不同区域土壤水下渗在四水转化中作用探究.doc

不同区域土壤水下渗在四水转化中作用探 ［摘要］根据水循环机理及水平衡机理，现有水存 在形式主要为大气水、地表水、土壤水、地下水，四种水存 在形式的转化具有复杂的联系。其中土壤水在转化过程中占 据中心位置。土壤水是指地面以下至潜水面以上土壤层中的 水分，是联系地表水、地下水的纽带，同时也是物质传输和 运移的载体。本实验基于灌溉下渗实验模型，主要利用时域 反射仪(TDR)连续测量土壤剖面水分含量的方法，分别观 测北京通州区土壤和昆明土壤在降水入渗与再分配过程。根 据采集的数据经过图像处理与HYDRUS-1D软件模拟图像进行 对比得出不同种土壤水入渗过程中不同深度初始含水率以 及下渗率、剖面含水率等对实验的影响，据此得出相关结论。 ［关键字］土壤下渗灌溉下渗模型时域反射仪初始含 水率剖面含水率 ［中图分类号］S151. 9 ［文献码］B ［文章编号］ 1000-405X (2013) -2-12-1 1概述 “四水”转化是一个庞大的系统工程，对于其中的每一 方面而言，都是一个相对独立的子系统，每个子系统各自独 立、自成体系，但它们又相互关联、相互依存、相互转化和 相互制约，形成了一个独特的循环转化系统。 2试验条件与方法 研究区北京市通州区通州区位于北京市东南部，通州区 地处永定河、潮白河冲积洪积平原，地势平坦，自西北向东 南倾斜。其土质多为潮黄土、两合土、沙壤土，土壤肥沃， 质地适中。云南省昆明市位于北纬亚热带，素以”春城”之 称而享誉中外。四是冬无严寒，日照充足，天睛少雨。两地 从地形、气候、降水、土壤等多方面具有不同特点，差异较 大，以两地为研究对象进行对比研究实验结果将相对明显。 本实验的土柱灌溉下渗实验模型是由北京土和昆明土 的两个土柱以及时域反射仪组成。从试验地选取优质土进行 分装，实验装置如图1所示。土柱装填在有机玻璃柱中，有 机玻璃柱高度65.0cm,内径28.1cm,在不同的深度剖面上 水平埋设时域反射仪TDR）探针，每10分钟自动测定一次 土壤水分含水率。时域反射仪的基本原理是，高频电磁脉冲 沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电特性，在一 定的电磁波频率范围内（50M?10GHz）,矿物质、空气和水 的介电特性为常数，因此土体的介电常数主要依赖于土壤容 积含水量，这样可以建立土壤容积含水量与土壤介电常数的 经验方程，TDR通过测量高频电磁脉冲在土壤中的传播速度 求得土壤的介电常数从而计算出土壤的含水量［2］。其观测 精度±2.0%,测量范围0?100%,分辨率0.1%。因此可以通过连续测定土壤剖面含水率的变化情况，来了解土壤入渗 情况。实验设置为B. K两组，非别代表北京土和昆明土。 其中北京土为砂壤土，昆明土为红壤土。两组土壤不同深度 初始含水率如表lo 实验观测内容包括以下几个方面：①下渗率变化情况； ②采用TDR探针测量土壤剖面含水率的变化情况，并绘出相 关图件以供分析研究；③稳定入渗率与累计入渗率的关系。 3实验结果与分析 3. 1 Hydrus-1D模拟及其与实测结果比较 Ilydrus-1D软件是该软件是一种用于分析水流和溶质在 非饱和多孔隙媒介中运移的环境数字模型，是用土壤物理参 数模拟水、热及溶质在两维非饱和土壤中的运动一维（二 维）的有限元计算机模型［3］。该模型水流状态为二维或轴 对称三维等温饱和-非饱和达西水流, 对称三维等温饱和-非饱和达西水流, 忽略空气对土壤水流 运动的影响，水流控制方程采用修改过的Richards方程。 由于本实验只是模拟土柱入渗，无植被参与，故不需要处理 根系吸水问题。模型参数设置：土层设置为一层，土壤剖面 深度设置为52cm。模拟时间为70天，初始时间步长0. 001, 最短时间步长0. 002,最大时间步长lo上边界设置为随时 间变化，每天一组数据，共70组数据，自动处理蒸腾量在 每天内的变化。对于迭代参数（该模型釆用迭代法处理非线 性Richards方程），使用默认值即可。土壤水力特性模型采 用单孔介质模型中van Genuchten-Mualem公式来处理水力 特性。而水分特征曲线参数则可以选择软件自带土壤经验参 数库，本实验北京土为砂壤土，直接调用Sandy Loam参数。 地面边界类型为大气边界，可积水；下端边界类型为自由下 渗排水，初始条件采用含水量。对于可变边界条件则为相应 时间段内的灌溉条件，在对应天数后输入灌溉量等数据即 可。使用图形界面编辑土壤剖面，设置53个节点以使节点 间距达到lcmo之后运行模型，设置与土柱相同深度观察点, 输出各点含水率随时间变化图如图2所示。 从实验所采集的数据相比，存在以下几点不同： （1）初次灌溉B1探针含水率实测值高于模拟值；（2） 实测值B5点在第一次灌溉600min后含水率开始缓慢升高， 而模拟值显