Green-Ampt模型与Philip入渗模型的对比分析

土壤入渗是田间水循环的重要组成部分 ,国内外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型。该文通过对比分析了具有明确物理意义的 Philip入渗模型和 Green- Am pt入渗模型 ,建立了两模型参数间的内在关系 ,并利用一维垂直入渗实验资料对理论关系进行了比较。发现 Philip入渗模型对参数精度要求较高 ,而 Green-

膜孔灌平均入渗水深简化计算模型建立与验证

以非饱和土壤水分运动理论为基础,研究了膜孔灌土壤水分运动的数学模型,并用SWMS-3D软件对多种典型土壤的膜孔灌入渗特性进行模拟,利用模拟结果分析了膜孔灌入渗特性及其影响因素,提出了包含开孔率、膜孔直径的膜孔灌点源平均入渗水深简化模型。采用多种土壤膜孔灌入渗室内试验结果与已有文献资料对所建模型进行验证,结果表明所建模型能较准确地反映膜孔灌点源入渗特性,可为确定合理的膜孔灌灌水技术要素组合提供理论依据。

基于Green-Ampt和Philip模型的波涌灌间歇入渗模型研究

为了进一步揭示波涌灌间歇入渗的影响机制与规律,基于Green-Ampt和Philip入渗模型理论,建立了波涌灌间歇入渗分区模型,将第2供水周期及其后的供水周期内形成的入渗湿润区分别划分为重力势湿润区和基质势湿润区,并阐述了基于间歇入渗过程湿润区的分区入渗理论,通过Green-Ampt模型和Philip模型参数间的内在联系,建立了关于土壤体积含水率增量与累积入渗量之间的数学模型,并进一步根据土壤体积含水率增量与累积入渗量之间的线性图形特征,确定了不同分区下各供水周期的水分运动参数,分别为湿润锋面处吸力hf与表征饱和导水率Ks,且各间歇周期供水阶段的hf随着周期数的增大呈减小趋势,最后,利用分区模型将不同供水周期下的累积入渗量与湿润锋运移距离计算值同实测资料相比较,与实际值相比总体平均相对偏差分别为3.6%和8.6%,改进模型的适用性较好,拟合精度较高。因此,该模型可以较准确地描述波涌灌间歇入渗机理,为波涌灌灌水技术的合理设计提供了理论依据。

入渗水头对垂直一维入渗Philip模型参数的影响

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,对不同入渗水头条件下多种典型土壤垂直一维入渗特性进行模拟,模拟结果采用Philip模型拟合.结果表明:入渗水头对吸渗率、稳渗率有一定影响,提出了包括入渗水头和饱和导水率的Philip模型参数的确定方法.利用已有文献资料对所建模型进行验证,结果表明:所建模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可以较准确地反映土壤水分垂直一维入渗特点.

基于短历时Philip入渗公式的产流模型

在分析积水入渗条件下短历时Philip入渗公式特点基础上,建立了基于短历时Philip积水入渗公式的降雨产流模型。模型显示地表积水时刻与雨强平方成反比。利用降雨强度为0.082 cm/min、坡度为15°情况下实测累计降雨产流量推求了模型参数吸渗率,并利用获得的S分别计算了雨强为0.214 cm/min、坡度为5°,雨强为0.133 cm/min、坡度为5°和雨强为0.133 cm/min、坡度为15°情况下累积径流量,相对于实测累积径流过程,计算相对误差都在10%内,可以满足精度要求,说明基于短历时Philip入渗公式建立的降雨产流模型可以用于描述坡面降雨产流过程。

初始含水率对垂直一维入渗Philip模型参数的影响

以非饱和土壤水分运动理论为基础,研究垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,对不同初始含水率条件下多种典型土壤垂直一维入渗特性进行模拟,结果表明:土壤累积入渗量变化过程符合Philip模型,提出了包括初始含水率、饱和含水率和饱和导水率的Philip模型参数的确定方法.利用已有文献资料对所建模型进行验证,结果表明:所建模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可以较准确地反映土壤水分垂直一维入渗特点.

