缓坡畦灌地表储水形状系数对入渗参数估值的影响

第 l 5卷 4期 2 0 0 7年 l 2月 应用基础与工程科学学报 J O URN AL O F B AS I C S C I E NC E AN D E NGI N EE RI NG V0 1 1 5 No 4 De c e mb e r 2 0 0 7 文章编号 ： 1 0 0 5 4 ) 9 3 0 ( 2 0 0 7 ) 0 4 - 0 4 8 3 - 0 6 中图分类号 ： S 1 5 2 7 文献标识码： A 缓坡畦灌地表储水形状 系数 对入渗参数估值的影响 王维汉 ， 缴锡云 ， 彭世彰 ， 马海燕 2 ( 1 河海大学水文水资源与水利工程科学 国家重点实验室 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 河海大学 农业工程学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： Ma h e s h w a r i 法在估算入渗参数时取地表储水形状系数为定值， 但 已有研究 表 明该值并不恒定， 针对这个矛盾， 分析 了地表储水形状系数随水流推进距离的 变化规律 ， 研究 了畦灌地表储水形状系数对 M a h e s h w a r i法入渗参 数估值 的影 响 利用水位传感器观测地表水深沿畦长方向的分布 ， 计算对应不同水流推进距 离的地表储水形状系数； 设定不同的地表储 水形状 系数， 分析 Ma h e s h w a r i 法入 渗参数估值对地表储水形状系数的敏感性 结果表明， 地表储水形状系数随水流 推进距离增加而增加， 但在推进距离大于5 0 m时， 增大趋势渐缓； 其不同取值对 入渗参数估值的影响显著， 随着地表储 水形状 系数取值 的逐渐增大， K o s t i a k o v 入渗模型的入渗系数逐渐减小， 入渗指数逐 渐增大 因此 ， 地表储水形状系数取 值对 Ma h e s h w a r i法 入 渗 参 数 估 值 的影 响 不 可 忽 略， 对 于 缓 坡 畦 灌， 应 用 M a h e s h w a r i 法估算入渗参数时， 水流推进距离不应小于 5 0 m 关键词 ： 畦灌 ： 地表储水形状系数 ； 入渗参数 ； 地表水深 土壤入渗参数是土壤入渗性能的定量表示 ， 是制定地面灌溉技术方案的重要依据 ， 也 是糙率反演计算的基础数据， 因此其值的估算是地面灌溉研究中的基础问题 由于土壤入 渗的影响因素较多 ， 机制较为复杂， 所以土壤入渗参数常常表现出显著的时空变异性 ， 给 其估值和应用带来了一定的困难 国内外学者对土壤入渗参数的计算做了大量的研究， 提 出了多种估算方法 ， 有两点法 、 一点法 J 、 改进 的一点法 J 、 Ma h e s h w a r i 法H 、 E s f a n d i a r i 法 和改进的 E s f a n d i a r i 法 等 ， 其 中 Ma h e s h w a r i 法具有试验与计算方法简便 、 精度相对 较高等优点 ， 使用较为广泛 估算土壤入渗参数 的 Ma h e s h w a r i 法 ， 利用人畦流量 、 畦首水深、 水流推进过程等观测 资料， 依据水量平衡原理在估算地表储水量后， 推导出 K o s t i a k o v 入渗模型的入渗系数、 入 渗指数计算公式， 并采用模式搜索法进行寻优计算以获得入渗系数、 入渗指数的最优估算 收稿 日期 ： 2 0 0 7 -02 -01 ； 修订 日期 ： 2 0 0 7 4 ) 9 -0 7 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 6 7 9 0 2 1 ) ； “ 十一五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 6 B A D1 l B 0 2 ) ； 河海大学 水文水资源与水利工 程科学 国家重点实验 室开放研究基金资助项 目( 2 0 0 5 4 0 5 8 1 1 ) 作者简介 ： 王维汉 ( 1 9 8 l 一 ) ， 男 ， 博 士研究生 E m a i l ： w w h w e i h a n h h u e d u c n 通讯作者 ： 缴锡 云( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 博士 ， 教授 E - ma i l ： x y j i a o h h u e d u c n 维普资讯 应用基础与工程科学学报 V o 1 1 5 值 M a h e s h w a r i 法中的地表储水量， 采用畦首水深与地表储水形状系数的乘积来估算， 其 中地表储水形状系数取用经验估计值( 0 7 0 8 ) 有研究表明_7 剖， 在灌水过程中地表储 水形状系数并非恒定不变， 而是随着灌水技术要素和水流推进距离而变化的， 且变化幅度 较大， 这可能会给土壤入渗参数估算带来较大的误差 因而， 研究地表储水形状系数的变 化规律， 阐明其对入渗参数估值的影响， 对提高估算精度， 确定合理的灌水技术参数具有 重要意义 本文依据缓坡畦灌试验资料 ， 研究了地表储水形状系数随水流推进的变化规律 ， 分析 其变化对 M a h e s h w a r i 法入渗参数估值的影响， 为利用 M a h e s h w a r i 法精确估算缓坡畦灌土 壤入渗参数提供参考 1 材料与方法 试验于 2 0 0 5年在中国科学院南皮生态农业试验站进行 该站位于河北省沧州市南约 4 0 k m， 地处北纬 3 8 。 