【摘要】：地表致密層的形成及減滲作用是波涌灌區(qū)別傳統(tǒng)地面灌的主要入滲特性之一。本文在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)家自然基金課題,針對(duì)我國(guó)北方旱區(qū)波涌灌和農(nóng)田施肥特點(diǎn),旨在揭示和掌握層狀土波涌畦灌間歇入滲規(guī)律及肥液的水氮運(yùn)移規(guī)律,通過(guò)改進(jìn)間歇入滲模型,對(duì)優(yōu)化波涌灌溉技術(shù)要素具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論研究,取得的主要成果為:(1)研究了均質(zhì)土和層狀土的上升毛管水運(yùn)動(dòng)特性通過(guò)試驗(yàn)資料分析與理論研究,建立了基于Philip模型的均質(zhì)土毛管水上升模型,模型中系數(shù)與土壤含水率之間符合一元二次函數(shù)關(guān)系,揭示了層狀土地下水補(bǔ)給量和毛管水上升高度隨時(shí)間變化規(guī)律,含砂層層位越大,非線性階段補(bǔ)給量和上升高度越小,線性階段補(bǔ)給量和上升高度越大,含砂層厚度越大,非線性階段對(duì)補(bǔ)給量和上升高度無(wú)影響,線性穩(wěn)定補(bǔ)給速率和上升速率越小。建立了層狀土上升毛管水運(yùn)動(dòng)特性方程,通過(guò)相關(guān)性分析指出,土壤含砂層厚度和含砂層層位均與模型的時(shí)間常數(shù)無(wú)關(guān),但補(bǔ)給量常數(shù)和上升高度常數(shù)與含砂層層位之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,地下水穩(wěn)定補(bǔ)給率和毛管水穩(wěn)定上升速率與含砂層層位之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而含砂層厚度僅與穩(wěn)定補(bǔ)給率和毛管水穩(wěn)定上升速率之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;通過(guò)層狀土多因素交互作用研究指出,土壤容重、含砂層層位和含砂層厚度之間的交互作用對(duì)層狀土上升毛管水運(yùn)動(dòng)變化影響最大。(2)研究了非飽和土壤條件下基于Green-Ampt和Philip二模型的間歇入滲改進(jìn)模型通過(guò)試驗(yàn)資料分析與理論研究,建立了波涌灌間歇入滲條件下的GA-P(Green-Ampt和Philip)改進(jìn)入滲模型,進(jìn)而確定了模型參數(shù)的求解方法;確立了關(guān)于土壤周期性含水率增量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系,將土壤含水率增量隨時(shí)間的定量變化概化為實(shí)際累積入滲量與實(shí)際濕潤(rùn)鋒之間的比值,并將周期數(shù)大于2時(shí)的土壤水分剖面分布劃為兩階段(Ⅰ區(qū)補(bǔ)水階段和Ⅱ區(qū)入滲階段),并假定Ⅰ區(qū)濕潤(rùn)鋒出流通量等于濕潤(rùn)鋒進(jìn)入Ⅱ區(qū)的進(jìn)水通量,通過(guò)圖形特征的方法得到土壤含水率增量與入滲時(shí)間的0.5次方符合較好的線性函數(shù)關(guān)系,最終求得進(jìn)入Ⅱ區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和導(dǎo)水率和土壤濕潤(rùn)鋒面水吸力值,其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和累積入滲量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比結(jié)果顯示模型計(jì)算精度較高,通過(guò)不同含砂層埋深對(duì)比發(fā)現(xiàn),周期數(shù)越大,含砂層埋深對(duì)間歇入滲濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及入滲量的影響差異越不明顯。(3)研究了地下水影響的層狀土壤波涌畦灌間歇入滲模型通過(guò)試驗(yàn)資料分析與理論研究,建立了波涌灌間歇入滲條件下的層狀土 BC-GA(Brook-Corey和Green-Ampt)改進(jìn)入滲模型,確立了層狀土間歇入滲濕潤(rùn)鋒面水吸力與濕潤(rùn)深度的函數(shù)關(guān)系,確定了層狀土間歇入滲進(jìn)入夾砂層時(shí)的穩(wěn)滲率,明確了含砂層內(nèi)部土壤飽和導(dǎo)水率、滯留含水率,進(jìn)氣吸力值,導(dǎo)水度系數(shù),形狀系數(shù)和深度變化是層狀土間歇入滲運(yùn)移距離變化的主要影響參數(shù);通過(guò)不同含砂層埋深對(duì)土壤間歇入滲的對(duì)比分析指出,周期數(shù)增加,相同含砂層埋深下的累積入滲量減小,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增大,含砂層埋深增加,相同供水周期的累積入滲量增大,濕潤(rùn)鋒增大,供水周期達(dá)到最大時(shí),含砂層埋深對(duì)累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離影響減小。(4)肥液濃度對(duì)淺埋地下水間歇入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)特性研究探明了肥液濃度對(duì)土壤間歇入滲的入滲量、土壤含水率變化規(guī)律,肥液濃度越大,時(shí)間常數(shù)越大,土壤孔隙體積常數(shù)越大,穩(wěn)滲率越大,有利于土壤水分向下運(yùn)移。采用Hydrus-1D模型對(duì)間歇入滲土壤運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,明確了土壤飽和含水率、進(jìn)氣吸力值和飽和導(dǎo)水率為肥液間歇入滲的主要影響因素,但與土壤滯留含水率和土壤形狀系數(shù)關(guān)系不大;探明了基于V-G模型的分形維數(shù)與土壤孔隙類型之間的變化關(guān)系,分形維數(shù)與非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中非毛管孔隙度對(duì)進(jìn)氣吸力倒數(shù)和飽和導(dǎo)水率的影響貢獻(xiàn)最大,通過(guò)相關(guān)性分析指出,周期數(shù)增加且肥液濃度減小,分形維數(shù)增大,土壤容重增大,通氣導(dǎo)水能力降低。(5)肥液濃度對(duì)淺埋地下水間歇入滲土壤氮素運(yùn)移特性研究探明了肥液間歇入滲的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的分布規(guī)律及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮與土壤含水率之間的變化關(guān)系,入滲時(shí),周期數(shù)越大,地表銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度逐漸增大,濃度小于250mg/l肥液不利于兩者的累積,大于250mg/l肥液有利于表層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮聚集。再分布時(shí)肥液濃度越大,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度越大,且再分布時(shí)間越長(zhǎng),硝態(tài)氮易發(fā)生深層滲漏。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨土壤水分變化均經(jīng)歷了淋失和累積兩階段,肥液濃度增大,土壤銨態(tài)氮含量隨水分的增加淋失量減小,土壤硝態(tài)氮淋失量的減小不明顯,周期數(shù)增加,兩者累積階段含量增大,但硝態(tài)氮含量上限值隨周期數(shù)的增加影響減小,肥液濃度增大,兩者累積階段的含量也增大,再分布5天的淋失階段,土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮淋失量隨時(shí)間的增加減小,累積階段的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均增大;采用Hydrus-1D模型對(duì)肥液濃度條件下的間歇入滲土壤氮素運(yùn)移及轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了地表5cm和地下水淺埋處土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度再分布的變化規(guī)律,明確了地表5cm和地下水淺埋處的凈礦化量、凈硝化量隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)函數(shù)關(guān)系,通過(guò)氮素有效轉(zhuǎn)化分析表明了肥液濃度增加,有利于硝態(tài)氮快速下滲,增加硝態(tài)氮滲漏地下水的可能,且不利于反硝化的進(jìn)行,可為土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論和模型建立提供參考和理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S275

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2676140