非充分灌溉稻田土壤大孔隙流研究.pdf

1、水稻是我國主要糧食作物之一，其生產(chǎn)規(guī)模的穩(wěn)定與發(fā)展，在我國的糧食安全戰(zhàn)略中具有舉足輕重的地位。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)和生活用水量急劇增長，與農(nóng)業(yè)用水的沖突日益加劇，在農(nóng)業(yè)用水總量只能是零增長甚至是負(fù)增長的情況下，要大幅度提高灌溉水的利用率、產(chǎn)出率及擴(kuò)大灌溉面積、提高灌溉保證率，只能靠進(jìn)一步挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力來實(shí)現(xiàn)。在水稻灌溉中，需要突破傳統(tǒng)的灌溉理論，采用先進(jìn)的灌溉方式，以節(jié)約灌溉用水、提高灌溉水資源利用效率，非充分灌溉技術(shù)因此而成為人

2、們的研究熱點(diǎn)。稻田土壤在進(jìn)行非充分灌溉后將會導(dǎo)致土壤中大孔隙的出現(xiàn)，從而產(chǎn)生大孔隙流，一方面，造成水分大量流失，浪費(fèi)水資源；另一方面，土壤中留存的化肥、農(nóng)藥等污染物隨大孔隙流遷移到地下水中造成地下水資源的污染。 針對目前大孔隙流研究存在的問題，本文從土壤微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，運(yùn)用數(shù)字圖像制備分析技術(shù)對土壤大孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述，并采用分形理論研究土壤大孔隙流的運(yùn)動模型，主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)運(yùn)用數(shù)字圖像制備分析技術(shù)，對土

3、壤大孔隙的數(shù)目、大小、形狀分布等特征進(jìn)行定量描述，構(gòu)建了大孔隙結(jié)構(gòu)中大孔隙數(shù)目N、大孔隙度Φ、面積A、周長P、成圓率C、平均孔徑Rp、孔隙復(fù)雜度D、圖像5mm間距孔隙面積變異度Vj和孔隙重疊度Op等分析指標(biāo)；分析了不同質(zhì)地土壤大孔隙結(jié)構(gòu)在土壤縱斷面上的變化規(guī)律及差異，粘土和砂壤土的孔隙分形維數(shù)Dv分別為1.8567和1.7044，土壤質(zhì)地越細(xì)(粘粒含量越高)，分形維數(shù)越大。 (2)應(yīng)用大孔隙分形模型預(yù)測了土壤水分特征曲線和非飽和

4、導(dǎo)水率。由孔隙分形維數(shù)Dv計(jì)算出的水分特征曲線分形模型，粘土和砂壤土的體積水分含量預(yù)測的均方根誤差(RMSE)分別為0.018和0.078，而根據(jù)顆粒大小分布估計(jì)土壤水分特征曲線的分形模型，其粘土和砂壤土的RMSE值分別為0.073和0.113；由孔隙分形維數(shù)Dv計(jì)算出的水力傳導(dǎo)度分形模型，粘土和砂壤土的RMSE值分別為0.085和0.108，而根據(jù)顆粒大小分布估計(jì)的土壤水力傳導(dǎo)度分形模型，其粘土和砂壤土的RMSE值分別為0.297和1

5、.363。結(jié)果表明，由孔隙分形維數(shù)Dv計(jì)算出的分形模型，其預(yù)測效果達(dá)到一定的精度，比由顆粒大小分布估計(jì)的分形模型預(yù)測效果好，可用于實(shí)際問題的研究之中。 (3)通過有大孔隙原狀土的水分穿透試驗(yàn)，研究了供水流量、土壤質(zhì)地對大孔隙流發(fā)生的影響過程。結(jié)果表明，隨著供水流量的增加，水在土壤中的穿透時間將會縮短；水在砂壤土中的穿透速度快于粘土。在此基礎(chǔ)上，確定了大孔隙流運(yùn)動參數(shù)的測定方法，為大孔隙流模型建立和驗(yàn)證所需準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的獲取，提供了方

6、法指導(dǎo)。 現(xiàn)有研究表明，土壤中大孔隙分布及不均性是大孔隙流的重要影響因素，由于土壤水分、溶質(zhì)的持留和運(yùn)移在很大程度上是由土壤孔隙的幾何性質(zhì)所決定的，因而以往僅僅采用土壤顆粒大小分布這一單一因素來確定分形維數(shù)、研究土壤大孔隙流的方法是不完備的。雖然土壤孔隙的數(shù)目、大小、形狀分布非常復(fù)雜而且難于識別，但是現(xiàn)代圖像處理和分析技術(shù)為解決這一問題提供了一個強(qiáng)有力的工具。本文運(yùn)用數(shù)字圖像制備分析技術(shù)，結(jié)合大型圖像處理軟件ImageSys對土

7、壤大孔隙的數(shù)目、大小、形狀分布等特征進(jìn)行了定量描述；計(jì)算出不同質(zhì)地土壤的孔隙分形維數(shù)Dv，并通過孔隙分形模型對土壤水分特征曲線和土壤水力傳導(dǎo)度進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，運(yùn)用數(shù)字圖像制備分析技術(shù)計(jì)算出的大孔隙分析指標(biāo)能夠定量評價(jià)不同質(zhì)地大孔隙結(jié)構(gòu)的差別，由孔隙分形維數(shù)Dv計(jì)算出的分形模型，其預(yù)測效果達(dá)到一定的精度，比由顆粒大小分布估計(jì)的分形模型預(yù)測效果好，該方法快捷、準(zhǔn)確、成本低，可用于實(shí)際問題的研究之中。 本文對非充分灌溉稻田土壤大孔