0 6 ， 东经 1 1 6 。 4 0 该地区多年平均降水量 5 5 0 m m， 多年平均 日照时间 2 3 1 8 h ， 多年水面蒸发 1 0 2 5 -1 2 1 8 mm， 地下水埋深 5 7 m， 耕地土壤为轻质壤土， 作物为冬 小麦 ； 灌前测定试验地土层 l m内的平均土壤含水量为 1 5 8 5 一1 9 6 3 、 平均土壤干容 重为 1 4 2 g c m ； 灌溉试验水源为浅机井 ， 出水流量约 2 0 m h 试验入畦单宽流量为 0 1 4 0 m m i n ， 畦田宽 长为 2 m 9 0 m， 平均纵坡为 0 0 4 3 ， 属于一般 的缓坡畦田 为了便于观察和分析地表储水形状 系数随水流推进距离的变化规 律 ， 在畦田两侧从 畦首起每隔 5 m布置一个标杆 ， 用水表和秒表分别记录灌水量和灌水时 间； 在畦田中心线上每隔 l O m布置一个电容式水位传感器 ( O d y s s e y r 4 5 ， 精度 0 1 mm， 量 程 0 0 5 m) ， 分别记录距畦首 O m、 l O m、 2 0 m、 3 0 m、 4 0 m、 5 0 m、 6 0 m、 7 0 m和 8 0 m处的地表 水深 ， 直至灌水试验结束 本文试验数据取 自2 0 0 5年 5月 2 0日进行的冬小麦第 3水灌溉试验 2 结果与分析 2 1 地表储水形状系数在水流推进过程中的变化 根据水位传感器观测到 的沿畦长若 干点的地表水深资料 ， 利用梯形法计算地表储 水量 = ( ) 一 ( 1 ) 式中， 为单位畦宽上 的地表储水量 ， m 2 ； i 为沿 畦长 的观测点号； N为观测点个数 ； 、 I i + 1 分别为第 、 +1个观测点离畦首 的距离 ， m； h 和 h 分别为 和 处 的地表水 深 ， m 观测到的田面水流推进过程及畦首水深的变化过程见图 1和图2 地表储水形状系数( ) 是指地表储水量的实测值与利用畦首水深计算的地表储水 量之间的比值 引， 即 = ( 2 ) 维普资讯 王维汉等： 缓坡畦灌地表储水形状系数对人渗参数估值的影响4 8 5 逼4 0 3 O 厘 翟2 0 黧1 0 羹o 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 水流推进距离 m 图 1 田面水 流推进过程 F i g 1 Wa t e r a d v a n c e t r a j e c t o r y 墨 冒1 0 驾o 0 l 0 2 0 3 0 4 0 时间 t m i ll 图2 畦首水深变化过程 F i g 2 De v e l o p men t o f b o r d e r i n l e t wa t e r d e p t h 式中， 为地表储水形状系数 ； 为利用畦首水深计算的单位畦宽地表储水量 ， m ； 为 畦首水深 ， m； 为水流推进距离 ， m 根据田面水流推进过程及畦首水深变化观测资料 ， 采用式( 1 ) 、 式 ( 2 ) 计算不 同水流 推进距离时的地表储水形状系数 ， 结果见图 3 由图 3中可 以看出， 地表储水形状 系数 在水流推进过程 中并非恒定不变 ， 而是 随 着水流前锋推进距离 的增加 而逐步增大 ， 但 增大趋势 渐缓 在水 流前 锋推 进 到离 畦首 5 0 m之前， 值基本在0 6 0与0 7 5 之间变 化 ， 而 在水 流推进距 离 大于 5 0 m 小 于 8 0 m 时 ， 大致在 0 7 5与 0 8 O之 间变化 ， 而且 图3 在推进距离小于 5 0 m时， 值变化率较高， 之后其变化逐渐趋缓 地表储水形状系数随水流推进距离的变化 Fi g 3 Va r i a t i o n o f s u r f a c e s h a p e f a c t o r wi t h wa t e r a d v an c e d i s t an c e 2 2 入渗参数估值对地表储水形状系数的敏感性分析 2 2 1 估算土壤入渗参数的 Ma h e s h w a r i 公式 Ma h e s h w a r i 法是 以水量平衡原理为 基础的参数优化估计方法 ， 其 目标函数如下 m i n =( 一 ) ( 3 ) 式中， 为人渗水量的实测值与计算值之差的平方和， m ； 为沿畦长的观测点序号； N为 观测点个数； 为人渗水量的实测值， m ； 