充分供水条件下点源入渗参数影响因素及其简化模型

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了充分供水条件下点源入渗的土壤水分运动数学模型,并应用SWMS-3D软件对模型进行了求解,模拟并分析了充分供水条件下多种典型土壤的点源入渗特性及其影响因素。结果表明,充分供水条件下点源入渗累积入渗量曲线符合Philip模型;在相同土壤质地、容积密度下,吸渗率与稳渗率随着膜孔直径的增大而增大;稳渗率随灌溉水深的增大而略有增大。基于Philip模型,提出了包含膜孔直径、灌溉水深的充分供水条件下点源入渗简化模型。并利用黄土高原典型土壤的室内试验资料与已有文献资料对简化模型进行了验证。验证结果表明,所建简化模型能较简单地确定吸渗率和稳渗率,可较准确地反映充分供水条件下点源入渗特点。

沼液穴灌入渗特征及Philip入渗模型拟合

为探求沼液穴灌条件下土壤入渗特征及适宜入渗模型,通过室内试验研究了沼液配比(沼液∶水,体积比,1∶4、1∶6、1∶8及纯水)、穴孔直径(3、5、7 cm)和土壤容重(1.35、1.45 g·cm^(-3))对土壤入渗特征的影响,利用数理统计方法分析影响沼液穴灌入渗的因素和湿润体变化规律,同时应用Philip入渗模型对沼液穴灌累积入渗量进行了拟合分析。结果表明:沼液穴灌累积入渗量均随沼液配比和土壤容重的增大而降低,随着穴孔直径的增加而增大,当入渗历时180 min时,土壤容重1.35 g·cm^(-3)和1.45 g·cm^(-3)的CK处理累积入渗量分别是沼液配比为1∶4、1∶6、1∶8处理的3.62、3.12、2.77倍和3.47、2.64、2.16倍;湿润体形状随穴孔直径的增加逐渐由水平轴大于垂直轴的椭球体趋向于水平轴小于垂直轴的椭球体,土壤容重1.35 g·cm^(-3)和1.45 g·cm^(-3)对应各穴孔直径(3、5、7 cm)的垂向最大湿润距离(V)与水平最大湿润距离(H)的比值(V/H)分别为0.929、1.081、1.111和0.957、1.048、1.064;幂函数能够准确描述湿润锋最大湿润距离与时间的函数关系;建立的多元线性方程能够较好描述累积入渗量与土壤容重、穴孔直径和沼液配比的关系,偏回归系数检验均达到显著或极显著水平; Philip入渗模型能够准确描述沼液穴灌累积入渗量随时间的变化规律,决定系数(R2)在0.98以上; Philip入渗模型中的土壤吸渗率(S)随穴孔直径的增大而增加,随沼液配比和土壤容重的增加而降低;土壤稳定入渗率(A)为负值与沼液的粘性及所含有的有机悬浮颗粒有关。基于以上分析,在农业生产中建议实施方案为:土壤容重1.35 g·cm^(-3)、穴孔直径5 cm、沼液配比1∶6和土壤容重1.45 g·cm^(-3)、穴孔直径7 cm、沼液配比1∶8。

同位素信息确定Philip入渗模型稳定入渗率

通过流域水循环中各要素同位素含量的测定,扩大建模信息利用量,增加确定模型参数所需信息,提高参数可识别性,可在一定程度上减少参数的不确定性。以仅有两个参数且物理意义明确的Philip入渗模型为例,利用同位素信息确定Philip入渗模型参数稳定入渗率,并通过室内降雨入渗实验来检验同位素信息确定模型参数结果。结果表明,利用同位素信息确定的Philip入渗模型稳定入渗率与实测值接近。氢氧稳定同位素的分析精度对利用同位素信息确定模型参数结果有一定影响。

Philip入渗模型参数的非线性预报模型

利用黄土高原区大田耕作土壤的水分入渗试验过程资料,拟合了Philip入渗模型参数,建立了以土壤体积含水率、干密度、粉、黏粒含量和有机质含量等土壤理化参数为输入变量,Philip入渗模型参数为输出变量的土壤传递函数,通过对函数的分析、检验,建立了土壤入渗参数S和A的多元非线性预测模型;在此基础上,运用灰色关联分析理论,将各输入变量进行了灰色排序。研究表明:用土壤体积含水率、干密度、粉粒含量、黏粒含量和有机质含量作为预报模型的输入参数可实现对入渗参数的预测,预测参数实测值与预测值之间的相对误差可控制在8%以下,所建立的非线性预测模型高度相关。

