基于Hydrus-1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究

以吉林省大安灌区为研究对象,在野外调查和资料收集的基础上,借助Hydrus-1D模型,模拟分析了旱田(玉米地)灌溉条件下地下水入渗补给过程。结果表明：模拟期间蒸散发动态变化较大,蒸腾量约为蒸发量的2.18倍,玉米生育期内,土壤水分蒸腾损失约占蒸散发消耗的79.74%,蒸散发在作物生长旺季以蒸腾为主,其它时段则以蒸发为主;旱田灌溉条件下,降水灌溉大量入渗形成土壤水,土壤水与地下水发生双向的、动态的水量频繁交换,模拟中地下水入渗补给量约为33.63 mm,入渗比为5.21%,其与研究区细密的包气带介质岩性有关。研究成果可为进一步开展旱田灌溉合理方案的制定提供科学依据。     

基于水分平衡原理的内蒙古典型草原土壤水动态模型研究

建立水分平衡动态模型是研究草原生态系统水循环的主要方法和内容.本文利用锡林浩特观象台多年观测资料和2008 ～ 2009年野外试验资料,基于SPAC原理,依托农田水分平衡方程建立了0～ 100 cm土层的土壤水分平衡模型,提出初始土壤贮水量、实际蒸散量、渗漏量和植被截留量等参数的计算方法及植物根系层深度确定的依据;通过...     

荒漠植物根系吸水的数学模型

关于土壤 -植物 -大气连续统 ( SPAC)的研究是当前热点之一 ,研究该连续统 ,土壤水分是联结纽带。土壤水分通过植物根系和土面蒸发进入大气从而使三者成为一连续统。植物根系吸水是把土壤中水分输送入大气的关键形式 ,搞清植物吸水模式将为认识 SPAC奠定基础。目前研究植物根系吸水模式的文章很多 ,按其研究对象来说 ,主要是农作物研究 ;按研究区域来说 ,主要为降水条件充足的区域。目前研究干旱荒漠区天然植物的根系吸水模式还没有 ,本文就此研究了中国干旱内陆荒漠区的多年生小灌木 (以苦豆子 ( Sophora alopecuroides)为例 )的根系吸水模式     

膜下滴灌棉花根系吸水模型研究

通过室内三组桶栽水平试验,在不同生育期对棉花根系进行取样,得到棉花根长密度分布函数,并在每次灌水前后对试验桶进行取土样及称重,进而得到土壤剖面的含水量和棉花的蒸腾量;由根长密度分布函数、土壤含水量及棉花蒸腾量,选定根系吸水模型为Feddes模型,经模型计算:土壤水分的模拟值与实测值吻合较好,该模型能够准确地描述膜下滴灌棉花根系吸水,表明建立的棉花根系吸水模型是可行的。     

土壤水与地下水溶质运移联合模型

土壤水溶质运移模型着重解决入渗与蒸发条件下盐份在非饱和含水层中的垂向运移问题 ,地下水溶质运移模型着重解决盐份在饱和含水层中的横向运移问题 ,它们都不能全面描述区域盐份迁移的规律。分别建立地下水、土壤水的溶质运移模型子系统 ,耦合集成并进行联合运行是理想的解决方案。     

基于HYDRUS-2D的雨水集聚深层入渗系统土壤水分运移模拟

为了解雨水集聚深层入渗(RWCI)系统土壤水分的入渗规律,设置不同灌水量(10 L、21 L和36 L)和RWCI设计坑深(40 cm和60 cm)的室内土箱试验,观测不同灌水量与不同水头变化情况土壤含水率变化和土壤湿润锋在径向和垂直方向上运移过程,依据非饱和土壤水动力学理论,建立HYDRUS-2D变水头边界条件土壤水分二维入渗模型。通过与实测数据对比,结果表明模型模拟值和实测值具有较好一致性:垂向湿润锋相对均方差(R_E)、平均绝对误差(MAE)和纳什系数(NE)分别为0.019、0.011 cm和0.994,径向湿润锋R_E、MAE和NE分别为0.018、0.851 cm和0.977,土壤含水率R_E、MAE和NE分别为0.188、0.016 cm~3·cm~(-3)和0.916。相比于设计深度为40 cm的RWCI系统, 60 cm RWCI系统在不同灌水量下能够更有效地增加果树根系分布层的土壤含水率,增加土壤水分入渗深度;相同灌水量下RWCI系统设计深度的径向湿润锋分布间无明显差异,而垂直方向的分布具有明显差异;RWCI系统在相同的设计深度下,随着灌水量增大湿润锋在垂向与径向的运移距离差异逐渐增大。     

