 8℃~10℃范圍內(nèi)，整個試驗區(qū)南北溫差很大。試驗區(qū)冬季寒冷，氣溫較低均處于 0℃以下，夏季炎熱，氣溫較高，日平均氣溫達(dá)到 21℃~26℃。試驗區(qū)無霜期的分布是南部較長而北部較短，平川地區(qū)較長而山區(qū)較短。試驗區(qū)的年降水時間分布不均衡，通常情況下 6~8 月份的降水強度較大且較為集中，約占全年降雨量的 60%以上；試驗區(qū)的降水量空間分布也極不均衡，受地形影響較大，幾個典型試驗區(qū)的氣候條件詳細(xì)情況如下：大同市：地處山西省北部，位于黃土高原東北部邊緣，屬于大陸性季風(fēng)氣候，降水量較少，日照時間較長，晝夜溫差相對較大。該地區(qū)的年均年日照時數(shù)達(dá)到 3000 h，無霜期分布為東南部 156 天、西北部 100 天，年均氣溫大概在 7℃左右，年最高溫度可高達(dá) 38℃，年最低溫度可低至-29℃，通常全年 1 月份溫度最低，平均氣溫保持在-11.3℃左右。大同地區(qū)年均降水量大概在 360 ~450 mm 之間，年均蒸發(fā)量大概在 1144mm 左右，降水通常都集中在 7~9 月間。
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2.2 土壤條件
土壤是在地表植被、氣候、地形地貌、成土母質(zhì)、時間因素和人為活動等眾多因素的共同作用下形成的。試驗區(qū)緯度、海陸位置和成土環(huán)境條件差異性較大，導(dǎo)致該試驗區(qū)的氣候條件具有多樣性，植被的變異狀況較明顯，從而該試驗區(qū)土壤類型條件具有復(fù)雜性和多樣性，主要包括：棕壤土、棕壤性土、；褐土、淋溶褐土、石灰性褐土、栗鈣土、栗褐土、山地草甸土、潮土等主要土壤類型此外，還有黃綿土、紅黏土等多種類型土壤。非凍結(jié)試驗區(qū)的土壤大田入滲試驗是在大同市的南郊區(qū)、新榮區(qū)、天鎮(zhèn)縣、陽高縣、大同縣、廣靈縣、渾源縣、左云縣、朔州應(yīng)縣、呂梁方山縣、臨汾汾西縣、運城河津市、文峪河灌區(qū)、晉城澤州縣、長治長子縣等地進(jìn)行。南郊區(qū)地處大同市近郊，該區(qū)北部、西部和西南部均為黃土丘陵階地區(qū)，以坡積黃土為主要土壤類型，是黃土質(zhì)沙壤土，該區(qū)東部、東南部是源于山前的季節(jié)性河流攜帶泥沙形成的沖積平原區(qū)，土壤母質(zhì)系黃土質(zhì)，其下游地區(qū)主要為輕砂壤土；新榮區(qū)位于山西省最北端，土壤類型以栗鈣土為主，在沿河一帶形成了少量的草甸土和鹽土，東西部地區(qū)主要是山地栗鈣土，約占該區(qū)總土壤面積的 7%左右，丘陵階地區(qū)主要是淡栗鈣土，占土壤總面積的 70%；天鎮(zhèn)縣位于山西省東北部，土壤類型主要為栗鈣土，耕作層的土壤分布為南北兩邊主要為砂土、砂壤土，中部主要為粘壤土；陽高縣地處山西省東北部，該區(qū)位于沖積平原區(qū)和黃土丘陵區(qū)，除北部有少量的鹽堿草甸土外大多地區(qū)是栗鈣土；大同縣處于大同市的沖積平原區(qū)，巖性顆粒較細(xì)，土壤以中細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，南北兩側(cè)主要為砂質(zhì)土；廣靈縣位于永定河上游，該區(qū)土壤以淡褐土為主，土壤質(zhì)地為沙土和壤土，并且攜帶有少量輕壤土；渾源縣位于黃土高原區(qū)的邊緣地帶，土壤類型主要為山地粟鈣土、淡粟鈣土；左云縣地處黃土高原東部邊緣，土壤類型主要為栗鈣類，淡栗鈣土亞類，土壤質(zhì)地為砂壤土、輕壤土；澤州縣的土壤資源豐富，土壤類型較多，大部分山地主要為草灌褐土，丘陵地以及丘間盆地多為典型褐土并分布有少量的草甸土；長子縣以褐土和草甸土兩大類型土壤為主；臨汾市的土層發(fā)育較好形成較厚的粘化層，養(yǎng)分充足，土壤類型豐富，以褐土為主并且分布有草原草甸土、棕壤土、草甸土、沼澤土等；文峪河灌區(qū)土壤發(fā)育較單一，僅有褐土和草甸土兩大類。
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3.1 土壤含水量.........21
3.2 土壤結(jié)構(gòu).............25
3.2.1 土壤結(jié)構(gòu)對土壤入滲能力的影響.......... 25
3.2.2 土壤容重對各土壤入滲模型參數(shù)的影響........26
3.2.3 土壤入滲能力及各入滲參數(shù)與土壤容重的定量關(guān)系.......29
3.3 土壤質(zhì)地.............30
3.4 土壤有機質(zhì).........35
3.5 土壤溫度.............40
3.6 土壤含鹽量.........43
3.7 影響土壤入滲參數(shù)主導(dǎo)因素、次要因素分析..........44
第四章 Kostiakov 與 Philip 入滲模型參數(shù)預(yù)測模型精度比較......47
4.1Kostiakov 和 Philip 入滲模型.......... 47
4.1.1Kostiakov 入滲模型......474.1.2 Philip 入滲模型............ 47
4.2 入滲參數(shù)影響因素的初步選定......47
4.3 入滲模型參數(shù)結(jié)構(gòu).......48
4.4 入滲模型參數(shù)線性預(yù)報模型.......... 53
4.5 預(yù)測模型精度分析.......55
4.6 本章小結(jié)....56
第五章 考慮土壤結(jié)構(gòu)變形的 Kostiakov 入滲模型參數(shù)......57
5.1 備耕頭水地三參數(shù)入滲模型參數(shù)的預(yù)報模型...........57
5.2 考慮結(jié)構(gòu)變形的土壤入滲模型參數(shù)的線性預(yù)報模型........65
5.3 本章小結(jié)....74

