非充分供水与充分供水入渗模型参数间关系试验.pdf

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1、2 0 1 0年 9月农 业 机 械 学 报第 41卷 第 9期 DOI : 10 . 3969/.j issn. 1000?1298. 2010. 09. 009 非充分供水与充分供水入渗模型参数间关系试验 * 李雪转 1, 2 ? 樊贵盛 3 ( 1?太原理工大学环境科学与工程学院, 太原 030024; 2?山西水利职业技术学院水利工程系, 运城 044004; 3?太原理工大学水利科学与工程学院, 太原 030024) ? ? ?摘要 ? 基于均质土壤的非充分供水与充分供水入渗试验数据, 分析了非充分与充分供水入渗过程之间的关 系, 建立了非充分与充分供水入渗 Kostiakov三参数

2、模型参数之间的关系。结果表明: 非充分供水积水后入渗过程 以充分供水入渗过程为渐近线; 非充分与充分供水入渗参数 ?的比值 m 随着供水强度的增加而增大、 随着黏粒含 量的增加而增加、 随着砂粒含量的增加而减小、 随着土干密度的增加而增加、 随着初始含水率的增加而减小, 它们 之间都较好地符合乘幂函数关系; 非充分供水稳定入渗率等于同条件下的充分供水稳定入渗率; 非充分供水入渗 系数 K1等于供水强度与稳定入渗率之差。 关键词: 非充分供水? 充分供水? Kostiakov三参数模型? 入渗参数 中图分类号:S152?7+2文献标识码: A文章编号: 1000?1298( 2010)09?00

3、44?06 Experi ment on Relations of InfiltrationM odel Parameter in Non?sufficient and SufficientW ater Supplies LiXuezhuan 1, 2 ? Fan Guisheng 3 ( 1 . College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024 , China 2. HydraulicEngineering Department , Shanxi

4、Water Conservancy TechnicalCollege, Yuncheng 044004 , China 3. College of Water Conservancy Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024 , China) Abstract On the basis of the non?sufficient and sufficient water supplied infiltration test of homogenous soi,l the infiltrat

5、ion processes for both non?sufficient and sufficient water supplies were analyzed;the correlations ofKostiakov three model parameters for the non?sufficient and sufficient water supplieswere established . The result shows that the ponding infiltration processw ith non?sufficientwater supply accords

6、w ith asymptotic curve of infiltration processw ith sufficientwater supply ;the infiltration parameter ratiom increases as the three ele m ents ofwater supply , namely ,intensity ,clay content of soil grain and soil bulk density augmen, t while the parameter ratiom decreases as the two elementsof sa

7、nd conten, t andmoisture conten, tthe steady infiltration rate of non?sufficient water supply equals to steady infiltration rate of sufficientwater supply;the infiltration coefficientK1of non?sufficient water supply equals to the value of the difference bet ween water supplied intensity ofwater supp

8、ly and steady infiltration rate . Key words?Non?sufficient water supply,Sufficient water supply,Kostiakov three para m eter mode, lInfiltrationmodel para m eter 收稿日期: 2009?10?30? 修回日期: 2010?03?29 * 国家自然科学基金资助项目 ( 40671081)和山西省自然科学基金资助项目 ( 20051074) 作者简介: 李雪转,博士生, 山西水利职业技术学院副教授, 主要从事水土环境控制技术研究, E? ma

9、i: llxz488 tom. com 通讯作者: 樊贵盛,教授, 博士生导师, 主要从事土壤物理、 灌排理论与技术研究, E?ma i:l Fanguis5507 263 . net ?引言 非充分供水入渗过程类似于降雨或喷洒条件下 的土壤水分入渗, 是水分进入土壤的一个很重要的 过程, 其入渗过程对降雨径流的产生、 水土保持和喷 灌技术参数的确定有重要意义。国内外学者对充分 供水条件下的水分入渗特性、 入渗模型进行了大量 研究, 各种试验设备、 试验方法、 各类入渗边界条件 下的入渗模型已日臻完善 1 7。对非充分供水入渗 的研究集中在降雨入渗方面, 主要研究各种条件下 的产流模型 8 9

