蒸发条件下土壤水盐热运移的实验研究

土壤水盐热的耦合运移研究是土壤水盐运移理论研究的重要组成部分.在模拟蒸发条件下,通过室内土柱实验,对土壤水盐热的迁移做了初步研究.结果表明:地下水位的高低直接影响土壤剖面盐分和水分分布;本实验一直处于稳定蒸发状态,今后需进一步研究不同蒸发条件下土壤水盐热的运移规律.     

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一,基于土壤水、热运动基本方程,结合地表滴灌水分运动特点,建立了地表滴灌水、热运移数学模型,利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解,并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。结果表明, 所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果;当土壤、气象以及灌水资料等可知时,利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律,模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外,数值模拟值和实测结果都显示,地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

重庆北碚区土壤水热耦合模型研究

以南方的土壤和气候条件为背景,在裸露土壤的非恒温模型一维非饱和水流运动方程后增加根系吸水函数项得到作物地的土壤一维非饱和水流运动方程,与土壤中非稳态热流方程构成作物地的土壤水热耦合运移模型,联合初始边界条件,采用隐式差分法进行数值求解.结果表明：该水热运移耦合模型模拟值与实测值基本吻合,其拟合精度随土层深度增加而提高.     

土壤水热耦合模型的研究

将二维有限元方法和遗传算法结合起来，求解土壤水热耦合方程，获取土壤含水量数据。通过遗传算法来反演水热耦合边界条件，再应用二维有限元方法来正演土壤水热耦合方程，并以遥感数据作为方程的初始条件，实现对土壤水分的时空监测。通过使用内蒙西部研究区的土壤温度和土壤水分数据对此模型进行模拟和检验，结果表明此方法是合理的，应用效果令人满意。     

耦合干空气机制的黄土水热运移过程模拟——以山地苹果园为例

黄土疏松多孔,气相占比较高,但是土壤干空气过程如何影响黄土水热运移尚不清楚。采用考虑土壤水-汽-热-气耦合的STEMMUS(Simultaneous Transfer of Energy,Mass and Momentum in Unsaturated Soil)模型,以黄土丘陵区苹果园为例,探讨土壤干空气对黄土土壤水热运移的影响。结果表明:(1)该模型可以较好地模拟果园土壤水热动态过程。通过优化土壤水力参数,STEMMUS模型在率定期与验证期模拟土壤水分的归一化均方根误差介于4.7%～30.0%,一致性指数介于0.83～0.96,模拟土壤温度的归一化均方根误差介于0.1%～9.9%,一致性指数介于0.76～0.99。(2)STEMMUS模型中考虑干空气机制的二相耦合模型模拟值较未考虑干空气机制的单相模型与实测值更为接近。降雨1d过后,耦合模型剖面土壤含水率增量明显小于单相模型,耦合模型的归一化均方根误差为0.07%,一致性指数介于0.93～0.97,单相模型的归一化均方根误差介于0.06%～0.2%,一致性指数介于0.95～0.96,鉴于该地区有压入渗等现象,耦合模型能更好反映实际土壤水分的运移过程。     

土壤水热盐运动模型的建立与初步验证

以土壤物理基本定律为基础，建立了结冻、未结冻、饱和、非饱和土壤的水热盐耦合运动通用模型。该通用模型可简化为土壤水或热运动的单一模型。通过二维有限元数值解、一维模拟程序的编制和计算预测，与内蒙河套长胜渠杨树壕试验点在１９８８年秋～１９８９年春期间耕层积盐过程实测值对照，模型得到初步验证及应用。     

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移数值模拟研究述评

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移规律是解决土壤盐渍化、地下水污染等环境与生态问题的基本理论基础，基于多孔介质水和溶质运移基本方程的数值模型是研究包气带物质运移的重要手段。通过深入分析土壤水和地下水之间的相互关系，强调在地下水埋深小于其极限埋深的情况下应把地下水作用耦合到包气带水和溶质运移模型中。该文概括总结了现有研究把地下水作用与土壤水模型相耦合的方法，并分析了各种方法的优缺点。在回顾现有土壤水分运动参数和溶质运移参数确定方法的基础上，归纳了包气带水和溶质运移模型从“点”尺度向“田块”尺度扩展的途径，随机方法仍将是今后的研究热点，并有望应用于实践。     

土壤水分运移模拟研究进展

土壤水是植物生长的主要补给源,同时也是水文循环中承上启下的重要环节。因此,对土壤水运移规律进行研究不仅能够揭示水文循环的本质,更对提高农作物产量、保护生态环境具有重要的意义。数值模拟的方法因其操作简单、受限小等特点而被广泛应用于土壤水运移规律的研究中。随着研究的不断深入,土壤水分运移模型逐渐由单一模型向耦合模型转化。基于此,通过对土壤水分运移模型发展历史进行梳理,寻找出目前模型的不足,给未来的发展指明方向。     

盐碱地水盐运移理论及模型研究进展

我国盐碱地分布广泛,总面积达3600万hm2,土壤盐渍化问题已经成为制约农业可持续发展的重要因素之一。盐碱地治理和改良的关键在于探究土壤水盐运移规律,而水盐模型是模拟和预测农田土壤水盐动态变化最为有效的途径。目前围绕土壤水盐运移的基本理论及模型应用的研究已取得长足的进步,包括水盐运移机理研究及其影响因素和数值模型研究,对其全面分析有助于厘清当前盐碱地水盐运移研究现状,为我国盐碱地改良研究提供借鉴。本文从水盐运移理论机理、影响因素及模型应用等角度进行综述,重点分析了几种常用水盐模型的优缺点及应用效果,并指出未来水盐模型研究应更好地结合GIS技术进行区域/流域尺度上展开。     

