地下滴灌条件下水热运移数学模型与验证

基于土壤水、热运动基本方程,结合地下滴灌水分运动特点,建立了地下滴灌水热运移数学模型。利用HYDRUS-2D软件对模型进行了求解,并用田间实测数据进行验证。模拟和验证结果表明,模型对地下滴灌条件下的土壤水分和土壤温度运移变化动态的模拟效果较好,该水热运移数学模型可以用来监测和调控作物生长所需的土壤水、热环境条件。模拟值和实测值的结果对比表明,上层土壤的水分和温度的模拟值较下层土壤值差异较明显,且数值波动大,主要原因是上层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

土壤空间变异对滴灌水氮淋失风险影响的模拟评估

滴灌水氮淋失是系统设计和运行管理需要考虑的重要因素。本研究利用HYDRUS-2D软件构建了滴灌条件下的水氮运移模型,通过局部敏感性分析和全局敏感性分析方法研究了砂壤土土壤水力参数、初始含水率和土壤溶液中初始NO3--N 浓度的空间变异对水分渗漏率和NO3--N 淋失率的影响。结果表明,水分渗漏率和NO3--N 淋失率随饱和含水率的增大而明显降低,随土壤初始含水率的增大而明显升高。弱变异条件下,水分渗漏率和NO3--N 淋失率的变异性主要由土壤初始含水率、饱和含水率和饱和导水率的空间变异引起;中等变异条件下     

滴灌系统运行方式对砂壤土水氮分布影响的试验研究

以一种砂粒含量高达95%的砂土为对象，开展了滴灌施肥灌溉条件下，灌水器流量、灌水量和系统运行方式对水分、硝态氮和铵态氮分布影响的室内试验。灌水器流量的变化范围为0.5～2.0L/h，灌水量为6～7.7L；系统运行方式包括不同灌水和施肥次序组成的4种方案。研究结果表明，径向和垂直湿润距离随灌水量的增加呈幂函数关系增加；灌水量相同时，随灌水器流量的增大，灌水器周围的土壤含水率增加，垂直湿润距离减小，而径向湿润距离变化不大；灌水器流量一定时，垂直湿润距离随灌水量的增大而明显增加。对氮素分布的测试结果表明，硝态氮在湿润体边界存在累积现象；铵态氮在灌水器附近出现浓度高峰，且铵态氮集中在灌水器周围15cm范围内。滴灌施肥灌溉系统运行方式对硝态氮在土壤中的分布影响明显，建议采用最初用灌水施肥总时间的1/4灌水，再用1/2时间施肥，最后用1/4时间冲洗管道的运行方式，以便将施入土壤的氮素最大限度地保留在作物根区内，防止硝态氮淋失。     

层状土壤条件下地下滴灌水氮运移模型及应用

基于土壤水分运动的动力学方程和溶质运移的对流-弥散方程,考虑地下滴灌灌水器流量随时间的变化,建立了层状土壤地下滴灌施用硝酸铵(NH4NO3)条件下水氮运移的数学模型。利用均质砂土(S)、均质壤土(L)、上砂下壤(SL)和砂土夹层(LSL)四种土壤的试验数据对模型进行了验证。结果指出,考虑土壤中灌水器流量随时间变化可稍改善土壤含水率和硝态氮的模拟精度。利用验证后的数学模型研究了灌水器流量(1.1、1.75和2.6L/h)、灌水器与犁底层相对位置对地下滴灌水氮分布的影响,模拟结果表明灌水器流量对含水率分布的影响不明显,但灌水器流量的增大可明显增加20~40cm土层硝态氮含量;灌水器与犁底层相对位置对水氮分布影响显著,灌水器位于犁底层中(埋深25cm)土壤表层干土层较薄、水氮向下运移深度较小,有利于减小土壤蒸发和避免水氮淋失。     

层施保水剂不同高度对土壤硝态氮运移的影响

通过室内层施保水剂的毛管水上升试验分析层施不同高度保水剂对毛管水上升和硝态氮运移的影响。结果表明:在土壤容重、初始含水率和硝酸铵浓度相同的情况下,层施保水剂的高度越高含水率越大,对硝态氮运移的影响也越明显;硝态氮在土壤中的的运移与水分的传输有着密切的关系。     

