地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型研究综述

畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型对改进畦灌施肥技术,提高田间氮肥利用率及促进灌溉农业可持续发展具有重要意义。本文评述了畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型研究现状及其存在的问题,结论认为,有必要引入二维非饱和土壤水流溶质运移模型,以构建一维地表与二维非饱和土壤水流溶质运移集成模型并扩展其功能;求解地表溶质运移对流弥散方程ADE时,应研究更为高效便捷的方法,以更有效解决数值误差问题。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟Ⅱ：模型率定及验证

摘要：利用冬小麦扬花水畦灌施肥试验数据,对构建的畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型进行率定,基于冬小麦返青水田间试验数据,对该集成模型在不同畦灌施肥模式下模拟的地表水流推进时间、沿畦长土壤体积含水率和硝态氮浓度、畦灌施肥系统性能评价指标值等进行验证。结果表明,模拟结果与田间实测数据的相对误差值和平均相对误差值均小于相应的控制误差,构建的集成模型可用于模拟预测不同畦灌施肥模式下地表和非饱和土壤水流溶质运移转化过程及分布状况,为开展畦灌施肥系统优化设计和性能评价提供了有效的数值模拟工具。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟Ⅲ:模型应用

基于构建的畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型,数值模拟畦灌施肥技术要素组合模式,分析单一要素对畦灌施肥系统性能的影响,确定冬小麦畦灌施肥技术要素优化组合区域.结果表明,土壤入渗性能、施肥时机、入畦单宽流量、畦长、畦面微地形状况对畦灌施肥系统性能影响较为明显.在畦灌全程施肥方式下,若以较高畦灌施肥性能评价指标作...     

畦灌中地表水流溶质运移模拟研究

文章比较了全水动力学模型与零惯量模型在模拟水流运动特性上的优劣性,以及畦灌液施地表水流溶质运移模型与撒施地表水流溶质运移模型在模拟地表水流溶质运移中的优劣性。为地表水流及地表水流溶质运移的耦合模拟研究奠定了理论基础。     

基于混合数值解法的二维畦灌地表水流运动模拟I：模型建立

摘要：数值模拟畦灌水流运动过程可为地面灌溉系统设计与评价提供必要的工具和手段。本文在利用隐式三点后 差分隐时间格式对二维畦灌地表水流运动模型各矢量项进行时间离散基础上,采用有限差分法、有限体积法和有 限单元法分别对由隐时间格式与线性化过程生成的物理通量线性近似式系数的空间导数、物理通量的空间导数和 地形向量开展空间离散,对经时-空离散后形成的控制方程代数方程组进行数值解算,构建起基于混合数值解法 的二维畦灌地表水流运动模型。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟III：模型应用

基于构建的畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型,数值模拟畦灌施肥技术要素组合模式,分析单一要素对畦灌施肥系统性能的影响,确定冬小麦畦灌施肥技术要素优化组合区域。结果表明,土壤入渗性能、施肥时机、入畦单宽流量、畦长、畦面微地形状况对畦灌施肥系统性能影响较为明显。在畦灌全程施肥方式下,若以较高畦灌施肥性能评价指标作为要素优化组合的约束控制条件,则典型砂壤土畦面微地形状况较好条件下,入畦单宽流量分别为2L/s/m和5L/s/m下相应的畦长不宜超过70m和100m;而畦面微地形状况较差条件下,入畦单宽流量分别2L/s/m和5L/s/m下相应的畦长宜小于60m和不大于75m。典型黏土畦面微地形状况较好条件下,入畦单宽流量分别2L/s/m和5L/s/m下相应的畦长不宜超过80m和110m,而畦微地形状况较差条件下,入畦单宽流量分别为2L/s/m和5L/s/m下相应的畦长宜小于60m和不大于90m。     