太行山前平原田间土壤水分运移机理研究

为剖析河北平原种植条件下土壤水分运动时空变化特征,根据典型区2010年全年气象、大田灌溉和负压计监测结果,分析土壤水分运动方式及其形成机理。结果表明:1)研究区土壤水分运动基本类型以蒸发-入渗型为主,但不同季节土壤水分运动方式差异显著,尤以夏季最为复杂;2)降水蒸发、灌溉以及植物根系吸水分别在不同阶段对土壤水分运动起主导作用;3)种植条件下,垂向上剖面动态呈现显著分带性,且灌溉前后土壤水分运动类型呈周期性变化。     

农业生产活动对黄土高原丘陵沟壑区坡地土壤水分动态的影响

通过在坡度为20°耕地和荒草坡面对降水、土壤水密集观测,结合模拟降雨实验,从降雨入渗、蒸散发等过程分析讨论了影响黄土高原丘陵沟壑区坡地土壤水分动态的主要因素。结果表明:1)降雨入渗量△S主要受控于雨强和降雨量,坡耕地的入渗量随着雨强增加而衰减的速度快于荒坡,坡耕地有利于中等雨强大雨的下渗,雨强增大时两坡面的降雨转化率逐渐接近,且植被的再分配作用凸显,甚至使短历时暴雨时坡耕地的入渗速度低于荒坡,长历时的大、暴雨或连续降雨利于深层入渗,坡面耕作或在裸地上种植冰草后降雨转化率增约50%;2)7月～10月上旬为土壤水补给期,土壤水分在枯水年及平水年处于负平衡,在丰水年获得补给,最终以蒸散发消耗;3)荒地主要耗水层在20cm,耕地土壤水分活跃层及作物主要耗水层延伸至30cm。总体上,农作物增大蒸散发量、增加土壤水分利用深度,农业生产活动对减少降雨径流、增加土壤水资源量、强化水分小循环有重要作用。     

基于HYDRUS模型低温水入渗下土壤水热运移模拟

为了深入研究高坝大库低温水下泄对河(渠)两岸土壤水分、温度动态变化的影响机理,构建了低温水入渗土壤水热运移的数学模型,利用HYDRUS-2D软件进行了求解,并对土壤水热运移数学模型进行参数率定与模型验证的基础上,模拟分析了不同水头低温水入渗条件下土壤水分、温度动态变化规律。经过试验验证,总体的模拟与实测温度和水分的均方根误差RMSE分别为1.074和0.01,模拟结果和实测数据均吻合较好。模拟结果表明,水头变化对土壤温度场和水分场的分布均会产生较大的影响;当模拟达到相对稳态后,土壤平均温度从上到下逐渐降低,土壤中的温度场分布较为均匀;当入渗水温相同时,随着水头增加,土壤内部平均温度降低,土壤深层低温区域逐渐扩大,温度梯度增加;土壤的深层含水率较高,达到饱和状态,含水率分布从上到下逐步增加;随着水头增加,土壤深层饱和区域逐渐扩大,并逐渐向土壤表层区域扩展。该研究揭示了不同水头下低温水入渗对土壤内部温度场、水分场影响分布的一般规律,对进一步改善水库下游河岸带生态环境,丰富土壤水动力学基本理论有着重要的理论意义和实际价值。     

