葡萄根系分区交替滴灌的土壤水分动态模拟.pdf

万方数据 埋深达2 5 3 0 m 多年平均降水量仅为1 4 m 而多年平均水面蒸发量约为多年平均降雨量的1 2 5 倍 即20 0 0 m m 左右 试验地土壤为黏壤土 分为两层 上层为O 8 0 c m 下层为8 0 一1 4 0 c m 其干容重 分别为1 3 9 c o 和1 5 5 9 c o 饱和含水率分别为0 4 c m 3 c m 3 和0 3 7 c 矗 c o 蝴糍糊矬鞭麟绷赫 I 椤飞 百漪谬苍硪 湿千提干 t a l 圈I 根系分J 薹交替滴灌的实现方式 裎干 b 图2 田问试验布置 2 2 试验设计试验在站内的葡萄园进行 试验日期为2 0 0 5 4 2 5 9 2 5 葡萄树的树龄为4 年 葡萄 行距为2 9 m 株距为1 8 m 交替滴灌的实现如图1 所示 首先在图1 a 中的滴头位置处灌水 经过一 段时间 1 5 d 左右 的水分重分布后 在图l b 中所示的位置处灌水 每次灌水均保证作物根区部分处于 干燥 本次试验中 交替灌水时间间隔为1 5 d 滴头布置在距离葡萄树4 0 c m 处 滴头流量为4 3 7 l h 每 次灌水持续时间为1 2 h 试验设两个重复 即选取两棵试验树 在树的两边布置土壤含水率测管 具体 如图2 所示 分别布置在滴头正下方 距离滴头2 5 c m 处和距离滴头5 0 c m 处 灌水结束后 在于湿区域 各布置一个直径1 0 c m 高2 0 c m 的M i c o I v s i r I l e t e r 2 3 测定方法土壤体积含水率采用土壤水分廓线仪 D i v i n e r 2 0 0 0 s e m e kP t yn d A u s t d i a 和管式 T D R 进行测定 D i v i n e 卜2 0 0 0 的测定深度为1 0 0 c m 每l O e m 一层 共1 0 层 灌水前 在预先布置的测管 处用D i v i n e r 一2 0 0 0 和T D R 测定土壤含水率 灌水开始后 记录地表湿润圈的变化情况 同时测定土壤含 水率 灌水过程中 土壤含水率测定比较密集 l h 测定一次 灌水停止后 每天2 0 0 0 测定一次含水率 降雨天除外 T D R 管的测定深度为2 0 0 c m 3 d 测定一次 M i c o l y s i J l l e t e r 在每天2 0 0 0 称重 计算获得每天 的棵间土壤蒸发量 2 0 0 5 年9 月1 8 日 用原位取样量测的方法测定葡萄根系在空间的分布情况 在东 西 南 北 东 北 西北 东南 西南8 个方向测定根系的分布情况 试验采用分层取样的方法进行测定 每层为1 5 c m 取样大小为1 5 c m x 2 0 c m 2 0 c m 取样深度到没有葡萄根系为止 在取样过程中 观察到9 0 c m 以下几乎 没有根系 所以取样深度为1 0 5 c m 取样后进行洗根 然后进行扫描分析 R e mI l l s t m m e 山I n c c a d a 得到直径小于2 m 直径小于2 m m 的根系为吸水根 的根系长度 从而得到不同点的根系长度 密度 2 4 根系分区交替滴灌土壤水分动态模拟模型 A P R I M 0 d e l 地表单滴头滴灌条件下的土壤水分运 动属于三维运动问题 但在田问实际灌水过程中通常布置滴灌带 s k a 瑚笋等 在模拟田间实际土壤水分 运动时认为滴头间距与研究土体长度相同 因此可以认为是二维水分运动 E l t n d 耐o u 和M 8 l a m s 在 用平面流分析线源人渗土壤水分运动时 也把三维运动简化为二维运动问题 控制性根系分区交替滴 灌也可简化为二维运动问题 由于根系分区交替滴灌水分入渗以滴灌带所在的垂直平面对称 而且相邻 湿润圈交汇也是在该平面最早发生 取该平面为研究面 分析根系分区交替滴灌条件下的土壤水分入渗 及土壤水分再分布 2 4 1 模拟区域的确定根据根系分区交替滴灌的实现方式 图2 可知 每棵葡萄树的两边均有两个 滴头 如果树左边的两个滴头在其中一根滴灌带上 则右边两个滴头在另外一个滴灌带上 滴灌带的首 部设有阀门 轮流开启以实现交替滴灌 假设同时位于干燥区或湿润区所有葡萄根系的分布相同 则葡 萄树两侧滴头中间位置所在平面属于零通量面 没有水分通过 取两平面的中间区域为研究平面 其物 一1 2 4 6 万方数据 理模型如图3 所示 2 4 2 控制方程假设土壤为均质 各向同性的刚性多孔 介质 不考虑气相及温度对水分运动的影响 则土壤水分运 动可用二维m c h 8 r d s 方程来描述 c 警 暑 x 薯 未 K 警 曼掣一s 1 1 式中 为垂向距离 规定向下为正 c m r 为径向距离 c m 为土壤基质势 c m c 为比水容量 1 c m j 为非饱和土壤的导水率 c I I l I n i n s r f 为根系吸 水项 1 m J m 2 4 3 定解条件 1 初始条件 2 圉3 根系分区交替滴灌的物理模型 r l O j r j 2 式中 札 r 为初始基质势 2 边界条件 灌水过程中 流量舶大于地表饱和导水率 因此在地表很快形成近似的饱和圈 地 表边界条件 j 0 日 O r D o即薯 o t o 5 下边界 z 下边界认为水分无法到达 而地下水埋深较大 不会对计算区域产生影响 所以该 边界为D 试c l I l e I 边界 矗 z r Z O 0 6 式中 届 z 为计算区域r 方向的最大距离 j r z 表示初始含水量条件下的基质势 2 4 4 根系吸水项根系长度密度函数采用式 7 进行拟合 这种拟合形式可以使最大根长密度出现 在土层中的任何深度 而且也体现了根系分布在各方向的非对称性 即 t 一乏 一走 e 毛旧 小亡 叫 式中 卢 为根系长度密度函数 r 分 q 为距离树干的径向和垂直距离 c m 冠一 z 为根系在径 向和垂直方向的最大伸展距离 c m n n 冠 z 为经验系数 然后根据s e l i m 和I 妇1 d 模型 和水分传输连续性方程推出二维根系吸水模型 s 驾盟虹坚堕一 8 2 I 一巾 r 胃 d d JOJO 式中 