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[摘要] 根据水循环机理及水平衡机理，现有水存在形式主要为大气水、地表水、土壤水、地下水，四种水存在形式的转化具有复杂的联系。其中土壤水在转化过程中占据中心位置。土壤水是指地面以下至潜水面以上土壤层中的水分，是联系地表水、地下水的纽带，同时也是物质传输和运移的载体。本实验基于灌溉下渗实验模型，主要利用时域反射仪（TDR）连续测量土壤剖面水分含量的方法，分别观测北京通州区土壤和昆明土壤在降水入渗与再分配过程。根据采集的数据经过图像处理与HYDRUS-1D软件模拟图像进行对比得出不同种土壤水入渗过程中不同深度初始含水率以及下渗率、剖面含水率等对实验的影响，据此得出相关结论。
[关键字]土壤下渗 灌溉下渗模型 时域反射仪 初始含水率 剖面含水率
[中图分类号] S151.9 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-2-12-1
1 概述
“四水”转化是一个庞大的系统工程，对于其中的每一方面而言，都是一个相对独立的子系统，每个子系统各自独立、自成体系，但它们又相互关联、相互依存、相互转化和相互制约，形成了一个独特的循环转化系统。
2 试验条件与方法
研究区北京市通州区通州区位于北京市东南部，通州区地处永定河、潮白河冲积洪积平原，地势平坦，自西北向东南倾斜。其土质多为潮黄土、两合土、沙壤土，土壤肥沃，质地适中。云南省昆明市位于北纬亚热带，素以"春城"之称而享誉中外。四是冬无严寒，日照充足，天睛少雨。两地从地形、气候、降水、土壤等多方面具有不同特点，差异较大，以两地为研究对象进行对比研究实验结果将相对明显。
本实验的土柱灌溉下渗实验模型是由北京土和昆明土的两个土柱以及时域反射仪组成。从试验地选取优质土进行分装，实验装置如图1所示。土柱装填在有机玻璃柱中，有机玻璃柱高度65.0cm，内径28.1cm，在不同的深度剖面上水平埋设时域反射仪 TDR）探针，每10分钟自动测定一次土壤水分含水率。时域反射仪的基本原理是，高频电磁脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电特性，在一定的电磁波频率范围内（50M～10GHz），矿物质、空气和水的介电特性为常数，因此土体的介电常数主要依赖于土壤容积含水量，这样可以建立土壤容积含水量与土壤介电常数的经验方程，TDR通过测量高频电磁脉冲在土壤中的传播速度求得土壤的介电常数从而计算出土壤的含水量[2]。其观测精度 ±2.0%，测量范围0～100%，分辨率 0.1%。因此可以通过连续测定土壤剖面含水率的变化情况，来了解土壤入渗情况。实验设置为B、K两组，非别代表北京土和昆明土。其中北京土为砂壤土，昆明土为红壤土。两组土壤不同深度初始含水率如表1。
实验观测内容包括以下几个方面：①下渗率变化情况；②采用TDR探针测量土壤剖面含水率的变化情况，并绘出相关图件以供分析研究；③稳定入渗率与累计入渗率的关系。
3 实验结果与分析
3.1 Hydrus-1D模拟及其与实测结果比较
Hydrus-1D软件是该软件是一种用于分析水流和溶质在非饱和多孔隙媒介中运移的环境数字模型，是用土壤物理参数模拟水、热及溶质在两维非饱和土壤中的运动一维（ 二维） 的有限元计算机模型[3]。该模型水流状态为二维或轴对称三维等温饱和-非饱和达西水流，忽略空气对土壤水流运动的影响，水流控制方程采用修改过的Richards方程。由于本实验只是模拟土柱入渗，无植被参与，故不需要处理根系吸水问题。模型参数设置：土层设置为一层，土壤剖面深度设置为52cm。模拟时间为70天，初始时间步长0.001，最短时间步长0.002，最大时间步长1。上边界设置为随时间变化，每天一组数据，共70组数据，自动处理蒸腾量在每天内的变化。对于迭代参数（该模型采用迭代法处理非线性Richards方程），使用默认值即可。土壤水力特性模型采用单孔介质模型中van Genuchten-Mualem公式来处理水力特性。而水分特征曲线参数则可以选择软件自带土壤经验参数库，本实验北京土为砂壤土，直接调用Sandy Loam参数。地面边界类型为大气边界，可积水；下端边界类型为自由下渗排水，初始条件采用含水量。对于可变边界条件则为相应时间段内的灌溉条件，在对应天数后输入灌溉量等数据即可。使用图形界面编辑土壤剖面，设置53个节点以使节点间距达到1cm。之后运行模型，设置与土柱相同深度观察点，输出各点含水率随时间变化图如图2所示。
从实验所采集的数据相比，存在以下几点不同：
（1）初次灌溉B1探针含水率实测值高于模擬值；（2）实测值B5点在第一次灌溉600min后含水率开始缓慢升高，而模拟值显示该点在第四天左右达到最大值后含水率降低，且实测值显示该点在第八天才成为土柱含水率最大点处，较模拟值迟；（3）第二次灌溉之前，实测值含水率除B5点外均位于0.160～0.170之间，B5含水率缓慢升高达到0.215，而模拟值显示五个观察点有相同的趋势，最终含水率位于0.143～0.152之间。
研究中需要基于相同的供水条件和实验方法比较实验结果，同时加强各入渗观测方法的对比实验，揭示土壤入渗的物理机制，提出促进土壤入渗、降低地表产流的有效措施。
参考文献
[1]赵洋毅，王玉杰，王云琦，赵占军，吴云，陈林.渝北水源区水源涵养林构建模式对土壤渗透性的影响.生态学报，2010，30（15）：4162-4172.