为人渗水量的计算值， m 入渗水量的实测值 可根据水量平衡原理求得 =q t 一 h 0 ( 4 ) 式中， g为人畦的单宽流量 ， m m i n ； 为灌水历时， mi n ； 为地表储水形状系数 ； 为 畦首水深 ， m； 为水流推进距离 ， m 用 K o s t i a k o v 入渗模型来描述土壤入渗过程， 则入渗水量的计算值 可按下式计算 ( t ) + K ( ) ( 一 ) ( 5 ) 式 中， a为 K o s t i a k o v入渗指数 ， 无量纲 ； 为 K o s t i a k o v 入渗系数 ， c m m i n ； 、 分别 为测点 i 和i + 1 的入渗历时， m i n ； 、 分别为第 i 、 i + 1 个观测点离畦首的距离， m 在约束条件( K O ， 0 a1 ) 的限制下 ， 应用模式搜索技术进行优化计算， 使得 最 赫 繁攀僻 维普资讯 应用基础与工程科学学报 V 0 1 1 5 小的人渗参数即为计算结果 2 2 2 敏感性分析计算 由前面的分析可知 ， 地表储水形状系数 i T 在水流推进过程 中是不断变化的 针对水流前锋推进到 8 0 m时的情况， 分析缓坡畦灌 M a h e s h w a r i 法的人 渗参数估值对 iT 变化的敏感性 令 iT 在0 6与 0 8之间按步长 0 0 5取值， 在约束条件 下利用 Ma h e s h w a r i 法进行土壤人渗参数计算 ， 结果见表 1 在计算过程 中， 水流推进过程 按幂 函数进行内插【 9 J 根据图 1 资料进行拟合 ， 得 t=0 0 1 5 5 x ( 6 ) 式中， t 为灌水历时 ， m i n ； 为水流推进距离 ， m 改进 E s f a n d i a r i 法是采用沿畦长方向上若干点的地表水深来计算地表储水量的， 没有 涉及到地表储水形状系数 ， 人渗参数的计算结果不会随着水流推进距离而改变， 故可用改 进 E s f a n d i a r i 法与 M a h e s h w a r i 法的计算结果进行对比， 进而分析 M a h e s h w a r i 法的人渗参 数对变化的敏感性 为便于比较， 将 M a h e s h w a r i 法、 改进 E s f a n d i a r i 法人渗参数计算结果 列于表 1 表 1 入渗参数计算结果 T a b l e 1 Ca l c u l a t i o n r e s u l t s f o r i n f i l t r a t i o n p a r a me t e r s 从表 1 可以看出， 地表储水形状系数 iT 在 0 6与 0 8之间按步长 0 0 5取值时， M a h e s h w a r i 法的人渗参数估算结果变化较为明显； 随着 iT 取值的增加， K o s t i a k o v 人渗系 数 不断减小 ， 人渗指数 不断增加 以改进 E s f a n d i a r i 法计算结果为基准 ， 计算 i T 取值 不同情况下的M a h e s h w a r i 法人渗参数估值的相对误差， 计算结果见表 2 在不同iT 值下， M a h e s h w a r i 法人渗参数的计算结果与改进的E s f a n d i a r i 法存在一定的差异， K 、 与两种方 法计算结果的最大相对误差分别达到 5 4 4 和 一1 0 5 ， 说 明 Ma h e s h w a r i 法的人渗参数 对 i T 较为敏感 由图3 和表2可知， 水流推进距离小于5 0 m时， 采用 估算土壤人渗参数会带来较 大误差 因此， 对于缓坡 畦灌而言， iT 取值对 Ma h e s h w a r i 法人渗参数估值 的影响不可忽 略， 在应用 M a h e s h w a r i 法估算人渗参数时， 水流推进距离不应小于5 0 m 表 2 M a h e s h w a r i 法与改进的E s f a n d i a r i 法入渗参数估值的相对误差 T a b l e 2 Re l a t i v e e r r o r o f i n f i l t r a t i o n p a r a me t e r 8 e s t i ma t i o n b e t we e n t h e Ma h e s h wa r i a p p r o a c h a n d t h e i mp r o v e d E s f a n d i a r i a p p r o a c h 3 结论 利用水位传感器观测的地表水深沿畦长方向上的分布， 分析-Y t g 表储水形状系数iT 维普资讯 N o 4 王维汉等： 缓坡畦灌地表储水形状系数对入渗参数估值的影响4 8 7 随水流推进的变化规律 ， 研究了人渗参数估值对 o r 的敏感性 ， 结果表明： ( 1 ) 地表储水形状 系数 随着水流前锋推进距离的增加而逐步增加 ， 并不是恒定介 于0 7与 0 8之间 ； ( 2 ) 