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。     

基于HYDRUS的微润灌溉线源入渗数值模拟

为探究微润灌溉在沙壤土中的入渗规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立1.0、1.5、2.0 m三种水头下微润灌溉土壤水分运动的数学模型。利用HYDRUS(2D/3D)软件对模型进行求解,求解结果表明:微润灌溉入渗流量随水头的增大而增大;湿润体沿渗灌管呈圆柱形分布,相同灌水时间下,湿润体大小随水头的增大而增大,湿润锋运移速率在灌水48 h内迅速减小,之后逐渐趋于稳定;含水率等值线为以渗灌管为中心的同心圆,平均含水率随水头的增大而增大,灌水均匀度随水头的增大而减小。为了验证软件模拟的精确性,将田间试验结果与模型模拟值进行对比,结果表明:模拟值与实测值无显著性差异,两者具有较好的一致性,说明HYDRUS软件可用于模拟微润灌溉条件下土壤水分运动及设计地下线源入渗灌水策略。     

夹砂层土壤膜孔灌水分入渗规律数值模拟与试验验证

为认识膜孔灌条件下具有砂质夹层土壤的水分入渗规律,应用非饱和土壤水动力学理论,基于Richard方程建立了膜孔灌夹砂层土壤水分入渗数学模型,利用SWMS-2D软件求解,并采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、偏差百分比(PBIAS)和纳什效率系数(NSE)对累积入渗量、湿润锋运移距离和土体剖面含水量的实测数据与模拟数据进行统计分析。结果表明:MAE值和RMSE值接近0,PBIAS10%(PBIAS=-6.36%~-0.81%),NSE接近1(NSE0.97),表明两者具有较好的一致性。所建模型可以较准确地反映夹砂土体膜孔灌水分入渗状况,证明SWMS-2D可以作为研究工具来模拟分析夹砂土体膜孔灌土壤水分入渗特性。     

不同灌溉方式对土壤水分、棉花生长性状及产量的影响

为了探讨不同灌水方式对土壤水分、棉花生长性状及产量的影响,通过测坑试验,设定膜下滴灌、地下滴灌、微润灌3种灌溉方式,利用PR2测定土壤水分状况,并对棉花生长性状进行连续监测。结果表明,土壤湿润体大小关系为:膜下滴灌地下滴灌微润灌,其中微润灌较地下滴灌土壤湿润体水分分布更均匀;微润灌所形成的土壤湿润体对棉花株高、茎粗、叶面积指数的生长促进作用弱于膜下滴灌和地下滴灌;微润灌条件下棉花水分利用效率最高,其灌溉定额大幅减小的情况下,其产量仅降低了15.7%~17.7%,该灌溉方式有较大的节水潜力。     

冬小麦土壤棵间蒸发和植物蒸腾求解方法

土壤棵间蒸发和植物蒸腾量是农田土壤中水流运动和溶质运移与转化模拟计算的两个非常重要的变量,由于条件所限,其值在有作物覆盖的地表很难测得,通常只能用蒸发器量测当地的水面蒸发.本文根据青浦农田试验站1997～1998年度小麦生长期间的日降雨量、排水出流量、水面蒸发量和土壤含水率等资料,在土壤水分平衡基础上利用经验公式对土壤棵间蒸发量和小麦蒸腾量进行计算,最后用土壤水流运动SWMS-2D模型[1]进行验证.     

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。     

入渗条件下地表积水问题的理论分析及应用

本文对渗流的数值模拟中遇到的边界积水问题进行了理论上的推导，进而在通用的二维渗流模型SWMS-2D中实现了该边界的处理，并通过典型算例和实际应用对程序的正确性和实用性进行了检验。研究结果表明积水边界条件在SWMS-2D中的实现是正确和有效的。     

作物生长田间水分平衡的系统模拟

以作物生长模型MACROS(L1D)为基础，建立了土壤水分运动和作物生长耦合关系综合模拟系统. 着重介绍了SPAC体系水分运动子模型，并对土壤水分运动模拟的结果和各类参数的灵敏度等进行了分析.最后，应用该模拟系统对南方多雨地区冬小麦田土壤水分平衡和土壤渍害的发生过程进行了模拟分析。     

