基于水量平衡原理的裂隙优先流双域渗透模型及其应用

针对农田裂隙在灌溉过程中造成灌水效率降低和养分淋失等现象,基于表层入渗、裂隙边壁层流通量、裂隙边壁水平吸渗三者与灌水强度平衡原理,构建了基于水量平衡的优先流双域渗透模型,采用染色示踪试验进行了验证,并基于该模型进行了初始/边界条件旋转设计模拟应用。结果表明,试验优先流模式可显著区分为基质流态(土层深度0~10 cm)和优先流态(土层深度大于10 cm),染色覆盖率在土层深度大于10 cm的区域内呈线性骤降趋势;对比分析实测和模拟流态可知,本文提出的裂隙流双域渗透模型可有效预测土壤上边界入渗特征、基质流入渗深度和染色覆盖率随深度的变化,实测和模拟染色覆盖率极显著相关(P<0.01,R^(2)为0.981),裂隙流发育可分为供水强度控制、表层入渗能力/裂隙边壁层流控制、表层/裂隙边壁入渗能力控制3个阶段。基于该模型采用初始体积含水率(θ_(i)为0.20、0.25、0.30、0.35 cm^(3)/cm^(3))和灌水强度(R_(0)为0.10、0.08、0.06、0.04、0.03、0.02 cm/min)旋转设计,分析了初始及边界条件下优先流特征,模拟结果表明,增大灌水强度可使优先流指数增加而降低灌水均匀度,而当初始含水率升高时,优先流强度减弱且基质流深度增加。本文基于水量平衡原理模拟了裂隙流湿润锋推移过程,消除了传统双域渗透模型难以量化裂隙边壁糙率和层流厚度的缺点,丰富了膨缩性土壤裂隙优先流预测理论,可为农田水分管理和水肥渗漏淋失抑制提供依据。

灌溉优先流对裂隙分布密度、灌水强度及土壤湿度的响应机理

【目的】研究土壤初始含水率(土壤湿度)、裂隙分布密度及灌水强度对裂隙优先流强度的影响机理。【方法】构建基于水量平衡原理的优先流双域渗透模型,并通过染色示踪试验进行物理模拟及模型验证,基于模型数值模拟了裂隙分布密度、初始含水率和灌水强度三维因素旋转组合下的优先流特征。【结果】试验区的浅小型裂隙(裂隙平均宽度0.2 cm≤wc≤1.0 cm,平均深度0.5 cm≤d≤10 cm)与优先流的发育无直接联系,宽深型裂隙(裂隙平均宽度w_(c)≥2 cm,平均深度d≥50 cm)是产生裂隙优先流的主要原因;宽深型裂隙分布密度增大,基质流深度、染色面积率以及灌水均匀度增加;模型对裂隙优先流的模拟效果较好(R^(2)=0.951,P<0.01);模拟结果显示,裂隙深度很大程度上决定了优先流的最大入渗深度;接近土壤饱和导水率的灌水强度无法触发优先流,随着灌水强度增加,优先流程度和最大入渗深度增加,基质流深度和灌水均匀度降低;随着土壤初始含水率和裂隙分布密度增大,基质流深度和灌水均匀度增加,优先流程度降低。【结论】对于缩胀性较强、有机质量丰富的农田土壤,降低灌水强度、提高土壤初始含水率及裂隙分布密度能有效抑制裂隙优先流并提高灌水质量。