改进型有限分析法模拟包气带土壤水分运移

近年来有限分析法被广泛应用于模拟土壤水分运移。混合型有限分析法通常使用一阶有限差分近似代替Richards方程中的时间导数项。尽管这种方法与其他的数值方法（例如有限差分法）相比,能获得精确度更高的数值解,但是当需要精细刻画陡峭湿润锋面向下传输过程时,需要对时间项的处理提出更高的要求。因此,该研究提出一种从时域和空间域获取局部解析解的改进型有限分析计算格式来克服上述问题。将改进的有限分析法的数值解、混合型有限分析的数值解、有限差分数值解与解析解定量化对比研究发现,改进型有限分析计算格式在较大空间步长条件下（空间步长为10 cm）,能够获得精度较好的数值解,且能更好地控制质量平衡误差。此外,改进的有限分析法能获得与现有的软件（VSAFT2）相似的计算结果。该研究能为包气带水分运移模拟提供一种可靠的方法,推动区域土壤水资源的评价与管理。     

干旱区重度和轻度盐碱地包气带水分运移规律

为揭示干旱区不同灌溉模式下的包气带水分运移规律,该研究综合使用原位观测、同位素示踪和数值模拟等方法,对跨流域调水背景下,克拉玛依农业开发区重度和轻度盐碱地棉田的土壤水势、土壤含水率和土壤水同位素组成特征,包气带水量平衡以及水分运移规律进行了研究。研究表明,土壤基质势调控的滴灌模式下,重度和轻度盐碱地的灌溉入渗主要影响深度是地表以下0~150 cm,土壤含水率和土壤水势对灌溉和蒸散发动态变化的响应明显,具有前期土壤水和观测期内灌溉入渗水的混合特征。深层(重度盐碱地150~260 cm;轻度盐碱地250~350 cm)受地下水毛细作用影响,土壤水势和土壤含水率对地下水埋深动态变化的响应明显,具有前期土壤水与地下水的混合特征。轻度盐碱地中间层(150~250 cm),几乎不受灌溉入渗和地下水毛细作用的影响,土壤水势和土壤含水率处于动态平衡,主要为前期土壤水的特征。HYDRUS-1D数值模拟结果表明,深层土壤水与地下水之间存在双向交换,地下水对土壤水以补给作用为主,重度和轻度盐碱地地下水补给占包气带水分来源的比例分别为7.9%和15.0%。该灌溉模式对农业开发区地下水补给有一定的抑制作用,但观测期内区域地下水位抬升幅度在50~60 cm之间,说明存在一定的土壤次生盐渍化和地下水咸化的潜在风险。     

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,并且由于温度与气态水对土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究对于探究季节性冻土区土壤水循环过程十分关键。该研究综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐明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,总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性,并对该领域尚需加强研究的方向提出建议：1）聚焦\     

水分胁迫条件下绿洲农田冬小麦水分运移规律研究

以干旱区绿洲农田冬小麦水分胁迫试验为基础,研究了不同水分胁迫条件下的冬小麦生长发育、水分利用以及土壤水分运动特征,建立了含有根系吸水项的一维土壤水动力学模型,模拟了不同水分胁迫条件下冬小麦蒸腾、棵间蒸发、根系吸水、根系生长以及田间土壤水分运移过程。结果表明:在冬小麦生育前期、中期根系吸水主要在80cm以上,生育后期根系对下层土壤水分吸收量增加,但所占比例很小。根据实测根系生长资料分析水分胁迫下生育中期根系受到水分胁迫,在生育后期恢复灌水后根系早衰,生长缓慢;从胁迫程度上来说中度胁迫复水后的后效影响要大于重度胁迫处理。     

