由土壤物理性指標(biāo)估算入滲參數(shù)的方法

豐莎+++繳錫云++虞曉彬++劉凱華

摘要：針對(duì)土壤入滲參數(shù)不易獲得、精度較低的現(xiàn)狀，依據(jù)2011年南皮縣育種農(nóng)場(chǎng)得到的試驗(yàn)結(jié)果，基于土壤質(zhì)地、干密度及初始含水率等物理性指標(biāo)得到土壤入滲的Green-Ampt模型，進(jìn)而提出估算Kostiakov模型入滲參數(shù)的方法。結(jié)果表明，由該方法得到的入滲參數(shù)精度較高，所得到的入滲過程與通過畦灌水量平衡法所得到的入滲過程之間吻合程度較好，累積入滲量相對(duì)誤差平均值為6.26%，相關(guān)系數(shù)為0.999 9，模型效率為0.999 3。研究結(jié)果可在減小田間工作量的同時(shí)保證較高的計(jì)算精度。

關(guān)鍵詞：土壤質(zhì)地；土壤干密度；Green-Ampt模型；Kostiakov模型；入滲參數(shù)

中圖分類號(hào)： S152.7+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0424-03

收稿日期：2015-09-01

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（編號(hào)：201301014）

作者簡(jiǎn)介：豐莎（1990—），女，河南開封人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣喔扰潘碚撆c節(jié)水灌溉新技術(shù)。E-mail：fengshainhhu@163.com。

通信作者：繳錫云，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail：xyjiao@hhu.edu.cn。土壤入滲是地面灌溉過程的重要環(huán)節(jié)，其參數(shù)的確定是地面灌溉優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1]。目前，確定土壤入滲參數(shù)的方法主要有田間試驗(yàn)測(cè)定法和灌溉試驗(yàn)估算法[1-2]。田間試驗(yàn)測(cè)定法包括雙環(huán)入滲法、池田法、奎爾夫滲透儀法、封閉循環(huán)測(cè)滲法等：雙環(huán)入滲法、池田法、奎爾夫滲透儀法屬于不考慮田面水流運(yùn)動(dòng)影響的靜水測(cè)試法，難以理想地模擬水流運(yùn)動(dòng)狀況下的入滲過程；封閉循環(huán)測(cè)試法雖然考慮了水流的動(dòng)態(tài)影響，但存在田間試驗(yàn)工作量大的問題[1-2]。灌溉試驗(yàn)估算法相對(duì)綜合考慮了土壤質(zhì)地、耕作與作物栽培措施、田間水土管理活動(dòng)等因素對(duì)土壤時(shí)空變異性的影響，一定程度上克服了點(diǎn)狀參數(shù)測(cè)定法難以反映土壤時(shí)空變異對(duì)地面灌溉性能影響的問題[3]，但也存在局限性。Elliott等提出的二點(diǎn)法[4]和Shepard等提出的一點(diǎn)法[5]，雖工作量小，計(jì)算簡(jiǎn)便，但計(jì)算的土壤入滲參數(shù)精度較低[2]；Esfandiari等提出的土壤入滲參數(shù)估算方法計(jì)算量偏大[6]，繳錫云等針對(duì)Maheshwari法和Esfandiari法進(jìn)行了改進(jìn)[7-9]，提高了工作效率，但這些方法仍然需要流量、田塊幾何尺寸及水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息；王文焰法和費(fèi)良軍法都必須由2個(gè)畦田以上的數(shù)據(jù)才能估算土壤入滲參數(shù)，仍需要較大田間工作量[10-11]。由于土壤變異性和土壤水分入滲的復(fù)雜性，上述方法均不能在兼顧減小工作量情況下保證土壤水分入滲參數(shù)的精度，因此高效測(cè)定土壤入滲參數(shù)將是土壤入滲研究的重要方面[12-13]。基于以上問題，本試驗(yàn)試圖以土壤質(zhì)地、干密度及初始體積含水率等簡(jiǎn)單的田間觀測(cè)資料，利用Green-Ampt模型對(duì)Kostiakov模型中土壤入滲參數(shù)進(jìn)行估算，并用田面水流推進(jìn)消退資料所求土壤入滲參數(shù)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，以期得到工作量小、計(jì)算精度較高的土壤入滲參數(shù)估算新方法，為灌溉水入滲理論研究提供新思路。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于 2011 年 4月上旬，在滄州市南皮縣雙廟村育種農(nóng)場(chǎng)結(jié)合冬小麥春灌展開。試驗(yàn)畦田共10條，長(zhǎng) 100 m，寬 3.7 m，均為南北走向，且北高南低。畦田北端為進(jìn)水口，灌溉水源為潛水機(jī)井。1、2、3號(hào)畦田單寬流量 3.0 L/（s·m），改水成數(shù)0.85；4、5、6、7號(hào)畦田單寬流量 6.0 L/（s·m），改水成數(shù)0.80；8、9、10號(hào)畦田單寬流量 9.0 L/（s·m），改水成數(shù)0.75，對(duì)以上10條畦田地表水流推進(jìn)消退過程進(jìn)行觀測(cè)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)方法

