微地形和入滲時(shí)空變異及其對(duì)畦灌系統(tǒng)影響的二維模擬評(píng)價(jià).pdf

1、目前，我國(guó)約95％的灌溉面積仍采用各種形式的地面灌溉方法，且地面灌溉田間灌溉水利用效率普遍偏低，改進(jìn)地面灌溉技術(shù)具有較大的節(jié)水潛力。田面微地形和土壤入滲是影響灌溉性能的兩個(gè)最為重要的要素，在研究二者空間變異特性的基礎(chǔ)上借助數(shù)值模擬方法系統(tǒng)模擬評(píng)價(jià)其對(duì)灌溉性能的影響，對(duì)優(yōu)化田間灌溉設(shè)計(jì)和管理具有重要的指導(dǎo)意義，有助于緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺的矛盾，保持農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 本文基于大量田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地

2、質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)田面微地形和土壤入滲時(shí)空變異特性進(jìn)行研究。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所得各類畦田田面微地形的空間變異結(jié)構(gòu)，基于 Monte-Carlo 方法和Kriging插值方法建立隨機(jī)模擬田面微地形的方法；根據(jù)不同模擬精度要求給出隨機(jī)模擬方法所需的最小樣本容量；并通過田間試驗(yàn)對(duì)田面微地形隨機(jī)模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。在應(yīng)用研究上，將田面微地形隨機(jī)模擬方法與二維灌溉模擬模型B2D相結(jié)合，首先系統(tǒng)模擬分析各類畦田田面微地形空間變異性(微地形起伏幅度和微地形起伏

3、位置空間分布差異)對(duì)畦灌系統(tǒng)(畦灌過程和畦灌性能)的影響，其次依據(jù)田間灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于微地形隨機(jī)模擬，對(duì)同時(shí)考慮微地形和入滲空間變異下畦灌系統(tǒng)的數(shù)值模擬效果進(jìn)行田間驗(yàn)證；最后，結(jié)合微地形隨機(jī)模擬和二維灌溉模擬模型系統(tǒng)模擬評(píng)價(jià)不同灌溉技術(shù)要素組合下微地形和入滲空間變異性對(duì)畦灌性能的影響，探討二者空間變異性對(duì)畦灌性能的影響程度與各灌溉要素之間的關(guān)系。 通過對(duì)以上內(nèi)容的研究，本文主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)在于： (1) 基于大量不同類

4、型田塊的實(shí)測(cè)微地形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地對(duì)田面微地形空間變異特性進(jìn)行研究，得出田面微地形的空間變異結(jié)構(gòu)可統(tǒng)一采用球狀半方差函數(shù)模型進(jìn)行描述，提出根據(jù)田塊幾何參數(shù)估算各類田塊田面微地形空間變異特征參數(shù)(塊金值、基臺(tái)值和變程)的方法。該成果可為隨機(jī)模擬田面微地形分布狀況提供理論基礎(chǔ)。 (2) 根據(jù)田面相對(duì)高程分布既具有隨機(jī)性又具有空間相關(guān)性的特點(diǎn)，基于Monte-Carlo方法和Kriging插值方法建立了隨機(jī)模擬田面微地形分布狀況的方法，解

5、決了隨機(jī)模擬方法在實(shí)際應(yīng)用中所遇到的最小樣本容量的確定問題。該方法的提出具有較高的實(shí)用價(jià)值，為系統(tǒng)研究田面微地形對(duì)畦灌系統(tǒng)性能的影響方面提供了有效工具。 (3) 提出應(yīng)從微地形起伏幅度和微地形起伏位置的空間分布兩方面對(duì)微地形空間變異性進(jìn)行表征?；谖⒌匦坞S機(jī)模擬方法，系統(tǒng)地模擬分析了微地形起伏幅度和起伏位置空間分布差異對(duì)畦灌過程和畦灌性能的影響。結(jié)果表明，微地形起伏位置空間分布差異對(duì)畦灌溉性能的影響取決于相應(yīng)的微地形起伏幅度，起

6、伏幅度越大其分布差異造成的影響也越大。不同田面平整條件下(對(duì)應(yīng)不同S<,d>值)是否考慮該分布差異帶來的影響取決于人們對(duì)畦灌性能評(píng)價(jià)指標(biāo)C<,v>值的最低允可程度。 (4) 在對(duì)同時(shí)考慮微地形和入滲空間變異下基于微地形隨機(jī)模擬和二維灌溉模擬的數(shù)值模擬評(píng)價(jià)方法進(jìn)行田間驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地模擬評(píng)價(jià)了不同坡度和入畦單寬流量下微地形和入滲空間變異對(duì)畦灌性能的影響。結(jié)果表明，微地形和入滲空間變異對(duì)畦灌性能的影響程度與二者空間變異程度密切相

7、關(guān)，且相互影響。單個(gè)要素變異程度越大，對(duì)畦灌性能的影響程度也越大；同時(shí)隨著一個(gè)要素變異程度的增加，另一個(gè)要素對(duì)畦灌性能的影響又會(huì)被消弱。當(dāng)微地形標(biāo)準(zhǔn)偏差S<,d>>1cm后，微地形空間變異性對(duì)畦灌性能的影響尤為顯著，在田間灌溉設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和管理中必須考慮微地形空間變異性的影響。入滲空間變異性對(duì)各畦灌性能指標(biāo)的影響相對(duì)小一些，且主要對(duì)灌溉均勻度產(chǎn)生影響，而對(duì)水流恰好覆蓋整個(gè)田面所需的灌水量無影響；當(dāng)入滲空間變異為弱變異程度時(shí)，在實(shí)際工作中基

8、本可以不考慮入滲空間變異性；但當(dāng)土地平整條件較好(S<,d><2cm)，且田面設(shè)計(jì)坡度為零坡度時(shí)，土壤入滲空間變異性對(duì)畦灌性能的影響非常顯著，實(shí)際應(yīng)用中不容忽視。 本文的研究使數(shù)值模擬確定田面微地形的空間分布成為可能，克服了僅靠田間試驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)的局限性，為地面灌溉過程的實(shí)時(shí)控制提供了有利條件，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代化灌溉管理進(jìn)程具有重要意義。通過系統(tǒng)模擬分析田面微地形和入滲空間變異性對(duì)畦灌性能的影響，所得結(jié)果對(duì)地面灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理中在