土壤水盐运动的时空模式化研究

文章初步分析了土壤水盐运动的机理模型,总结了对流—弥散方程建立的一般思路及数值解法的局限性。基于?S敿际醯慕嵌?概括了土壤水盐运动空间模式化研究内容,探讨了GIS与溶质运移模型的集成问题,指出了Geodatabase、COM等技术的发展为GIS与水盐运动机理模型集成提供了发展契机。     

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

冬灌对越冬期土壤水分状况影响的数值模拟

根据土壤水动力学、地表能量平衡、空气动力学理论建立了越冬期土壤冻融条件下土壤—大气连续体的水热传输模型，包括冻融条件下土壤水热迁移子模型、地气间水热交换子模型。在该模型的基础上，模拟了北京地区冬灌对越冬期土壤水分状况的影响，从理论上得到了冬灌具有贮水作用的结论，并分析了合理的冬灌定额。     

红壤中水热耦合转化的实验和数值模拟研究

Coupled transfer of soil water and heat in closed columns of homogeneous red soil was studied under laboratory conditions.A coupled model was constructed using soil physical theory,empirical equations and experimental data to predict the coupled transfer.The results show that transport of soil water was affected by temperaature gradient,and the largest net water transport was found in the soil column with initial water content of 0.148m^3m^-3,At the same time,temperature changes with the transport of soil water was in a nonlinear shape as heat parameters wre function of water content,and the changes of temperature were positively correlated with the net amount of water transported.Numerical modelling results show that the predicted values of temperature distribution were close to the observed values,while the predicted values of water content exhibited limited deviation at both ends of the soil column due to the slight temperature changes at both ends .It WAS indicated that the model proposed here was applicable.     

多针热脉冲技术测定土壤热导率误差分析

土壤热导率是研究土壤热传输、水热耦合运移的基本物理参数。为了探知多针热脉冲技术的误差,该研究以能够准确测定热导率的单针法作为参比,在4种质地土壤上,对多针热脉冲技术在不同体积质量、含水率和气压条件下测定的热导率进行了分析。结果表明,多针热脉冲技术的热导率结果与单针法总体符合较好,其热导率测定值的平均误差为0.074 W/(m·K)。干土热导率随气压增大呈现对数增长,这是由于气体分子平均自由程下降的原因。多针热脉冲技术的测定误差主要出现在中等含水率区域,关键问题是加热针的温度升高偏大,促进了水汽潜热传输。另外,土壤与探针之间的热接触阻力、探针导致的土壤体积质量改变、温度梯度引起的液水流也影响测定结果的准确性。该研究可为农业水土工程中的土壤热导率模拟提供依据。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。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、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。     

Effect of reduced air pressure on soil thermal conductivity over a wide range of water content and temperature

To clarify the role of air molecules in coupled heat and mass transfer in soil, we measured the thermal conductivity of three kinds of soil (Ando soil, Red Yellow soil, and Toyoura sand) under reduced air pressure over a wide range of water content and temperature (10–75°C). The thermal conductivity increased sharply under reduced air pressure above a critical water content of the soil, becoming several times larger than that under normal pressure (101 kPa). The maximum thermal conductivity for each soil was obtained below 75°C and was similar to the thermal conductivity of some metals such as Mn, Hg and stainless steel. When the soil was drier than its critical water content, the thermal conductivity did not increase under reduced air pressure. The hydraulic diffusivity at the critical water content for each soil was of the order of 10^?8 m² s^?1. This suggests that the latent heat transfer is enhanced by the circulation of the condensed water. However, very little is known about the effect of circulating water on the latent heat transfer under reduced air pressure. To make this clear, the thermal conductivity would need to be measured in the steady state under reduced air pressure.     

陆面数据同化方法在绿洲农田土壤温湿度模拟中的应用

为准确预测绿洲农田土壤水分的变化以利于合理分配有限的水资源,该文利用耦合于中尺度大气数值模式MM5和WRF中的Noah Lsm与集合卡尔曼滤波方法建立了一维的陆面数据同化系统,将其应用到绿洲农田土壤的水热模拟研究。模拟结果表明：在陆面数据同化系统中同化土壤湿度后,不仅提高了绿洲农田土壤湿度的模拟精度,还可在一定程度上提高土壤温度和潜热的模拟性能;在同化土壤湿度的基础上进一步同化土壤温度,可显著提高绿洲农田土壤温度的模拟精度。若将研究结果进一步应用到中尺度大气数值模式MM5和WRF,可以较好地监测大面积的土壤温湿度变化以便做出合理的水资源调配。     

GIS在土壤侵蚀分析中的应用研究进展

 土壤侵蚀模型是水土保持规划中的重要方法,目前常用土壤侵蚀模型缺乏对空间数据的有效管理,因此使得它们在实际应用中存在因子获取和结果分析不便的缺陷。GIS对空间数据管理分析独有的优势使得GIS在土壤侵蚀中已经得到了广泛的应用,目前主要集中在土壤侵蚀模型因子获取、模型运算和结果可视化分析3个方面。土壤侵蚀评价信息系统就是三者应用的综合体现。