10、, 但从土壤入渗角度研究入渗模型 及入渗参数的内容较少。在研究非充分供水入渗特 性时, 由于该试验设备相对复杂, 试验过程中积水时 刻的确定、 积水时入渗过程的衔接、 积水后入渗积水 水层厚度的控制等关鍵点难于处理等, 限制了非充 分供水入渗理论的研究与发展。如果能找到非充分 供水入渗与充分供水入渗参数之间的关系, 就可利 用充分供水入渗试验数据来预测非充分供水入渗过 程, 为非充分供水入渗模型参数的获取提供一种新 的方法。 本文试图通过大量非充分供水入渗和充分供水 入渗试验数据, 利用概念较为明确而最常用的 Kostiakov三参数模型 10对两种入渗过程进行分析, 寻找表述非充分供水入渗与

11、充分供水入渗两种入渗 过程的 Kostiakov三参数模型参数间的关系, 建立非 充分、 充分供水入渗模型参数间的数学关系, 以便利 用充分供水入渗参数来获得非充分供水入渗参数, 实现用充分供水入渗来预测非充分入渗过程。 1? 材料与方法 1?1? 试验土壤性质 试验选用山西省境内 8种质地 0 20 c m 的表 层土壤作为供试土壤, 尽量涵盖常见土壤质地类型, 土壤质地根据国际制划分 11。供试土壤砂粒含量 变化范围为 29% 91 %, 粉粒为 5 % 56 % , 黏粒为 4 % 25 % , 土 壤干密 度的变 化范围 为 1?25 1?45 g/cm 3, 土壤初始含水率的变化范围

12、为 1?5 % 16% (占干土质量的百分数 )。 1?2? 试验设备 1?2?1? 充分供水入渗试验设备 充分供水入渗试验设备由充分供水马氏筒、 内 套和渗吸系统组成。充分供水马氏筒提供恒压供水 和测量入渗水量; 内套作用是用来提高入渗试验数 据的准确性和精度; 渗吸系统由渗吸筒和过滤层组 成, 渗吸筒采用直径为 7 c m, 高 60 cm有机玻璃圆柱 体, 盛装试验用的土样, 过滤层的作用是保证渗吸筒 内的土壤通气性。试验设备简图如图 1所示。 1?2?2? 非充分供水入渗试验设备 非充分供水入渗试验设备由供水系统和渗吸系 统两大部分组成。供水系统由非充分供水和充分供 水装置组成, 非充

13、分供水装置由非充分供水马氏筒、 调节板、 滴水器和均衡器组成, 调节板是调节控制供 图 1? 充分供水入渗试验 设备示意图 Fig . 1? Sche matic description of the experm i entaldevice used in sufficientwater supplied infiltration 1 . 平台支架? 2. 刻度尺? 3 . 充 分供 水马 氏筒 ?4. 内套 ? 5 . 渗吸筒? 6. 土柱? 7. 滤层 水强度, 滴水器是保证流 量小的情况下均匀无压出 流, 均衡器的作用是保证 滴水器流出的水量均匀渗 入渗吸筒。充分供水装置 作用是用来提

14、高非充分供 水入渗试验数据精度。渗 吸系统与充分供水入渗的 相同, 试验设备简图如图 2 所示。 1?3? 试验方案 非充分供水入渗试验 针对供水强度、 土壤结构、 初始含水率、 土壤质地 4 个变量进行; 充分供水入 渗试验针对土壤结构、 初 图 2? 非充分供水入渗 试验设备示意图 Fig . 2? Sche matic description of the experm i entaldevice used in non?sufficientwater supplied infiltration 1 . 平台支架? 2. 刻度尺? 3 . 非 充分供水马氏筒?4 . 充分供 水马氏筒?5

15、 . 调节板 ?6 . 滴 水器 ?7. 均衡器?8 . 内套 ? 9 . 渗吸筒? 10. 土柱? 11 . 滤层 始含水率、 土壤质地 3个 变量进行。为了便于对比 分析, 每种土壤质地设计 5 种 干 密 度 ( 1?25 、1?30 、 1?35 、 1?40 、 1?45g /cm 3 )水 平, 5种初始含水率 (风干 含 水 率、 5?0 %、 9?0 % 、 13?0 % 、16?0 % ) 水平, 供 水强 度 设 计5 个 水 平 ( 0?030 、 0?050 、 0?070 、 0?095、 0?130 cm /m in), 共 进行各种组合下的非充分 供水入渗试验 4

