沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。     

基于畦面糙率各向异性的畦灌地表水流运动模型及其验证

选取合理的畦面糙率模型,对于利用畦灌水流数值模型准确地评价和优化畦灌系统性能具有重要的理论与现实意义。该文利用二维全水动力学畦灌模型,采用张量逆运算等数学处理方法,在源项糙率矢量中构建畦面糙率各向异性模型,构建起基于畦面糙率各向异性的二维畦灌地表水流运动模型。基于典型畦灌试验结果对比分析糙率各向异性与各向同性畦灌模型的模拟效果。结果表明,与各向同性相比,所有实例各向异性糙率值下的水流推进过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小3.08～6.83百分点,水流消退过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小2.5～6.81百分点。采用各向异性糙率描述畦灌地表水流运动过程,可明显改善畦灌模拟效果,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了实用可靠的数值模拟工具。     

黄土区波涌畦灌条件下地表水流运动实验与数值模拟

探讨了西北黄土区波涌畦灌条件下地表水流运动问题,在室内重复进行了黄土坡地波涌畦灌实验,建立了相应的数学模型,采用有限差分法求得的数值解与实验观测过程拟合良好,证明了模型的可行性。同时,依据实验及数值模拟的结果分析了波涌畦灌地表水流运动的一般特性。     

考虑尺度效应的瞬时输入溶质运移模型及解析解

为探索土壤环境中尺度效应对溶质运移的影响,建立了瞬时输入条件下考虑尺度效应的溶质运移模型。通过Laplace变换和复变函数理论得到了模型的解析解,并利用解析解分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响。结果表明：随着土壤弥散尺度效应的增强,土壤中溶质浓度分布范围越广,浓度峰运移的距离越大,但浓度峰值越小;随着入口弥散系数（D0）的增加,溶质运移的范围更大,溶质浓度峰值越小,但浓度峰运移的距离几乎没有变化;随着入口孔隙水流速度（v0）的增加,溶质浓度峰运移的距离越大,溶质的运移锋面越远,而溶质浓度峰值及溶质浓度分布范围几乎没有变化。用一维8 m 长土柱中的溶质运移试验资料对所推解析解进行验证,模拟结果与试验结果吻合较好,决定系数可达0.95以上。结果表明所推得的解析解可用来模拟预测较大尺度上溶质运移过程,为土壤环境治理等实际工程提供理论依据。     

地面灌溉技术参数对氮素运移分布影响的研究进展

地面灌溉是应用最广泛的灌水方法，通过优化地面灌溉设计和管理减少水氮淋失，正在成为研究的热点问题，该文对有关成果进行了综述。由于地面灌溉的尺度较大，加之土壤水力参数和溶质运移参数的空间变异，使得地面灌溉施肥条件下溶质(N)运移分布的田间试验研究，无论在技术上还是在投入上都具有一定难度。有关沟灌、畦灌和水平畦田灌溉施肥时水氮分布的田间试验结果指出，肥料(N)分布没有入渗水深分布均匀，且与土壤初始含水率、流量、土壤入渗参数、田面糙率和施肥时机等因素密切相关。在模拟研究方面，文献中报道的模型有纯对流模型、对流-弥散模型、基于活塞流的水平衡模型和传递函数模型等。鉴于地面灌溉条件下水氮运移的复杂性，在水氮运移分布的数学模拟、灌水技术参数和施肥方式对水氮淋失的影响以及灌溉施肥质量评价指标体系等方面尚需要进一步研究。     

基于混合数值解法的一维全水动力学畦灌模型

数值模拟畦（沟）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。该文采用时-空混合数值解法构建起一维全水动力学畦灌模型,并基于典型畦灌试验结果,对比分析采用混合数值解法和Roe有限体积法数值求解一维畦灌全水动力学模型在数值计算稳定性与收敛性、计算精度与效率间的差异,验证基于混合数值解法的模型模拟效果。结果表明,混合数值解法要比Roe有限体积法表现出更佳的数值计算稳定性和收敛性,形成的水平衡误差和平均相对误差相对较低,相同度量环境下的计算效率提高2倍以上。基于混合数值解法的一维畦灌全水动力学数值模拟方法可明显增强数值计算的稳定性和收敛性,有效提高了计算精度和效率,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了可靠的数值模拟手段。     

