水利工程論文-華北地區(qū)夏玉米田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律研究.doc

水利工程論文-華北地區(qū)夏玉米田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律研究摘要：本文利用一維垂直非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型，通過(guò)模擬計(jì)算夏玉米生育期各生長(zhǎng)階段不同水文年、不同灌水定額下田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)棵間蒸發(fā)，深層滲漏與灌水定額之間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了定量研究，并建議華北地區(qū)夏玉米節(jié)水灌溉定額為40m/畝.關(guān)鍵詞：夏玉米田間水分轉(zhuǎn)化灌水定額1田間水分轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)模式田間水分的轉(zhuǎn)化過(guò)程主要包括降雨或灌水的入滲，徑流，根區(qū)土壤水分運(yùn)移，根系吸水，蒸發(fā)蒸騰，根區(qū)以下土壤水運(yùn)動(dòng)等.描述土壤水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程是根據(jù)達(dá)西定律和連續(xù)方程結(jié)合推導(dǎo)出來(lái)的，由于方程是非線性的，所以只有在特定的初始和邊界條件下才能用解析法求解.自60年代以來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們能夠借助計(jì)算機(jī)運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)一般條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)問(wèn)題求解，并得到了滿意的結(jié)果.本文采用HYDRUS模型軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.1.1HYDRUS模型HYDRUS模型軟件8是美國(guó)鹽堿實(shí)驗(yàn)室在Worm模型的基礎(chǔ)上的改進(jìn)版，用于模擬計(jì)算一維垂直非飽和流和溶質(zhì)運(yùn)移，考慮了作物根系吸水和土壤持水能力的滯后影響，適應(yīng)于恒定或非恒定的邊界條件，具有靈活的輸入輸出功能，可用來(lái)模擬非勻質(zhì)土壤，最多可模擬5種20層土壤.模型中方程解法采用Gakerin線性有限元法.1.2方程和邊界條件在忽略土壤側(cè)向水流運(yùn)動(dòng)，僅考慮一維垂向運(yùn)移時(shí)，有根系吸水項(xiàng)的土壤水分運(yùn)動(dòng)方程為1：c(h)(h)/(t)=()/(Z)k(h)(h)/(Z)-k(h)-s(z,t)(1)式中c(h)比水容重L-1,c(h)=d/dh,h土壤壓力水頭L，體積含水量L3L-3,k(h)水力傳導(dǎo)度LT-1，s(z,t)單位體積根系吸水率T-1,z土壤深度L、向下為正，t時(shí)間T.初始條件：h(z,t)=h0(z),t=0.上邊界條件：h(0,t)=h0(t),(積水條件)-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=0=q0(t)(2)式中h0(t)已知壓力水頭L，q0(t)凈通量，正通量表示下滲，負(fù)通量表示蒸發(fā)(棵間蒸發(fā)).下邊界條件：h(l,t)=hi(t),-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=l=q1(t)或(h)/(z)/zl=0,(3)2作物根系吸水模式本文采用VanGenuchten模型8，即s(z,t)=Ep(t),(z)(h,h0)(4)式中S(z,t)單位根據(jù)吸水率，Ep(t)作物最大蒸騰率，(h,h0)鹽分應(yīng)力函數(shù)，反映土壤鹽分對(duì)田間根系吸水的影響.(h,h0)=(1)/(1+(h+h0)/(h50)p(5)式中h壓力水頭，h0滲透壓，與溶液濃度C有關(guān)，h0=a1c,a1簡(jiǎn)單換算系數(shù)，其值依賴于壓力水頭和濃度表達(dá)的單位.h50作物潛在蒸騰率減少50%的土水勢(shì)，對(duì)玉米而言，h50為-0.25-0.65MPa，一般取-0.43MPa(Ehler,1983),P經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，P3；(z)根系密度分布函數(shù)相對(duì)值.(6)其中Lr根層深度，(z)根系密度分布函數(shù)，(z)是根深Lr的函數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中將Lr分為若干層且認(rèn)為每層內(nèi)根系分布是均勻的.根系密度采用層內(nèi)干根重占根區(qū)總干根重的比值表示，由田間實(shí)測(cè)獲得.3非飽和導(dǎo)水率的確定非飽和導(dǎo)水率K是土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)，在對(duì)非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)基本方程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析時(shí)，無(wú)論用解析解或數(shù)值解的方法，都要用到它.獲得K的方法有兩種：一是實(shí)驗(yàn)方法，如瞬時(shí)剖面法，垂直下滲通量法，垂直土壤穩(wěn)定蒸發(fā)法，結(jié)殼法等；另一種是間接法，即根據(jù)已知的水分特征曲線和其他條件推導(dǎo)出的函數(shù)形式，如VanGenunchten(1980)將土壤水分特征曲線的函數(shù)形式與Mualem(1976)導(dǎo)出的用來(lái)預(yù)測(cè)非飽和導(dǎo)水率的函數(shù)形式相結(jié)合得到如下函數(shù)關(guān)系5：(h)=r+(s-r)/(1+(h)nm),(7)k(l)=kss1/211-(1-s1/ml)m2,(8)sl=(-r)/(s-r),(9)式中s飽和含水量；r殘余含水量；Ks飽和導(dǎo)水率；Sl相對(duì)飽和度，,n,m擬合參數(shù)，通過(guò)非線性最小二乘法對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)獲得的土壤持水?dāng)?shù)據(jù)(,h)進(jìn)行擬合求模糊.將式(7)代入式(8)得：k(h)=ks1+(h)n-2/m1-1-(1+h)n-m2(10)表1VG非飽和導(dǎo)水率函數(shù)有關(guān)參數(shù)土層深度/cm飽和含水量/cm/cm殘余含水量/cm/cm/a/cmnR20800.490.120.0181.330.97801000.510.0960.005531.1890.981002200.480.080.00871.4790.982204000.430.0640.00231.3870.994作物騰發(fā)量的計(jì)算作物騰發(fā)量又稱作物耗水量，是指在作物生長(zhǎng)季節(jié)，從生長(zhǎng)面積上失去的水量，它包括從作物體蒸騰的水量和組成作物體內(nèi)的水量(所占比例很小，可忽略不計(jì))以及從種植面積上棵間蒸發(fā)的水量.目前最常用的最大作物騰發(fā)率的計(jì)算方法是先計(jì)算參考作物騰發(fā)率ET0(t),然后將其乘以一個(gè)作物系數(shù)Kc(t),即：ETc(t)=Kc(t)ET0(t)；作物系數(shù)Kc由河北望都灌溉試驗(yàn)站的灌溉資料確定.參考作物騰發(fā)率由FAO新近推薦的Penman-monteith方法計(jì)算6，F(xiàn)AO-Penman-monteith方法把參考作物騰發(fā)量重新定義為“作物高度0.12m，固定葉而阻力70sm-1，反射率0.23的假想?yún)⒖甲魑锏尿v發(fā)量”，由此結(jié)合monteith方法可得出FAO-Penman-monteith方程下：ET0=(0.408(Rn-G)+(900)/(T+273)U2(ea-ed)/(+(1+0.34U2)(24h)(1