不同湿润比下滴灌土壤入渗特性模拟试验研究

为了研究滴头流量和设计湿润比对土壤水分运移规律及湿润体特性的影响,前期利用粘壤土进行试验研究,然后依据非饱和土壤水动力学理论和滴灌条件下土壤水分运移特征,建立了土壤水分运动模型,利用HYDRUS-3D对不同湿润比下滴灌土壤入渗模型进行求解。通过所建模型,对11个观测点的模拟结果与实测结果进行了对比,得出灌水结束时各观测点模拟与实测含水率的相对误差均小于10%,实测与模拟湿润比的相对误差为4.75%~11.78%。利用所建模型对不同情景下湿润体运移规律进行了模拟,获得了湿润体特征变化规律:滴头流量主要影响水平湿润锋的运移距离,而设计湿润比对垂直湿润锋运移距离的影响较大;滴头流量相同时,设计湿润比越大,湿润体内平均含水率越大,高含水区(含水率0.410 cm~3·cm~(-3))半径也越大;设计湿润比相同时,湿润体内含水率高于0.410 cm~3·cm~(-3)的湿润半径随流量增大而增大。     

土壤-植物-大气界面中水分迁移 过程及模拟研究进展

介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望.分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战.认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向.     

旱区间作水分高效利用机制探讨

间作系统充分利用光热水肥资源具有高产高效特征，在旱区得到了广泛应用。综合国内外间作群体水分利用的研究成果，论述了间作具有水分优势的高效利用机制。间作系统减少土壤蒸发、提高作物蒸腾、降低棵间蒸发与耗水量的比值，增加土壤水分的有效性，提高作物根系对土壤水分的吸收利用，进而提高水分利用效率。间作系统的水分利用机制包括生态位分离减少竞争以促进资源的充分利用、水力再分配调节作物及邻体作物土壤的水分条件缓解旱区作物的水分胁迫。间作系统水分利用的影响因素包括作物种类、种植密度和空间布局、水肥管理和耕作措施。针对研究中的不足，指出未来间作系统水分高效利用研究应关注以下方面：不同区域间作群体增产和节水的规律；水分与源库关系及对种间关系的响应；量化水分与根系生长的关系，建立间作作物对水分吸收的模型；地下部对间作水分优势的响应。     

毛乌素沙地过渡地带土壤水分特征及其植物利用

毛乌素沙地过渡地带沙地生态系统土壤湿度状况随着地貌部位不同而变化。沙丘迎风坡基质流动、背风坡沙埋沙压和丘间低地潜水埋深等控制着沙地土壤水分分布规律 (土壤湿度模式 )和沙地植物利用土壤水分的特点 (沙生植物分布模式 )。沙生植物的水分利用的机制主要体现在如下两个方面 :地上部分的生理生态过程和生物量 :地下部分根系分布及其土壤水环境容量。在沙丘从流动变为固定的过程中 ,固沙林形成后的土壤水分动态和灌木林群落实际蒸腾蒸发规律的关系反映不同植被覆盖、不同密度、不同年份和不同季节水分平衡状况 ,藉以确定合理的土壤水分消耗模式 ,维持固沙林群落的稳定和良性演替。为了提高沙生植物水分利用效率 ,一是从沙生植物本身的生理、生态、遗传特性进行分析研究 ,筛选出耐旱和抗水分胁迫强的品种。乡土灌木树种能有效地使个体和群落恢复 ,但也应注重引种。另一方面则是利用各种抗旱保水新材料最大限度地保存和利用固沙林地的水分以满足植物特别是在春旱期间根系的恢复与生长需要 ,即以吸水剂、保水剂、水分表面活化剂、菌根剂和土壤生物制剂 (例如细菌肥料 )等为原材料的新型抗旱造林技术 ;三是依据沙地水环境容量 ,合理确定各种灌木林的造林密度及其与沙丘发育阶段相应的种群配置格式。     

蒸散发观测研究进展及绿洲蒸散研究展望

蒸散发是绿洲水文循环中最重要的水文过程和生态过程之一,开展绿洲蒸散发研究是提高水资源利用的基础.从叶面、个体、田间到景观尺度,系统综述了国内外蒸散发观测研究的最新进展,结合荒漠绿洲的特点及研究现状,指出应加强:①涡度相关技术在异质性强的绿洲的应用技术研究;②如何分割蒸散发中植物蒸腾和土壤蒸发,以及时空动态、驱动机制和调...     