地表储水形状系数 Or 的不同取值对人渗参数的估算结果存在一定的影响 随着 Or 取值的逐渐增大， 估算的人渗系数 逐渐减小， 人渗指数 O t 逐渐增大； M a h e s h w a r i 法的 人渗参数估值对 o r 较为敏感； ( 3 ) 地表储水形状系数 or 取值对 M a h e s h w a r i 法人渗参数估值的影响不可忽略， 对 于缓坡畦灌 ， 在应用 Ma h e s h w a r i 法估算土壤入渗参数时 ， 水流推进距离不应小于 5 0 m 本文有关 or 变化规律的研究结果是在平均纵坡较缓的情况下得出的， 有关不 同畦 长， 不同纵坡及不同人畦流量下 or 变化规律有待进一步研究 参 考 文 献 1 E l l i o t R L， Wa l k e r W F i e l d e v a l u a ti o n o n f u r r o w i n fi l t r a t i o n a n d a d v anc e f u n c ti o n s J T r ans a c t i o n s o f t h e A S A E， 1 9 8 2 ， 2 5 ( 2 ) ： 3 9 6 - 4 0 0 2 S h e p a r d J S ， Wa l l e n d e r W W， Ho p m ans J W O n e - p o i n t me t h o d f o r e s ti m a t i n g f u r r o w s i nfil tr a ti o n J T r a n s a c ti o n s o f t h e AS AE， 1 9 9 3， 3 6： 3 9 5- 4 0 4 3 V al i ant z a s J D， A g g e l i d e s S ， S a s s alo u A F u r r o w i nfil t r a t i o n e s ti m a ti o n f r o m t i me t o a s i n g l e a d v anc e p o i n t J A g r i c u l t u r a l Wa t e r Man a g e me n t ， 2 0 01， 5 2： 1 7 - 3 2 4 Ma h esh w a r i B L A n o p t imi z a t i o n t e c h n i q u e f o r e s ti m a t i n g i n fi l tr a ti o n c h a r a c t e r i s t i c s i n b o r d e r i r r i g a ti o n J A g r i c u l t u r a l Wa t e r Manage me n t ， 1 9 8 8， 1 3 ( 1 )： 1 3 - 2 4 5 E s f a n d i a r i M， M a h e s h w a r i B L A p p l i c a t i o n o f the o p t i miz a ti o n me thod f o r esti ma ti n g i n fi l tr a t i o n C h a r a c t e ri s ti c s i n f u r r o w i r r i g a t i o n and i t s c o mp a r i s o n w i th o the r me thods J A g r i c u l t u r a l Wa t e r Manage m e n t ， 1 9 9 7 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 6 9 1 8 5 6 缴锡云， 王文焰， 张江辉， 等 推求土壤人渗参数的改进 E s f a n d i a r i 法 J 西安理工大学学报， 2 0 0 1 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 6 5 1 6 9 J i a oX i y u n ， WangWe n y a n ， Z h ang J i ang h u i ， e t a1 T h e i mp r o v e d e s f and i a r i s me t h od f o r s o i l i nfil t r a t i o n p ara m e t r e r s J J o u r n al of X i a n U n i v e r s i ty of T e c h n o l o g y ， 2 0 0 0， 1 6 ( 2 ) ： 1 6 5 1 6 9 7 H a r t W E， B a s s e tt D L， S t r e l k o ffT S u r f a c e i r r i g a t i o n h y d r