基于MATLAB App Designer的非饱和土壤入渗数值仿真实验研究

郭向红 马娟娟 肖 娟 周义仁 曹玉涛 雷 涛 郑利剑

（太原理工大学水利科学与工程学院 山西太原030024）

土壤入渗是指水通过土壤表面进入土壤内容的过程。降雨、灌溉水只有通过入渗才能将集中水流转化为非饱和土壤水，被作物吸收利用[1,2]。非饱和土壤入渗特性实验是《农田水利学》课程必修实验，实验2学时。但是由于实验仪器台套数、场地和时间的限制，在2 h 的实验中，学生仅仅只能进行一种土壤在特定的容重和初始含水率下的土壤入渗特性实验。而实际中，土壤的入渗特性受土壤质地、容重、初始含水率等影响，有很大的变化。为了补充物理实验的不足，采用“虚实结合”的方法，基于农田水分运动基本方程，开发非饱和土壤的入渗特性试验仿真软件，解决仪器台套数、场地和时间的限制，使学生理解不同土壤质地、容重、初始含水率条件下土壤入渗特性。

1 非饱和土壤入渗特性模型

1.1 基本方程

根据土壤水分运动理论，非饱和土壤入渗可以采用土壤水分运动方程表述，同时，为了使方程具有通用性，选用混合型土壤水分运动的基本方程，可以描述为[3-5]：

式中：h——负压水头，cm；

θ——土壤体积含水量，cm3/cm3；

K（h）——非饱和导水率，cm/min；

z——空间坐标，cm；

t——时间，min。

1.2 定解条件

初始条件：

式中：h0（z）——土柱内任意位置处土壤的初始负压水头，cm；

hst——土壤初始含水率θ0对应的负压水头，cm。

边界条件：

1）上边界条件：

非饱和土壤入渗，地表有一定厚度的积水，所以上边界为一类边界条件：

式中：h——负压水头，cm；

h0——入渗水头，cm。

2）下边界条件：