膜缝灌入渗特性的数值模拟及简化模型研究

基于非饱和土壤水运动的基本方程建立了膜缝灌的土壤水分运动基本方程,利用SWMS-3D软件模拟了不同处理下膜缝灌的累积入渗量及土壤湿润体含水量分布,模拟值与实测值比较接近,表明所建模型能较好的表征膜缝灌的土壤水分运动。分析了不同要素组合下膜缝灌的入渗特性、土壤湿润体水分分布和平均入渗水深,在此基础上建立了膜缝灌的平均入渗水深简化模型,试验验证结果分析表明所建膜缝灌平均入渗水深简化模型可用于计算膜缝灌平均入渗水深。

添加γ-聚谷氨酸条件下Philip模型与Green-Ampt入渗模型的对比分析

干旱加剧及土壤退化严重,使新型保水剂γ-聚谷氨酸(γ-PGA)的应用在农田节水灌溉中开始暂露头角。基于室内垂直一维入渗试验,在分析了γ-PGA对土壤水分入渗能力的影响的同时还对Philip模型和Green-Ampt入渗模型进行对比分析。结果表明:与未施加聚谷氨酸的处理(对照组)相比,随着γ-PGA施量的增加,累积入渗量和入渗率均呈单调递减趋势;两个入渗模型的拟合结果显示:Philip公式中,吸渗率呈减小趋势,Green-Ampt公式中,饱和导水率、饱和导水率与土壤水吸力的乘积都呈减小趋势,但土壤水吸力无明显变化。Philip模型与Green-Ampt入渗模型的对比分析结果表明:利用模型参数互推关系计算的Philip模型计算参数与拟合参数的一致性较好,而Green-Ampt模型的计算参数与拟合参数的一致性较差;利用Philip模型计算参数计算的累积入渗量与实测累积入渗量之间的吻合程度高,均方根误差小于0.5,而利用Green-Ampt模型计算参数计算的累积入渗量与实测累积入渗量之间的吻合程度较差,均方根差均大于0.5。说明在添加保水剂的条件下采用Philip入渗模型确定入渗参数时较为精确。

冻融土壤Philip入渗模型参数的非线性传输函数模型研究

为满足季节性冻土地区越冬期间储水灌溉管理的需求,基于山西省汾河灌区季节性冻土的冬季大田土壤水分入渗试验,得到了120组Philip入渗模型参数实测样本,借助MATLAB软件,建立了以土壤温度、有机质质量分数、土壤含水率、土壤体积质量、物理性黏粒量为输入因子、以Philip入渗模型参数吸渗率和稳渗率为输出因子的多元非线性传输函数模型,并用实测资料对该模型进行了精度检验。结果表明,预测参数的相对误差均小于11%,预报精度在可接受范围之内。

基于Philip入渗模型的土壤水分入渗参数BP预报模型

基于黄土高原区大量大田土壤入渗实测资料,借助BP神经网络模型建立了基于Philip土壤入渗模型参数的预报模型,并分别讨论了BP神经网络土壤水分入渗参数稳渗率预报模型、土壤水分入渗参数稳渗率预报模型和Philip模型的90min累积入渗量预测的单项和综合误差。结果表明:基于常规土壤理化参数土壤含水率、容重、黏粒含量、粉粒含量以及有机质等建立BP神经网络模型对Philip土壤入渗半经验半理论模型参数吸渗率S和稳渗率A进行预测是可行的。预测参数A和S以及Philip模型的90min累积入渗量的预测值与实际值的相对误差分别为2.074 60%、3.079 98%和2.037 56%,都在可接受的范围内;研究结果可为世界范围内大量实用的地面灌溉技术参数优化提供强有力的依据支撑。