基于HYDRUS模型不同灌水模式下土壤水盐运移模拟

以田间试验为基础,应用饱和-非饱和土壤水分及溶质运动理论,利用HYDRUS-1D/2D数值模型对内蒙古河套灌区不同灌水模式下土壤水分、盐分运移规律进行数值模拟,分析了不同灌溉条件下的水盐运移状态,并将模拟结果与田间试验实测结果进行对比分析。研究结果表明,在相同灌水定额下,100cm土体内沟灌条件下生育期土壤盐分含量平均值比畦灌条件下土壤盐分含量平均值降低24.4%,沟灌可以有效控制土壤盐分的累积。利用HYDRUS模型对土壤水盐运移的模拟结果能够为灌区的水盐管理提供科学依据。     

蓄水坑灌条件下土壤水分运动的数值模拟

本文以非饱和土壤水分运动理论为基础，根据蓄水坑灌法土壤水分入渗的特点，建立了蓄水坑灌条件土壤水分运动的数学模型，并用有限差分法进行求解。同时用试验资料对模型进行验证，并用模型计算结果分析了蓄水坑灌条件下土壤初始含水率对土壤水分分布的影响，能为蓄水坑灌法的合理设计提供了一定的参考。     

南方丘陵区多层土壤结构水平和垂向渗流特征试验与模拟研究

南方丘陵地区地形起伏,上下游田块及田块内部不同层之间土壤质地差异较大,存在复杂的水分转化关系。为揭示该地区田块内多层土壤水分运动规律,在湖北省漳河水库灌区团林灌溉试验站,开展田块变化水层条件下水分通过犁底层垂直入渗以及通过耕作层侧向入渗试验,观测土壤累积入渗量及各层含水率的变化过程;建立基于HYDRUS-2D的土壤水分二维渗流模拟模型。经验证,模型模拟值和田间实测值基本吻合;试验发现由于土壤性质差异,田块犁底层的存在会抑制水流的垂直运动,减少深层渗漏,但同时增强了水流沿耕作层侧向运动的能力。试验期间,水分沿犁底层平均垂向入渗速率为0.094 cm/min,沿耕作层平均侧向入渗速率为0.138 cm/min;入渗稳定后,渗漏水量占田面累积入渗量的21.11%,其中垂直渗漏水量占0.46%,侧向渗漏水量占20.65%,耕作层侧向渗漏水量占侧向渗漏水量的81.06%。结果表明,土壤侧向渗漏对水量损失的贡献较大,控制田块渗漏特别是耕作层侧向渗漏对南方地区节水减排具有十分重要作用。     

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.     

蒸发条件下土壤水分再分布的动力学研究

通过测定和拟合土壤水分特征曲线中的主脱水线和主吸水线，用Mualem滞后模型计算各扫描线的比水容量和导水率，对蒸发条件下土壤水分再分布进行了动力学模拟。研究表明，考虑滞后作用有效地提高了水分再分布的模拟精度，充分显示了水势梯度是土壤水分迁移的动力，而不完全是含水量的差异；土壤水分含量的大小不能体现水分利用的有效性；滞后作用减缓了湿润锋的前进速度和表层的干燥速率，考虑滞后作用数学模型更能反映土壤水分运动的动力学微观特征。     

不同微润管埋深土壤水分入渗特性及对小白菜根系生长的影响

为探明微润灌条件下微润管不同埋深对土壤水分入渗及作物根系生长的影响,分别开展了室内土箱入渗试验和室外大棚小白菜种植试验,设置了3个不同埋深处理:T1(埋深10 cm)、T2(埋深15 cm)、T3(埋深20 cm),室内入渗试验考察不同微润管埋深对土壤水分累计入渗量、土壤湿润锋运移的影响,室外试验考察不同微润管埋深对小白菜主根长、主根直径、根体积、大于2 mm的一级侧根数等根系指标的影响。室内试验结果表明:3个处理单位长度微润管的累计入渗量都随着时间延长呈线性增加趋势,T2入渗速率最大,T3最小,T1、T2分别比T3大43.48%、67.55%;各埋深处理水平方向上的湿润锋向右运移规律和向左相同,T1、T2扩散速率要远大于T3,且T1T2;在湿润锋向上运移到达地表之前,各埋深处理湿润锋垂直向上和向下运移规律基本相同,重力作用影响不明显,扩散速率均为T1T2T3;湿润锋形状变化过程方面,T1由上下方向长度较大的椭圆逐渐过渡到水平方向长度较大的椭圆,T2为上下方向长度大于水平方向长度的椭圆,T3先为水平方向长度大于上下方向长度的椭圆,然后逐渐过渡到上下方向长度大于水平方向长度的椭圆。室外大棚试验结果表明:除主根长指标外,其余根系指标微润管各埋深处理均好于地面漫灌,且微润管埋深15cm时对小白菜根系发育最有利。研究成果可以为相关生产实践提供支持。     

