非充分灌溉稻田土壤大孔隙流研究.pdf

1、水稻是我國主要糧食作物之一，其生產(chǎn)規(guī)模的穩(wěn)定與發(fā)展，在我國的糧食安全戰(zhàn)略中具有舉足輕重的地位。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)和生活用水量急劇增長，與農(nóng)業(yè)用水的沖突日益加劇，在農(nóng)業(yè)用水總量只能是零增長甚至是負增長的情況下，要大幅度提高灌溉水的利用率、產(chǎn)出率及擴大灌溉面積、提高灌溉保證率，只能靠進一步挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力來實現(xiàn)。在水稻灌溉中，需要突破傳統(tǒng)的灌溉理論，采用先進的灌溉方式，以節(jié)約灌溉用水、提高灌溉水資源利用效率，非充分灌溉技術因此而成為人

2、們的研究熱點。稻田土壤在進行非充分灌溉后將會導致土壤中大孔隙的出現(xiàn)，從而產(chǎn)生大孔隙流，一方面，造成水分大量流失，浪費水資源；另一方面，土壤中留存的化肥、農(nóng)藥等污染物隨大孔隙流遷移到地下水中造成地下水資源的污染。 針對目前大孔隙流研究存在的問題，本文從土壤微觀結(jié)構出發(fā)，運用數(shù)字圖像制備分析技術對土壤大孔隙結(jié)構進行定量描述，并采用分形理論研究土壤大孔隙流的運動模型，主要工作及創(chuàng)新點如下： (1)運用數(shù)字圖像制備分析技術，對土

3、壤大孔隙的數(shù)目、大小、形狀分布等特征進行定量描述，構建了大孔隙結(jié)構中大孔隙數(shù)目N、大孔隙度Φ、面積A、周長P、成圓率C、平均孔徑Rp、孔隙復雜度D、圖像5mm間距孔隙面積變異度Vj和孔隙重疊度Op等分析指標；分析了不同質(zhì)地土壤大孔隙結(jié)構在土壤縱斷面上的變化規(guī)律及差異，粘土和砂壤土的孔隙分形維數(shù)Dv分別為1.8567和1.7044，土壤質(zhì)地越細(粘粒含量越高)，分形維數(shù)越大。 (2)應用大孔隙分形模型預測了土壤水分特征曲線和非飽和

4、導水率。由孔隙分形維數(shù)Dv計算出的水分特征曲線分形模型，粘土和砂壤土的體積水分含量預測的均方根誤差(RMSE)分別為0.018和0.078，而根據(jù)顆粒大小分布估計土壤水分特征曲線的分形模型，其粘土和砂壤土的RMSE值分別為0.073和0.113；由孔隙分形維數(shù)Dv計算出的水力傳導度分形模型，粘土和砂壤土的RMSE值分別為0.085和0.108，而根據(jù)顆粒大小分布估計的土壤水力傳導度分形模型，其粘土和砂壤土的RMSE值分別為0.297和1

5、.363。結(jié)果表明，由孔隙分形維數(shù)Dv計算出的分形模型，其預測效果達到一定的精度，比由顆粒大小分布估計的分形模型預測效果好，可用于實際問題的研究之中。 (3)通過有大孔隙原狀土的水分穿透試驗，研究了供水流量、土壤質(zhì)地對大孔隙流發(fā)生的影響過程。結(jié)果表明，隨著供水流量的增加，水在土壤中的穿透時間將會縮短；水在砂壤土中的穿透速度快于粘土。在此基礎上，確定了大孔隙流運動參數(shù)的測定方法，為大孔隙流模型建立和驗證所需準確數(shù)據(jù)的獲取，提供了方

6、法指導。 現(xiàn)有研究表明，土壤中大孔隙分布及不均性是大孔隙流的重要影響因素，由于土壤水分、溶質(zhì)的持留和運移在很大程度上是由土壤孔隙的幾何性質(zhì)所決定的，因而以往僅僅采用土壤顆粒大小分布這一單一因素來確定分形維數(shù)、研究土壤大孔隙流的方法是不完備的。雖然土壤孔隙的數(shù)目、大小、形狀分布非常復雜而且難于識別，但是現(xiàn)代圖像處理和分析技術為解決這一問題提供了一個強有力的工具。本文運用數(shù)字圖像制備分析技術，結(jié)合大型圖像處理軟件ImageSys對土

7、壤大孔隙的數(shù)目、大小、形狀分布等特征進行了定量描述；計算出不同質(zhì)地土壤的孔隙分形維數(shù)Dv，并通過孔隙分形模型對土壤水分特征曲線和土壤水力傳導度進行預測。結(jié)果表明，運用數(shù)字圖像制備分析技術計算出的大孔隙分析指標能夠定量評價不同質(zhì)地大孔隙結(jié)構的差別，由孔隙分形維數(shù)Dv計算出的分形模型，其預測效果達到一定的精度，比由顆粒大小分布估計的分形模型預測效果好，該方法快捷、準確、成本低，可用于實際問題的研究之中。 本文對非充分灌溉稻田土壤大孔