由土壤物理性指标估算入渗参数的方法

丰莎+++缴锡云++虞晓彬++刘凯华

摘要：针对土壤入渗参数不易获得、精度较低的现状，依据2011年南皮县育种农场得到的试验结果，基于土壤质地、干密度及初始含水率等物理性指标得到土壤入渗的Green-Ampt模型，进而提出估算Kostiakov模型入渗参数的方法。结果表明，由该方法得到的入渗参数精度较高，所得到的入渗过程与通过畦灌水量平衡法所得到的入渗过程之间吻合程度较好，累积入渗量相对误差平均值为6.26%，相关系数为0.999 9，模型效率为0.999 3。研究结果可在减小田间工作量的同时保证较高的计算精度。

关键词：土壤质地；土壤干密度；Green-Ampt模型；Kostiakov模型；入渗参数

中图分类号： S152.7+2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0424-03

收稿日期：2015-09-01

基金项目：水利部公益性行业科研专项（编号：201301014）

作者简介：丰莎（1990—），女，河南开封人，硕士研究生，主要研究方向为灌溉排水理论与节水灌溉新技术。E-mail：fengshainhhu@163.com。

通信作者：缴锡云，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：xyjiao@hhu.edu.cn。土壤入渗是地面灌溉过程的重要环节，其参数的确定是地面灌溉优化设计的重要依据[1]。目前，确定土壤入渗参数的方法主要有田间试验测定法和灌溉试验估算法[1-2]。田间试验测定法包括双环入渗法、池田法、奎尔夫渗透仪法、封闭循环测渗法等：双环入渗法、池田法、奎尔夫渗透仪法属于不考虑田面水流运动影响的静水测试法，难以理想地模拟水流运动状况下的入渗过程；封闭循环测试法虽然考虑了水流的动态影响，但存在田间试验工作量大的问题[1-2]。灌溉试验估算法相对综合考虑了土壤质地、耕作与作物栽培措施、田间水土管理活动等因素对土壤时空变异性的影响，一定程度上克服了点状参数测定法难以反映土壤时空变异对地面灌溉性能影响的问题[3]，但也存在局限性。Elliott等提出的二点法[4]和Shepard等提出的一点法[5]，虽工作量小，计算简便，但计算的土壤入渗参数精度较低[2]；Esfandiari等提出的土壤入渗参数估算方法计算量偏大[6]，缴锡云等针对Maheshwari法和Esfandiari法进行了改进[7-9]，提高了工作效率，但这些方法仍然需要流量、田块几何尺寸及水流运动参数等信息；王文焰法和费良军法都必须由2个畦田以上的数据才能估算土壤入渗参数，仍需要较大田间工作量[10-11]。由于土壤变异性和土壤水分入渗的复杂性，上述方法均不能在兼顾减小工作量情况下保证土壤水分入渗参数的精度，因此高效测定土壤入渗参数将是土壤入渗研究的重要方面[12-13]。基于以上问题，本试验试图以土壤质地、干密度及初始体积含水率等简单的田间观测资料，利用Green-Ampt模型对Kostiakov模型中土壤入渗参数进行估算，并用田面水流推进消退资料所求土壤入渗参数验证其准确性，以期得到工作量小、计算精度较高的土壤入渗参数估算新方法，为灌溉水入渗理论研究提供新思路。

1材料与方法

1.1试验区概况

田间试验于 2011 年 4月上旬，在沧州市南皮县双庙村育种农场结合冬小麦春灌展开。试验畦田共10条，长 100 m，宽 3.7 m，均为南北走向，且北高南低。畦田北端为进水口，灌溉水源为潜水机井。1、2、3号畦田单宽流量 3.0 L/（s·m），改水成数0.85；4、5、6、7号畦田单宽流量 6.0 L/（s·m），改水成数0.80；8、9、10号畦田单宽流量 9.0 L/（s·m），改水成数0.75，对以上10条畦田地表水流推进消退过程进行观测。

