种植条件下降雨灌溉入渗试验研究

基于清水河平原头营和黑城试验场降雨(灌溉)入渗过程土壤水分运移观测试验数据的分析研究,笔者应用能量观点描述了包气带水分运移的分带性、降雨(灌溉)入渗补给地下水的水分条件和地下水入渗补给过程的基本特征。应用蒸散量模型、土壤水分通量模型,计算了作物生长期的蒸发蒸腾量、土壤贮水量的变化量、400cm深度处的土壤水分渗漏量及渗漏系数。从多年的角度分析了深层土壤水分渗漏量、渗漏系数与地下水入渗补给量和补给系数的关系。它对分析降雨(灌溉)入渗对地下水的补给过程和定量分析地下水入渗补给量、入渗补给系数具有重要价值。     

旱区不同层状结构土壤的水分运移过程与模拟

针对位于干旱-半干旱气候带的我国西北部矿区生态修复过程中重构层状土壤水分运移规律不清等问题,通过设置不同层状结构土壤进行水分运移入渗试验,监测土壤剖面水分变化,采用Hydrus-1D模拟降雨入渗过程,从土壤水分、水势和水通量3个方面揭示层状土壤水分运移特征,并基于优化后的模型进行情景模拟,探究夹层特征对浅层土壤水分运移的影响。研究结果表明,夹层明显改变了土壤水分的分配与运移过程,土壤水势在夹层界面连续分布,而土壤水分在夹层界面发生突变;虽然黄土夹层和风化砂岩夹层都阻滞了土壤水分的下渗,但其阻滞原理不同,前者表现为黏质夹层渗透性能差导致夹层以上土壤水分滞留,后者归因于粗质夹层土壤基质势小造成水分持留在上部黏质土壤中;根据不同夹层属性的情景模拟结果,提出在风积沙40 cm深度处设置20 cm厚的黄土夹层有利于提高夹层以上土壤水分以供植被利用。研究探明了风积沙区充填黄土对土壤水分运动的影响,并为土壤类型以风积沙和黄土为主的我国西北部矿区在生态修复中的土壤重构方式提供了参考依据。     

基于染色示踪的膜下滴灌棉田水盐运移规律

采用亮蓝FCF染色示踪剂, 研究膜下滴灌条件的水盐运移规律; 分别在灌溉前、灌溉中和灌溉后等不同时间段共开挖13个时刻的剖面, 观察膜下滴灌湿润面的运移情况; 以10 cm间隔的网格, 用MP406土壤水分探测器原位测定3 120个点的土壤体积含水率, 同时取1 430份土样, 利用1∶5土水比浸提法测定土壤盐分; 并利用WATCHDOG气象站监测研究区气象要素.结果表明: 染色示踪能直观表征土壤水盐运动轨迹; 膜下滴灌条件下, 垂直滴灌带方向土壤水流呈点源入渗特征、沿滴灌带方向近似呈线源入渗特征; 现行灌溉模式下, 壤质砂土湿润锋横向运移速率约为8 cm/h; 滴灌对滴头附近土体有一定洗盐效果, 未覆膜区域地表土体出现盐分积累; 灌水时间越长, 湿润锋越深, 横向扩展速率接近无作物小区(8 cm/h); 从土壤水合理利用角度考虑, 满足研究区一膜一带四行的种植模式和土质的单次合理灌水量应为29.4~69.8 mm.      

干旱区包气带土壤水分运移及其对地下水补给研究进展

包气带是指地表到地下水之间垂直剖面中土壤孔隙没有被水充满、水分处于非饱和状态的区域,是地表水进入地下水的通道。包气带土壤水分运移过程不仅影响到地下水补给,而且与相邻景观之间存在水力联系。评述了干旱区包气带土壤水分运移模拟、地球化学示踪技术、地球物理技术在包气带土壤水分运移研究中的应用、影响包气带土壤水分运移及对地下水补给的因素、包气带水分运移对景观间水分交换的影响等方面的研究进展,提出在未来的研究中,应加强包气带土壤水分运移参数的试验观测及数据库建立、加强包气带土壤水分运移及其对地下水补给的研究,应借鉴地球关键带研究的思路,开展包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究。     

砂性漏斗法测定土壤水分特征曲线

土壤水分运动参数是模拟水分和污染物在非饱和土壤中运移的关键参数.本文根据张力仪原理设计的砂性漏斗实验装置测定了中砂的土壤水分特征曲线,曲线呈很好的滞后性,实验结果采用Van公式进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,所得出的土壤水分运动参数可为模拟水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供关键参数.     

