沟灌地表—土壤水动力学耦合机制与模型研究

Furrow irrigation, a method of plant irrigation, is widely used in the world because of its low cost and energy. However, a low irrigation performance is still the vital problem, thus it is meaningful and significant to study water movement laws, improve furrow irrigation techniques and irrigation performance. Based on soil water dynamics theory and zero-inertia model, employing field experiment, theories analysis and numerical simulation as the technical methods to integrate the process of surface flow moving and soil moisture movement, The main objective of this project is to propose soil water infiltration of furrow irrigation water dynamics mechanism in the process of redistribution mechanism under the variable water depth or wetted perimeter, and then the physical mechanism of furrow surface and subsurface water dynamics coupling model is built to reveals their coupling mechanism. Concerning with the soil spatial characteristics at the field regional, and analysis of field soil characteristics and the different combination of irrigation technology elements on the influence law of irrigation performance and its sensitivity, and the calculation model for irrigation performance evaluation index is built, as well as the robust design method of furrow irrigation technology is put forward. The study finally builds reativly complete and systematic water dynamics model of furrow irrigation, which can greatly enrich the agricultural soil and water conservation engineering discipline theory system, is an important scientific significance and application prospect.

沟灌是中耕作物最常见的灌水技术，但灌水质量不高仍是目前存在的主要问题。为进一步探明沟灌过程中的水流运动规律，改进沟灌技术，提高灌水质量。本项目采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的技术路线，以土壤水动力学理论和零惯量模型为基础，将沟灌地表水流运动和土壤水分运移过程有机结合，主要研究入渗水深（湿周）变化下沟灌土壤水分入渗和再分布过程中的水动力学机理，构建具有物理机制的沟灌地表-土壤水动力学耦合模型，通过分析沟灌不同灌水技术要素组合下地表水流运动和土壤水分运移特征的相互影响过程，揭示其耦合机制；结合农田土壤特性的变异特征，分析沟灌不同技术要素组合对灌水质量的影响和敏感性，建立沟灌质量评价指标与主要影响因素之间的量化计算模型，并提出农田尺度稳健可靠的沟灌技术设计方法，最终形成较为系统的沟灌水动力学模型体系。该研究对进一步提高沟灌灌水质量具有重要的科学意义，可进一步丰富农业水土工程学科理论体系。

本课题针对沟灌灌水质量不高的问题，采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的技术路线，在研究沟灌土壤水分入渗特性的基础上，开展了沟灌地表-土壤水动力学耦合机制与模型研究，提出了稳健可靠的沟灌系统优化设计方法。研究结果表明土壤初始含水率对沟灌累积入渗量影响较小，沟底宽和沟中水深对其影响较为显著；构建了沟灌累积入渗量和湿润锋运移距离估算模型，其计算值与实测值和HYDRUS模拟值具有高的一致性，其中累积入渗量和湿润锋运移距离的相对误差绝对值均值（MAPRE）分别低于10.0%和7.5%，说明所建估算模型是可靠的；以零惯量模型描述沟灌地表水流运动过程，结合土壤水动力学方程，构建了沟灌地表-土壤水动力学耦合模型，结果表明沟灌地表水流运动过程求解结果与实测值和WinSRFR模拟值间的MAPRE均小于9.9%，土壤水分入渗过程模拟值与实测值和HYDRUS模拟值间的MAPRE均小于13.9%，说明所构建的耦合模型可用于沟灌过程模拟；分析了土壤入渗变异对畦沟灌溉灌水质量的影响，建立了考虑入渗变异条件下的灌水质量评价模型，结果表明模型估算值与实测值和WinSRFR模拟值一致性较好，其MAPRE均小于10%；土壤入渗变异对畦沟灌溉灌水质量的影响所占比例为51.7~95.7%，在灌水质量评价和灌水方案设计时需充分考虑其影响；采用量纲分析方法构建了畦沟灌溉灌水质量评价指标与主要影响因素间的量化模型，结果表明模型计算值与实测值具有高的一致性，两者间的MAPRE均小于9.2%，说明所建模型具有高的可靠性和普适性；分析了玉米地田面糙率不同取值对沟灌水流运动过程和灌水质量影响，结果表明田面糙率对其影响较小，可采用典型值（0.075）代替，在此基础上结合所建立的快速估算农田尺度入渗参数的土壤传递函数，以灌水效率、灌水均匀度和储水效率几何均值最大为目标，采用系统优化方法得到了陕西省关中地区不同田块长度和坡度条件下沟灌灌水技术要素优化组合，并提出了稳健可靠的沟灌系统优化设计方法。以上研究为进一步提高沟灌灌水质量奠定了理论基础，具有重要的科学价值和实际意义。