适应复杂上表面边界条件的一维土壤水运动数值模拟

本文利用有限元法建立了一维土壤水运动数值模型。提出了适应降雨/灌溉、蒸发等复杂的上边界条件的处理方法,可以用来统一计算土壤剖面降雨／灌溉入渗、地表积水、地表产流、蒸发、蒸腾以及当这些现象交替出现时的水分运动过程。在数值计算过程中,采用了质量守恒和特殊的迭代求解格式以加快计算收敛速度和减少水量平衡误差。模拟验证表明：本文模型提出的思路可行,计算方法合理并具有通用性。     

负压自动补给灌溉原理及可行性试验研究

本文提出了一种新型的负压节水灌溉技术，系统在水源高程低于灌水器高程(供水水头为负值)情况下，无需动力加压设备，自动补给实现灌溉作业。理论分析了负压灌溉的基本原理。试验研究了水源与灌水器间不同高程差(H)对灌水效果的影响，试验结果表明：累计入渗量、最大水平和垂直湿润距离随时间呈幂函数变化关系，随高程差呈指数变化关系，相关系数均非常高；湿润锋开始时运移较快，等时间线较稀疏，后来运移变慢，等时间线变密，湿润体近似为椭球体。理论上和试验均说明只要灌水器与水源的高差不超过一定范围，负压灌溉是可行的。     

间接地下滴灌导水装置规格参数模型

本文根据灌水过程中水量平衡原理为间接地下滴灌建立了导水装置规格(直径,高度)参数模型,该模型中综合考虑了滴头流量、灌水定额、土壤水力特性等参数对导水装置规格的影响。通过室内恒定水头钻孔积水入渗试验与Philip模型的应用,研究了不同导水装置规格类型对三维土壤渗吸率S和土壤入渗率A的影响。基于三维土壤入渗率A等于稳定入渗量QS的假定,定量化了导水装置规格模型中的土壤水力特性参数。通过大田间接地下滴灌试验,验证了模型的可行性。结果表明,Philip模型可用于描述三维恒定水头钻孔积水入渗过程,但在土壤类型一定时,三维入渗中的土壤渗吸率S和土壤入渗率A还与导水装置总的透水面积有关。该模型设计的导水装置规格能满足间接地下滴灌灌水过程中水分不外溢的要求。间接地下滴灌灌水过程中变化的渗透面积和恒定水头钻孔积水入渗过程中恒定的渗透面积之间差异的存在,是模型误差产生的主要来源。     

畦灌土壤入渗参数估算的线性回归法

土壤入渗参数是地面灌溉设计的基本参数。针对现有估算方法存在计算工作量较大、精度不稳定的问题进行了研究，提出了畦灌土壤入渗参数的改进计算公式。在70m的畦田长度上等间距布置了8个水位传感器以观测地表水深沿畦长的分布，以及该分布随时间的变化。将畦灌地表水深与离畦首的距离之间的关系按指数函数进行非线性最小二乘拟合，并根据水量平衡原理提出了估算土壤入渗参数的线性回归法，避开了难以定值的地表储水形状系数。实例计算表明，地表水深与离畦首的距离之间呈现较好的指数函数关系，线性回归法估算土壤入渗参数的计算工作量较小，计算精度较高。     

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。     

基于极化雷达的裸露地表土壤水分反演研究

为准确、快速提取大范围裸露地表土壤水分空间分布,以河套平原巴彦淖尔市杭锦后旗陕坝镇灌区土壤水分四极化精细模式雷达监测为例,研究基于RADARSAT-2数据土壤水分提取的技术与方法,选择AIEM模型作为研究区裸露地表土壤水分反演模型的基础,建立适合河套灌区裸露地表土壤水分微波散射的经验模型。应用经验模型对河套灌区地表水分进行反演研究并与实测数据进行相关性分析。结果表明极化组合VV-VH的相关程度高达0.931 1,经验模型能够满足土壤水分监测的需要,优于传统土壤水分分类方法,促进了极化微波遥感在土壤水分监测中的开拓应用。     

沟灌二维入渗参数的影响因素与计算模型研究

为简化沟灌二维入渗参数的获取,本文以室内入渗试验为基础,分析了土壤容重、初始含水量、入渗水头这三个因素对二维和一维入渗参数参数比值的影响,初步建立了由一维垂直入渗参数推求二维入渗参数的多因子计算模型,并对模型分析简化,增加了模型的稳健性,通过大田试验对所建计算模型进行检验。结果表明文中所建二维入渗参数计算模型所求结果为整个灌水田块的均值,其与整个田块全部灌水沟由水流运动数据推求的入渗参数平均值误差不大,且入渗参数k、a增减相反,对累积入渗量的计算结果影响较小,说明本文所建模型对精度要求不高的沟灌灌水方案设计具有一定的指导意义。     