流网和一维动力学模型相结合模拟麦田暗管排水地段氮肥的流失

为研究麦田暗管排水地段氮肥运移转化及淋失规律，在地下水位以上的土壤非饱和带建立了氮素运移与转化的一维模型，在地下水位以下的饱和带采用流网与一维模型相结合近似模拟暗管排水地段的二维溶质运移问题，这样田间饱和非饱和流动区域即可作为一个整体进行研究，方法简单、实用。对方法及模型的正确性进行了田间试验验证。     

基于时空分数阶导数模型的潜流带溶质运移模拟

为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足,在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项,分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应,使穿透曲线具有明显的拖尾特征;空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强,解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点,传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足;一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时,能够更准确计算溶质浓度峰现时间,描述穿透曲线拖尾现象;二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响,在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下,模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。     

区域饱和-非饱和多孔介质的溶质运移简化模型

在迭代求解区域饱和非饱和拟三维渗流模型的基础上，建立区域溶质运移简化模型。该模型将溶质运动在非饱和带简化为一维垂直运动，饱和带简化为二维剖面运动，在非饱和带与饱和带分别形成对流_弥散方程，并通过维持近饱和带溶质质量守恒组成统一的系统，采用有限单元法数值处理技巧，在同一个矩阵方程中求解饱和与非饱和含水层的浓度变化。该模型无需迭代计算，大大减少工作量，为求解区域溶质运移问题提供了新方法。算例验证表明，区域溶质运移简化模型技术可行，结果可信。     

大理石平板裂隙水运移实验与模拟研究

为了揭示单个裂隙中水流和溶质运移的规律,该文选取大理石平板作为实验介质,开展了平板裂隙水运移实验,分析了水力梯度和水流速度之间的关系,研究了溶质运移规律;利用连续时间随机步长(CTRW)软件包中的截断幂函数(TPL)模型对溶质浓度穿透曲线进行了模拟,并与传统的对流-弥散方程(ADE)模拟结果进行了对比。结果表明:实验条件下,大理石平板裂隙水流为非达西流,利用Forchheimer方程可以更好地模拟;大理石平板裂隙内溶质运移为no-Fickian运移,表现出明显的拖尾现象;在不同流速条件下模拟溶质穿透曲线时,利用TPL模型拟合结果明显优于ADE模型。     

基于Richards方程切换的土壤水流及溶质运移数值模拟

根据每个节点的土壤水分状态来选择合适的Richards方程形式,并用隐式迭代算法求解,得到一种用于模拟土壤水盐运移过程的通用方程切换方法。该方法能自由切换任意节点的控制方程,从而充分利用水头型和含水量型Richards方程的优势,适用于所有主流的迭代求解算法。成功将该方法应用于非均质土壤饱和-非饱和的溶质运移过程模拟。通过室内及数值试验,证明其在干燥砂土淋盐及干湿交替上边界的土壤积盐等普遍难题中,相比传统数值算法能大幅度提高计算效率和精度。本文方法对大区域饱和-非饱和水流运动及溶质运移数值模拟具有显著优势及应用前景。     

土壤溶质运移的边界层运动

本文以半无限土壤溶质运移的对流——弥散方程为例研究边界层运动规律。运用Laplace变换方法推导土壤溶质运移的边界层方程。数学分析表明边界层上溶质通量假设对于计算边界层运动距离和溶质浓度是可行的。边界层运动方程的一个重要应用是估算溶质运移参数，这个估算参数方法在数学上更简单、信息利用更全面，是一个值得研究和发展的新方法。     

Method of coupling 1-D unsaturated flow with 3-D saturated flow on large scale

A coupled unsaturated-saturated water flow numerical model was developed. The water flow in the unsaturated zone is considered the one-dimensional vertical flow, which changes in the horizontal direction according to the groundwater table and the atmospheric boundary conditions. The groundwater flow is treated as the three-dimensional water flow. The recharge flux to groundwater from soil water is considered the bottom flux for the numerical simulation in the unsaturated zone, and the upper flux for the groundwater simulation. It connects and unites the two separated water flow systems. The soil water equation is solved based on the assumed groundwater table and the subsequent predicted recharge flux. Then, the groundwater equation is solved with the predicted recharge flux as the upper boundary condition. Iteration continues until the discrepancy between the assumed and calculated groundwater nodal heads have a certain accuracy. Illustrative examples with different water flow scenarios regarding the Dirichlet boundary condition, the Neumann boundary condition, the atmospheric boundary condition, and the source or sink term were calculated by the coupled model. The results are compared with those of other models, including Hydrus-1D, SWMS-2D, and FEFLOW, which demonstrate that the coupled model is effective and accurate and can significantly reduce the computational time for the large number of nodes in saturated-unsaturated water flow simulation.     