16、00组, 充 分供水入渗试验 100组。 土样经过风干、 碾压 后过 2mm 筛, 按设计的含 水率配好水后, 静置 24 h , 分层 ( 2 c m )按设计的干容 重填装渗吸土柱, 特别注意处理好土柱边缘土壤, 确 保无贴壁水流入渗的产生。在试验过程中记录入渗 时间、 时段入渗量和积水时刻、 稳定入渗率。为使试 验数据具有一致性, 每组入渗试验共进行 6 h 。相对 稳定入渗率采用最后两个测量阶段的平均入渗率作 为它的估计值。 2? 结果与分析 2?1? 非充分、 充分供水入渗过程分析 非充分供水入渗过程类似于降雨或喷洒条件下 的土壤水分入渗, 在入渗初期, 供水强度小于土壤入 渗能力,

17、 土壤表面不产生积水; 随着入渗时间的增 45第 9期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 李雪转 等: 非充分供水与充分供水入渗模型参数间关系试验 加, 当土壤入渗率等于供水强度时, 土壤表面开始产 生积水, 此时为积水时刻; 积水以后, 土壤入渗转化 为无压条件下的积水入渗过程。充分供水入渗过程 是指无压条件下的积水入渗过程。图 3所示曲线为 壤质 黏土、 初始 含水率 为 5?05 %、 土壤 干密度 1?3 g/cm 3、 供水强度 (R 0) 为 0?069 、 0?095 cm /m in 和充分供水条件下土壤水分入渗率的变化曲线。 图 3? 充分与非充分供水条件下的土壤入渗

18、率曲线 Fig. 3?Infiltration rate curves of soils under sufficient and non?sufficientwater supplies ? 由图 3可看出: ( 1)非充分供水入渗条件下, 积水时刻 ( tp)将入 渗过程分为两个阶段, 第一阶段是从土壤开始入渗 到 tp时刻, 由于供水强度小于土壤的入渗能力, 实际 发生的入渗率等于供水强度 (R0), 称为供水强度控 制阶段。第二阶段是从 tp时刻开始到入渗结束, 供 水强度大于土壤的入渗能力, 土壤表面产生径流, 此 时实际发生的入渗率为 i( t), 入渗率随入渗时间增 长而逐渐减小

19、, 最后趋于一个相对稳定的数值, 称为 土壤入渗能力控制阶段 (简称土壤控制阶段 ) 12。 (2)在相同土壤条件下, tp时刻以后, 非充分供 水入渗曲线与充分供水入渗曲线类似。在入渗 1 h 前, 非充分供水入渗率大于充分供水入渗率, 非充分 供水入渗率曲线比充分供水入渗曲线陡; 同时随着 供水强度的增加, 入渗率曲线是越来越陡。入渗 1 h ? 后, 3条曲线基本重合, 说明随着入渗时间的增长, 非充分供水入渗曲线愈来愈接近充分供水入渗曲 线, 以充分供水入渗率曲线为渐近线。 在积水后入渗过程与充分供水入渗过程中, 水 分入渗主要受重力势梯度和基质势梯度作用, 垂直 入渗条件下的各点重力

20、势不相等, 但重力势梯度恒 为 1 。两种入渗过程不同之处主要是所受基质势梯 度不同, 在土壤条件和入渗时间相同的情况下, 非充 分供水入渗时基质势比充分供水入渗时的基质势要 大, 即土水势梯度大, 故非充分供水入渗率比充分供 水入渗率大。 2?2? 非充分、 充分供水入渗模型 充分供水条件下的土壤水分入渗过程很好地符 合 Kostiakov三参数模型, 已为很多人所认可。在非 充分供水条件下, 对 tp时刻后入渗时间进行 ! t- tp 处理后, 利用 Kostiakov三参数模型 13 对 8种土壤 质地的 400多组试验数据进行回归分析, 由于篇幅 所限, 仅将 3种质地 9组试验数据的

