冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内土柱冻结试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理、微气象学理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５～１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１～１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融过程，模拟结果与实测值基本符合。在模拟过程中，采用有限差分法求解土壤水热运动方程，水、热方程的上边界分别为第二、三类边界。根据模拟结果，分析了越冬期土壤水热状况的变化规律     

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。     

基于多目标遗传算法反求土壤的扩散率与导水率

土壤水热耦合运移的数学模型是研究土壤中水分迁移及其热量传输的重要依据,而准确地确定土壤的扩散率与导水率是进行研究的重要前提.为此,在水热耦合运移方程的理论基础上,以温度误差、含水率误差最小为目标建立数学模型;在不同初始含水率的土柱冻结试验条件下,利用多目标遗传算法优化反求土壤的扩散率与导水率,通过验证表明计算结果具有较好的精度.     

华北冬小麦-夏玉米农田水分动态模拟研究

冬小麦-夏玉米连作是华北地区主要的粮食作物种植模式。根据华北季节性冻土区的特点,将全年划分为作物生长期与越冬期,分别建立了作物生长条件下农田水分运移模型、冻融条件下土壤水热运移模型。前一模型主要包括参照腾发量计算、腾发量分配、作物根系吸水、土壤表面蒸发、土壤水分特征参数和土壤水分运动等子模型;后一模型主要包括冻土水热耦舍迁移、地气水热交换等子模型。应用以上模型对冬小麦-夏玉米连作条件下的土壤水分过程进行模拟,根据北京永乐店试验资料对模型进行检验。模拟了不同降水水平年、不同灌溉处理下的农田灌溉制度及土壤水分过程,分析了降水、灌溉对农田蒸散、土壤水利用、深层渗漏等的影响。     

塑料薄膜覆盖时土壤内水热传输模拟

建立了一个包括土壤层、塑膜覆盖物、植物冠层和大气边界层的系统,系统中的各层进行了能量平衡计算。并根据Ｐｈｉｌｉｐ和ＤｅＶｒｉｅｓ提出的土壤水热运移耦合方程,开发了预测塑膜覆盖下土壤水热运移的一维模型。采用该模型进行了十天的模拟计算,模拟结果与实测的土壤温度及负压剖面吻合较好     

季节性冻土的水热作用机制研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。     

间歇供水条件下考虑土壤水滞后作用的水分入渗数值模拟

本文对间歇供水条件下土壤入渗过程进行了试验研究，采用数值模拟方法描述了考虑土壤水滞后的水分入渗过程。结果表明文中使用的确定性模型虽能较好地模拟土壤水分状况改变对入渗率的影响，却无法反映表层土壤物理性能变化对入渗的作用。当利用一维垂向非饱和土壤水运动模型来描述间歇供水条件下的土壤入渗分布过程时，应改进模拟技术使之能包容后者的影响。     

不同秸秆覆盖厚度下季节性冻融土壤的水热运移规律模拟研究

运用水热耦合模型(SHAW)对秸秆覆盖厚度为5、10、15、20和30 cm下的季节性冻土中的水热迁移进行了模拟。结果表明:模型对土壤水分模拟效果较好,模拟期土壤水分模拟的标准误差RMSE为0.003～0.08 m~3/m~3。由于表层土壤易受外界气象条件变化的影响,模型对土壤温度模拟结果误差相对较大,但误差处于合理范围内。使用率定好的SHAW模型对秸秆覆盖厚度大于30 cm下的土壤水热运移进行了模拟预测,模拟结果表明当秸秆覆盖厚度≥45 cm时,秸秆覆盖下的土壤水热运移基本不受外界影响。     

间歇供水条件下考虑土壤水滞后作用的水分入渗数值模拟

本文对间歇供水条件下土壤入渗过程进行了试验研究，采用数值模拟方法描述了考虑土壤水滞后的水分入渗过程。     

基于SHAW模型的南疆典型棉田适宜冬春灌盐分淋洗策略

为探究南疆地区棉田休闲期土壤水热盐运移过程及适宜的冬春灌盐分淋洗策略，基于当地棉田测坑连续两年作物休闲期(2019—2020年、2020—2021年)0～80 cm的土壤水、热、盐监测数据，对SHAW模型进行率定和验证；并设置64个冬春灌情景，包括8个冬灌定额(0、600、1 200、1 800、2 400、2 700、3 000、3 600 m³/hm²)和8个春灌定额(0、300、600、900、1 200、1 800、2 100、2 400 m³/hm²),进一步模拟了不同冬春灌组合模式下休闲期的土壤水热盐运移规律。结果表明：SHAW模型能够较可靠地模拟南疆地区休闲期冻融土壤水热盐运移规律。其中，土壤温度的模拟精度最高，不同土壤深度R²均不小于0.95;而土壤含水率和含盐量受到土壤水分相变的影响导致模拟精度稍差，最小R²分别为0.61和0.73。不同冬灌处理在冻结期未冻水含量大幅降低，冬灌定额越大的处理，未冻水含量越少。冬灌水量越大，冻结期表层土壤温...     