东北寒区黑土稻田土壤水分剖面二维运动规律研究

为揭示东北寒区黑土稻田分层土壤水分二维运动规律,选择黑龙江省庆安灌溉试验站稻田土壤开展控制灌溉水层及地下水位条件下分层土壤与均质土壤室内入渗试验。设计装置分层收集侧渗水量,定量识别分层土壤垂直渗漏与侧向渗漏,并基于HYDRUS-2D软件建立水分二维运动模型。结果表明土壤水力特性参数反演效果较好,模型模拟值与实测值吻合;土壤的分层结构抑制了水分入渗,降低了水平侧渗速率及垂直渗漏速率,分层土柱犁底层基本无侧渗输出,耕作层与底土层稳定后的侧渗速率分别为0.007和0.023 cm/h。进行水量平衡分析,分层土柱入渗稳定后侧向渗漏占总渗漏的72.45%,主要通过底土层输出(63.42%);引入"单宽侧渗量"表示不同控制条件下土壤的侧渗输出,灌溉水层的增加显著增大了耕作层与底土层土壤的单宽侧渗量,控制灌溉水层有利于减少侧渗,提高用水效率;犁底层厚度增加主要贡献底土层的单宽侧渗量,反之,地下水位埋深增大则降低了底土层的单宽侧渗量,因此维持稻田适宜的犁底层厚度及地下水位埋深有利于减少深层渗漏损失。     

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。     

表层土壤饱和导水率的空间变异对农田水分渗漏的影响

本文将条件模拟方法所得到的表层土壤饱和导水率(Ks)的随机场与土壤水分运动模型相结合，随机地模拟了冬小麦地1999年3月10日～6月10日这一时段的农田水分渗漏情况。总来水量为 353.8mm(灌水量270mm)的情况下，2m土体水分渗漏量最小值为23.73mm，最大值达到了64.73mm，分别占此段灌水量的8.8％和24.0％。另外，比较了实测法、克立格插值法和100次条件模拟得到的水分渗漏量结果，发现条件模拟法与实测法的结果较接近，而克立格插值法具有明显的“平滑效应”，缩小了农田水分渗漏量的范围。这3种方法均反映了表层土壤Ks空间变异对农田水分渗漏的影响，其结果均要好于传统方法。     

浅层包气带土壤水昼夜分布变化规律模拟研究

西北干旱半干旱地区,浅层包气带含水率与地温等地下水文要素的分布特征对保护旱区表生生态环境起到至关重要的作用。以鄂尔多斯风沙滩地区原位土柱试验为基础,采用HYDRUS-1 D对一维入渗过程的水蒸汽变化、含水率和温度分布进行数值模拟并通过实测值进行验证。结果表明:温度梯度对浅层包气带土壤含水率昼夜变化及水蒸汽通量分布起到主控作用;日尺度剖面水蒸汽运动过程可分为3个阶段:阶段1(1:00-7:00),阶段2(8:00-16:00)及阶段3(17:00-23:00);当温度梯度方向向上,水蒸汽通量向上运动时,含水率变小,反之,含水率变大。利用HYDRUS模型分析水蒸汽的运动规律,揭示了土壤温度对土壤水分布的影响机制,为旱区蒸发过程及生态环境保护提供科学依据。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律，推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数，获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合，其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率，基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法，将用此方法估计的参数值与理论值进行比较，并进行了模型中参数的敏感性分析，结果表明本研究所求得的参数有较高的精度，为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。