1.2试验设计与观测方法

选择距试验田块6号畦田10 m处、试验田块8号畦田 50 m 处及80 m处土壤颗粒含量代表整块试验田的土壤质地情况。具体测定方法为：沿垂直方向从地表开始每20 cm为一层用土钻取土，用全自动激光粒度分析仪测定每一层土壤的机械组成进行汇总，并按美国制分级标准对土粒进行分级。在田间选择平坦坚实处作为挖掘土壤剖面的位置，从地表开始沿垂直方向分0～5 cm、>5～10 cm、>10～20 cm、>20～40 cm、>40～60 cm、>60～80 cm、>80～100 cm 共7 层用环刀取原状土。烘干法测定土壤含水率，并计算土壤干密度，测定结果见表1。

1.3计算模型

1.3.1van Genuchten模型与RETC软件van Genuchten将水分特征曲线与估测土壤非饱和导水率K（θ）的Mualem模型相结合，得出了van Genuchten模型[14]，见公式（1），后与Simunek等编制RETC软件，实现了输入土壤质地等级，或黏粒、粉粒、沙粒质量百分数以及土壤容重，即可得到van Genuchten模型中的5个参数θr、θs、α、n和Ks的功能，该软件可直接用于计算试验区土壤水动力学参数[15-16]

3结论

根据土壤质地、土壤干密度及土壤初始体积含水率等物理性指标，得到土壤入渗的Green-Ampt模型，由此估算的Kostiakov模型，其入渗参数精度较高，所得到的入渗过程与通过畦灌水量平衡法得到的入渗过程之间，相关系数和模型效率系数均较高，吻合程度较好。由于水动力学参数基本由土壤质地决定，对于给定地区土壤，土壤质地、土壤干密度等参数属于地区基础资料，其值容易获得，水动力学参数值相对稳定，不必经常性测定分析[23-24]，且土壤含水率方便测定，本方法有很强的适用性。在实际的灌水过程中，可利用该方法以较小的工作量估算出较高精度的入渗参数。但本研究土壤入渗参数的估算是在华北井灌区粉壤土条件下得到的，所进行的理论分析有一定的条件限制，需进一步扩大试验范围，在不同的灌区、不同的土壤质地条件下开展，对研究结论进行验证。

参考文献：

[1]王维汉，陈晓东，缴锡云，等. 土壤入渗参数的估算方法及其变异性研究进展[J]. 中国农学通报，2011，27（6）：272-275.

[2]董孟军，白美健，李益农，等. 地面灌溉土壤入渗参数及糙率系数确定方法研究综述[J]. 灌溉排水学报，2010，29（1）：129-132.

[3]许迪，李益农. 精细地面灌溉技术体系及其研究的进展[J]. 水利学报，2007，38（5）：529-537.

[4]Elliott R L，Walker W R. Field evaluation of furrow infiltration and advance functions[J]. Transactions of the ASAE，1982，25（2）：396-400.

[5]Shepard J S，Wallender W W，Hopmans J W. One-point method for estimating furrow infiltration[J]. Transactions of the ASAE，1993，36（2）：395-404.

[6]Esfandiari M，Maheshwari B L. Application of the optimization method for estimating infiltration characteristics in furrow irrigation and its comparison with other methods[J]. Agricultural Water Management，1997，34（2）：169-185.

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[8]缴锡云，王文焰，雷志栋，等. 估算土壤入渗参数的改进 Mahesh wari 法[J]. 水利学报，2001，24（1）：62-67.

[9]张新民，王根绪，胡想全，等. 用畦灌试验资料推求土壤入渗参数的非线性回归法[J]. 水利学报，2005，36（1）：28-34.

[10]王文焰. 波涌灌溉试验研究与应用[M]. 西安：西北工业大学出版社，1994.

[11]费良军. 浑水波涌灌溉理论与技术要素试验研究[D]. 西安：西安理工大学，1997.

[12]冯锦萍. 用常规土壤物理参数确定入渗参数的方法研究[D]. 太原：太原理工大学，2003.

[13]王耀飞，缴锡云，王志涛. 根据畦田水流推进过程同步推求入渗参数和田面糙率[J]. 中国农村水利水电，2013（12）：77-79，84.