21、回归方程与相 关系数列于表 1进行分析。 非充分供水 tp后的入渗模型和充分供水入渗模 型分别为: 非充分供水 tp后 i( t) = K1( t- tp) - ?1 + f01( 1) 充分供水 i( t) = K t - ?+ f 0( 2) 式中 ? K1、 K # 非充分、 充分供水入渗系数 ?1、 ?# 非充分、 充分供水入渗模型参数 f01、f0# # 非充分、 充分供水入渗相对稳定入 渗率, cm /m in 式 ( 1)、 (2)模型结构完全相同, 但模型参数不 同, 对于入渗时间实质上也是相同的, 因为入渗时间 ? ? 表 1? 不同供水强度条件下的入渗率拟合曲线方程 Tab

22、 . 1?Function of fitting curves under different conditions ofwater supplied intensity 土壤质地 土壤颗粒组成 /% 土壤干密度 /g cm- 3 初始含水率 /% 供水强度 / c mm in- 1 积水后入渗率回归方程 相关系数 R2 砂粒 330?069i( t) = 0?060 3(t- tp) - 0?348 1+ 0?010 0 0?9511 壤质黏土粉粒 421?305?050?095i( t) = 0?083 4(t- tp) - 0?480 7+ 0?009 8 0?9466 黏粒 25充分i

23、( t) = 0?280 2t- 0?7899+ 0?009 50?9768 砂粒 290?054 i( t) = 0?047 5(t- tp) - 0?441 6+ 0?007 4 0?9788 粉砂质黏壤土粉粒 561?453?50?098 i( t) = 0?091 8(t- tp) - 0?586 9+ 0?007 4 0?9600 黏粒 15充分i( t) = 0?189 1t- 0?6723+ 0?007 20?9704 砂粒 660?053i( t) = 0?024 9(t- tp) - 0?198 0+ 0?029 0 0?9577 砂壤土粉粒 261?491?50?105i(

24、 t) = 0?083 5(t- tp) - 0?411 3+ 0?0280 0?9824 黏粒 8充分 i( t) = 0?706 9t- 0?7343+ 0?026 0 0?9596 46农? 业? 机? 械? 学? 报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 0 1 0年 在充分供水模型中从零开始, 而非充分供水对入渗 时间进行 ( t- tp)处理后, 积水后入渗实质上也是从 零开始。故入渗模型参数 K1与K、 ?1与 ? 、 f01与 f0之 间具有一一对应。 2?3? 非充分、 充分供水入渗模型参数间关系 2?3?1? 入渗模型参数 ?与 ?1间关系 从表

25、 1中可以看出: 不同供水强度、 不同初始含 水率、 不同土壤干密度、 不同土壤质地的非充分与充 分供水入渗模型参数 ?的比值不同, 说明入渗模型 参数 ?1和 ?之间的关系与供水强度、 土壤质地、 土 壤初始含水率、 土壤结构有关。为了便于分析非充 分、 充分供水入渗模型参数 ?1与 ?之间的数量关 系, 引入变量 m = ?1/? , 下面分析 m 与供水强度、 土 壤质地、 土壤初始含水率、 土壤结构的关系。 ( 1)m 与供水强度的关系 图 4所示曲线为壤质黏土, 土壤初始含水率为 8?7 %, 供水强度在 0?03 0?13 cm /m in , 干密度为 1?25 g/cm 3时非

26、充分供水与充分供水入渗模型参数 比值 m 随供水强度的变化曲线。 图 4? 入渗参数比值 m随供水强度的变化曲线 Fig. 4?Changing curve of the ratiom of infiltration para meterw ith water supplied intensity ? 由图 4可以看出, 入渗模型参数比值 m 随供水 强度的增加而增加, 它们之间符合幂函数关系。根 据试验数据拟合的曲线方程和相关系数为 m = 1?676R0 0?4668 ?(R = 0?916 0) 入渗模型参数 ?1随供水强度的增大而增大, 它 们之间符合幂函数关系 14, 同土壤条件下充

27、分供水 入渗模型参数 ?值是一个不变的值, m = ?1/?值的 变化趋势应该与 ?1的变化趋势相同, 故入渗模型参 数比值 m 随供水强度增加而增大, 它们之间符合幂 函数关系。 ( 2)m 与土壤质地的关系 图 5所示是土壤初始含水率为风干含水率、 供 水强度为 0?10 c m /m in 、 土壤干密度为 1?40 g/cm 3 时, 非充分与充分供水入渗模型参数比值 m 随土壤 砂粒、 黏粒含量的变化曲线。从图 5中可以看出, 两 种入渗模型参数比值 m 随土壤砂粒含量的增加而 减小, 随着土壤黏粒含量的增加而增加, 它们之间关 系都符合幂函数关系。根据试验数据拟合的曲线方 程和相关