河口水库库内三维流动数值模拟

基于三维浅水方程和溶解物质输运方程研究河口水库流动和水体交换。用实测水文资料对数值模型进行验证。利用该模型计算分析了不同风况以及水库引排水条件下水库水体流动特征,结果表明风对水库水闸附近的流场影响较小,但对整个库区流场会有一定影响。针对长江口青草沙水库上游水闸引水、下游水闸关闭或开启的两种运行模式,通过溶解物质浓度模拟并依据所定义的水体交换率,给出了换水率随时间的变化过程。可为制定合理的水库引排水方案,确保水库水质提供科学依据。     

溶质运移理论的发展

关于土壤或地下水受到污染的问题,其实质是可溶性污染物在水流作用下在土壤或含水层中的运移结果,研究此问题而兴起的一门学科就是溶质运移理论。介绍了溶质运移模型、溶质运移的室内外试验研究成果和溶质运移数值模拟方法的研究现状。     

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。     

2-D CHARACTERISTICS-LIKE MODEL AND OPEN BOUNDARY CONDITION FOR UNSTEADY OPEN CHANNEL FLOW MODELING

1.　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＵｎｓｔｅａｄｙｏｐｅｎｃｈａｎｎｅｌｆｌｏｗｓｗｉｔｈｒａｐｉｄｃｈａｎｇｅｏｆｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｏｆｔｅｎｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｍａｎｍａｄｅｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄｎａｔｕｒａｌｒｉｖｅｒｓ.Ｔｈｅｄａｍｂｒｅａｋｆ?..     

滴灌施肥灌溉的水氮运移数学模拟及试验验证

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，建立了不同土壤中地表滴灌施硝酸铵（NH4NO3）时水分和硝态氮运移的数学模型及边界条件。利用商业化软件HYDRUS-2D对模型进行了求解。为了验证所建立的模型，分别在壤土和砂土两种土壤上进行了不同滴头流量、灌水量和肥液浓度下的湿润距离、土壤含水率和硝态氮分布试验。模拟结果与试验数据的对比表明，利用HYDRUS-2D求解所建立的模型得到的湿润距离随时问的变化过程、土壤含水率和硝态氮分布与实测值吻合良好。因此，HYDRUS-2D软件可以作为预测滴灌施肥灌溉条件下水分和氮素在土壤中运移的有效工具。     

A one-dimensional transport model for multi-component solute in saturated soil

A modified multi-component solute diffusion equation described with diffusion flux was derived in detail based on the classical Maxwell-Stefan diffusion theory. The friction between the solute species and the soil skeleton wall, which is proportional to the relative velocity between the solute species and the soil skeleton, is introduced. The chemical potential gradient is considered the driving force. A one-dimensional model for transport of multi-component solute in saturated soil was developed based on the modified diffusion equation and the modified competitive Langmuir adsorption equation. Numerical calculation of a case of two heavy metal ion species, which was chosen as an example, was carried out using the finite element software COMSOL Multiphysics. A comparative analysis was performed between the multi-component solute transport model developed in this study and the convection-diffusion transport model of single-component solute based on Fick's law. Simulation results show that the transport behavior of each species in a multi-component solute system is different from that in a single-component system, and the friction characteristics considered in the developed model contribute to obstructing the movement of each solute component. At the same time, the influence of modified competitive Langmuir adsorption on solute transport was investigated. These research results can provide strong theoretical support for the design of antifouling barriers in landfills and the maintenance of operation stability.