阿特拉津在饱和砂质壤土中非平衡运移的模拟

针对农药阿特拉津在稳定流场饱和砂质壤土中的运移 ,根据平衡与非平衡假设条件下对流—弥散方程数学模型的解析解 ,基于易混合置换实验获得的阿特拉津和示踪溶质Br- 的穿透曲线及批量平衡法求得的阻滞因子 ,应用CXTFIT 2 0软件 ,通过拟合土柱实验中溶质的出流浓度变化 ,估算了模型的有关参数 ,在此基础上模拟分析了实验土柱不同埋深处阿特拉津的出流浓度和累积淋溶量动态 ,结果表明 ,化学非平衡的两点模型对本文实验条件下阿特拉津运移的仿真具有较高的精度     

阿特拉津在饱和砂质壤土中非平衡运移的模拟

针对农药阿特拉津在稳定流场饱和砂质壤土中的运移 ,根据平衡与非平衡假设条件下对流—弥散方程数学模型的解析解 ,基于易混合置换实验获得的阿特拉津和示踪溶质Br- 的穿透曲线及批量平衡法求得的阻滞因子 ,应用CXTFIT 2 .0软件 ,通过拟合土柱实验中溶质的出流浓度变化 ,估算了模型的有关参数 ,在此基础上模拟分析了实验土柱不同埋深处阿特拉津的出流浓度和累积淋溶量动态 ,结果表明 ,化学非平衡的两点模型对本文实验条件下阿特拉津运移的仿真具有较高的精度     

柑橘地土壤溶质优先运移研究

通过室内原状土柱与重塑土柱对比实验,应用溶质穿透曲线研究柑橘地土壤优先流及溶质优先运移的特征。结果表明:柑橘地原状土柱土壤穿透曲线表现出了上升阶段的拐点现象,是优先流与基质流共同作用的结果。原状土柱土体穿透曲线下降初期较陡,并表现出了较长的拖尾特征,重塑土柱下降趋势相对稳定。存在优先路径的土体出流速率稳定性较差,变异系数较大,其平均出流速率是重塑土柱出流速率的3.5倍。优先流作用使溶质相对浓度到达峰值的时间缩短了37.7%,此时造成的溶质运移量却是平衡基质流所造成的溶质运移量的2.5倍,因此优先流能够导致土壤溶质的快速大量迁移。     

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

考虑灌溉参数空间变异的区域畦灌模拟与验证

精确评估区域畦田灌水质量有助于提高农田灌水管理水平,而具有空间变异性的灌溉参数如何有效表征是影响区域畦田灌水质量精确模拟评价的关键因素。为此,该研究的目的在于借助Monte-Carlo抽样,建立考虑畦灌参数空间变异性的区域畦灌模拟方法。采用Monte-Carlo抽样将具有空间变异性的区域灌溉参数(如入畦单宽流量、土壤砂粒含量、黏粒含量、土壤容重等)离散表征为若干个灌溉参数样本,依次输入田块尺度畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型,以模拟评价区域畦灌过程。基于3次区域畦灌试验的实测数据和1个对比的确定性畦灌模拟方法,验证建立的模型的模拟效果。结果表明,所建模拟方法与确定性模拟方法模拟计算的灌水效率和灌水均匀具一定差异,所建模型的模拟值与实测值间的灌溉定额和田间水利用系数相对误差分别为9.95%~12.23%和8.39%~10.21%,而基于现有模型的相对误差则分别为14.15%~16.78%和13.87%~15.88%,畦田平均土壤含水率实测值与所建模型模拟值的累积分布趋势表现出良好的一致性。上述指标表明所建模拟方法有效缩小了区域灌溉参数空间均化处理所带来的模拟误差范围较大等问题,为区域畦田灌溉优化设计和管理提供了技术支撑。     

漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究

用非饱和土壤溶质运移的对流扩散方程及其解析解,联系大田漫灌、喷灌的入渗实际,在室内试验的基础上,研究了漫灌、喷灌入渗条件下,土壤养分运移的特征。研究结果表明,阳离子Ｋ^＋,由于土壤颗粒的吸附作用,流动性差,入渗结束后,Ｋ^＋浓度集中分布在土表０～２０ｃｍ土层内。阴离子ＮＯ₃^-,流动性强,入渗方式对ＮＯ₃^-离子运移影响大。漫灌入渗条件下,孔隙水流速度大（是喷灌的３．５倍）,ＮＯ₃^-运移快,机械弥散作用是喷灌的１１．６倍,入渗结束后,ＮＯ₃^-浓度集中分布在土壤深层的作物主根区之外,不利于作物吸收利用,并容易造成地下水污染。而在喷灌入渗条件下,供水强度低,孔隙水流速度小,ＮＯ₃^-运移慢,弥散作用弱,入渗结束后,ＮＯ₃^-浓度的峰值迁移浅,ＮＯ₃^-浓度集中分布在土壤表层作物主根区内,有利于作物吸收利用。这正是喷灌节水、保肥的内在机理。     

