地膜覆盖条件下SPAC系统水热耦合运移模型的研究

本文建立了地膜覆盖条件下SPAC系统水热耦合运移模型。该模型由大气、植物冠层、地膜覆盖层和土壤四层组成。根据能量平衡原理建立了各层的能量平衡方程。采用牛顿-莱普森方法和有限差分法求解了各能量平衡方程和土壤水分及温度剖面，并用冬小麦的实测资料对模型进行了验证，结果表明模型具有一定的精度。此外，本文对SPAC系统中的阻力项进行了探讨。     

求解SPAC系统水热输移的耦合迭代计算方法

根据描述ＳＰＡＣ系统蒸腾蒸发及土壤水热状况的物理模型，导出了反映群丛蒸腾蒸发与土壤水热状况互为作用的冠层湿温方程，提出了能定量描述二者耦合关系，并能同时求解二者的耦合迭代法。经检验，该方法模拟结果可靠。     

SPAC系统中的水热CO2通量与光合作用的综合模型（I）模型建立

本文建立了模拟农田SPAC（Soil-Plant-Atomosphere Contiuum)系统中土壤水分动态，蒸发蒸腾，CO2通量和光合作用的模型，模型包括土壤流水力子模型，根系蒸腾子模型，冠层阻力－光合作用－CO2通量子模型几个组成部分，土壤水流子模型采用土壤水充的连续议程来描述，根系吸水子模型采用了根据Feddes模型改进得模型，蒸发蒸腾子模型采用Shuttleworth-Wallace公式，采用叶片水平的气孔阻力－光合作用模型，并将其扩展到冠层尺度来确定冠层阻力，光合作用速度以及叶敢也下腔的CO2浓度，并进而确定冠层的CO2通量，本模型的特点是尺可能采用简便的处理方法来描述SPAC系统中的水，热，CO2传输过程与光合作用过程，同时各个子模型又具有较强的机理性。     

基于SPAC系统机理模型的火龙果灌溉管理研究

火龙果作为广西重要的经济作物,合理的灌溉管理对于产量提升和水资源高效利用具有重要的意义。针对目前果园粗放式灌溉管理形式,本研究旨在利用SPAC系统机理模型,模拟分析不同灌溉情形下火龙果的水分胁迫情况,并结合实际管理条件,提出合理的灌溉管理方式。研究结果表明:无灌溉情况下,火龙果在夏秋季遭受明显的干旱;结合现状管理条件,灌溉发生时的水分胁迫指数下限阈值可设定为0.95,保证果园水资源高效利用和火龙果高产。     

基于水热耦合模型的干旱寒冷地区冻融土壤水热盐运移规律研究

运用水热耦合模型（SHAW）对内蒙古河套灌区3种盐渍化土壤冻融期水热盐的动态变化进行了模拟研究。研究结果表明：重度盐渍化土壤累积蒸发量最大,主要是由于土壤中盐分含量较大,降低了土壤的冰点,延长了土壤的冻结时间,从而增大了土壤的蒸发量,导致翌年土壤水分大量损失,影响作物播种出苗和发芽。而且重度盐渍化土壤在冻结和融解过程中表层盐分聚积严重,而中度和轻度盐化土壤在冻结期和融解期盐分增加幅度略小一些;当秋浇定额大于150mm时,其中30%～50%水量储存于0～1m土层中,具有明显的储水保墒作用。秋浇定额和秋浇时间对于土壤蒸发量以及1m土层的储水量和含盐量的影响只是在冻结前影响较大。     

冻结条件下非饱和土水、热、溶质耦合运移模拟

冰土地带在我国有广泛的分布,研究冻土的物理力学性质对在冻土地带建设各种工程具有重要意义。以土壤水动力学、土壤溶质运移、冻土物理学为基础,建立了在冻结条件下非饱和土壤水、热、溶质耦合迁移的数学模型,采用Crank-Nicolsen差分格式及线性化迭代法进行求解。通过模拟结果与实测结果对比,发现取得了较好的效果,表明数学模型和计算方法是可靠的,为研究含多种溶质的水、热、溶质耦合运移以及田间水、热、溶质耦合运移奠定了一定基础。     

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。     

基于水热耦合平衡方程的六冲河上游流域径流变化归因分析

以贵州省六冲河上游流域为研究区域,首先通过Mann-Kendall检验和Pettitt法对六冲河七星关站年径流变化进行趋势和突变分析,找出突变点,再运用水热耦合平衡方程对突变点前后径流变化进行归因分析,通过对降水、潜在蒸散发以及下垫面的弹性系数进行敏感性分析,最后计算出降水、潜在蒸散发以及下垫面对径流变化的贡献率。结果表明:六冲河上游径流深在1971—2009年呈现显著下降趋势,在1986年发生显著突变,比较降水量、潜在蒸发量和下垫面指数对径流变化的敏感性,发现降水量弹性系数最大,其次是下垫面指数,最后是潜在蒸散发,表明径流对降水量的变化最为敏感,计算三者对径流显著减少的贡献程度,发现降水减少对径流减少的贡献率高达113.3%,其次是下垫面变化的影响,贡献率为14.4%,最后是潜在蒸散发增加带来的影响,贡献率为-27.7%。     

已知滑动面边坡稳定安全系数的有限元迭代解法

本文提出了在滑动面已知条件下的边坡抗滑稳定安全系数的弹塑性有限元迭代解法。这种方法比常规的刚体极限平衡解法更能反映实际情况,可适用于解决二维或三维问题,同时可给出滑面上的应力场和位移场。文中给出了具有闭合解的二维和三维算例,结果表明本文提出的计算方法是有效、合理和可靠的。     

