干旱內(nèi)陸區(qū)作物生長(zhǎng)影響的潛水蒸發(fā)和農(nóng)田排水計(jì)算研究.pdf

1、蒸發(fā)是自然界水文循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，土壤水和淺層地下水的水分運(yùn)動(dòng)均受到蒸發(fā)的影響。在內(nèi)陸干旱區(qū)，由于蒸發(fā)劇烈，這種影響作用顯得更加突出。潛水既可以對(duì)根層土壤有一定的補(bǔ)充而被作物吸收利用，同時(shí)也會(huì)引起土壤表層積鹽而形成次生鹽堿化。因此，研究蒸發(fā)作用下土壤水和農(nóng)田排水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題顯得十分重要。本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金課題，采取理論分析與室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了土壤水和農(nóng)田排水在蒸發(fā)作用下的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，初步成果如下：(1)目前，常用VanG

2、enucthen方程描述土壤的水分含量與基質(zhì)勢(shì)(土壤吸力)之間的定量關(guān)系。文中給出了阻尼最小二乘法和單純形法求解VanGenucthen方程參數(shù)的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法，并將該算法用VB語(yǔ)言編成程序。通過(guò)兩個(gè)算例驗(yàn)證了上述兩種方法計(jì)算VanGenucthen方程參數(shù)的正確性，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明可以使用這兩種方法求解描述土壤水分運(yùn)動(dòng)的VanGenucthen方程參數(shù)。同時(shí)對(duì)VanGenucthen方程參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明計(jì)算

3、精度受α和n值的變化影響較大，因此在選擇初值時(shí)，建議重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)α和n值的選擇上。 (2)通過(guò)對(duì)野外試驗(yàn)的觀測(cè)和計(jì)算表明，層狀土壤的表層土壤蒸發(fā)量E在水面蒸發(fā)量E0較小時(shí)，隨著E0的增加而逐漸增大，但當(dāng)E0大于等于10mm/d時(shí)，隨著E0的增加，E的值基本穩(wěn)定在4.5mm/d，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 (3)計(jì)算表明，當(dāng)表層的導(dǎo)水性較好土壤由薄逐漸變厚時(shí)，潛水的極限蒸發(fā)強(qiáng)度也逐漸增加，而且變化梯度也逐漸增加，說(shuō)明表層

4、土壤的質(zhì)地和厚度對(duì)潛水蒸發(fā)影響較大；潛水的蒸發(fā)強(qiáng)度不僅與土層的厚度有關(guān)，而且與土層在剖面上的位置有關(guān)。潛水的蒸發(fā)強(qiáng)度不僅隨著導(dǎo)水性較弱的土層厚度的增加而減小，而且隨著導(dǎo)水性較弱的土層的逐漸下移而增大。 (4)由野外試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了層狀土壤參數(shù)、冬小麥的騰發(fā)量和吸水率。據(jù)此，應(yīng)用回歸分析的方法建立了冬小麥根系吸水函數(shù)，通過(guò)一維土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算了土壤剖面基質(zhì)勢(shì)，經(jīng)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，結(jié)果較好；給出了一種作物生長(zhǎng)條件下

5、計(jì)算潛水蒸發(fā)量的方法，只要能確定土壤參數(shù)和表土蒸發(fā)量以及作物根系吸水模型，就可以用此方法計(jì)算作物正常生長(zhǎng)情況下潛水穩(wěn)定蒸發(fā)量；通過(guò)對(duì)作物生長(zhǎng)條件下定水位潛水蒸發(fā)關(guān)系的分析認(rèn)為：在地下水位一定時(shí)，隨著作物的生長(zhǎng)和根系的發(fā)育，潛水蒸發(fā)強(qiáng)度增大，當(dāng)根系深度一定時(shí)，隨著地下水位埋深增大，潛水蒸發(fā)強(qiáng)度減小。 (5)在考慮蒸發(fā)影響時(shí)，根據(jù)對(duì)地下水回降速度V隨著地下水位h變化的關(guān)系分析，認(rèn)為V與h呈如下關(guān)系：V=ρ(1-e-()h)。并分別推

6、導(dǎo)了將該式用泰勒公式展開(kāi)后取前四項(xiàng)和前三項(xiàng)的求解農(nóng)田排水溝(管)間距公式。結(jié)果表明，取前四項(xiàng)的求解公式計(jì)算精度較高，可用于計(jì)算排水明溝(暗管)的間距。取前三項(xiàng)的求解公式在進(jìn)行排水規(guī)劃階段也能滿足要求；由于參數(shù)η取常數(shù)時(shí)，有較大誤差，建議η用公式計(jì)算；考慮蒸發(fā)和不考慮蒸發(fā)對(duì)排水規(guī)劃有較大的影響，特別是在蒸發(fā)強(qiáng)烈地區(qū)，這種影響將會(huì)更大。 (6)在地面傾斜條件下，地面傾角雖然對(duì)排水過(guò)程的影響較小，但由于地面傾角而使兩側(cè)排水溝水位的不同

7、將對(duì)排水過(guò)程有較大的影響，在地面傾斜情況下，計(jì)算排水問(wèn)題時(shí)，必須考慮地面傾角對(duì)排水過(guò)程的影響。如兩側(cè)溝水位不同時(shí)，會(huì)在農(nóng)田不同的位置形成分水嶺，同時(shí)對(duì)地下水位的下降速度也有不同的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)?shù)孛鎯A角θ=0.76°、0.57°、0.29°和0°時(shí)，經(jīng)過(guò)8天排水后，分水嶺處的地下水位分別下降了1.13、1.36、1.62和1.82米，平均下降速度分別為0.14、0.17、0.20和0.23m/d。 (7)目前，地下水蒸發(fā)強(qiáng)度ε

8、與地下水埋藏深度△的關(guān)系一般用下式表示：ε=ε0(1-△/△0)n，當(dāng)蒸發(fā)指數(shù)n=2時(shí)，認(rèn)為ε與△呈非線性關(guān)系。文中分別用兩種方法得到了非對(duì)稱邊界蒸發(fā)呈非線性規(guī)律(n=2)的排水計(jì)算公式。在實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)的潛水蒸發(fā)和埋深的資料，先判明n=1，還是n=2，然后應(yīng)用相關(guān)公式進(jìn)行排水計(jì)算。 (8)文中分別給出了非對(duì)稱邊界蒸發(fā)呈線性規(guī)律和對(duì)稱邊界蒸發(fā)呈非線性規(guī)律地下水二維不穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式。由于該公式的邊界條件

9、更符合地面有坡度的情況，因此，可用該公式計(jì)算西北地區(qū)典型條田灌排系統(tǒng)布置方式下的農(nóng)田排水問(wèn)題。 (9)當(dāng)邊界條件較復(fù)雜時(shí)，將不能得到解析解。本文推導(dǎo)了考慮蒸發(fā)作用下平面各向異性二維不穩(wěn)定流矩形單元的有限元方程，并通過(guò)解析解驗(yàn)證了方程的正確性。同時(shí)用該模型對(duì)南疆某地試驗(yàn)農(nóng)田地下水位的變化過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，在排水系統(tǒng)和地面坡度的共同作用下，經(jīng)過(guò)5天的排水，地下水位就可降低到蒸發(fā)影響很小的程度，說(shuō)明該農(nóng)田排水系統(tǒng)排水效果較好。