地下滴灌土壤水运动和溶质运移数学模型的应用

利用建立的地埋点源土壤水运动和溶质运移数学模型描述地下滴灌条件下土壤水、肥运动的分布规律,将土壤质地结构、滴头出流量、滴头埋深和单次灌水历时等因素对土壤水分布的影响进行模拟分析。结果表明,在确定的土壤质地条件下,滴头出流量和埋深是影响地下滴灌系统性能的两个最重要的灌水设计参数,应尽量采用增加滴头数量而不是选用大流量滴头的方法来满足作物的需水要求。此外,合理的灌溉施肥时机应依据当地的土壤质地条件予以确定     

考虑地面灌水技术制约的灌溉制度优化

制定作物灌溉制度不仅要考虑补充根层土壤水分以满足作物需求，还应考虑灌水方法对灌水量的限制。为研究我国华北地区地面灌溉条件下冬小麦－夏玉米连作的节水灌溉制度，在河北省雄县进行了连续3年不同灌水处理试验，用水量平衡模型ISAREG对各处理进行数值模拟，从而验证了选定的模型和参数。采用该模型模拟了不同水文年冬小麦－夏玉米连作的多种灌溉制度，对各方案的灌水次数、灌水量、降雨和灌溉水量损失以及作物产量等因素进行了对比，并对现行灌溉制度进行了评价。结果显示：雄县现行灌溉定额大大超过了灌溉需水量，主要原因是地面灌水技术的制约，如田面不平、进地流量过小或畦块过大等，造成难以控制小水量灌溉。为研究既能满足作物基本需水要求，又使灌溉水量损失最小的最佳灌水定额，用模拟地面灌溉水流运动的SRFR模型模拟不同生长阶段的灌溉，得到了每次灌溉时不同流量条件下的最小灌水量，以及灌水效率与灌水量的关系，据此提出了与灌水技术改进措施相结合的不同水文年的灌溉制度优化方案。     

地下滴灌土壤水运动和溶质运移的数学模型及验证

以非饱和土壤水运动理论和多孔介质中溶质运移的对流－弥散理论为基础，建立了地下滴灌条件下描述地埋点源土壤水运动和溶质运移的数学模型。模型中对滴头边界进行了简化，并对其可行性进行了检验。模拟计算结果得到室内试验资料验证。该模型可用来描述地下滴灌土壤水、肥运动和分布规律，以便为地下滴灌系统的合理设计提供理论依据。     

竖管地表滴灌与普通地表滴灌土壤水分运移特性对比试验研究

为探究竖管地表滴灌和普通地表滴灌土壤水分运动规律及区别,在室外同步进行2种滴灌模式下风沙土入渗和蒸发试验,对比分析了土壤水分分布、蒸发规律和土壤湿润锋运移特性。结果表明:(1)灌水量为2 L,2种滴灌模式下,随着滴头流量的增大,湿润体体积和灌水均匀度逐渐减小,湿润体含水率平均值逐渐增大,当滴头流量一定,竖管地表滴灌的湿润体体积大于普通地表滴灌,而灌水均匀系数小于普通地表滴灌;(2)不同滴头流量处理(0.3,0.4,0.6 L/h)蒸发7天结束后,普通地表滴灌土壤蒸发量分别占灌水量的32.5%,35.0%和40.0%,而竖管地表滴灌土壤蒸发量仅占灌水量的22.5%,说明竖管地表滴灌对土壤蒸发有明显的抑制作用;(3)相同灌水量(2 L)时,普通地表滴灌水平和垂直湿润锋运移距离均随滴头流量的增大而略有减小,竖管地表滴灌垂直向下湿润锋运移规律与普通地表滴灌相同,而水平和垂直向上方向运移规律相反;随着时间的延长,普通地表滴灌与竖管地表滴灌水平和垂直方向湿润锋比值均呈不断减小趋势,最后趋于稳定;(4)构建了包括滴头流量和灌水时间在内的普通地表滴灌湿润锋运移距离经验公式,验证所建经验公式的可靠性,均方根误差介于0.24~0.27 cm,纳什效率系数均大于0.985。研究结果可为竖管地表滴灌技术应用提供理论参考。