土壤入渗特性试验研究：地面灌溉优化灌水技术实用手册

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：Maheshwari等利用水流推进过程和畦首地表水深的变化过程，引用地表储水形状系数并取其值为0.75，采用类似于试算法的模式搜索技术来估算畦灌入渗参数；该方法可以仅通过一个畦田的水流推进过程、畦首地表水深等试验数据来估算入渗参数，试验工作量较小，但由于该方法采用类似于试算的模式搜索法进行计算，所以计算量大，计算效率较低。尽管大多数土壤传输函数为预测土壤水力特性的研究，但其研究范围不限于水力传输函数。

1.双套环试验方法的发展和应用

这是一种传统的直接测定方法，利用专门设备（双套环入渗仪）在田间进行土壤入渗过程测试，然后用实测数据拟合表征土壤入渗过程的经验模型或半经验半理论模型（Green pagenumber_ebook=14,pagenumber_book=7 Ampt，1911；Kostiakov、KostiakovLewis，1932；Philip，1957；Smith、Parlange，1972；国内外得到广泛应用的是Kostiakov和Kostiakov Lewis模型）的待定参数，即表征土壤入渗能力的入渗参数。

一维野外土壤入渗试验常用的仪器有传统的比较简陋的双套环，其供水方式多为人工加水，为了保持内环具有一个稳定的水深，每一时段的加水量即为该时段的土壤入渗水量。由于试验人员为目测判断内环水位的高低，此处通常采用的内环直径D 大多大于30cm，其积水面积大于707cm2，在入渗试验中，如果内环的稳定水深由于目测发生1mm误差，引起的入渗水量误差将大于70.7m L。针对这种问题，西安理工大学水资源研究所于1991年对其进行改进，研制出双套环土壤入渗仪。这套仪器在设备配制上增加了马里奥特容器（简称马氏桶）供水装置和内套。马氏桶的配备使双套环入渗仪实现了内环自动供水和积水入渗水层水位的自动控制。内套的配备提高了内环水量控制精度和试验整体精度，该仪器整体精度较简陋双套环提高200多倍。通过对几百组土壤入渗资料的分析可知:对于一般土壤，内环、外环插入地表以下10cm 深度即可满足精度要求；而对于特别疏松土壤（如犁后未进行任何农事作业的土壤），内环、外环最好插到犁底层深度，否则，由于地表特别疏松，内环、外环之间在入渗过程中会出现水量交换，影响试验精度或导致试验失败，因此，应根据土壤情况确定下环深度。

2.灌水过程法的发展和应用

灌水过程法是20世纪80年代提出的一种间接获取土壤入渗参数的新方法，它基于地面灌溉水量平衡方程，利用灌溉水流的推进及消退过程、入畦流量、田面水深等观测资料来推求入渗模型参数。

灌水过程法首先由Elliott、Walker（1982）报道，他们提出了采用大田灌水过程法推求Kostiakov-Lew i s入渗模型参数的两点法（Two-Point Method），该方法仅需要分别观测水流分别推进到沟长的一半、沟末端的时间及相应的畦首水深，便可计算入渗参数；Maheshwari等（1988）提出了采用模式搜索技术（Pattern-Search Technique）来推求畦灌入渗参数的方法。Shepard等（1993）提出了沟灌条件下推求Philip模型入渗参数的一点法（One-Point Method）；一点法、两点法的观测、计算简单，但由于观测的数据量较少所以精度较低，并且一点法只能对Philip入渗模型进行参数估算，适用性受到了限制。

Esfandiari等（1997）提出了利用水流推进过程和沿沟长上若干点地表水深的变化过程，根据水量平衡原理，采用模式搜索技术来估算沟灌入渗参数的方法；由于该方法采用类似于试算的模式搜索法进行计算，所以计算量大，计算效率较低。缴锡云等（2000）对Esfandiari法在数据处理方法上进行了改进，变原来的模式搜索法为直接计算。