添加γ-聚谷氨酸条件下Philip模型与Green-Ampt入渗模型的对比分析

干旱加剧及土壤退化严重,使新型保水剂γ-聚谷氨酸(γ-PGA)的应用在农田节水灌溉中开始暂露头角。基于室内垂直一维入渗试验,在分析了γ-PGA对土壤水分入渗能力的影响的同时还对Philip模型和Green-Ampt入渗模型进行对比分析。结果表明:与未施加聚谷氨酸的处理(对照组)相比,随着γ-PGA施量的增加,累积入渗量和入渗率均呈单调递减趋势;两个入渗模型的拟合结果显示:Philip公式中,吸渗率呈减小趋势,Green-Ampt公式中,饱和导水率、饱和导水率与土壤水吸力的乘积都呈减小趋势,但土壤水吸力无明显变化。Philip模型与Green-Ampt入渗模型的对比分析结果表明:利用模型参数互推关系计算的Philip模型计算参数与拟合参数的一致性较好,而Green-Ampt模型的计算参数与拟合参数的一致性较差;利用Philip模型计算参数计算的累积入渗量与实测累积入渗量之间的吻合程度高,均方根误差小于0.5,而利用Green-Ampt模型计算参数计算的累积入渗量与实测累积入渗量之间的吻合程度较差,均方根差均大于0.5。说明在添加保水剂的条件下采用Philip入渗模型确定入渗参数时较为精确。     

One-dimensional horizontal infiltration experiment for determining permeability coefficient of loamy sand

A knowledge of soil permeability is essential to evaluate hydrologic characteristics of soil, such as water storage and water movement, and soil permeability coefficient is an important parameter that reflects soil permeability. In order to confirm the acceptability of the one-dimensional horizontal infiltration method(one-D method) for simultaneously determining both the saturated and unsaturated permeability coefficients of loamy sand, we first measured the cumulative infiltration and the wetting front distance under various infiltration heads through a series of one-dimensional horizontal infiltration experiments, and then analyzed the relationships of the cumulative horizontal infiltration with the wetting front distance and the square root of infiltration time. We finally compared the permeability results from Gardner model based on the one-D method with the results from other two commonly-used methods(i.e., constant head method and van Genuchten model) to evaluate the acceptability and applicability of the one-D method. The results showed that there was a robust linear relationship between the cumulative horizontal infiltration and the wetting front distance, suggesting that it is more appropriate to take the soil moisture content after infiltration in the entire wetted zone as the average soil moisture content than as the saturated soil moisture content. The results also showed that there was a robust linear relationship between the cumulative horizontal infiltration and the square root of infiltration time, suggesting that the Philip infiltration formula can better reflect the characteristics of cumulative horizontal infiltration under different infiltration heads. The following two facts indicate that it is feasible to use the one-D method for simultaneously determining the saturated and unsaturated permeability coefficients of loamy sand. First, the saturated permeability coefficient(prescribed in the Gardner model) of loamy sand obtained from the one-D method well agreed with the value obtained from the constant head method. Second, the relationship of unsaturated permeability coefficient with soil water suction for loamy sand calculated using Gardner model based on the one-D method was nearly identical with the same relationship calculated using van Genuchten model.     

气候变化对干旱缺水区中尺度流域水文过程的影响

基于1997-2003年的气象水文资料,选择了黄土高原泾河流域上游,对半分布式生态水文模型SWIM进行了率定和验证,并以流域历史气象条件为基准,固定其它气候因素不变,针对单一气候因素变化(降水或温度)进行了情景模拟,分析、评价了降水和温度对流域径流量、蒸散量和土壤蓄水量各水文过程的影响。结果表明:流域降水量增加(减少),年径流、蒸散及蒸散分量、土壤蓄水量均增加(减少),且降水转化为各水量平衡分量的比例大小依次为径流量(蓝水)>蒸散量(绿水)>土壤蓄水量;流域温度升高,蒸散及其分量随之增加,但径流和土壤蓄水量则随之相应减少。研究结果对于变化环境下的干旱区流域水资源管理具有一定的意义。