a u l i c s k i n e m a t i c s J J o u r n alofI r r i g a ti o nandD r a i n ageD i v A S C E， 1 9 6 8， 9 4( 4 ) ： 4 1 9 - 4 4 0 8 E s f a n d i a r i M， M a h e s h w a r i B L F i e l d v alu e s oft h e s h a p e f a c t o r fo r e s t i ma t i n g s u r f ace s t o r a g ei nf u r r o w s o n c l a y s o i l J I r r i g a t i o n S c i e n c e ， 1 9 9 7， 1 7 ( 4) ： 1 5 7 1 6 1 9 F o k Y S ， B i s h o p A A A n a l y s i s o f w a t e r a d v anc e i n s u r f a c e i r r i g a t i o n J I r r i g a t i o n and D r a i n age D i v A S C E， 1 9 6 5 ， 9 1 ( 1 ) ： 9 9 一 l 1 6 维普资讯 4 8 8 应用基础与工程科学学报 V 0 1 1 5 Effe c t o f S u r f a c e S h a p e Fa c t o r o n l n f d t r a t i o n Pa r a me t e r s Es t i ma t i o n i n Bo r d e r I r r i g a t i o n WAN G We i h a n ， J I AO Xi y u n ， P E NG S h i z h a n g ， MA Ha i y a n ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Hy d r o l o g y Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g o f H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f M o d e m A g r i c u l t u r e E n g i n e e r i n g H o h a i U niv e rs i ty， N a n j ta g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) T h e e ffe c t o f s u r f a c e s h a p e f a c t o r o n i n f dt r a tio n p a r a me t e r s e s ti ma tio n i n b o r d e r i r r i g a tio n i s i n v e s ti g a t e d u s i n g t h e Ma h e s h w a r i a p p r o a c h Wa t e r - l e v e l p r o b e s w e r e s y s t e ma ti c a l l y i n s t a l l e d a l o n g a n 8 0 m bo rde r t o me a s u r e the d i s t r i b u ti o n a n d v a r i a ti o n o f s u r f a c e - w a t e r d e p th Th e v a r i a 上 i o n o f s u r f a c e s h a p e f a c t o r wi t l l wa t e r a d v an c e d i s t a n c e wa s an a l y z e d an d the n a s e n s i t i v i t y an a l y s i s wa s c a r r i e d o u t t o i n v e s ti g a t e the e ffe c t o f s u r f a c e s h a p e f a c t o r o n p a r a me t e r s e s ti ma ti o n u s i n g t l l e Ma h e s h wa r i a p p r o a c hTh e r e s u l t s i n d i c a t e tha t the s u r f a c e s ha p e f a c t o r i n c r e a s e s w h e n wa t e r a d v anc e d i s t a n c e i n c rea s e