任意时间尺度上的流域水热耦合平衡方程的推导及验证

本文通过量纲分析和数学推导得到能用于任意时间尺度上的水热耦合平衡方程,该方程含有唯一参数.利用我国位山实验站和俄罗斯西伯利亚Yakutsk实验站的通量观测数据进行的验证表明,该公式能很好地模拟月、旬和日时间尺度上的实际腾发量;利用黄河流域4个子流域的水文气象数据进行的验证表明,该公式能很好地模拟年尺度上的实际腾发量.位山站的数据分析还表明该方程中的唯一参数与叶面积指数有较好的线性关系.可以证明,该方程在长的时间尺度上与Budyko假设一致,在短的时间尺度上与Penman正比假设一致.     

基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法

讨论有限元强度折减法的失稳判据,结果表明:失稳判据对安全系数影响较大,对临界滑动面形状和位置的确定影响不大。在此基础上,提出基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法,先用强度折减法搜索滑动面,再按滑动面已知边坡用迭代解法求解稳定安全系数。该方法充分结合了强度折减法和迭代解法的优点,求解边坡稳定安全系数时效率快、精度高,可为实际工程参考应用。     

叶尔羌灌区冬小麦生育期SPAC水热传输的模拟研究

本文应用土壤水动力学、微气象学和能量平衡原理，建立了作物生育期土壤-植物-大气连续体(SPAC)的水热迁移和转化模型，并采用全隐式有限差分方法进行离散，通过自动调节计算步长和反复迭代等方法设计了数值模拟程序.运用本模型对新疆叶尔羌河流域地下水均衡场1995年3月～6月冬小麦返青至成熟期的田间水热状况进行了模拟.结果证明，该模型较真实地反映了非冻结期作物生长过程中土壤中的水热状况以及地表和作物蒸散发的动态变化过程，可用于墒情预报以及农田蒸散发的研究。     

求解对流扩散方程的一种高分辨率有限体积-有限元方法

此文研究在无结构三角网格上求解对流扩散方程的有限体积-有限元方法,设计了一种新的适合于多边形作为控制体的顶点中心型的二维无结构网格方法的vanAlbada型限制器函数,并在此基础上给出了一种新的求解对流扩散方程的有限体积-有限元方法。数值实验结果表明,此文给出的van Albada型限制器函数有效地改进了多边形作为控制体的顶点中心型的有限体积法的收敛性能,给出的求解对流扩散方程的有限体积-有限元方法在精确度上有明显改进。     

数值求解 Boussinesq 方程的有限元法

本文基于有限元方法，采用线性单元，通过节点周围单元内的一阶导数的加权平均来确定单元节点上变量的一阶空间导数值，建立了求解Boussinesq方程的数值计算模型，模型中，时间的积分采用Adams-Bashforth-Moulton预报-校正法，对波浪传播情况的计算表明该模型可以给出令人满意的结果。     

SPAC系统中的水热CO_2通量与光合作用的综合模型(Ⅰ)模型建立

本文建立了模拟农田SPAC (Soil Plant AtmosphereContinuum)系统中土壤水分动态 ,蒸发蒸腾、CO2 通量和光合作用的模型 .模型包括土壤水流子模型 ,根系吸水子模型 ,蒸发蒸腾子模型 ,冠层阻力 -光合作用 -CO2 通量子模型几个组成部分 .土壤水流子模型采用土壤水流的连续方程来描述 ;根系吸水子模型采用了根据Feddes模型改进得到的模型 ;蒸发蒸腾子模型采用Shuttleworth Wallace公式 ;采用叶片水平的气孔阻力 光合作用模型 ,并将其扩展到冠层尺度来确定冠层阻力、光合作用速度以及叶片气孔下腔的CO2 浓度 ,并进而确定冠层的CO2 通量 .本模型的特点是尽可能采用简便的处理方法来描述SPAC系统中的水、热、CO2 传输过程与光合作用过程 ,同时各个子模型又具有较强的机理性 .     

土壤-植物-大气系统水热传输的研究

近代对水分循环的研究,倾向于将土壤-植物-大气视为物理上的连续体,称之为SPAC系统。本文应用土壤水动力学、微气象学和能量平衡原理,建立了作物生育期SPAC系统的水热迁移和转化模型,并采用全隐式有限差分法进行离散,通过自动调节计算步长和反复迭代等方法设计了数值模拟程序,对冬小麦返青至成熟期的水热状况进行了模拟,结果表明,模型真实地反映了作物生长过程中土壤的水热状况和蒸散发动态过程,可用于田间墒情预报,并制定适宜的灌溉定额。     

基于最小二乘的N-S方程算子分裂有限元法

提出一种新的求解N S方程的有限元法,即基于最小二乘的N S方程算子分裂有限元法。该算法采用算子分裂法将N S方程分解成扩散项和对流项:扩散项时间离散采用向后差分格式,空间离散采用标准Galerkin有限元法;对流项时间离散采用向后差分格式,空间离散采用最小二乘有限元法。应用该算法对方腔流和后台阶流进行数值模拟,方腔流数值计算结果与标准解吻合很好;在后台阶流数值模拟中给出了不同雷诺数下的流场特征和速度对比曲线,所得计算结果与试验结果吻合较好,表明基于最小二乘的N S方程算子分裂有限元法具有较好的收敛性和较高的精度。