降雨条件下大孔隙土体含水率变化规律研究

为探究发育类型各异的孔隙在降雨条件下引发的优势流效应对土体含水率变化规律的影响,采用一维降雨入渗试验、数值模拟等方法分析孔隙竖直贯通样、死端孔隙样、孔隙各向展布样原状土与重塑土在降雨入渗条件下含水率分布规律及大孔隙渗流特征。结果表明:水流沿土体孔隙由浅至深迁移,浅表层以均匀入渗为主且含水率均匀增大至峰值,而土体深处优势渗流效应占优,其含水率增长模式各异;竖直贯通型孔隙的含水率缓慢增大,后期增长速率小幅增加,水流沿优势通道优先侧渗,下渗速度由慢到快后迅速出流;死端型孔隙的水流在死端位置滞留,深部含水率最高,水流由下渗转变为侧渗延缓出流;各向展布型孔隙的水流先快速通过优势通道后向周围缓慢扩散,含水率的增长速率先增大后减小,水流运移至底部出流耗时较长;双重渗流模型数值模拟能较好地刻画不同大孔隙的发育特征和水分运移规律,可由不同模型参数的取值表征不同孔隙类型的水分迁移特征。     

间歇入渗影响因素的大田试验研究

间歇灌是一种新的地面节水灌溉技术。本文以141组大田连续及间歇单点入渗试验资料为依据,针对陕西关中地区中壤质地土壤,分析了土壤初始含水量、土壤结构及灌水参数等因素对间歇入渗减渗效果的影响。结果表明,土壤初始含水量的大小主要影响入渗过程的初始阶段,对减渗效果影响甚微;随着表土容重增大,减渗率减小;灌水参数对减渗效果有不同程度的影响,其中循环率影响最大。     

Conjunctive Use of Surface Water and Groundwater: Application of Support Vector Machines (SVMs) and Genetic Algorithms

Combined simulation-optimization models have been widely used to address the management of water resources issues. This paper presents a simulation-optimization model for conjunctive use of surface water and groundwater at a basin-wide scale, the Zayandehrood river basin in west central Iran. In the Zayandehrood basin, in the past 10 years, a historical low rainfall in the head of the basin, combined with growing demand for water, has triggered great changes in water management at basin and irrigation system level. The conjunctive use model that coupled numerical simulation with nonlinear optimization is used to minimize shortages of water in meeting irrigation demands for four irrigation systems. Constraints guarantee the maximum/minimum cumulative groundwater drawdown and maximum capacity of irrigation systems. A support vector machines (SVMs) model is developed as a simulator of surface water and groundwater interaction model while a genetic algorithm (GA) is used as the optimization model. Conjunctive use model runs for three scenarios. Results show that the accuracy of SVMs as a simulator for surface water and groundwater interaction model is good and that it is possible to decrease the water shortage for irrigation systems with application of proposed SVMs-GA model.     

基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型(Ⅰ)——模型建立

利用基于地表非稳定流运动方程的地面灌溉模型对畦灌性能进行分析评价是改进传统地面灌溉方式、提高畦灌性能的重要举措，而准确地确定畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数是改善畦灌性能模拟精度的重要前提。本文基于基本遗传算法SGA和地面灌溉一维模型SRFR建立的畦灌土壤入渗参数与田面糙率系数优化反演模型，可在给定的参数值域范围内开展多参数全局性寻优，利用计算机动态解析技术对SRFR模型执行程序进行解析处理，建立SGA与SRFR模型间的内部运行衔接方式，实现畦灌土壤入渗参数与田间面糙率系数优化反演过程的自动化运作，进而有效提高了参数寻优估值的工作效率。     

黄河下游簸箕李灌区田间灌水技术评价与改进

在簸箕李引黄灌区上、下游选择典型试验区，开展了连续2年的冬小麦-夏玉米连作种植模式下的田间灌溉试验。用模拟地面灌溉水流运动的计算机模型——SRFR对各次灌溉试验进行模拟，在标定出灌区上、下游土壤入渗参数的同时，验证了模型的模拟精度。研究对比了模型拟合、实测资料计算以及二者相结合确定田间灌水效率(Ea)和均匀度(Du)的3种方法，并依据得出的各次灌溉的Ea和Du对灌区现行地面灌水技术进行了评价。用SRFR模型对比了灌区上、下游不同畦田状况的灌水技术改进方案，提出了改进建议：上游地区平整土地，适当减小田面坡度；田间灌水效率可从目前的平均0．7提高到0．84；下游地区在平地的同时将现有大于200m的长畦改为100—140m的短畦，田间灌水效率可从目前的平均0．64提高到0．80。     

