水利工程论文-华北地区夏玉米田间水分转化规律研究.doc

水利工程论文-华北地区夏玉米田间水分转化规律研究摘要：本文利用一维垂直非饱和土壤水运动计算模型，通过模拟计算夏玉米生育期各生长阶段不同水文年、不同灌水定额下田间水分转化规律，对棵间蒸发，深层渗漏与灌水定额之间的数量关系进行了定量研究，并建议华北地区夏玉米节水灌溉定额为40m/亩.关键词：夏玉米田间水分转化灌水定额1田间水分转化的动力学模式田间水分的转化过程主要包括降雨或灌水的入渗，径流，根区土壤水分运移，根系吸水，蒸发蒸腾，根区以下土壤水运动等.描述土壤水运动的动力学方程是根据达西定律和连续方程结合推导出来的，由于方程是非线性的，所以只有在特定的初始和边界条件下才能用解析法求解.自60年代以来，随着电子计算机技术的发展，人们能够借助计算机运用数值模拟的方法，对一般条件下的土壤水分运动问题求解，并得到了满意的结果.本文采用HYDRUS模型软件进行数值模拟.1.1HYDRUS模型HYDRUS模型软件8是美国盐碱实验室在Worm模型的基础上的改进版，用于模拟计算一维垂直非饱和流和溶质运移，考虑了作物根系吸水和土壤持水能力的滞后影响，适应于恒定或非恒定的边界条件，具有灵活的输入输出功能，可用来模拟非匀质土壤，最多可模拟5种20层土壤.模型中方程解法采用Gakerin线性有限元法.1.2方程和边界条件在忽略土壤侧向水流运动，仅考虑一维垂向运移时，有根系吸水项的土壤水分运动方程为1：c(h)(h)/(t)=()/(Z)k(h)(h)/(Z)-k(h)-s(z,t)(1)式中c(h)比水容重L-1,c(h)=d/dh,h土壤压力水头L，体积含水量L3L-3,k(h)水力传导度LT-1，s(z,t)单位体积根系吸水率T-1,z土壤深度L、向下为正，t时间T.初始条件：h(z,t)=h0(z),t=0.上边界条件：h(0,t)=h0(t),(积水条件)-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=0=q0(t)(2)式中h0(t)已知压力水头L，q0(t)净通量，正通量表示下渗，负通量表示蒸发(棵间蒸发).下边界条件：h(l,t)=hi(t),-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=l=q1(t)或(h)/(z)/zl=0,(3)2作物根系吸水模式本文采用VanGenuchten模型8，即s(z,t)=Ep(t),(z)(h,h0)(4)式中S(z,t)单位根据吸水率，Ep(t)作物最大蒸腾率，(h,h0)盐分应力函数，反映土壤盐分对田间根系吸水的影响.(h,h0)=(1)/(1+(h+h0)/(h50)p(5)式中h压力水头，h0渗透压，与溶液浓度C有关，h0=a1c,a1简单换算系数，其值依赖于压力水头和浓度表达的单位.h50作物潜在蒸腾率减少50%的土水势，对玉米而言，h50为-0.25-0.65MPa，一般取-0.43MPa(Ehler,1983),P经验常数，P3；(z)根系密度分布函数相对值.(6)其中Lr根层深度，(z)根系密度分布函数，(z)是根深Lr的函数，实际应用中将Lr分为若干层且认为每层内根系分布是均匀的.根系密度采用层内干根重占根区总干根重的比值表示，由田间实测获得.3非饱和导水率的确定非饱和导水率K是土壤水分运动的重要参数，在对非饱和土壤水运动基本方程进行数学分析时，无论用解析解或数值解的方法，都要用到它.获得K的方法有两种：一是实验方法，如瞬时剖面法，垂直下渗通量法，垂直土壤稳定蒸发法，结壳法等；另一种是间接法，即根据已知的水分特征曲线和其他条件推导出的函数形式，如VanGenunchten(1980)将土壤水分特征曲线的函数形式与Mualem(1976)导出的用来预测非饱和导水率的函数形式相结合得到如下函数关系5：(h)=r+(s-r)/(1+(h)nm),(7)k(l)=kss1/211-(1-s1/ml)m2,(8)sl=(-r)/(s-r),(9)式中s饱和含水量；r残余含水量；Ks饱和导水率；Sl相对饱和度，,n,m拟合参数，通过非线性最小二乘法对室内试验获得的土壤持水数据(,h)进行拟合求模糊.将式(7)代入式(8)得：k(h)=ks1+(h)n-2/m1-1-(1+h)n-m2(10)表1VG非饱和导水率函数有关参数土层深度/cm饱和含水量/cm/cm残余含水量/cm/cm/a/cmnR20800.490.120.0181.330.97801000.510.0960.005531.1890.981002200.480.080.00871.4790.982204000.430.0640.00231.3870.994作物腾发量的计算作物腾发量又称作物耗水量，是指在作物生长季节，从生长面积上失去的水量，它包括从作物体蒸腾的水量和组成作物体内的水量(所占比例很小，可忽略不计)以及从种植面积上棵间蒸发的水量.目前最常用的最大作物腾发率的计算方法是先计算参考作物腾发率ET0(t),然后将其乘以一个作物系数Kc(t),即：ETc(t)=Kc(t)ET0(t)；作物系数Kc由河北望都灌溉试验站的灌溉资料确定.参考作物腾发率由FAO新近推荐的Penman-monteith方法计算6，FAO-Penman-monteith方法把参考作物腾发量重新定义为“作物高度0.12m，固定叶而阻力70sm-1，反射率0.23的假想参考作物的腾发量”，由此结合monteith方法可得出FAO-Penman-monteith方程下：ET0=(0.408(Rn-G)+(900)/(T+273)U2(ea-ed)/(+(1+0.34U2)(24h)(1