An Analytical Solution for One-Dimensional Water Infiltration and Redistribution in Unsaturated Soil

Soil infiltration and redistribution are important processes in field water cycle, and it is necessary to develop a simple model to describe the processes. In this study, an algebraic solution for one-dimensional water infiltration and redistribution without evaporation in unsaturated soil was developed based on Richards equation. The algebraic solution had three parameters, namely, the saturated water conductivity, the comprehensive shape coefficient of the soil water content distribution, and the soil suction allocation coefficient. To analyze the physical features of these parameters, a relationship between the Green-Ampt model and the algebraic solution was established. The three parameters were estimated based on experimental observations, whereas the soil water content and the water infiltration duration were calculated using the algebraic solution. The calculated soil water content and infiltration duration were compared with the experimental observations, and the results indicated that the algebraic solution accurately described the unsaturated soil water flow processes.

基于野外观测实验的中国东部湿润区降雨入渗模拟分析——以宁波画龙溪流域为例

本文以中国东部湿润区典型小流域浙江宁波画龙溪为例,将野外原位定点观测与模型模拟分析相结合,建立了HYDRUS-1D土壤水模拟模型,选取2016年9月29日、2016年10月7日典型降雨事件分别对模型进行率定和验证,并对2016―2020年不同降雨强度下不同土地利用类型的场次土壤水分入渗开展了观测与模拟,以揭示中国东部湿润区不同土地利用类型下的降雨-入渗规律。结果表明:(1)从土壤水分变化过程模拟来看,HYDRUS-1D模型模拟土壤水分动态变化特征具有较高的精度,90%模拟结果的纳什效率系数达到0.80以上。(2)在同等降雨强度下,4种土地利用类型土壤下渗量从大到小依次为农田、杨梅林、坡耕地、竹林。下渗率受降雨量及降雨强度影响较大,不同土地利用下土壤下渗量随着降雨强度增强而显著增加。(3)土壤下渗量同时也受到降雨历时与前期降雨情况深刻影响。当降雨强度从小雨逐级增加到大暴雨,各土地利用类型下渗量略微增加,但增加量均小于5%。对于历时短、强度高的极端降雨事件,降雨强度超过了下渗强度,形成超渗产流,将出现降雨量大但下渗量反而小的现象。本研究成果可为中国东部湿润区农业生产、三水转化规律等提供理论参考。

紫色土区不同农林复合模式土壤入渗特征及影响因素

[目的]为探究紫色土区不同农林复合模式土壤入渗特征及其影响因素。[方法]通过野外调查和室内试验,分析紫色土区无作物(CK)、花生(HS)、花椒(HJ)、花生+花椒(HS+HJ)4种农林复合模式下土壤物理性质与入渗过程变化特征,评价了3种土壤入渗模型(Kostiakov、Horton、Philip)的适用性。[结果](1)HJ模式下土壤总孔隙度与CK、HS+HJ模式差异不显著,但显著高于HS模式(p<0.05);CK和HS模式的土壤抗剪强度差异不显著,但均显著高于HJ模式和HS+HJ模式(p<0.05);各模式下土壤容重、含水率、温度、斥水性、紧实度、土壤硬度差异均显著(p<0.05)。(2)4种模式土壤水分入渗过程差异较大,CK和HS下土壤水分入渗在20 min左右进入稳渗阶段,而HJ和HS+HJ模式下土壤入渗分别在70,80 min左右进入稳渗阶段。HS+HJ模式的土壤稳定入渗率分别比CK、HS、HJ模式高出162%,140%,82%(p<0.05)。(3)与Horton和Philip模型相比,Kostiakov模型拟合入渗过程的效果最佳(决定系数R^(2)=0.933~0.991);Horton模型拟合效果相对较差(R^(2)=0.849~0.979)。(4)相关性与多元线性回归分析发现,土壤总孔隙度与土壤抗剪强度是影响土壤入渗的关键因素。[结论]研究结果为紫色土区农林复合模式的优化选择提供科学依据。