土壤水分与溶质运移机制的分形理论研究进展

土壤中水分和溶质运移一直是土壤-水环境系统中的研究热点,也是目前仍未得到很好解决的问题.将分形理论应用于土壤水分溶质运移机制的研究,探讨其领域中的众多复杂问题,是一种全新的思路和方法.在对土壤结构定量化的分形表征进行简要阐述的基础上,重点介绍了分形理论在水分特征曲线和水力传导度等土壤水分运动基本参数的分形模型、土壤水分运移过程模拟、土壤溶质运移的非费克现象、弥散度的尺度效应以及溶质运移机制研究方面所取得的一系列成果,并就分形理论今后在土壤水分、溶质运移研究中的应用作了展望.     

冬小麦田不同调控措施下的土壤水蒸发量分析

为探讨农田在不同调控措施下的土壤水蒸发量,以衡水试验场为例,以土壤水流动系统为指导,设计沟播盖腐熟秸秆、沟播不盖秸秆、盖膜穴播、平播对照4种不同调控措施下的田间试验,运用土壤水分均衡原理和土壤水分通量法,计算了不同调控措施下的土壤水蒸发量.结果表明,盖膜穴播田块的土壤水蒸发量最小,沟播盖腐熟秸秆次之,沟播不盖秸秆最大,说明盖膜穴播的土壤水分调控效果最好,而秸秆覆盖的效果优于不盖秸秆.     

半干旱地区地表-地下水系统水热运移与裸土蒸发研究

地表-地下水系统水、热迁移转化与裸土蒸发机理研究对于水量平衡以及地表能量转化具有重要意义。以鄂尔多斯盆地风沙滩地区为研究区,基于原位蒸渗仪长期观测,结合数值模拟,选择2种地下水位初始埋深分别为80 cm（浅埋深）和290 cm（深埋深）的情景,研究了变饱和带水热迁移转化的动力学过程以及对裸土蒸发的影响。结果表明:变饱和带土壤水的运动规律受水头梯度和温度梯度的共同驱动,且在不同水位埋深条件下呈现不同的运动方式;浅埋深条件下,受水头梯度的作用,土壤的毛细上升高度能够到达地表,蒸发条件下土壤水在毛细力驱动下向上运移,土壤内部不存在零通量面,温度对水分运动的影响较小,发现当地下水位埋深小于毛细上升高度时,地下水在毛细力作用下直接贡献土壤蒸发;深埋深条件下,水头和温度是土壤水运动过程的关键因素,位于地表以下18 cm以浅土壤内部出现孤立的零通量面,阻止了土壤水的向上运移,导致蒸发量减小。当地下水位埋深大于毛细上升高度的1.6倍时,地下水不再直接参与土壤蒸发,但会间接地影响包气带的水分转化;因此模拟期间浅埋深的裸土累积蒸发量约为深埋深累积蒸发量的4倍。     

沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型

为进一步探明沟灌二维土壤水分运动规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了沟灌土壤水分运动数学模型,用多组试验资料对模型模拟结果进行验证,两者基本吻合,表明模型可用于模拟沟灌二维土壤水分入渗过程.用所建模型对不同因素组合下沟灌土壤湿润体特性进行模拟分析,结果表明:土壤初始含水率、沟间距对沟灌累积入渗量影响较小,土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深对其影响较为显著;沟底宽、土壤初始含水率对土壤湿润体水分分布影响较小,土壤质地、容重对其影响较大,沟间距、沟中水深对其影响主要在零通量面附近,当入渗发生交汇后,零通量面处垂向湿润锋运移加快.以此为基础,建立了包含湿周在内的沟灌累积入渗量计算模型.     

