水坑灌條件下果園SPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移研究.pdf

1、蘋(píng)果樹(shù)是我國(guó)北方種植最為廣泛的果樹(shù)之一，然而在北方，水資源緊缺和干旱問(wèn)題十分嚴(yán)重，直接影響著蘋(píng)果的產(chǎn)量和品質(zhì)。蓄水坑灌法是一種能同時(shí)解決干旱和水土流失問(wèn)題，適合于山丘區(qū)果林灌溉的新方法。本文在分析國(guó)內(nèi)外果園SPAC 系統(tǒng)水分運(yùn)移和蓄水坑灌法研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采取理論分析、數(shù)值模擬與田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在山西省太谷縣蘋(píng)果園，對(duì)蓄水坑灌條件下果園SPAC 系統(tǒng)水分運(yùn)移進(jìn)行研究，主要研究結(jié)果如下：
　　 1、對(duì)蓄水坑灌田間

2、工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，確定了蓄水坑直徑為30cm，坑深為40-60cm，環(huán)狀溝深度為20cm；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了閘管灌供水水力計(jì)算研究，建立了閘管配水水力計(jì)算模型，并開(kāi)發(fā)了閘管配水水力計(jì)算軟件，以方便成果推廣應(yīng)用。
　　 2、將普通遺傳算法和Levenberg-Marquardt 優(yōu)化算法相結(jié)合，構(gòu)建了新的混合遺傳算法，對(duì)Van Genuchten 方程中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果表明：與普通遺傳算法相比，混合遺傳算法不但收斂效率高，而

3、且收斂迭代次數(shù)也大大減小；混合遺傳算法估計(jì)參數(shù)的精度比非線性單純形法和阻尼最小二乘法高，而且不需要給定參數(shù)初值。
　　 3、建立了積水入滲條件下反求土壤水力參數(shù)優(yōu)化模型，采用混合遺傳算法對(duì)優(yōu)化模型求解，并進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)和土柱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用混合遺傳算法求解積水入滲條件下土壤水力參數(shù)優(yōu)化模型具有較高的精度，說(shuō)明建立的土壤水力參數(shù)優(yōu)化模型是正確的，求解方法是可行的。
　　 4、根據(jù)土壤水動(dòng)力學(xué)原理和單坑入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)

4、特征，建立了單坑二維土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用有限元法求解，并根據(jù)質(zhì)量守恒原理建立了確定坑內(nèi)水位變化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，利用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所建立的單坑二維土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型能夠較好的模擬單坑土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程，數(shù)值計(jì)算的坑內(nèi)水位變化過(guò)程與試驗(yàn)實(shí)測(cè)坑內(nèi)水位變化過(guò)程吻合較好。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)蓄水單坑濕潤(rùn)體影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明：灌水量越大，水平和垂直濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離越大；坑直徑越大，水平濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離越大，垂直濕潤(rùn)鋒

5、推進(jìn)距離越??；坑深越大，水平濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離越小，垂直濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離越大；初始含水率越大，水平和垂直濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離越大。并采用多元乘冪函數(shù)對(duì)水平濕潤(rùn)鋒和垂直濕潤(rùn)鋒與初始含水率、坑直徑、坑深和灌水量之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)分別為0.965和0.956。
　　 5、對(duì)蓄水坑灌田間土壤水分分布特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：蓄水坑坑深為60cm時(shí)，土壤水分主要分布在地面以下20-140cm 范圍內(nèi)，坑深為40cm時(shí)，土壤水分主要分布在地

6、面以下20-120cm 范圍內(nèi)；而采用地面灌溉時(shí)，土壤水分主要分布在地面以下0-80cm 范圍內(nèi)。蓄水坑灌表層土壤(0-20cm)含水率較小，含水率分布以蓄水坑為中心向四周逐漸減小，最大值出現(xiàn)在蓄水坑坑底附近；地面灌溉表層土壤含水率最大，含水率隨著深度增大而減小。
　　 6、對(duì)不同覆蓋措施、不同坑深條件下蓄水坑灌果園坑壁的蒸發(fā)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：灌后坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間呈先增大后減小的趨勢(shì)，坑壁不同深度處的蒸發(fā)強(qiáng)度不同，越靠近坑底