胶体作用下饱和土壤中Cd运移的数值模拟

通过室内土柱出流实验探讨了饱和壤砂土中Cd在SiO2胶体作用下的运移行为,并用对流-弥散方程(Convection-Dispersion Equation,CDE)对实验结果进行了数值模拟。结果表明,土壤中SiO2胶体的存在抑制了Cd的运移,土壤对Cd的吸附以动力学反应为主。耦合Freundlich等温吸附的单点非平衡模型(One Site Nonequilibrium Model,OSM)能较好地模拟Cd在壤砂土中的运移,模拟得到的吸附特性参数β较小,表明壤砂土吸附表面的不均一性较强。SiO2胶体的穿透时间较早,耦合沉淀-释放反应的CDE模型可以很好地描述SiO2胶体在壤砂土中的运移。胶体作用下的CDE模型成功地模拟了SiO2胶体存在时Cd的运移;同时,参数敏感性分析结果表明,胶体对Cd的吸附速率系数kamc、kaic越小,解吸速率系数kdmc、kdic越大,越有利于Cd的运移。     

胶体作用下饱和土壤中Cd运移的数值模拟

通过室内土柱出流实验探讨了饱和壤砂土中Cd在SiO2胶体作用下的运移行为,并用对流-弥散方程(Convection-Dispersion Equation,CDE)对实验结果进行了数值模拟.结果表明,土壤中SiO2胶体的存在抑制了Cd的运移,使Cd穿透时间较晚,出流浓度较低,土壤对Cd的吸附以动力学反应为主.耦合Freun-dlich等温吸附的单点非平衡模型(One Site Nonequilibrium Model,OSM)能较好地模拟Cd在壤砂土中的运移,模拟得到的吸附特性参数β较小,表明壤砂土吸附表面的不均一性较强.SiO2胶体的穿透时间较早,耦合沉淀-释放反应的CDE模型可以很好地描述SiO2胶体在壤砂土中的运移.胶体作用下的CDE模型成功地模拟了SiO2胶体存在时Cd的运移;同时,参数敏感性分析结果表明,胶体对Cd的吸附速率系数κamc、κaic越小,解吸速率系数κdmc、κdic越大,越有利于Cd的运移.     

Hydrus模型在中国的最新研究与应用进展

美国国家盐土实验室开发的Hydrus模型主要用于模拟包气带中水、溶质和热运移过程,目前在世界各地得到广泛应用.本文筛选了CNKI和Web of Science数据库收录的2017—2020年间中国学者发表的347篇以Hydrus为主题的研究论文,系统分析我国在Hydrus模型领域的研究进展.结果表明Hydrus能够较好...     

淹水土壤中氮素运移与转化试验及其数值模拟

在室内试验的基础上,建立了淹水土壤中NH₄⁺—N和NO₃^-运移转化的耦合数学模型,并对表施于水层中的氮肥(碳铵:NH₄HCO₃)在饱和土中运移与转化过程进行了数值模拟。结果表明:该试验条件下NH₄⁺—N的硝化作用主要发生于土壤表层1cm左右的范围内。     

一维非饱和土壤溶质运移的有限体积法数值模拟

应用有限体积法对非饱和土壤一维溶质运移模型进行数值求解,模拟了土壤水分运动和溶质运移的动态过程.并以实测数据验证了模拟结果的合理性与有效性.通过对有限体积法和有限差分法进行比较,说明了有限体积法能很好地避免有限差分方法中常常出现的数值弥散和数值振荡现象,因此在模拟土壤溶质运移规律的研究中.该方法是一种很好的数值方法.     

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。     

大气对流对土壤内热和水分迁移影响的数值模拟

对土壤中热和水分迁移过程进行了数值模拟及实验验证。理论上,通过对土壤内热和水分迁移机理分析,根据质量守恒和能量守恒原理,建立了土壤非饱和区热和水分迁移的理论模型。并对大气对流条件下土壤内热和水分迁移进行了数值模拟。实验上,对大气对流环境条件下土壤内热、水分迁移过程进行了研究。通过数值计算和实验测量,获得了不同大气对流速度作用下土壤中温度、含水率分布。     

