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。     

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。     

温室滴灌线源土壤水分运动数值模拟

根据土壤水动力学理论，考虑西红柿根系吸水，建立了西红柿生长条件下温室地表滴灌剖面二维土壤水分运动的数学模型。采用ADI法和Gauess-Seidel法联合求解数学模型，并进行了数值模拟。结果表明，温室土壤水负压的监测值与计算值有着较好的一致性。这对温室地表滴灌灌溉制度的制定具有一定的指导意义。     

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。     

滴灌条件下干旱区农田水盐运移及调控研究进展与展望

以滴灌为代表的节水灌溉技术在我国干旱区大面积推广应用,提高了水肥利用效率,也改变了农田水盐运移模式。一方面,地下水位下降,土壤水与地下水之间的联系减弱,减少了潜水蒸发带来的盐分,使得土壤盐碱化减轻;另一方面,由于缺乏洗盐水量,导致积累在土壤表层的盐分不能及时淋洗入深层,表层土壤盐碱化加重。本文通过回顾滴灌技术在干旱区的应用和研究,系统分析了滴灌条件下干旱区农田土壤水盐运移特点和盐分累积规律,概括了不同作物的水盐响应特征,总结了不同滴灌条件下的土壤水盐数值模型,归纳了目前常用的土壤水盐调控方法。在此基础上提出了需要进一步研究的问题和方向,包括:进一步揭示滴灌条件下土壤水盐运移及累积特征,科学制定农田水盐调控方案;进一步揭示作物水盐耦合响应动力学机制,科学确定调控阈值;发展具有我国自主知识产权的水盐运移和作物生长耦合模拟软件;构建基于生态格局的农田排水和区域盐分处置模式。     

温室熵灌线土源土壤水分运动数值模拟

根据土壤水动力学理论，考虑西江柿根系吸水，建立了西红柿生长条件下温室地表滴灌剖面二维土壤水分运动的数学模型，采用ADI法和Gauess-Seidel法联合求解数学模型，并进行了数值模拟，结果表明，温室土壤水分负压的监测值与计算值有着较好的一致性，这对温室地表滴灌灌溉制度的制定具有一定的指导意义。     

松土覆盖时土壤内水,汽,热传输的模拟

本文根据Ｐｈｉｌｉｐ、ＤｅＶｒｉｅｓ和Ｍｉｌｌｙ的多孔介质中水、汽、热传递的理论，给出了冬小麦苗期松土耕作时的土壤内水热分布的耦合模型，将其数值解结果与实测值进行了对比验证，表明该模型较准确地模拟了土壤水热动态。对土壤内水分动态的模拟表明，松土时土壤内水汽流动在整体水分流动中所占比例较小，但用等温模型与水、汽、热耦合模型模拟，仅开始时用等温模型简化对水分流动的差异较小，随着进一步蒸发，差异将较大，需考虑水汽运动的热效应。因此，在松土保墒条件下，连续蒸发时用非等温模型模拟土壤水分运动状态是十分必要的。     

冻融期膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律研究

为探究冻融期膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律,于2016年12月～2017年4月在石河子大学节水灌溉试验站进行田间试验。结果表明:在3月4日棉田土壤最大冻深为60 cm。土壤温度受气温变化的影响随深度增加而逐渐减弱,并表现出一定的滞后性,土壤温度变化的滞后性随深度增加没有一定规律性。土壤冻结期,土壤水分由非冻结层向冻结层运移,盐分随着土壤水分自土壤深层向表层聚集;土壤消融期,在强烈地表蒸发作用下土壤表层水分下降,土壤盐分不断向地表运移,使上层土壤盐分含量升高。冻融过程使土壤各土层的水分自上而下呈现出增加-减少-增加的变化规律,形成土壤水分再分布现象。而土壤盐分呈现积盐-脱盐-返盐的规律,形成土壤盐分再分布的现象。冻融期土壤水分和土壤盐分的变异性变化趋势基本保持一致,符合盐随水走的运移规律。冻融过程中90 cm处的土壤水盐和变异系数都达到最大值。该研究结果对绿洲膜下滴灌可持续发展以及土壤次生盐碱化的防治,有着重要的意义。     

冬小麦生长条件下土壤氮素运移动态的数值模拟

将土壤溶质运移理论和土壤微生物化学、植物生理学有机地结合起来,建立了农田土壤氮素运移、转化与吸收的综合数学模型。运用该模型对中德合作项目试验田1999～2000年冬小麦优化施肥与传统灌溉和优化施肥与优化灌溉两小区的土壤水分和氮素运移动态及干物质产量进行了模拟。模拟结果与实测数据吻合较好。两小区土壤剖面埋深165cm处硝态氮淋失量的计算结果表明：与传统灌溉方式相比,优化灌溉方式的土壤硝态氮的淋失量明显减少。用验证后的数学模型在计算机上进行了几种不同灌溉方案下土壤水氮运移动态及干物质产量变化的数值试验,结果表明：在喷灌条件下,冬小麦以每l0d灌溉一次,每次20mm水量的灌溉方式较优。     