第五章 考慮土壤結(jié)構(gòu)變形的 Kostiakov 入滲模型參數(shù)的預(yù)報模型

備耕地灌溉前后土壤地表結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化（地表土壤容重增加），為避免灌溉過程中造成的水資源浪費現(xiàn)象，在生產(chǎn)實踐中需考慮這種現(xiàn)象的發(fā)生。本章通過對備耕頭水地在考慮土壤結(jié)構(gòu)變形與不考慮土壤結(jié)構(gòu)變形時建立的入滲模型參數(shù)線性預(yù)報模型的精度進(jìn)行對比，證實灌溉時考慮考慮土壤結(jié)構(gòu)變形的重要性，在此基礎(chǔ)上最終建立能夠適用于整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期的非凍結(jié)非鹽堿土壤入滲模型參數(shù)的線性預(yù)報模型。

5.1 備耕頭水地三參數(shù)入滲模型

參數(shù)的預(yù)報模型備耕土壤是為耕作做準(zhǔn)備經(jīng)過翻松以后待開春后進(jìn)行播種的土壤，備耕土壤地表有一層干土層，地表土壤較難固結(jié)，形不成地表致密層，因此備耕土壤結(jié)構(gòu)較為松散。對備耕土進(jìn)行第一次灌溉后表層松散的結(jié)構(gòu)會被破壞，并且隨著水分浸入土壤而導(dǎo)致表層土崩塌、濕陷，特別是對松散的黃土更是如此，灌溉水進(jìn)入土壤后表土?xí)纬芍旅軐邮沟猛寥廊葜卦黾�。這意味著隨著灌溉水分的入滲，表層土壤骨架會由疏松變密實，干容重由小變大，導(dǎo)致頭水前后的土壤容重有很大差別。為研究預(yù)測 Kostiakov 三參數(shù)入滲模型參數(shù)的預(yù)報模型時是否該考慮土壤結(jié)構(gòu)變形，分別對考慮土壤結(jié)構(gòu)變形的情況以及不考慮土壤結(jié)構(gòu)變形的情況進(jìn)行分析，建立入滲參數(shù)的線性預(yù)測模型，將預(yù)測模型進(jìn)行對比分析，得到合理的結(jié)論。本章利用有較好代表性的 59 組備耕頭水土壤入滲試驗數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行研究，土壤類型基本囊括了山西省境內(nèi)主要土壤類型。

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結(jié)論

①土壤入滲能力隨著土壤含水量增加呈線性關(guān)系而減��；隨著土壤容重的增加呈線性關(guān)系而減��；隨著土壤黏粒含量的增加呈指數(shù)關(guān)系而減��；隨著土壤有機質(zhì)含量的增加呈對數(shù)關(guān)系增大；對于凍結(jié)土壤，，土壤入滲能力隨著地中 5cm 溫度的增加呈指數(shù)關(guān)系增加。
② 入滲系數(shù) K 隨著土壤含水量的增加呈對數(shù)關(guān)系而減��；隨著土壤容重的增加呈指數(shù)關(guān)系而減小，但不受表層土壤結(jié)構(gòu)變化的影響，僅與耕作層（0~20cm）的土壤常規(guī)理化參數(shù)相關(guān)；隨著土壤黏粒含量的增加呈對數(shù)關(guān)系而減�。浑S著土壤有機質(zhì)含量的增加呈對數(shù)關(guān)系而減��；對于凍結(jié)土壤，土壤入滲能力隨著地中 5cm 溫度的增加呈指數(shù)關(guān)系增加。
③ 入滲指數(shù) a 隨著土壤含水量的增加呈對數(shù)關(guān)系而增加；隨著土壤容重的增加呈指數(shù)關(guān)系而減��；隨著土壤黏粒含量的增加呈對數(shù)關(guān)系而減��；隨著土壤有機質(zhì)含量的增加呈對數(shù)關(guān)系而減��；對于凍結(jié)土壤，土壤入滲能力隨著地中 5cm 溫度的增加呈指數(shù)關(guān)系增加。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：78071