PDF《范严伟应用 HYDRUS-1D 模拟砂质夹层土壤入渗特性①_范严伟》

土壤(Soils), 2016, 48(1): 000C000 ①基金项目:国家自然科学基金项目(

51409137、51269008)和甘肃省自然科学基金项目(145RJYA293)资助.

作者简介:范严伟(1982―),男,山东聊城人,博士研究生,讲师,主要从事农业水土工程研究.E-mail: [email protected] DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2016.01.000 应用 HYDRUS-1D 模拟砂质夹层土壤入渗特性 ① 范严伟1,2 ,黄宁2 ,马孝义3 ,毕贵权1 ,赵文举1 (1 兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州 730050;

2 西部灾害与环境力学教育部重点实验室/兰州大学土木工程与力学学院,兰州 730000;

3 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西杨凌 712100) 摘要:依据非饱和土壤水分运动理论,采用 HYDRUS-1D 软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分 析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响.结果表明:砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水 和减渗作用;

湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影 响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;

砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和, 土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响.研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理 论依据. 关键词:砂质夹层;

影响因素;

入渗特性;

数值模拟;

HYDRUS-1D 中图分类号:S152.7 由于风沙、水文和地质等外力作用,田间土壤剖 面普遍存在砂质夹层结构[1C2] .夹层结构会改变土壤 水分的入渗性能和分布状况, 对土壤入渗特性有重要 影响[326] .与均质土壤相比,砂质夹层土壤的入渗特 性主要受砂层质地、埋深、厚度以及土壤初始含水率 和压力水头等因素影响.许多学者采用室内试验方 法,研究了砂层质地、埋深和厚度对土壤入渗特性的 影响[729] .随着计算机技术的发展,数值模拟方法越 来越多地应用于土壤水分运动的研究中, 成为定量分 析土壤水分入渗特性的有效工具[10212] .其中,美国 农业部盐渍土实验室开发的 HYDRUS-1D 软件,可 对一维饱和-非饱和土壤中水、热及溶质运移进行数 值模拟[13] .HYDRUS-1D 应用广泛,具有良好的适 用性,可用来模拟层状土壤水分入渗特性[14216] .本 文依据非饱和土壤水分运动理论,采用 HYDRUS- 1D 软件,对不同影响因素组合下的砂质夹层土壤入 渗特性进行数值模拟, 分析各影响因素条件下砂质夹 层土壤的入渗规律, 为农田水资源高效利用和工程防 渗技术提供理论依据.

1 层状土一维垂直入渗数学模型 1.1 基本方程 HYDRUS-1D 中,一维饱和-非饱和土壤水运动 采用 Richards 方程进行描述.其表达式为: ( ) ( )

1 h h C h K h t z z ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 式中,z 为垂向坐标,规定 z 向下为正(cm);

( ) C h 为 土壤比水容量(1/cm);

h 在饱和区和非饱和区分别为 压力水头和基质势(cm);

t 为入渗时间(min);

( ) K h 为 土壤非饱和导水率(cm/min). 式(1)中涉及的土壤水分特征曲线 ( ) h ? 和土壤非 饱和导水率 ( ) K h 采用van Genuchten-Mualem模型拟 合[17] .即0()(1 )

0 s r r n m s h h h h ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ≥ (2)

2 1/ ( )

1 (1 ) l m m s e e K h K S S ? ? ? ? ? ? ? (3) 式中, r ? 为土壤残余含水率(cm3 /cm3 );

s ? 为土壤饱 和含水率(cm3 /cm3 );