大别山北麓林下间作茶叶对改善土壤水分入渗的影响

土壤水分入渗是受土地利用类型(覆盖)变化影响显著的水文过程。为探明坡式经济林开发对土壤水分入渗的影响及其影响因素,该研究选取安徽省金寨县4种开发栽培模式(板栗经济林、板栗+茶间作、油茶经济林和油茶+茶间作,以杂木林为对照),选取Philip、Kostiakov、Kostiakov-lewis和Horton 4种模型对其在不同开发栽培模式下的适用性进行评价。结果表明:1)坡式经济林开发为板栗经济林、板栗+茶间作、油茶经济林和油茶+茶间作后,土壤水分入渗性能显著降低,平均入渗率、初始入渗率和稳定入渗率下降幅度分别为46.14%~64.88%、39.60%~58.97%和49.88%~72.84%。初始入渗率和稳定入渗率的大小排序为杂木林、板栗+茶间作、油茶+茶间作、板栗经济林、油茶经济林;而平均入渗率在板栗+茶间作和油茶+茶间作中无显著性差异(P>0.05)。2)相关性及通径分析表明,力稳性>5.00 mm粒级团聚体、水稳性平均重量直径和力稳性平均重量直径与土壤水分入渗性能(初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率)呈显著正相关(P<0.05),是影响土壤水分入渗特征的主要因素,且力稳性>5.00 mm团聚体是主要影响因子。3)Kostiakov模型最适合描述土壤入渗速率的特征。研究结果可为研究区开发栽培模式的选择提供参考。

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%(Green-Ampt模型),0.66%(修正模型)和2.68%(快速计算模型)。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。

青藏高原风火山流域多年冻土活动层土壤水分入渗特征及变化分析

坡向和坡位是影响坡面活动层土壤水分入渗的重要因素,然而当前对多年冻土区活动层土壤冻融循环影响下不同坡向、坡位土壤水分入渗特征的研究甚少。本文设置了不同时空条件的野外试验点,更加系统地分析了青藏高原多年冻土区活动层土壤水分入渗过程的时空差异性。选取青藏高原腹地风火山流域高寒草甸坡面活动层土壤为试验地,分别在不同的坡向(阳坡、阴坡)和坡位(坡顶、坡中)设置观测点,分析活动层土壤在完全融化期(7—8月)和开始冻结期(9—10月)坡面水分的入渗特征及其时空差异性,评估不同入渗模型在研究区的适用性。结果表明,多年冻土区坡面活动层土壤水分入渗特征具有较强的时空差异性。土壤水分入渗过程可以分为入渗瞬变阶段(0~30 min)、入渗渐变阶段(30~100 min)、入渗稳定阶段(>100 min)三个阶段,入渗速率的大小整体表现为阳坡>阴坡,坡顶>坡中,完全融化期>开始冻结期,瞬变阶段>渐变阶段>稳定阶段。五种模型对入渗过程的模拟结果显示,Horton模型对青藏高原多年冻土区土壤水分入渗过程的模拟效果最佳,而通用经验模型和蒋定生公式对入渗的拟合曲线和统计参数几乎完全相同,但模型表达式不同。本文研究结果可为不同时空条件下的陆地水文过程模型参数化提供数据支持。

非均匀土壤剖面的Green-Ampt模型

给出了相应条件下的Green-Ampt模型,入渗量、入渗速率、湿润层深度以及入渗时间的具体表达式,并对1次实测灌水入渗过程进行了模拟。结果表明,Green-Ampt模型计算的入渗时土壤水分剖面与水流连续方程的计算结果存在较大差别,但这种差别经过再分布后逐渐消失。在作较长时段的土壤水分动态模拟时利用Green-Ampt模型模拟入渗过程是适用的,特别是在已知入渗总量而未知入渗强度过程的情况下具有优越性。

生化黄腐酸对不同质地苏打盐碱土水盐运移特征的影响

为了探讨生化黄腐酸(biochemical fulvic acid,BFA)对不同质地(砂质壤土和壤质砂土)苏打盐碱土的改良作用机理,明确BFA对不同质地苏打盐碱土水盐运移特征的影响,该研究通过室内一维垂直入渗试验,对不同BFA施加量(0(CK)、1、2、4、8 g/kg)条件下土壤水盐运移特征、入渗模型参数和土壤八大盐分离子的变化特征进行了研究。结果表明:对于砂质壤土,当入渗至280 min时,与CK相比,BFA施加量为1、2、4、8 g/kg处理的累积入渗量分别减小了3.70%、10.19%、12.04%、25.00%,湿润峰深度分别减小了9.33%、17.00%、24.00%、27.33%;对于壤质砂土,当入渗至40 min时,与CK相比,BFA施加量为1、2、4、8 g/kg处理的累积入渗量分别减小了1.36%、10.51%、18.98%、29.83%,湿润峰深度分别减小了5.00%、11.33%、21.67%、31.33%。土壤水分入渗速率会随着BFA施加量的增加而减小,在0、5、10、15、20、25、30 cm土层深度,8 g/kg施加量处理的砂质壤土含水率分别高于CK处理11.43%、4.99%、8.54%、8.79%、9.02%、4.98%、-7.76%,而壤质砂土含水率分别高于CK处理4.76%、9.28%、6.18%、9.25%、8.05%、8.77%、-0.06%。Kostiakov和Philip模型均能较好地模拟土壤水分入渗过程,且随着BFA施加量的增加,吸渗率逐渐减小。然而施加BFA同样会增加不同深度土层的含盐量,在土壤钙离子、镁离子浓度较低的情况下,可能会使得土壤中富集钠离子。因此,施加BFA能够改变不同质地苏打盐碱土的水盐运移特征,为了防止施加BFA加剧土壤的次生盐碱化以及考虑施加BFA后的经济效益,该研究推荐BFA施加量为2~4 g/kg时对于不同质地苏打盐碱土具有更好的改良效果。