室内滴灌施药条件下阿特拉津在土壤中运移规律的研究II.数值仿真

本文以实验室内所开展的滴灌施用除草剂——阿特拉津在土壤中运移的物理模拟实验为基础，运用所求得的供试土壤的水力学参数和溶质运移参数及阿特拉津在该土壤中的吸附特性参数和降解速率常数，应用数值模拟软件HYDRUS-2D，对物理模拟的实验结果进行了仿真，并就不同初始含水量、不同滴头流量对土壤水分和阿特拉津动态分布的影响进行了数值分析，结果表明：随着初始含水量的增加，土壤水分的湿润范围增大，而阿特拉津的分布范围基本不变；当滴灌施药历时相同、滴头流量不同时，随着滴头流量的增加，土壤水分和阿特拉津的运动范围均增大。     

室内滴灌施药条件下阿特拉津在土壤中运移规律的研究Ⅱ.数值仿真

本以实验室内所开展的滴灌施用除草剂——阿特拉津在土壤中运移的物理模拟实验为基础，运用所求得的供试土壤的水力学参数和溶质运移参数及阿特拉津在该土壤中的吸附特性参数和降解速率常数，应用数值模拟软件HYDRUS-2D，对物理模拟的实验结果进行了仿真，并就不同初始含水量、不同滴头流量对土壤水分和阿特拉津动态分布的影响进行了数值分析，结果表明：随着初始含水量的增加，土壤水分的湿润范围增大，而阿特拉津的分布范围基本不变；当滴灌施药历时相同、滴头流量不同时，随着滴头流量的增加，土壤水分和阿特拉津的运动范围均增大。     

土壤中硝态氮迁移转化的数值模拟研究

为了揭示不同灌溉强度下土壤中硝态氮浓度的变化规律,选取常德市典型浅层土壤为研究对象,以动态土柱淋滤试验和静态反硝化试验为基础,运用HYDRUS-1D软件建立数值模型对不同灌溉强度下硝态氮浓度的变化进行模拟分析。结果表明:当灌溉强度大于4 cm/d时,灌溉强度超过土壤下渗能力,灌溉水按下渗能力下渗,多余的水会形成地面积水,进而形成地表径流,模拟10 d各组土壤中硝态氮的浓度差异不大;当灌溉强度小于等于4 cm/d时,灌溉水全部下渗到土壤中,模拟10 d后土壤中硝态氮的浓度随灌溉强度的增加而增大。     

基于HYDRUS-2D模型膜下滴灌棉田不同上口宽排盐浅沟下土壤水盐运移模拟

本文以膜下滴灌棉田土壤水盐运移为研究对象,根据室内试验参数及田间测坑试验在HYDRUS-2D中建立模型,利用实测值与模型模拟值进行对比,调整模型参数,确定建立模型的准确性。根据已有的模型,对不同上口宽排盐浅沟的排盐问题进行研究,研究生育期膜下滴灌棉田不同深度盐分和水分的变化情况,分析模拟结果对比不同排盐沟的上口宽对土壤排盐效果的影响。为合理制定土壤排盐模式,减少和改良土壤次生盐渍化提供科学的理论依据。     

基于水势差驱动出流机制的微润灌水分运动模型构建及模拟

为研究微润灌土壤水分入渗特征和不同影响因素对其影响规律,基于微润管出流机理,采用HYDRUS-2D软件构建了微润灌土壤水分运动模型。利用室内试验实测数据验证了模型的准确性,参数敏感性分析表明模型模拟结果对微润管的形状和水力特征参数敏感度较低。不同情境模型模拟结果表明:微润灌下水分主要集中在管附近;土壤质地越黏重,微润灌湿润范围和湿润锋运移速率越小,湿润体水分分布等值线图越接近于同心圆;工作压力水头越高,湿润范围和湿润锋运移速率越大,且管附近土壤饱和度越高,但200 cm工作压力水头下土壤不易达到饱和;微润管埋深显著影响湿润体的位置和湿润锋到达上下边界的时间,但在湿润锋到达边界之前,其对微润管出流量和湿润锋运移速率影响不大。本研究可为微润灌系统设计管理优化和该技术的进一步推广应用提供参考。     

Investigation on the lateral anti-seepage capacity of a vertical soil sand layer (VSSL) in a sunken lawn