[关键字]土壤下渗 灌溉下渗模型 时域反射仪 初始含水率 剖面含水率
[中图分类号] S151.9 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-2-12-1
1 概述
“四水”转化是一个庞大的系统工程，对于其中的每一方面而言，都是一个相对独立的子系统，每个子系统各自独立、自成体系，但它们又相互关联、相互依存、相互转化和相互制约，形成了一个独特的循环转化系统。
2 试验条件与方法
研究区北京市通州区通州区位于北京市东南部，通州区地处永定河、潮白河冲积洪积平原，地势平坦，自西北向东南倾斜。其土质多为潮黄土、两合土、沙壤土，土壤肥沃，质地适中。云南省昆明市位于北纬亚热带，素以"春城"之称而享誉中外。四是冬无严寒，日照充足，天睛少雨。两地从地形、气候、降水、土壤等多方面具有不同特点，差异较大，以两地为研究对象进行对比研究实验结果将相对明显。
本实验的土柱灌溉下渗实验模型是由北京土和昆明土的两个土柱以及时域反射仪组成。从试验地选取优质土进行分装，实验装置如图1所示。土柱装填在有机玻璃柱中，有机玻璃柱高度65.0cm，内径28.1cm，在不同的深度剖面上水平埋设时域反射仪 TDR）探针，每10分钟自动测定一次土壤水分含水率。时域反射仪的基本原理是，高频电磁脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电特性，在一定的电磁波频率范围内（50M～10GHz），矿物质、空气和水的介电特性为常数，因此土体的介电常数主要依赖于土壤容积含水量，这样可以建立土壤容积含水量与土壤介电常数的经验方程，TDR通过测量高频电磁脉冲在土壤中的传播速度求得土壤的介电常数从而计算出土壤的含水量[2]。其观测精度 ±2.0%，测量范围0～100%，分辨率 0.1%。因此可以通过连续测定土壤剖面含水率的变化情况，来了解土壤入渗情况。实验设置为B、K两组，非别代表北京土和昆明土。其中北京土为砂壤土，昆明土为红壤土。两组土壤不同深度初始含水率如表1。
实验观测内容包括以下几个方面：①下渗率变化情况；②采用TDR探针测量土壤剖面含水率的变化情况，并绘出相关图件以供分析研究；③稳定入渗率与累计入渗率的关系。
3 实验结果与分析
3.1 Hydrus-1D模拟及其与实测结果比较
Hydrus-1D软件是该软件是一种用于分析水流和溶质在非饱和多孔隙媒介中运移的环境数字模型，是用土壤物理参数模拟水、热及溶质在两维非饱和土壤中的运动一维（ 二维） 的有限元计算机模型[3]。该模型水流状态为二维或轴对称三维等温饱和-非饱和达西水流，忽略空气对土壤水流运动的影响，水流控制方程采用修改过的Richards方程。由于本实验只是模拟土柱入渗，无植被参与，故不需要处理根系吸水问题。模型参数设置：土层设置为一层，土壤剖面深度设置为52cm。模拟时间为70天，初始时间步长0.001，最短时间步长0.002，最大时间步长1。上边界设置为随时间变化，每天一组数据，共70组数据，自动处理蒸腾量在每天内的变化。对于迭代参数（该模型采用迭代法处理非线性Richards方程），使用默认值即可。土壤水力特性模型采用单孔介质模型中van Genuchten-Mualem公式来处理水力特性。而水分特征曲线参数则可以选择软件自带土壤经验参数库，本实验北京土为砂壤土，直接调用Sandy Loam参数。地面边界类型为大气边界，可积水；下端边界类型为自由下渗排水，初始条件采用含水量。对于可变边界条件则为相应时间段内的灌溉条件，在对应天数后输入灌溉量等数据即可。使用图形界面编辑土壤剖面，设置53个节点以使节点间距达到1cm。之后运行模型，设置与土柱相同深度观察点，输出各点含水率随时间变化图如图2所示。
从实验所采集的数据相比，存在以下几点不同：
（1）初次灌溉B1探针含水率实测值高于模擬值；（2）实测值B5点在第一次灌溉600min后含水率开始缓慢升高，而模拟值显示该点在第四天左右达到最大值后含水率降低，且实测值显示该点在第八天才成为土柱含水率最大点处，较模拟值迟；（3）第二次灌溉之前，实测值含水率除B5点外均位于0.160～0.170之间，B5含水率缓慢升高达到0.215，而模拟值显示五个观察点有相同的趋势，最终含水率位于0.143～0.152之间。
研究中需要基于相同的供水条件和实验方法比较实验结果，同时加强各入渗观测方法的对比实验，揭示土壤入渗的物理机制，提出促进土壤入渗、降低地表产流的有效措施。
参考文献
[1]赵洋毅，王玉杰，王云琦，赵占军，吴云，陈林.渝北水源区水源涵养林构建模式对土壤渗透性的影响.生态学报，2010，30（15）：4162-4172.