容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验

通过人工改变土壤颗粒级配,配制典型砂壤、中壤、黏壤,并设置不同容重水平,用土柱积水入渗模拟了土壤容重对其入渗能力的影响,为土壤改良和促进天然降水转化利用提供理论依据。结果表明,容重对土壤入渗能力有较大影响。试验土壤入渗能力随容重增大递减,3种典型土壤稳定入渗速率与容重均呈对数负相关,砂壤120min累积入渗量与容重呈幂函数负相关,中壤、黏壤则呈线性负相关。考斯加科夫入渗模型中,表征初始入渗速率的参数随容重增大递减,表征入渗能力衰减速度的参数则随容重增大递增,说明土壤初始入渗能力随容重增大递减,入渗能力衰减速度随容重增大递增。

喀斯特峰丛坡地灌木林地与梯田旱地土壤水分入渗特征

为明确喀斯特峰丛坡地土壤的入渗特性,该文测定了灌木林地和梯田旱地不同土层的入渗过程,同时分析了影响入渗的因素,并用不同入渗模型对其过程进行拟合。结果表明:(1)梯田旱地的入渗性能低于灌木林地,其平均入渗系数约是灌木林地的78.6%,尤其在土层30~60 cm的平均初渗率、稳渗率仅为灌木林地的4.3%和4.4%,存在明显的入渗隔层,其原因是梯田旱地本身的土壤黏粒含量充足,加上人为翻耕促使较细颗粒向下移动后堆积。(2)灌木林地土壤中的砂粒含量和有机质含量较高,孔隙度较大,不同土层间的性质差异较小,而梯田旱地0~30 cm与30~60 cm土层的土壤性质差异明显,表现为下层土壤容重大、土壤孔隙度小。两者入渗性能均与土壤容重、孔隙度的相关性极显著(P<0.01)。(3)Horton模型对灌木林地和梯田旱地的拟合效果较好(R2>0.9),且对梯田旱地表层和深层的拟合度比对灌木林地的拟合度更好。Kostiakov模型和Philip模型的拟合效果较差。该文为喀斯特土壤水分管理及土壤入渗模拟提供了理论依据。

层状夹砂土柱室内积水入渗试验及模拟

为了研究夹砂层对入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响,进行了室内层状夹砂土柱一维薄层积水入渗试验和相应情况下均质土柱的对照试验。结果表明,当湿润锋到达夹砂层上界面后,层状夹砂土柱的入渗过程与均质土入渗表现出明显不同。在湿润峰穿过夹砂层上界面时入渗率有较大波动,且最终进入稳渗阶段,其稳渗率明显小于同时刻均质土柱入渗率;当湿润锋穿过夹砂层后,夹砂层内的土壤含水率明显小于其饱和含水率。根据试验和分析,建立了针对层状夹砂土入渗的S-Green-Ampt模型,该模型可以较准确地反映层状夹砂土柱积水入渗的机理和更好地模拟其入渗过程。

妫水河流域不同植被覆盖条件下土壤入渗及模型的比较分析

为恢复官厅水库库区植被提供科学依据 ,在官厅库区妫水河流域内延庆县大榆树镇上辛庄小流域试验区 ,进行了不同植被覆盖条件下的土壤积水入渗试验 ,并用 4种入渗公式进行了拟合。通过分析比较 ,得出了不同植被覆盖条件下的土壤入渗规律 ,并对采用考斯恰可夫、Horton、通用经验公式以及Philip入渗模型时的适用性和准确性进行了评价。