The use of a sunken lawn is an emerging Low Impact Development (LID) technique to effectively control storm runoffs. However, the random infiltration of rainwater that occurs due to the construction of a sunken lawn in an area of collapsible loess seriously threatens the safety of buildings around it. Setting up a vertical soil sand layer (VSSL) structure next to a sunken lawn as an anti-permeate method has been proposed in this study. To analyze the lateral anti-seepage effects of a VSSL, a sunken lawn model around a building was established based on soil physical parameters, and water seepage in the sunken lawn was investigated using a infiltration experiment and HYDRUS-2D software. The results show that the anti-seepage effects of a VSSL can significantly reduce the average wetting front migration length and water content at the observation points behind the sand layer. The Nash-Sutcliff Efficiency (NSE) index was used to evaluate the accuracy and reliability of the HYDRUS-2D model. The values of the NSE index obtained were greater than 0.82 (varied between 0.82 and 0.98) which confirmed the applicability of the HYDRUS-2D software in accurately describing the hydraulic behavior of the lateral anti-seepage effects of the VSSL in a sunken lawn. Simulation infiltration tests showed that, on the side of the VSSL, the wetting front migration length was reduced by 55.5% on average, and the water content of the observation points behind the sand layer was reduced by 40.5%, increasing the stability of the loess around the building infrastructure. The results are of value in practical applications, such as for devising engineering or non-engineering measures to avoid loess collapsibility around sunken lawns.     

考虑水力学和矿化参数空间变异下土壤水氮运移的数值分析

以北京东郊永乐店一块农田为背景，将田问取样点所在的土壤剖面假设为一系列不发生相互作用的一维土柱，根据实测的土壤有机质含量，假定不同取样点的土壤有机氮的矿化速率常数（零级动力学）与有机质含量成正比，运用HYDRUS-1D软件，分别就考虑和不考虑有机氮矿化速率的空间变异性两种方案，对2001年夏玉米生育期农田尺度下土壤水分运动和硝态氮淋失动态进行了数值分析。模拟结果表明：有机氮矿化速率的空间变异性对剖面250cm埋深处累积硝态氮淋失量的影响很小，其差异主要在于前者影响了土壤氮素的转化量；剖面250cm埋深处平均的土壤水渗透量和累积硝态氮淋失量分别为1．35mm、0．0065mg／cm^2，变异系数大于1．8，表现出很强的空间变异性。模拟结果的地统计学分析表明：蒸发量和蒸腾量，收获时剖面250、150cm埋深处的土壤水通量的半方差函数均可用球状模型描述，其变程相近，约为8．7m；土壤水渗透量与累积硝态氮淋失量表现为相互独立的空间结构。考虑有机氮矿化速率空间变异性的土壤氮素净转化量可用球状模型描述，其变程与有机质含量的变程接近，约为4．7m。     

竖直微润灌土壤水分运动数值模拟与验证

为进一步认识微润灌土壤水分运动规律,进而指导微润灌工程设计,依据非饱和土壤水分运动理论,建立了竖直微润灌土壤水分运动模型,并用SWMS-2D软件进行求解。通过室内试验,对单位长度微润管入渗量、土壤湿润锋运移值和土壤剖面含水率等指标的模拟值进行分析验证。结果表明,模拟值与实测值一致性较好,所建模型能比较真实地反映竖直微润灌土壤水分运动的状况,利用SWMS-2D软件对竖直微润灌土壤水分运动进行模拟具有可行性。     

基于最小作用原理的积水土坡水分入渗路径及规律研究

基于最小作用原理,以时间为最小作用量,建立了二维Richards方程水分入渗路径的泛函,提出了积水条件下土坡水分入渗的变分解,并在此基础上利用Brooks-Corey模型计算了锋面以上土体的水力坡降并讨论了入渗曲线的形态,同时利用Hydrus 2D软件分析了第一类边界条件下土坡内含水量分布。结果表明:二维斜面入渗的变分解与一维水平入渗、垂直入渗变分解具有相同形式;入渗曲线表现为外凸形态;数值计算得到的入渗量与湿润锋深度呈线性关系,与变分解的分析结果一致;变分解求得的湿润锋深度、含水量分布用于分析边坡稳定等宏观工程问题是可行的。     

一种由土壤剖面含水率估算土壤水力参数的方法

根据瞬时剖面法的基本思想,提出一种利用剖面土壤含水率数据推求土壤水力参数的方法。可依据不同时间和深度的土壤含水率数据,得到土壤剖面不同深度处的土壤水分通量;根据van Genuchten模型描述的土壤负压及非饱和水力传导度与土壤含水率的关系,建立水分通量和土壤水分参数间的关系,并采用非线性最小二乘法估计最优土壤水力参数。文中应用软件HYDRUS-1D模拟12种土壤所得数据和田间尺度试验数据验证了方法的实用性。结果表明,该方法预测精度较高,可以方便地应用于均质土壤水力参数的估算。