基于数值方法的农田土壤零通量面的模拟

零通量面能够反映土壤水分运动情况,定量计算土壤水分的入渗和蒸散量。采用Richards方程描述了降雨和蒸发边界条件下的一维土壤水分运移,通过土壤传递函数估算得到Van-Genuchten水分特征曲线参数,借助参数化Hydrus-1D模型计算得到一维土壤空间不同层的土壤含水量和基质势的数值解,并采用田间实测数据对数值解进行了验证,根据不同层的水势梯度和水流通量的值判断零通量面出现位置以及零通量面类型,最后分别设置5个不同的降雨和蒸发强度,模拟分析了土壤零通量面的空间位置和类型。研究结果表明:(1)采用Hydrus-1D可以准确模拟降雨和蒸发条件下的一维土壤水分运移;(2)在降雨和入渗条件下,零通量面位置随之降低;(3)蒸发强度增加时,零通量面上部土水势降低,土壤吸力增大,使其位置上升。结果证明该方法可行,能够模拟零通量面的动态变化。     

不同容重条件下深层坑渗灌土壤水分运动的数值模拟

【目的】探究不同土壤容重条件下深层坑渗灌土壤水分的运动规律。【方法】以非饱和土壤水分运动方程为基础,建立深层坑渗灌的数值模拟模型,采用Galerkin有限单元法进行数值求解,用5种不同土壤容重的试验资料对模拟结果进行验证。【结果】容重不同的5种土壤在不同时刻湿润锋的模型值均略小于实测值;非边界上土壤含水量模型值的相对误差为1.98%,边界上土壤含水量模型值的相对误差为10.97%,且上边界的模型值普遍偏小,下边界的计算值普遍偏大;基于研究资料建立了土壤含水量的上、下边界修正方程。【结论】该模型结合修正方程,可以作为一种预测深层坑渗灌条件下土壤水分运动及其含水量分布的有效方法。     

土壤污染耦合模型的有限元模拟及参数反演

【目的】对污染物在土壤环境中的运移分布规律进行模拟,并对模型中的主要参数进行反演。【方法】以土壤中的硝酸盐氮和氨氮为研究对象,建立一维数学耦合模型,用建立的模型对不同时间和不同深度土壤的硝酸盐氮和氨氮含量变化进行分析,并给出其求解的有限元过程。在此基础上,采用微分进化算法对建立的一维耦合模型的多个参数进行反演。【结果】构建了土壤污染一维耦合模型,用该模型对不同时间和不同深度土壤的硝酸盐氮和氨氮含量变化进行分析,结果表明,污染物在土壤中的含量达到一定值后会趋于稳定或降低,说明污染物在土壤中先有一个积累过程,然后有一个释放过程。采用微分进化算法反演得到的一维耦合模型的主要参数值与真值较为接近。【结论】构建的一维耦合模型可以定量地研究污染物在土壤中的运移分布规律;遗传进化反演算法可为土壤水分运动及溶质运移数值模拟提供所需的基本参数。     

非饱和土壤溶质运移数值模拟的初步研究

应用有限差分法对非饱和土壤中一维溶质运移模型数值求解，模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程。以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性。为保证数值模拟正确进行，给出确定离散步长ｄｘ和ｄｔ的三个准则。     

非饱和土壤溶质运移数值模拟的初步研究

应用有限差分法对非饱和土壤中一维溶质运移模型数值求解，模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程。以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性。为保护数值模拟正确进行，给出确定散步长ｄｘ和ｄｔ的三个准则。     

小麦生育期内田间土壤水分动态变化过程及其模型模拟

【目的】田间土壤水分状况是灌溉管理的基础,土壤水分的动态变化过程是灌溉预报的重要依据。【方法】通过监测冬小麦田间不同深度土壤含水量和气象数据,分析了小麦生育期内田间土壤水分动态变化过程及其对降水和作物需水量的响应情况,采用土壤水量平衡模型对土壤含水量变化过程进行模拟。【结果】小麦全生育期内,根系主要活动层(0～50 cm)中各层土壤含水量为12.00%～34.53%,方差为5.74～34.05。20 cm土壤含水量与冬小麦根系主要活动层(0～50 cm)土壤含水量相关性最好,相关系数为0.96。20和40 cm深度土壤含水量对降水和作物需水量的响应存在12 h滞后。拔节期后冬小麦田发生轻旱和中旱。旬尺度内,土壤水量平衡模型模拟最大误差小于10%。【结论】在降水和作物需水量共同影响下,土壤深度对土壤含水量变化过程存在影响,且随深度的增加影响减弱;20 cm深度土壤水分与根系主要活动层土壤水分变化过程最接近,可作为土壤水分监测的代表深度;在降水频率P=25%的水文年型下,冬小麦田需要进行补充灌溉,小于1旬时间尺度的水量平衡模型可很好的模拟土壤水分动态变化过程。     

土壤容重对海涂垦区粉砂土水分垂直入渗特征的影响研究

为探明土壤容重变异对海涂围垦区粉砂土水分入渗性能及变化过程的影响,该文通过室内土柱一维垂直入渗试验,比较分析了围垦区粉砂土和南京菜地黄棕壤不同容重下土壤水分入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化。结果表明容重对2种试验土壤入渗过程有较大影响,表征土壤入渗能力的稳定入渗速率、累积入渗量和湿润锋深度均随容重增大递减,呈显著负相关关系。模拟2种土壤入渗过程的考斯加科夫模型中,表征初始入渗速率的参数K值随容重增大递减,而表征入渗能力衰减速度的参数α随容重增大未表现出显著差异。简略的Philip入渗方程的幂级数解可以很好地拟合2种土壤湿润锋深度随时间变化过程,拟合的参数λ和x变化规律表明随着容重的增大,基质势梯度、重力作用都呈逐渐减弱的趋势。采用一维代数模型可以较好的模拟粉砂土入渗剖面含水率分布规律,土壤容重越高,模型的理论值越准确。     

LEACHC模型及其在土壤盐碱化预测预报研究中的应用

LEACHC是描述土壤水分运动、溶质运移和盐分积累的盐度模型。它利用一维Richard方程有限差分法模拟水分流动,利用对流-弥散传输模型描述溶质运移,利用化学平衡子程序处理土壤剖面化学平衡过程。系统地介绍了LEACHC模型及基本原理,总结了国外学者利用LEACHC模型进行土壤盐碱化预测预报研究的基本情况,以期对中国土壤盐碱化预测预报研究有所借鉴。     

不同质地土壤的水分特征曲线参数分析

对常用的土壤水分特征曲线模型进行了比选,选取Van Genuchten模型的4个参数进行了拟合计算,得到重壤土、中壤土、轻壤土、紧砂土和粗砂等5种不同质地土壤的水分特征曲线,分析了土壤水分特征曲线及参数的变化规律:粗砂的水分特征曲线变化最陡直,紧砂土、轻壤土、中壤土和重壤土的水分特征曲线变化较平缓;曲线的形状系数n随着粒径变大、物理性粘粒含量的减小而变大;重质粘性土壤α值较小,轻质土α值较大。     

一种改进的土壤水分特征曲线模型及其验证

土壤水分特征曲线是土壤水分与溶质运移模型必需的输入参数。本文在传统的van Genuchten模型和Campbell模型的基础上,提出了一种基于自适应权重的土壤水分特征曲线改进模型。验证发现,改进模型适用性更强,且能获得更好的模拟效果。特别是,改进模型为一个连续可微函数,能够满足非饱和土壤水流Richards方程数值求解的前提,因而具有较大的推广应用潜力。