7、坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度越??；坑壁同一深度處，淺坑(40cm)的蒸發(fā)強(qiáng)度比深坑(60cm)的大；坑口無(wú)覆蓋措施的坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于有覆蓋措施的蒸發(fā)強(qiáng)度，塑料膜覆蓋稍大于秸稈覆蓋；
　　 在相同含水率條件下坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于棵間地表蒸發(fā)，坑壁蒸發(fā)強(qiáng)度僅占同條件下地面蒸發(fā)強(qiáng)度的11[％]。
　　 7、對(duì)不同坑深、不同樹(shù)冠條件下的蓄水坑灌果園棵間地表蒸發(fā)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：灌后，地面灌溉棵間地表蒸發(fā)強(qiáng)度是蓄水坑灌棵間地表蒸發(fā)強(qiáng)度的1.4-

8、3.5倍；在同一樹(shù)冠下，距樹(shù)干50cm處的蒸發(fā)強(qiáng)度最小，100cm和150cm處的蒸發(fā)強(qiáng)度比較接近；蓄水坑坑深對(duì)其棵間地表蒸發(fā)沒(méi)有明顯影響。蓄水坑灌果園棵間蒸發(fā)量包括棵間地表蒸發(fā)和坑壁蒸發(fā)兩部分，蓄水坑灌棵間蒸發(fā)量?jī)H是地面灌溉棵間蒸發(fā)量的52[％]。
　　 8、分別采用水量平衡法和雙作物系數(shù)法計(jì)算蓄水坑灌果園蒸發(fā)蒸騰量，結(jié)果表明兩種方法的計(jì)算結(jié)果比較接近，最大相對(duì)誤差為7.35[％]，說(shuō)明兩種方法均可用于蓄水坑灌果園蒸發(fā)蒸騰量計(jì)

9、算。
　　 9、建立了基于天氣預(yù)報(bào)資料輸入的最小二乘支持向量機(jī)的參考作物騰發(fā)量計(jì)算模型，采用混合遺傳算法對(duì)模型中的超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用實(shí)測(cè)氣象資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型具有較好的泛化能力，可用于參考作物騰發(fā)量的計(jì)算。
　　 10、對(duì)蓄水坑灌條件下果樹(shù)吸水根系分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用地面灌溉和蓄水坑灌的果樹(shù)根長(zhǎng)密度隨深度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，地面灌溉果樹(shù)根系主要分布在地表以下0-110cm 范圍內(nèi)，蓄水坑灌果

10、樹(shù)根系主要分布在地表以下0-150cm 范圍內(nèi)，蓄水坑灌果樹(shù)根系在根區(qū)中深層60cm-150cm 范圍內(nèi)的根長(zhǎng)密度明顯大于地面灌溉，是地面灌溉的1.67倍；
　　 蓄水坑坑深不同，果樹(shù)根系分布范圍不同，坑深為60cm時(shí)果樹(shù)根系主要分布在地表以下0-150cm，坑深為40cm時(shí)果樹(shù)根系主要分布在地表以下0-130cm；樹(shù)冠大小不同，在根區(qū)同一深度處果樹(shù)根長(zhǎng)密度亦不同，樹(shù)冠越大根長(zhǎng)密度越大。
　　 11、建立了根據(jù)土壤含水率

11、資料反求根系吸水模型參數(shù)的優(yōu)化模型，采用混合遺傳算法對(duì)模型求解，并利用實(shí)測(cè)土壤含水率資料確定了蓄水坑灌條件下果樹(shù)三維根系吸水模型參數(shù)；根據(jù)建立的根系吸水模型，對(duì)蓄水坑灌條件下無(wú)水分脅迫的果樹(shù)根系最大吸水速率分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明最大根系吸水速率在垂向主要分布在0-150cm 范圍內(nèi)，其最大值出現(xiàn)在蓄水坑坑底附近。
　　 12、在分析蓄水坑灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，建立了蓄水坑灌條件下果園SPAC 系統(tǒng)三維水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型