土壤水热与根系吸水模型研究进展及其在西藏研究展望

在土壤根区水分运动规律的研究中,通常以土壤水热耦合模型来定量描述和预测土壤水分变化规律,以根系吸水模型来模拟作物根区根系吸水机理及过程。西藏高寒地区低压低氧、强辐射、近地层冷热交换频繁,加之土层稀薄,浅层土壤水转化过程复杂,作物生长受水热胁迫影响较为明显,作物根区的水热耦合作用对根系吸水及能量传输和物质运移影响显著。为了进一步探求西藏地区特殊水热条件下的根区水热运移机理,摸清西藏高寒区作物根系吸水规律,就国内外土壤水热耦合模型和根系吸水模型的相关研究做了综述,针对西藏地区特有的水热条件,建议将水热耦合模型与根系吸水模型结合应用,构建考虑水热耦合因素的根系吸水模型,以更好地适应当地实际,揭示根系土壤水分运动规律。     

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。     

作物生长与土壤水氮运移联合模拟的研究Ⅰ——模型

在前人研究成果的基础上，构建了土壤-作物系统农田水氮运移及作物生长联合模拟模型SPWS。模型中，采用了FAO的气象模型来完成参考作物潜在蒸散的计算，直接引用美国HYDRUS1D模型来完成土壤水热运移的数值模拟，并利用改进的溶质运移方程来实现土壤氮素迁移转化的模拟，利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及光温条件下作物产量的模拟。通过对叶面积指数、根系吸水的模拟，得到了水分限制下的作物产量；通过对作物需氮量、土壤供氮量及作物实际吸氮量的模拟，得到了水氮限制下的作物产量。     

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。     

考虑滞后效应与吸附作用的非饱和土SWCC分形模型

传统土-水特征曲线(SWCC)模型的研究仅考虑了土壤基质势的毛细组分而忽略了吸附组分,高估了土壤在低饱和度范围的基质吸力。针对该问题,假设土壤孔隙系统可用一簇带有孔喉的毛细管表示,且其孔径分布服从分形规律。在此基础上将土壤中水分运移分为2个阶段,即毛细水与吸附水共同参与水分运移阶段,以及仅吸附水参与水分运移阶段,推导得到了可以反映全基质吸力范围土壤持水特征及滞后效应的SWCC模型。最后采用已有的试验数据与研究结果对得到的本构模型进行验证,结果表明所提出的SWCC模型预测曲线与试验数据吻合良好,且相比已有方法可更好地描述非饱和土SWCC的持水特性,证明了该模型的合理性与可行性。     

地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟

在大气－土壤－地下水连续系统中，本文将土壤水－地下水部分动力学理论和数值模拟技术结合的方法，研究了地下水与土壤盐渍化关系，并进行了动态模拟。在完成土壤水盐数据自动采集系统研制、水盐运动参数测定，数学模型建模识别，数值计算方法选择评价４项基础研究后，针对干旱区的一个大型灌区土壤－水环境中溶质迁移动态进行了系统模拟，获得复杂环境条件下多因子、多处理组合模式化的图谱，有助地下水与土壤盐渍化定量关系深入揭     

蓄水条件下蓄水沟水体与相邻土壤的盐分运移规律研究

在盐碱地治理“改排为蓄,水地共处,和谐生态”的卤泊滩模式中,通过调整蓄水沟水位高低和含盐浓度的动态变化,使土壤中盐分扩散运移,循环加速压盐,改变土壤盐分在垂直方向上的分布,从而实现对盐碱地的治理。本文通过试验和数值模拟的办法对这一新的机理给予研究。在蓄水条件下,对水体与土壤相邻体进行室内试验观测盐分扩散及平衡规律;针对研究对象,建立盐分运动数学模型,并进行模拟计算。分析了蓄水水位高、水中盐分浓度小情况下,土壤中盐分快速扩散到水体中,以及蓄水水位低、水中盐分浓度高情况下,水体中盐分快速扩散到土壤中的运移规律     

地表点源滴灌土壤水分运动的动力学模型与数值模拟

本文提出了一种地表点源土壤水分入渗的数值模拟模型.采用ADI隐式差分格式将土壤水分入渗方程离散，用Gauess-Seidel迭代算法求解非线性差分方程.利用质量平衡原理对地表饱和区进行了动态处理.结果表明，数值计算结果较吻合于实测数据，所提出的数值模型既适用于均质土壤，也适用于成层土壤.