膜下滴灌微区环境对土壤水盐运移的影响

基于膜下滴灌特有的"膜中"、"膜间"、"膜边"、"膜外"微区环境,利用2011—2013年田间对比试验方法获取的5 960个数据,运用柯布-道格拉斯模型,构建膜下滴灌环境土壤层次、灌水定额、土壤水分、气温、蒸发综合因素与土壤水盐关系及影响效应分析模型.结果表明,在气候干旱、蒸发强烈灌区,地膜覆盖与滴灌结合的地表介面灌溉形式下,土壤水盐具有水平方向由"膜中"向"膜边"地表裸露区定向迁移,垂直方向土壤水盐则由下向上层运移且趋于"膜外"边界积累的趋势,尤其是气温与蒸发因素交互作用,推进膜下滴灌土壤水盐在地膜覆盖与土壤裸露区域空间运移,研究结果进一步揭示了膜下滴灌"土壤水盐定向迁移"形成机理,为膜下滴灌土壤水盐地表排放模式应用提供了依据.     

喷灌条件下冬小麦田间水分运移数学模拟及灌溉模式的研究

为探讨节水高产喷灌模式,用数学模拟和田间试验相结合方法,研究了冬小麦在喷灌条件下田间水分运移规律。数学模拟结果与田间实测土壤含水率吻合良好。在此基础上模拟计算出不同喷灌定额下,消耗于作物蒸腾、表土蒸发和深层渗漏的水量,结果表明40～60mm喷灌定额下的农田水分无效消耗(表土蒸发+深层渗漏)最小,从而得出节水高产的冬小麦喷灌灌溉模式。经田间试验对比,获得相同产量条件下,本文提出的模式比现行喷灌模式节约灌溉水45%。     

用VIC模型模拟黑河上游流域水分和能量通量的时空分布

受地形起伏影响, 山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大. 利用水文模型VIC (variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟, 并通过观测对模拟结果进行了验证. 结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程, 对净辐射的计算也较准确, 模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致, 但在数量上存在偏差. 积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响, VIC模型对积雪的模拟偏差较大, 导致了每年4月左右的模拟径流偏低, 也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升; 同时, 积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟. 在研究区, 土壤水分变化受土壤冻融影响明显, VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好, 但是在其他月份, 对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差; VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布, 较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.     

蒸发条件下土壤水分响应模拟

基于有限元(FEM)和改进的积分型Richards方程解法(IRE方法)对蒸发条件下5种土体土壤水分响应进行了研究.数值实验结果表明:在土壤表面潜在蒸发量0.50 cm/d的情况下,5种土体土壤含水率变化曲线均呈现单拐点两阶段的特点,拐点出现在地表下20cm左右,拐点上部区域曲线曲率大于下部区域,两阶段的划分以15d左右为界,前阶段比后阶段的土壤水分变化快;蒸发模拟结果很好的证明了蒸发三阶段理论.总蒸发量和下边界排水量与土壤结构密切相关,而总水量变化量和变化率与土壤质地有关.IRE方法与FEM模拟结果基本一致,解法相对简单,模拟结果可靠性高.     

野外非饱和土壤中溶质运移的试验研究

通过在野外3×6m2面积上均匀入渗条件下非饱和土壤溶质运移试验,同时对8个点定时取样,得到170cm深度内土壤溶液浓度和含水量剖面分布.据此研究了小区域范围内土壤水分和溶质的运移特征,讨论了土壤水分和盐分分布的空间变异性和统计特征.研究结果表明,在本试验条件下,土壤溶液浓度剖面的空间变异性远大于土壤水分剖面.单一测点的取样结果不能代表区域的溶质运移特征.区域上溶质浓度的平均结果能反映溶质运移的基本规律.由于土壤结构等因素的影响,不动水体含量占土壤含水量的24%～39%.     

干旱区剖面土壤盐分空间变异特征及随机模拟

利用便携式土壤盐分计测定干旱区膜下滴灌棉田及裸地剖面土壤电导率,利用GS+软件确定其半方差函数,并进行序贯高斯模拟来研究土壤剖面盐分的空间变异特征。结果显示:干旱区剖面上土壤盐分空间变异性强,膜下滴灌棉田符合球形模型,裸地区符合高斯模型,且棉田变程远小于裸地;棉田埋深50cm以浅土壤盐分变化剧烈,埋深50cm以深变化平缓,在垂向上呈现3个高值区(30,50和75cm深度附近)及3个低值区(埋深40,60和100cm附近);克里格法具有明显的平滑作用,降低了土壤盐分的空间变异性,而序贯高斯模拟数据更离散,更能反映土壤盐分的空间变异性,但多次模拟均值随次数增加趋于稳定。     