基于温度示踪法的典型农渠渠道渗漏模拟研究

以渠道渗漏土壤水动态及热伴生机理为理论基础,利用热示踪技术,选取内蒙古河套灌区典型农渠开展野外监测、原位热示踪试验,利用温度示踪结果定性分析渠系渗漏过程。利用二维水热运移数值模型VS2D对渠道渗漏条件下饱和/非饱和土壤的水热迁移过程进行模拟,反演出试验区粉砂壤土和砂壤土的饱和水力传导度分别为0.025 m/d和0.6 m/d。通过静水试验数据对模型进行验证,结果表明,温度模拟值和实测值的平均均方根差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为1.6℃和2.5%,累积入渗量实测值与模拟值的相对误差为2.4%,模拟结果与实际监测数据吻合较好。研究结果表明,温度信号可用来对渠系的渗漏状况进行示踪和监测,VS2D模型模拟土壤水热运移的结果能够为灌区的渠道渗漏问题提供科学依据,可为我国北方旱区灌区水资源的管理以及渠系节水改造工程提供一定的理论和技术支持。     

土壤水盐运移数值模拟

在长江河口地区土壤水盐动态监测数据的基础上，用数值模拟评价三峡工程对长江河口地区土壤水盐动态的影响，首先，根据溶质运移理论和土壤水动力学原理，建立了考虑根系吸水、吸附解吸、可动－不动水体影响条件下的土壤水盐运移数学模型。为了克服数值弥散的影响，求解对流弥散方程时，采用Bresler算法，在中心差分的基础上对时间导数项采用二阶导数近似的差分格式。然后，通过数值模拟，研究了三峡工程对河口地区土壤水盐动态的影响。数值模拟表明，三峡建库后，春季由于水库下泻流量的增加，监测断面1m土体土壤电导率有所下降，下降幅度在0.005 ~ 0.174mS/cm；秋冬季由于水库下泻流量减少，土壤电导率普遍上升，上升幅度在0.004 ~ 0.416mS/cm。表明，秋季积盐量大于春季脱盐量。     

干旱区枣园土壤水分运动及深层渗漏数值模拟

根据TRIME与Hydra土壤水分监测仪监测枣园土壤含水率、TRAC冠层仪测定叶面积指数、Vantagepro2气象站监测气象数据等资料,开展了枣园土壤水渗漏试验.借助HYDRUS-1D模型对枣园传统地面灌条件下的土壤水渗漏规律进行模拟,经检验,模型模拟土壤层20,40,60,80 cm时,土壤含水率模拟值与实测值相关系数分别为0.94,0.94,0.92,0.71.利用模型分析了研究区地面灌条件下的土壤水渗漏特征和田间灌溉水量的转化关系,改进灌溉模式可大幅减少灌溉水量,提高水分的利用效率.     

塑料薄膜覆盖时土壤内水热传输模拟

建立了一个包括土壤层,塑膜覆盖物,植物冠层和大气边界怪的系统,系统中的各层进行了能量平衡计算,并根据Ｐｈｉｌｉｐ和Ｄｅ Ｖｒｉｅｓ提出的土壤水热运移耦合方程,开发了预测塑膜覆盖下土壤水热运移的一维模型。采用该模型进行了十天的模拟计算,模拟结果与实测的土壤温度及负压剖面吻合较好。     

基于全耦合的地表水土壤水运动与溶质运移数值模拟

为探究降水条件下水分与溶质在地表和土壤中的运动规律，分别采用二维扩散波方程和传统的三维Richards方程描述地面径流和土壤水分运动，选用双层结点法对两者进行耦合，根据达西定律和地表与土壤水中的溶质浓度，计算地面径流和土壤水分的溶质交换量，从而构建地表水土壤水运动与溶质运移全耦合数值模型。选取已发表文献中的物理模型实验进行数值模拟，算例1和算例2中地表径流数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差分别小于14.8%和21.5%，均方根误差分别小于0.147 cm²/s和0.833 cm²/s；算例2中径流硝态氮浓度的数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差小于24.7%，均方根误差小于1.334 mg/L。物理实验和数值模拟所得地表径流量和溶质浓度数据的对比分析验证了模型的合理性和准确度。研究结果可为地表水土壤水水分运动与溶质运移耦合分析提供理论支持。     