28、系数为 m = 0?309 7x1 - 0?8308 ?(R = 0?835 4) m = 2?308 6x2 0?6784 ?(R= 0?931 2) 图 5? 入渗参数比值 m 随土壤质地的变化曲线 F ig . 5? Changing curve of the ratiom of infiltration para meterw ith the soil texture ? ( 3)m 与土壤干密度的关系 图 6所示曲线是质地为壤质黏土、 土壤初始含 水率为 5?05 % 、 供水强度为 0?07 c m /m in 、 土壤干密 度的变化范围在 1?20 1?45 g /c m 3之间

29、, 非充分与 充分供水入渗模型参数比值 m 随土壤干密度的变 化曲线。由图 6可看出, 两种入渗模型参数比值 m 随土壤干密度的增加而增加, 它们之间符合幂函数 关系。根据试验数据拟合的曲线方程和相关系数为 m = 0?32?d 2?6488 ?(R = 0?847 2) 图 6? 入渗参数比值 m随土壤干密度的变化曲线 F ig . 6? Changing curve of the ratiom of infiltration parameterw ith the soilbulk density ? 非充分与充分供水入渗模型参数比值 m 随土 壤干密度的增加而增加, 说明在两种入渗过程中,

30、 非 充分供水条件下的入渗率随土壤干密度的增加而 (与同条件下充分供水相比 )衰减得更快。这是由 于两种入渗过程在同土壤条件下, 同一时刻进入土 壤入渗界面的水量不同, 充分供水入渗时进入土壤 的水分多, 下渗到土壤的水分较多, 入渗率衰减得 慢。而非充分供水入渗受供水强度的影响, 进入土 壤的水分相对较少, 在地表积水以后, 入渗过程才与 充分供水相同, 入渗率衰减得较快。 ( 4)m 与土壤初始含水率的关系 图 7所示 曲线是壤质 黏土、 土壤干密 度为 1?25 g /cm 3、 供水强度为 0?07 cm /m in 、 初始含水率 变化范围在 5?05 % 16 % 之间, 非充分与

31、充分供水 47第 9期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 李雪转 等: 非充分供水与充分供水入渗模型参数间关系试验 入渗模型参数比值 m 随土壤初始含水率的变化曲 线。由图 7可以看出, 两种入渗模型参数比值 m 随 土壤初始含水量的增加而减小, 它们之间较好地符 合幂函数关系。根据试验数据拟合的曲线方程和相 关系数为 m = 2?082 7 0 - 0?6689 ?(R = 0?950 4) 图 7? 入渗参数比值 m 随含水率的变化曲线 Fig. 7?Changing curve of the ratiom of infiltration parameterw ith the mo

32、isture content ? ? ?( 5)m 与影响因素间的数量关系 由上述分析可知, 入渗模型参数比值 m 与供 水强度、 土壤初始含水率、 土壤质地和土壤结构具 有较好的相关性。现根据室内 8种土壤质地的 400组非充分供水入渗试验和 100组充分供水入 渗试验数据, 利用数理统计中的多元线性回归模 型建立 m 与其影响因素之间的经验公式。自变量 采用土壤干密度、 土壤初始含水率、 土壤砂粒含 量、 黏粒含量和供水强度等 5个因子, 预测量为入 渗模型参数比值 m。模型参数的估计采用数理统 计中多元线性回归参数估计方法, 回归模型的显 著性检验采用方差分析方法进行。根据试验分析 数据

33、计算 F 值和给定的显著水平对应的 F?值、 T 值和给定显著水平的 t? /2值 15、 预测相对误差和 预测样本长度如表 2所示。 表 2? 入渗模型参数比值 m 预测模型参数估计及检验表 Tab . 2?Param eter esti mation of the forecastingm odel infiltration param eter ratiom F F0?05T1T2T3T4T5t0?025 样本长度相对误差 /% 11?752?3713?962?04- 7?0515?0216?161?9638015?3 ? 由表 2可以看出: 根据试验数据计算的 F 值都 大于相应的 F