盐碱土壤Philip入渗模型参数的非线性预报模型

基于晋北盐碱地土壤水分原位入渗试验,建立了容量为200组的盐碱地Philip入渗模型参数样本,借助MATLAB软件,构建了以土壤全盐量、有机质量、含水率、容重、黏粒和粉粒含量为输入因子,Philip入渗模型参数吸渗率S和稳渗率A为输出因子的多元非线性预报模型,并用实测资料对该模型进行了精度检验。结果表明:对入渗参数预测的相对误差均小于10%,误差较小,模型预报精度较高,可满足实际应用的需要。研究结果在为盐碱地灌溉灌水技术参数的合理确定提供技术手段的同时,也为进一步优化盐碱地的改良方法提供了理论依据。

支持向量机的盐碱土壤Philip入渗模型参数预测研究

以大田原生盐碱荒地土壤入渗试验数据为样本,应用支持向量机回归算法,建立了盐碱土含水率、容重、有机质含量、黏粒含量、粉粒含量、全盐量以及pH值与Philip入渗模型参数间的预测模型。预测结果表明,训练样本中吸渗率S的相对误差平均值为4.05%,稳渗率A的相对误差平均值为5.49%,90 min累积入渗量I_(90)的相对误差平均值为4.28%;检验样本中S、A和I_(90)的相对误差平均值分别为4.22%、3.58%和4.48%。可以看出,不论训练样本还是检验样本,入渗参数预测值与实测值基本吻合,所建立的预测模型精度较高,表明基于支持向量机的盐碱土壤Philip入渗模型参数的预测是可行的,可为改良盐碱土壤提供入渗参数的技术支撑。

考虑黄土结构变形的Philip入渗模型参数预报

基于黄土高原区区域尺度大田耕作土壤的水分入渗试验,考虑黄土备耕头水地土壤结构的变形特性,建立了Philip半理论半经验入渗模型参数的BP神经网络预报模型,实现了以土壤基本理化参数为输入变量、Philip模型参数为输出变量的BP预报。对Philip模型中吸湿率S、稳渗率A以及90 min累计入渗量的预测值与实测值进行比较,结果显示:吸湿率S的平均相对误差为1.41%,稳渗率A的平均相对误差为2.81%,90 min累计入渗量的平均相对误差为1.75%,三者的平均相对误差值均在3%以下,预测精度很高。这表明以土壤基本理化参数为输入变量的BP神经网络预测是可行的,考虑备耕头水地土壤结构变形使得BP预报结果更符合土壤水分入渗实际状况。

不同条件下Green-Ampt模型累积入渗量显函数的适用性

通过分析Green-Ampt模型和Philip模型计算累积入渗量的方程,利用两模型参数之间的转换关系,建立两个Green-Ampt模型累积入渗量的显函数,并对其适用性进行评价.不同土壤质地和田间试验条件下的入渗试验检验表明,显函数Ⅰ计算的累积入渗量的IRE和RMSE分别为0.01%、0.34%、0.33%、0.33%、1.98%和0.13、0.05、0.09、0.09、0.09,显函数Ⅱ计算的累积入渗量的IRE和RMSE分别为1.53%、0.40%、2.11%、0.67%、4.88%和0.15、0.05、0.11、0.09、0.16,显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算误差都较小,显函数Ⅰ的计算精度相对更高;土壤质地不同时显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算精度都有较大差别;田间试验条件下显函数Ⅰ和显函数Ⅱ的计算精度都有所降低.此外建立的显函数结构较为简单,具有一定的物理基础,可利用建立的显函数解决入渗问题.

用Philip模型参数推求湿润锋平均基质吸力S_f准确性

修改的适用自然降水入渗的Green-Ampt模型是模拟坡面降水入渗、产汇流的常用手段,该模型中一个重要参数——湿润锋平均基质吸力Sf的准确取值对提高计算精度有重要作用。在分析Philip入渗模型和Green-Ampt入渗模型的基础上,建立了两模型参数间的转化关系,并尝试用Philip模型参数间接推求Green-Ampt模型中的参数Sf。通过对积水入渗资料的处理和用降水产流资料进行准确性检验,结果发现,对黄土高原黑垆土而言,用Philip模型参数间接推求Green-Ampt模型中的湿润锋平均基质吸力Sf是可行的,与直接用Green-Ampt模型获得的Sf值具有相同的精度。