蓄水坑灌下果园土壤水-热-氧三维分布数值模拟

【目的】构建蓄水坑灌条件下的土壤水-热-氧三维分布耦合模型,探究蓄水坑灌对土壤水、热、氧分布的影响,揭示蓄水坑灌下的土壤水、热、氧空间分布特征。【方法】基于土壤水分运动方程,土壤热量传输方程和土壤氧传输方程,建立蓄水坑灌下的土壤水-热-氧三维耦合模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行数值求解,采用田间实测数据对模型进行验证,基于验证后的模型模拟增设蓄水坑和灌水对果园土壤水、热、氧分布状况的影响。【结果】三维耦合模型具有较高的精度,模型模拟土壤含水率、土壤温度和土壤氧浓度的RMSE分别为0.0367、1.6099和0.0138。增设蓄水坑后,坑壁土壤水、热、氧状况发生较大改变;随着时间的推移,蓄水坑周围的土壤含水率降低,土壤含氧量升高,坑壁与地表土壤温度呈相同的变化规律,均随着气温的降低而降低。蓄水坑灌水后,水分通过坑壁渗入土壤,形成以坑底为中心的椭球状含水率高值区和土壤温度、含氧量低值区,三者分布随着时间推移趋于均匀,但灌水对土壤温度的影响时间远低于对土壤含水率和含氧量的影响时间。灌水对土壤氧浓度影响较小,氧浓度在地表和坑壁处较高;距地表和坑壁处越远,土壤氧浓度越低。...     

不同初始含水率砂土水-汽-热耦合迁移数值模拟

地表浅层土壤水热状态是影响发生在该区域物理、生物和化学过程的关键要素。针对地表浅层土壤含水率低、温度变化大的特点,应用Hydrus-1D软件构建热源作用下一维非饱和土壤水-汽-热耦合迁移理论模型,进行砂土不同初始含水率下有无水蒸气迁移的数值模拟研究。结果表明:与仅考虑液态水迁移相比,考虑水蒸气迁移后,砂土含水率迁移加剧,温度上升速度加快;砂土的初始含水率越小,水蒸气迁移对砂土的水分迁移和温度变化影响越大,随着含水率的不断增加,水蒸气迁移对砂土含水率和温度影响的效应逐渐降低直到消失。因此,在低含水率砂土的水热迁移模拟研究中,应考虑水蒸气迁移因素,以提高模拟精度,在含水率较高的砂土中,可忽略水汽的迁移影响,以简化计算。     

土壤水盐运移数值模拟--三峡工程对长江河口地区土壤水盐动态影响评价

在长江河口地区土壤水盐动态监测数据的基础上,用数值模拟评价三峡工程对长江河口地区土壤水盐动态的影响,首先,根据溶质运移理论和土壤水动力学原理,建立了考虑根系吸水、吸附解吸、可动-不动水体影响条件下的土壤水盐运移数学模型.为了克服数值弥散的影响,求解对流弥散方程时,采用Bresler算法,在中心差分的基础上对时间导数项采用二阶导数近似的差分格式.然后,通过数值模拟,研究了三峡工程对河口地区土壤水盐动态的影响.数值模拟表明,三峡建库后,春季由于水库下泻流量的增加,监测断面1 m土体土壤电导率有所下降,下降幅度为0.005 ～ 0.174 mS/cm;秋冬季由于水库下泻流量减少,土壤电导率普遍上升,上升幅度为0.004 ～ 0.416 mS/cm.表明,秋粮季积盐量大于春季脱盐量.     

灌溉与冻结交互作用对不同类型土地盐分迁移分配影响

为探讨灌溉与冻结过程中灌区不同类型土地盐分迁移的分异特征，以河套灌区典型试验区内3个代表不同土地类型的试验点为研究对象，采用统计学方法和水盐平衡原理，结合田间连续监测试验，分析了不同时期土壤盐分迁移特征。结果表明：整个试验期非耕地积盐现象明显，尤其是浅表层土壤(0～30 cm)单位面积储盐量平均增加了806.4 g/m²，而耕地则减少了49.7 g/m²。受灌溉淋洗和冻结作用的影响，在监测期内耕地与非耕地呈现不一致的盐分迁移规律，秋浇期非耕地土壤盐分向上迁移，导致70 cm以上土层处于积盐状态，而耕地土壤盐分向下迁移，各层均处于脱盐状态；冻结期通常耕地与非耕地的土壤盐分均向上迁移，但在距离排水渠道较近的情况下盐分从浅层土壤向深层土壤运移。该研究结果可为河套灌区秋浇工作的有效开展和排水脱盐的合理规划提供理论依据。     

地下水浅埋条件下土壤水动态变化规律研究

通过对夏玉米和冬小麦生长季节期间土壤水动态观测试验，探讨了地下水浅埋条件下土壤水动态的变化规律。试验结果表明，浅埋地下水对土壤水动态具有很大影响，农田土壤水分变化主要发生在根区深度0－50cm的土壤。土壤水动态变化规律为实施土壤水分实时调控，控制作物生长提供了理论依据。