根据畦田水流推进过程水力因素确定Philip入渗参数和田面平均糙率

根据水流水面线为幂函数曲线假定用满宁水流公式,推求了水流在畦田推进过程的表达式。根据水量平衡原理,建立了利用水流推进过程有关水力因素确定土壤入渗参数和田面平均糙率方法。同时,利用实验资料对所提出的方法进行了检验,结果表明该法所推求的入渗参数与利用推进和消退过程推求的参数相一致。     

Simultaneous one-dimensional water flow and mass transport of conservative solutes in porous media

Three variations of the Galerkin finite element method are used for the numerical solution of the one-dimensional, vertical water flow and mass transport equations in variably saturated porous media. The final result is a system of differential equations with derivatives depending only on time, which are approximated by a relationship leading to a second-order accuracy. Examples of two different soil types (clay loam and sandy) are presented to verify the accuracy of the numerical schemes. In these examples, saltwater is allowed to be infiltrated into the soil profile with different boundary conditions on the soil surface (Neuman or Dirichlet type). In some cases, the infiltration of saltwater is followed immediately by salt-free water.     

由波涌畦灌灌水资料推求土壤入渗参数和减渗率系数

本文根据水量平衡原理，提出了利用大田畦灌灌水资料推求土壤入渗参数的方法，在此基础上，又提出了利用波涌灌水流推进和消退资料确定间歇入渗减渗率系数的方法。实例计算表明，这些方法能简单而有效地求得田间土壤平均入渗参数和减渗率系数。该研究成果为波涌畦灌技术要素设计和灌水质量评价奠定了基础。     

渗流条件下山体土质边坡的蠕变分析

运用改进西原蠕变模型,建立了能反映蠕变全过程的非线性粘弹塑性蠕变模型,结合渗流力学理论得出了平面应变情况下的流固耦合方程。通过算例数值计算对降雨条件下土质坡体特征点的水平和垂直位移进行了分析,结果与现场调查相符。计算结果表明,土质边坡在降雨入渗初期位移变化较大,且水平位移比垂直位移大;降雨入渗具有迟滞效应,雨水渗流主要集中在坡体浅层,加强坡面防护很关键。     

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。     

计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,提出了岛体边界条件,利用缓坡方程建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型。模型适用于变水深水域问题,克服了解析解只能适用于等水深水域的不足。直立圆柱和无穷小厚度岛式防波堤周围波浪传播的数值算例表明,数值解与解析解吻合良好,说明所建立的数值模拟模型能有效地模拟复连通区域内的波浪传播。矩形固定式防波堤周围波浪场的数值模拟说明该模型对工程实际有较强的适应性。     

积水动边界条件下滴灌土壤水分入渗研究（Ⅰ） ——室内试验

为更好地指导滴灌工程实践,针对滴灌土壤表面积水的现象,系统研究了滴灌积水动边界条件下土壤水分入渗规律。通过室内试验,专门对积水条件下不同滴灌流量的滴灌湿润体、土壤水分入渗湿润锋和地表积水范围进行了试验分析,结果表明：积水动边界条件下,滴灌湿润体在灌水后很长一段时间内表现为一平卧的半椭球体。无论是水平湿润锋、垂直湿润锋以及湿润比,还是地表积水范围,都与入渗时间符合较好的幂函数关系。另外,无论滴头流量大小,湿润比随着灌水历时的增加都逐渐变小,但均大于1。滴头流量对地表积水范围的影响很大,地表积水稳定范围及其达到稳定的时间都随滴头流量的增加而增大。同时,地表积水稳定范围与滴头流量也能符合较好的幂函数关系     

开裂混凝土有效导热系数研究:三维模拟与试验验证

利用三维的细观数值模拟,研究了混凝土在单轴拉伸和压缩破坏过程中有效导热系数(ETC)的变化规律,并分别给出拉伸应变、压缩应变与ETC的定量关系。研究发现:(1)拉伸过程中,混凝土试件的ETC在塑性阶段显著下降(23%),但在软化阶段变化很小;(2)压缩过程中,混凝土试件的ETC在塑性强化阶段前期显著下降(30%),在塑性强化阶段后期趋于稳定,而在下降阶段又开始缓慢地减小;(3)骨料与砂浆间界面开裂所形成的界面热阻是导致混凝土ETC在塑性阶段急剧下降的主要原因;(4)开裂强化了混凝土导热性能的各向异性。随后,对单轴压缩破坏混凝土垂直于裂纹方向ETC(C-ETCV)进行了试验测量。数据表明:在单轴压缩过程塑性强化阶段前期,C-ETCV急剧下降20%~25%;在塑性强化阶段后期逐渐趋于稳定。随后利用模拟结果拟合确定了王家俊模型中的界面热阻因子,比较了王家俊模型与试验结果,两者比较吻合,证明了数值方法和王家俊模型的正确性。