選擇距試驗(yàn)田塊6號(hào)畦田10 m處、試驗(yàn)田塊8號(hào)畦田 50 m 處及80 m處土壤顆粒含量代表整塊試驗(yàn)田的土壤質(zhì)地情況。具體測(cè)定方法為：沿垂直方向從地表開始每20 cm為一層用土鉆取土，用全自動(dòng)激光粒度分析儀測(cè)定每一層土壤的機(jī)械組成進(jìn)行匯總，并按美國(guó)制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土粒進(jìn)行分級(jí)。在田間選擇平坦堅(jiān)實(shí)處作為挖掘土壤剖面的位置，從地表開始沿垂直方向分0～5 cm、>5～10 cm、>10～20 cm、>20～40 cm、>40～60 cm、>60～80 cm、>80～100 cm 共7 層用環(huán)刀取原狀土。烘干法測(cè)定土壤含水率，并計(jì)算土壤干密度，測(cè)定結(jié)果見表1。

1.3計(jì)算模型

1.3.1van Genuchten模型與RETC軟件van Genuchten將水分特征曲線與估測(cè)土壤非飽和導(dǎo)水率K（θ）的Mualem模型相結(jié)合，得出了van Genuchten模型[14]，見公式（1），后與Simunek等編制RETC軟件，實(shí)現(xiàn)了輸入土壤質(zhì)地等級(jí)，或黏粒、粉粒、沙粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)以及土壤容重，即可得到van Genuchten模型中的5個(gè)參數(shù)θr、θs、α、n和Ks的功能，該軟件可直接用于計(jì)算試驗(yàn)區(qū)土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)[15-16]

3結(jié)論

根據(jù)土壤質(zhì)地、土壤干密度及土壤初始體積含水率等物理性指標(biāo)，得到土壤入滲的Green-Ampt模型，由此估算的Kostiakov模型，其入滲參數(shù)精度較高，所得到的入滲過程與通過畦灌水量平衡法得到的入滲過程之間，相關(guān)系數(shù)和模型效率系數(shù)均較高，吻合程度較好。由于水動(dòng)力學(xué)參數(shù)基本由土壤質(zhì)地決定，對(duì)于給定地區(qū)土壤，土壤質(zhì)地、土壤干密度等參數(shù)屬于地區(qū)基礎(chǔ)資料，其值容易獲得，水動(dòng)力學(xué)參數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，不必經(jīng)常性測(cè)定分析[23-24]，且土壤含水率方便測(cè)定，本方法有很強(qiáng)的適用性。在實(shí)際的灌水過程中，可利用該方法以較小的工作量估算出較高精度的入滲參數(shù)。但本研究土壤入滲參數(shù)的估算是在華北井灌區(qū)粉壤土條件下得到的，所進(jìn)行的理論分析有一定的條件限制，需進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，在不同的灌區(qū)、不同的土壤質(zhì)地條件下開展，對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

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