基于VIC模型的逐日土壤含水量模拟

基于VIC（Variable Infikration Capacity）大尺度水文模型，采用实测的日降水和日最高、最低气温数据，模拟了近35年（1971～2005）全国范围30km×30km分辨率的逐日土壤含水量。文章利用43个流域的实测流量资料，率定模型水文参数，建立和验证水文参数移用公式，确定无资料地区的水文参数。选取全国范围内的28个站19年的土壤含水量实测值，对模拟的土壤含水量进行了验证。结果表明，VIC模型较好地模拟了土壤含水量，尤其是在湿润和半湿润地区。模拟的0～100cm的土壤含水量多年平均值与实际的全国土壤水分分布较为一致。

无压灌溉土壤湿润体含水率分布规律与模拟模型研究

该文通过室内试验,分析研究了无压灌溉土壤入渗率变化过程和土壤湿润体内含水率分布规律。试验结果表明:无压灌溉的累计入渗量与时间呈幂指数关系,土壤入渗率趋于零是无压灌溉过程结束的标志。同时,引进场的概念,结合土壤含水率试验数据,建立了无压灌溉土壤湿润体内含水率分布的理论模拟模型,并用实测值进行了验证。该模型简单、实用、精度高,实测值与预测值之间具有较高的相关性,相关系数达0.899以上。该研究结果对大田土壤水分调节和管理具有指导作用。

生物炭添加对淡灰钙土水分入渗过程的影响

【目的】改善和提高银川平原土壤蓄水保肥能力和土地生产力。【方法】以银川淡灰钙土为研究对象,采用室内一维垂直定水头法,选取5种生物炭添加比例0%(CK)、2%(B1)、3%(B2)、5%(B3)和6%(B4),研究了湿润锋进程、入渗速率、累积入渗量,比较了Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型和通用经验模型对含生物炭土壤水分入渗过程的适用性。【结果】B1、B2、B3和B4处理的初始入渗速率比CK分别减小5%、12%、32%和38%,稳定入渗速率减小30%、39%、44%和48%,即随生物炭量增加土壤水分入渗速率呈逐渐减小的趋势;入渗历时120 min时,B1、B2、B3和B4处理的湿润锋进程比CK分别减少14%、31%、39%和40%,累积入渗量分别减少13%、24%、36%和42%,即随着生物炭量的增加,其对土壤湿润锋进程、累积入渗量抑制作用越强;4种入渗模型中Horton模型最适宜模拟研究区不同生物炭量条件下土壤水分入渗过程。【结论】生物炭添加可以改善淡灰钙土水分损失快、持水性能差的情况,显著提高淡灰钙土保水能力。

基于WinSRFR模拟灌溉农田土壤入渗参数年变化规律

土壤入渗参数是确定地面灌溉灌水技术参数的主要依据之一,而农田土壤入渗特性随着灌水与耕作存在着周期性变化。为了探究这种周期性变化规律,在冬小麦-夏玉米轮作体系下,基于泾惠渠灌区2012-2015年不同灌水时期的灌水资料,利用Win SRFR4.1软件与拟合度检验相结合的方法对考斯加科夫土壤入渗模型参数值进行模拟反推得出最佳优化结果,结果表明模拟与实测的水流推进及水流消退过程的均方根误差分别为0.15-2.1和2.5-7.8 min,决定系数均在0.7以上（P〈0.05）。在此基础上,根据影响土壤水分入渗的主导因素土壤容重及土壤质量含水率,建立考斯加科夫土壤水分入渗模型2参数值与影响因素间的定量关系,分析土壤入渗参数在年内的变化规律,结果表明：在冬小麦-夏玉米轮作体系下,不同灌水时期的土壤入渗系数和入渗指数变化明显,变化范围分别在95.0-210.0 mm/h和0.42-0.67之间,土壤水分入渗模型两参数值与土壤含水率及土壤表层容重之间存在较好地复合对数关系,决定系数分别为0.846和0.741（P〈0.05）。研究结果可为年内不同灌水时期确定农田地面灌水技术参数提供依据。

不同畦面结构下地面灌溉效果的对比分析

为研究畦面结构变化对地面灌溉效果的影响,在4种不同畦面结构的大田灌溉试验基础上,用WinSRFR3.1模型对平作畦灌、细沟灌、畦作浅沟灌和微垄沟灌的田面土壤特性参数和灌水效果进行估算和模拟,比较了不同灌溉方式由于畦面结构改变引起的田面土壤特性和灌水效果差异,并提出不同畦面结构的适宜畦田规格。研究认为,不同畦面结构的田面糙率系数和土壤入渗特性差异明显,微垄沟灌糙率系数最大而平作畦灌糙率系数最小,平作畦灌入渗速率最快而畦作浅沟灌入渗速率最慢;对长畦田来说,畦作浅沟灌灌水效果最好,微垄沟灌次之,平作畦灌最差;在单宽流量为4.5L/(m·s)条件下,畦作浅沟灌灌水效率达到80%的最大优化畦长为200～220m,微垄沟灌为170～190m,细沟灌为150～170m,平作畦灌为150～170m。畦面结构是影响地面灌溉效果的重要因素,在地面灌溉研究和实践中都需考虑进去。