34、0?05值、 T 值都大于 t0?025值, 说明该预测 模型和所选自变量都是显著的; 预测相对误差为 15?3 %, 说明用这 5个变量来计算入渗模型参数比 值 m 的误差较小。最后得到 m 与影响因素的经验 公式为 m = - 0?955 2+ 0?835 5?d- 0?172 6 0- 0?212 1x1+ 1?612 3x2+ 2?669 R0 如果知道同土壤条件下的充分供水入渗模型参 数 ?值, 利用上式可得到同土壤条件下非充分供水 入渗模型参数 ?1, 计算公式为 ?1= ( - 0?955 2+ 0?835 5?d- 0?172 6 0- 0?212 1x1+ 1?612 3x2

35、+ 2?669 R0) ?( 3) 2?3?2? 入渗模型系数 K 与 K1间关系 从表 1可以看出: 在非充分供水条件下, 积水后 入渗模型参数 K1值随供水强度的增加而增加, 但其 值都小于供水强度, 以充分供水的 K 值为最大值。 当 t- tp= 1m in时, i( t)在数值上基本与供水强度接 近, 即 K1与 f0之和在数值上与供水强度 (R0)相等, 与非充分供水积水时入渗边界条件吻合, 说明 K1值 的大小与供水强度和稳定入渗率有关, 与充分供水 入渗参数 K 值之间没有一定的相关性, 只是以充分 供水入渗参数K 为渐近值。经过对其他 400组试验 数据分析, 也证实了上述的

36、结果。入渗参数 K1是表 示积水后入渗第一单位时间内的平均入渗速度, 由 于土壤表面积水时土壤入渗率 (初始入渗率 )等于 供水强度, 所以 K1值略小于供水强度, 故非充分供 水入渗参数为 K1= R0- f0( 4) 2?3?3? 稳定入渗率 f0与 f01间关系 稳定入渗率 f0是入渗达到相对稳定时的水力传 导度, 也称饱和导水率, 其值主要取决于入渗稳定时 土壤孔隙的数量和大小 16。在土壤质地、 干密度、 含水率相同的条件下, 不论供水强度如何, 最后达到 相对稳定时的入渗率应该相等, 只是达到稳定入渗 率所用的时间不同。从表 1可看出, 无论供水强度 是大还是小, 不论土壤质地如何

37、, f01值都趋近于同土 壤条件下的充分供水入渗的稳定入渗率 f0, 随着入 渗时间的增长, 非充分供水 tp时刻后的稳定入渗率 等于充分供水稳定入渗率, 即 f01= f0( 5) 3? 结论 ( 1)在非充分供水条件下, 积水后入渗率曲线 随供水强度的增大而越来越陡, 非充分供水入渗率 曲线以充分供水入渗率曲线为渐近线。 ( 2)在土壤相同条件下, 非充分与充分供水入 渗模型参数间具有较好的相关性, 各非充分供水入 渗模型参数值以充分供水入渗模型参数为渐近值。 ( 3)非充分与充分供水入渗模型参数比值 m 随 48农? 业? 机? 械? 学? 报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

38、? ? ? ? ? 2 0 1 0年 着供水强度的增加而增加、 随着砂粒含量的增加而 减小、 随着黏粒含量的增加而增加、 随着土干密度的 增加而增加、 随着初始含水率的增加而减小, 它们之 间都较好地符合幂函数关系。 ( 4)非充分供水入渗模型参数 K1= R0- f0; 相 对稳定入渗率 f01= f0。 参考文献 1? 赵西宁, 吴启发. 土壤水分入渗研究进展和评述 J. 西北林学院学报, 2004, 19( 1): 42 45. Zhao X ining , Wu Q ifa . Developments and reviews of soil infiltration research

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40、9 45. W ang Zhirong , W angW enyan, W ang Quanjiu,et a. l Experi mental study on soilwater move ment from a point source J. JournalofHydraulic Engineering , 2000, 33(6):39 45 .( in Chinese) 4? Barry D A.Infiltration under ponded conditions: an explicit predictive infiltration J. SoilSc. i, 1995, 160

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