7 T 为实际蒸腾速率 c l l l i n 2 4 5 参数确定 1 土壤水力参数 A 蹦 M 0 d e l 需要输入的土壤水力参数是通过野外取土 然后室内用压力锅测定 土壤水分特征曲线 用水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率 并通过关系式丘 日 一D 鲫d 日 d s 计算非饱和导水率 参数如表l 所示 一l 7 一 万方数据 万方数据 值的对比情况 从图中可以看出 模型的模拟值与实测值 有较好的一致性 经回归分析 模拟值与实测值的相关 关系为喙 O 9 3 7 6 棒担 相关系数r 2 O 9 8 2 8 模拟 结果满足精度要求 3 2 土壤水分垂向分布比较图5 表示的是灌水前后 葡萄树左右两滴头处的垂向剖面含水率的模拟值与实测 值的对比情况 其中左侧滴头的灌水时间为6 月2 6 日 右侧滴头的灌水时间为7 月1 2 日 同时还选取了土壤水 分再分布后的含水率分布对模拟结果进行验证 从图5 图4 地表湿润半径模拟值与实测值对比 可以看出 模型的模拟结果基本能反映实际灌水后垂直剖面含水率的变化 葡萄根系主要分布在2 0 一 6 0 c m 深度范围内 并且以3 0 蚰c m 深度范围内的根系密度最大 而且由于交替滴灌这种灌水方式使得 根系分布不均匀 文中采用的根长密度函数能够使最大根长密度出现在土层的任何深度 而且也能反映 根系分区交替滴灌条件下根系分布的非对称性 E 皇 拦 醛 霆 黼 图5 不同垂向酥度古水率模拟值与实澍值对比 图6 交替潜水后o 1 0 咖古承率横拟植与实谢值对比图7 交替灌水后l o 一2 古水率模壬E 植与实测值对比 3 3 不同深度土壤舍水率时间变化比较图6 显示 的是两次交替滴灌灌水前后0 1 0 c m 土层的含水率 变化情况 模拟值基本能反映实际的含水率变化 但 是在7 月1 日降雨 降雨量为l o n m 时出现偏差 而 这种偏差也仅限于表层 这主要是由当地的气候条 件所决定 该地区年降雨量较少 而且白天温度较 高 降水一般在很短的时间内就蒸发了 并不能为作 物利用 模型忽略了这种无效降雨的影响 另外 模 型的棵间土壤蒸发是通过土壤表层含水率方程计算 图B 交替澶水后 一7 0 嘶古水阜模拟植与实测值对比 求得 地表含水率变化 其棵间土壤蒸发量也发生变化 能够及时的反映棵间土壤蒸发量随地表含水率 的变化 图7 是1 0 2 0 c m 土层含水量实测值与模拟值的对比情况 模拟值与实测值吻合较好 地表边 一1 2 4 9 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 葡萄根系分区交替滴灌的土壤水分动态模拟葡萄根系分区交替滴灌的土壤水分动态模拟 作者 周青云 康绍忠 ZHOU Qing yun KANG Shao zhong 作者单位 周青云 ZHOU Qing yun 中国农业大学 中国农业水问题研究中心 北京 100083 天津农学院 水利工程系 天津 300384 康绍忠 KANG Shao zhong 中国农业大学 中国农业水问题研 究中心 北京 100083 刊名 水利学报 英文刊名 JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING 年 卷 期 2007 38 10 被引用次数 3次 参考文献 21条 参考文献 21条 1 康绍忠 张建华 粱宗锁 控制性交替灌溉 一种新的农田节水调控思路 1997 2 Dry 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外文期刊 2004 9 Brandt A Bresler E Diner N Ben Asher I Heller J Godelberg D Infiltration from a trickle source 1 Mathematical models 1971 10 Simunek J Sejna M van Genuchten M Th The Hydrus 2D software package for simulating two dimensional movement of water heat and multiple solutes in variably saturated mediaVersion 2 0 IGWMC TPS 53 International Groundwater Modeling Center Colorado School of Mines Golden Colorado 1999 11 Elmaloglou S Malamos N A method to estimate soil water movement under a trickle surface line source with water extraction by roots 2003 12 Mmolawa K Or D Experimental and numerical evaluation of analytical volume balance model for soil water dynamics under drip irrigation 外文期刊 2003 13 李光永 郑耀泉 曾德超 地理点源非饱和土壤水分运动的数值模拟 期刊论文 水利学报 1996 11 14 冯绍元 丁跃元 曾向辉 温室滴灌线源土壤水分运动数值模拟 期刊论文 水利学报 2001 02 15 Blast C W Robertson T M A micro lysimeter method for determining evaporation from bare soil description and laboratory evaluation 1982 16 Wegehenkel G E Eco physiology of Economic Plants in 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