Maheshwari等（1988）利用水流推进过程和畦首地表水深的变化过程，引用地表储水形状系数并取其值为0.75，采用类似于试算法的模式搜索技术来估算畦灌入渗参数；该方法可以仅通过一个畦田的水流推进过程、畦首地表水深等试验数据来估算入渗参数，试验工作量较小，但由于该方法采用类似于试算的模式搜索法进行计算，所以计算量大，计算效率较低。

缴锡云等根据水量平衡方程，针对Kostiakov入渗模型，通过数学推导，对Maheshwari法加以改进，得到了利用水流推进过程、畦首的地表水深等观测资料来估算畦灌入渗参数的简捷计算方法。

3.土壤水分参数传递方法的发展与应用

从20世纪70年代以来，许多学者对土壤水力性质与土壤理化性质的关系作了大量研究，试图利用一些易获得的土壤理化参数来估算土壤水力性质的方法。这些估算方程可统称为土壤转换函数，又称土壤传输函数，即PTFs。PTFs法是用统计模型由土壤基本性质预测土壤水分运动参数的方法，即由已知的土壤水分运动参数和与之相对应的土壤基本理化性质建立多元回归方程，用此回归方程结合土壤基本理化性质来预测土壤的水分运动参数。(www.chuimin.cn)

随着表征土壤过程模型和计算机模拟技术的发展，从1989年起，土壤水力参数传输函数的研究越来越受重视，尤其在美国和欧洲有关研究成果被广泛报道，包括美国（Rawls et al.，1982）、英国（Mayr and Jarvis，1999）、荷兰（Wo¨sten et al.，1995）、德国（Scheinost et al.，1997b）、澳大利亚（Williams et al，1992；Cresswell and Paydar，1996；Mc Kenzie and Jacquier，1997，Minasny et al.，1999）。尽管大多数土壤传输函数为预测土壤水力特性的研究，但其研究范围不限于水力传输函数。用来预测土壤物理、化学、机械和生物特性的传输函数也有研究，如J.P.Absalom （2001）用土壤粘粒含量、K+浓度、p H 值、有机质含量预测放射性铯从土壤到植物体的传输量；Q.van de genachte，D.mallants（1996）在田间尺度上用土壤基本特性预测了土壤入渗模型参数等。

我国在土壤传输函数理论方面的研究起步较晚，20世纪末我国学者开始报道有关研究成果。2003年中国科学院南京土壤研究所朱安宁、张佳宝根据土壤基本物理性质和土壤持水数据建立了Van Genuchten模型的参数的土壤传递函数模型。同年，刘建立、徐绍辉利用颗粒大小分布、干容重等资料，估计了位于黄淮海平原河南封丘地区土壤样品的土壤水分特征曲线模型参数。

纵观土壤传输函数的研究历史和现状，目前应深入研究的主要内容包括:①创新地构建更好的传输模型；②寻找最有影响力的输入变量；③提高预测精度；④研究可替换或可选择的土壤传输函数参数求解或拟合方法等。

有关利用土壤基本特性预测土壤入渗模型参数的报道甚少，从检索到的很有限的关于利用土壤基本特性预测土壤入渗模型参数的文献的分析认为，在土壤入渗参数传输函数研究方面存在的主要问题有:

（1）建立传输函数所基于的资料样本的代表性差。一方面样本容量过小（仅25个），另一方面实验资料在田间尺度上获得，各输入变量的取值范围很有限。

（2）传输函数模型结构简单。现有研究所采用的传输函数为多元线性模型，很难以反映输入变量与预测量间的非线性本质。

（3）传输函数输入变量不全面。输入变量没考虑土壤温度，尤其没考虑地表（0～10cm）以下土壤特性的影响。

（4）预测精度不理想。

椐检索到的文献可知，所采用的线性传输模型的R 2值在0.38～0.76之间，这与以上所谈的三个问题直接相关。由此可见，在利用土壤基本特性预测土壤入渗模型参数方面的研究还很薄弱，很有必要进行广泛而深入的研究。

土壤入渗特性试验研究：地面灌溉优化灌水技术实用手册

相关推荐