不同残膜含量对淡灰钙土水分入渗过程的影响

为探讨不同残膜含量对土壤入渗性能的影响,以银川平原淡灰钙土为研究对象,设置5组不同残膜量:0(T0)、100(T1)、200(T2)、400(T3)、800 kg·hm^(-2)(T4),利用一维垂直定水头入渗法,观测湿润锋运移规律和水分入渗过程,并利用4种入渗模型拟合土壤入渗过程,分析其适用性。结果表明,随残膜含量递增,在同一入渗历时内累积入渗量逐渐减小。当入渗时间为390 min时,与T0相比,T1～T4处理的累积入渗量分别减少4.7%、5.8%、6.3%、11%。在入渗同等时间内,残膜量越高其湿润锋运移距离越短。当湿润锋在土柱完成运移时,T0～T4处理分别耗时390、420、510、600、660 min,即随残膜含量的升高入渗时间延长。T0～T4稳定入渗速率分别为0.27、0.24、0.21、0.19、0.16 mm·min^(-1),入渗率随残膜含量的升高而降低。入渗模型拟合的R^2大小依次为通用经验模型>Kostiakov模型>Philip模型>Horton模型,通用经验模型适合描述含残膜土壤的水分入渗过程。研究表明残膜对淡灰钙土水分入渗存在抑制作用,其影响程度随残膜量增加而增大。

喀斯特地区不同层次土石混合介质对土壤水分入渗过程的影响

桂西北喀斯特地区土壤中常常含有土石隔层,分析其对土壤水分入渗过程的影响有助于深入研究该区水循环机理和促进植被恢复重建进程。通过室内模拟土柱试验,研究了不同土石隔层碎石粒径(5～20,20～40 mm)及土石隔层(土石质量比为1:1)位置(上层(0～20 cm),中层(10～30 cm),下层(20～40 cm))对土壤水分入渗过程的影响。结果表明,碎石粒径为5～20 mm时,土石隔层位于中层时土壤累积入渗量最大。碎石粒径为20～40 mm时,土石隔层位于下层时土壤累积入渗量最大。当土石隔层位置一定时,碎石粒径较小有利于土壤水分入渗;粒径为5～20 mm的土石隔层土壤稳定入渗速率最大,且达到稳定入渗的时间最短,但土层隔层位于下层时均质土壤及不同粒径土壤的稳定入渗速率无显著差异。土石隔层位置和隔层碎石粒径对初始入渗速率没有显著影响;土石隔层位于上层时,土石隔层的存在缩短了水分入渗运移过隔层的时间。土石隔层位于中层时,隔层碎石粒径为20～40 mm时水分入渗到达隔层及运移过隔层的时间最长。土石隔层位于下层时,隔层碎石的存在缩短了水分入渗到达隔层及运移过隔层的时间。Kostiakov入渗模型与Philip方程都可以较好地描述含土石隔层土壤的入渗过程,但Kostiakov入渗模型模拟效果更好。

基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动模拟

为研究负压微润灌不同技术参数组合下的土壤水分运动过程,以土箱试验实测含水率为依据,构建并验证了基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动反演模型,并结合反演模型对负压微润灌多种组合情景的土壤湿润体模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,探究适宜于不同设施作物的负压微润灌技术参数组合。结果表明:采用HYDRUS-2D反演模型能够较好地模拟负压微润灌不同供水水头条件下的土壤湿润体特征,土壤湿润距离(水平距离、垂直向上距离和垂直向下距离)、含水率及累积入渗量模拟值与实测结果之间的决定系数和NSE分别达到0.98和0.77以上。试验及模拟结果均表明,负压微润灌条件下供水水头与土壤含水率、累积入渗量及不同方向的湿润距离均呈负相关关系。此外,基于反演模型对负压微润灌不同湿润体的情景模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,拟定了不同设施作物适宜的负压微润灌技术参数范围。本研究对农业生产中负压微润灌技术参数的选择及新型节水微润灌技术的推广具有指导意义。