覆盖与衬垫对沙地土壤水分影响的初步研究

通过对陕北毛乌素沙地不同农业措施土壤水分的观测分析,揭示出沙区土壤水分受补(灌)水量与农业措施如地下衬垫与地表覆盖的双重影响与控制,地下衬膜和地表覆膜抑渗、抑蒸保墒效应促进了土壤--作物--大气连续体系中水分有效循环,增加了耕层土壤贮水量,加大植物可利用的土层水分,从而使苜蓿增产,并可节水32%～40%,为沙区推广地下衬垫(膜)与地表覆盖(膜)节水技术提供科学依据.     

干旱区膜下滴灌棉田表层土壤盐分日内动态特征

利用便携式土壤盐分计测量膜下滴灌棉田不同位置和不同深度的土壤电导率,来研究膜下滴灌条件下表层土壤电导率的日内变化特征.结果显示:干旱区一膜两管膜下滴灌条件下,窄行处土壤电导率值最低,膜间最大,宽行居中,表层土壤电导率值存在显著的日内变化特征,早晚土壤电导率值低,中午电导率值高,上午的上升速率大于下午的下降速率;窄行处相对变化幅度大,膜间绝对变化幅度大,土壤电导率值日内变化幅度随深度呈减小趋势;膜下滴灌情况下,表层土壤电导率值的变化受土壤温度和气温的影响显著,但二者相关性复杂,不同深度、不同时间段的相关性不同,膜间大多呈显著正相关,窄行大多呈非显著正相关,宽行处上午呈非显著正相关,但下午呈显著负相关.     

多年冻土活动层浅层包气带水-汽-热耦合运移规律

活动层水热状态直接影响多年冻土和寒区工程的稳定性。已有研究大多基于附面层理论研究冻土温度场变化,较少研究液态水和水汽运移过程及其对冻土温度场的影响。结合多年冻土活动层包气带水-热耦合迁移的物理过程和内在机制,以温度和含水率为基本变量,建立了考虑液态水和水汽相变、水分对流传热和水汽运移的土壤-地表-大气能量平衡及土壤内部水热变化的耦合模型,分析了真实野外气象条件下活动层液态水和水汽运移规律。计算结果表明:白天温度梯度水分向土壤内部运移,夜间温度梯度水分向土壤表层运移;暖季温度梯度水分以向土壤内部运移为主,冷季温度梯度水分以向地表运移为主;就全年而言,活动层各个深度处水汽运移作用大于15%,水势梯度水汽运移极小可以忽略不计,特别是浅层土壤在无降雨状态下,水分运移以温度梯度水汽运移为主;水势梯度液态水通量受降雨影响明显,在降雨事件期间和之后,液态水和水汽下渗占主导地位,降雨降低表层土壤温度、减小土壤热传导通量,有利于土壤热稳定性。     

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响, 冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂, 研究气态水分布特征与运移规律, 可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点, 并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型, 对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明: 模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好, 证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性; 对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知, 冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布, 其中水汽密度变化与温度联系紧密; 冻结后, 由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%, 表明气态水占据主导地位, 其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。     

基于包气带水分运移数值模型的黄河三角洲蒸发量研究

蒸发是重要的水循环过程,在野外试验和室内分析的基础上,建立了黄河三角洲地下水浅埋区观测试验场土壤水分运移数值模拟模型,模型中对上边界条件处理采用了考虑气象因素、地表覆盖条件和表层土壤含水量的Penman Wilson公式。利用模型对试验点1999年、2000年、2002年的蒸发量进行了数值模拟计算,计算并分析了裸地、棉花地、芦苇地不同地表植被条件下,地表蒸发量(包括棵间裸地蒸发量和植物蒸腾量)的变化规律。从时间上看,黄河三角洲7、8月是蒸发量较高的时期, 1、2月是蒸发量最低时期,一般日蒸发量在0~8 mm/d。影响地面蒸发的主要因素除气象因素外,还有植被类型和覆盖程度、地下水位埋深等因素。植被覆盖程度越高、地下水位埋深越浅,则蒸发量越大,从而导致裸地蒸发量相对较小,农田年蒸发量稍大,而芦苇地蒸发量最大。研究表明,土壤水分运移模型是估算各种复杂条件下蒸发量的有效工具。