基于农田土壤入渗空间变异特征的畦灌技术要素组合优化方法研究

Border irrigation, a method of plant irrigation, is widely used in northern of China because of its low cost and energy. In the course of development, design and management of border irrigation have been greatly improved. However, a low irrigation performance is still the vital problem which can attribute mainly to the complexity of the interactions between field design, soil infiltration characteristics and irrigation management practice. In the past, researches mainly focused on improving irrigation performance by optimizing the design of irrigation systems, but the spatial variability of infiltration parameters was neglected, which made the irrigation performance increase was limited. Therefore, this project will be conducted experiments in the field and employ the theories analysis and numerical simulation as the technical methods, and the different scales of each field was comprehensive considered. The main objective of this project is to propose the method of estimated the soil infiltration parameters based on analyzes the regulars of the spatial variability of the soil infiltration characteristics, and research on the impacts of spatial variability of the soil infiltration characteristics on the border irrigation performance, and propose the optimizing design method of border irrigation systems under the spatial variability of the soil infiltration, which in order to improve the irrigation performance and save water of border irrigation. The project is not only meaningful for optimizing design of border irrigation systems which the optimizing results agree with the realistic, but also has a significant scientific values in enriching the surface irrigation theories and techniques.

畦灌是我国最常见的地面灌水技术，但灌水质量不高仍是目前存在的主要问题，以往在优化畦灌灌水方案时，通常未考虑土壤入渗空间变异特征对灌水质量的影响，使优化结果不能很好的反映客观实际，导致畦灌灌水质量的提高幅度有限。因此，本项目针对上述问题，拟采用大田试验研究为基础，理论分析和数值模拟相结合的技术路线，将农田不同尺度综合考虑，在分析土壤入渗特性空间变异规律的基础上，重点研究农田不同尺度条件下土壤入渗参数的估算方法和土壤入渗空间变异特征对畦灌灌水质量的影响，最终提出基于农田土壤入渗特性空间变异条件下的畦灌灌水方案优化方法，以便进一步提高畦灌灌水质量，达到常规畦灌节水的目的。该研究对于寻求反映客观实际的畦灌技术要素优化组合无疑具有十分重要的生产意义，而且对进一步丰富地面灌溉理论与技术方面也具有十分重要的科学价值。

本项目针对畦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，在分析土壤入渗特性空间变异规律的基础上，研究了农田尺度下土壤入渗参数的估算方法和土壤入渗空间变异特征对畦灌灌水质量的影响，提出了畦灌灌水方案优化方法。以杨凌区一级阶地砂壤土和三级阶地粘壤土所选典型田块的入渗试验为基础，对其入渗空间变异特征进行了研究，结果表明两种土壤质地条件下描述入渗过程的最优入渗公式为修正Kostiakov公式，且可借助稳定入渗率的变异特征描述土壤入渗性能，但同时还应考虑入渗参数的空间变异特征；提出了修正Kostiakov公式的归一化处理方法，可较好地预测典型田块土壤入渗过程；在多尺度上，一级阶地田块归一化因子的空间变异受粉粒含量、砂粒含量和土壤容重的影响显著，三级阶地归一化因子的空间变异与粘粒含量、粉粒含量、砂粒含量和土壤初始含水率相关程度最高；建立了估算归一化因子的土壤转换函数，经验证具有较高的精度，可较好地解决土壤入渗尺度转换问题；分析了土壤入渗参数和田面糙率的变异性对沟灌水流运动过程和灌水质量的影响，结果表明土壤入渗的变异性对沟灌水流推进过程和灌水质量指标影响较大，在模拟时必须充分考虑；而田面糙率对其影响较小，可采用田块糙率均值代替；研究了畦灌过程中地表储水形状系数和下渗水形状系数的变化规律，并建立了估算其值的计算式，结果表明采用水量平衡模型模拟畦灌水流运动过程，同时考虑动态的地表储水形状系数和下渗水形状系数取值，可有效提高模型的计算精度；采用量纲分析和数值模拟相结合的方法，构建了基于量纲分析条件下的畦灌灌水质量指标计算模型，结果表明所建立的模型具有高的可靠性和普适性；分析了土壤入渗变异性对畦灌灌水质量的影响，揭示了畦灌灌水质量的变化规律，结果表明土壤入渗系数的变异对灌水均匀度影响最大，而对灌水效率和储水效率影响相对较小；分析了畦长、田面坡度、单宽流量和改水成数对灌水效率、灌水均匀度和储水效率的影响，结合均匀试验设计与多元回归分析的方法，构建了包含灌水效率、灌水均匀度和储水效率在内的优化模型，以入畦单宽流量和停水时间为变量，采用遗传算法对模型进行求解，提出了试验点不同计划灌水深度条件下畦灌灌水技术要素的优化组合。以上研究为进一步畦灌灌水质量奠定了科学基础，具有十分重要的科学价值和实际意义。