采煤沉陷区包气带土壤水力参数测定及特征分析

为研究矿山采煤沉陷中的裂隙对包气带土壤水力参数影响,通过对淮南潘一煤矿沉陷区包气带土壤颗粒组成、水分特征曲线(SWCCs)和非饱和导水率曲线(UHCCs)测试分析,并与非沉陷区进行对比分析讨论。结果表明:处于稳沉阶段的沉陷区,其裂隙对包气带土壤水力参数产生影响表现为沉陷作用降低了包气带SWCCs斜率,且地表深部隐伏裂隙减小了SWCCs中的进气值,导致沉陷区包气带土壤释水能力增大;UHCCs测定分析表明,在相同基质势作用下,沉陷区土壤UHCCs明显低于对照组,由于沉陷产生的裂隙中的水最先被排空,形成不导水的空隙,导致非饱和导水率下降。研究结果为沉陷区水分运移试验研究提供一定理论与指导。     

梯形渠道渠底土层水分溶质运移模拟研究

建立了梯形渠道浸水过程中水盐运动数学模型及其定解条件,用混合拉普拉斯变换有限元数值解法,初步分析了其渠道浸水预溶过程渠底土层中水盐运动规律。结果表明:混合拉普拉斯变换有限元法求解梯形渠底土层水分运动和溶质运移过程,计算时间短,精度较高结果稳定,可用于梯形渠底水分运动和溶质运移的模拟。     

重力式地下滴灌点源入渗特征的数值模拟与验证

基于非饱和土壤水动力学理论，建立了重力式地下滴灌条件下土壤水分运动轴对称三维数值模拟模型，利用Galerkin有限元法进行了数值模拟。通过试验对比验证，表明所建模型可以用于分析地下滴灌土壤水分人渗规律，具有较高的精度。对不同灌水技术要素条件下的地下滴灌湿润特征及入渗规律进行了数值模拟。结果表明，在相同灌水量下，供水压力与滴孔孔径对湿润圈影响微弱，重力式地下滴灌管道设计时可以不考虑其影响，但它对滴孔出流量影响较大，而其它因素对滴孔出流量的影响微弱。因此在地下滴灌管道设计时，只需根据田块长度和渗水管损失设计孔径和供水压力，并可选择较小的供水压力；在相同灌水量情况下，管道埋深对湿润圈具有较明显的影响，应按田间实际进行合理选择，这些结论可为地下滴灌合理的设计及运行提供理论依据。     

滴灌条件下水土温度对覆砂土壤水热运移影响的数值模拟

为探究滴灌条件下水温与土温对覆砂土壤水热运移规律的影响,基于HYDRUS-2D构建了不同水土温度土壤水热运移数值模型,模拟分析了不同水土温度对覆砂土壤水分、温度动态变化的影响。结果表明:灌溉水温对土壤水热分布影响显著,随着温度升高,土壤湿润体内含水率减小,表现为35℃水温20℃水温5℃水温,灌溉水温对土壤剖面温度分布也有较大影响,表层0—15 cm范围内温度变化了5～10℃。相同水温条件下,随着土壤温度升高,土壤饱和导水率增大,湿润土体内体积含水率减小,表现为30℃土壤温度15℃土壤温度5℃土壤温度。滴灌水平和垂直湿润锋运移距离随温度升高而增大,湿润锋运移距离与时间符合幂函数F=at~b,决定系数R~2介于0.977 4～0.999 6,并建立了水平和垂直湿润锋运移距离与入渗时间和温度的关系模型。以期为西北干旱地区砂石覆盖生态农业的合理补灌提供理论指导。     

一维非饱和土热-湿耦合的数值解

非饱和土热-湿耦合普遍存在于路基和大坝等工程中。通过一维热-湿耦合控制方程,采用FlexPDE（Par-tial differential equation）软件对非饱和土热-湿耦合进行分析,研究非饱和土热-湿耦合作用下热传导及含水量分布的特征,探索重力对热-湿耦合的影响。结果表明:耦合效应对含水量分布的作用是明显的,在入渗流量较小时,重力对非饱和土的热-湿耦合的影响非常微弱;等温下气扩散系数对非饱和土热-湿耦合的影响可忽略。     

QUICK格式在土壤水分运动数值模拟中的应用

运用有限体积法中的QUICK格式,对一维非饱和土壤水分运动方程中的对流项进行了高精度离散,通过经典的数值算例验证了本格式具有精度高、编程简单,计算速度快等特点。并与中心差分格式、迎风格式进行比较,QUICK格式不但能很好地避免数值振荡现象,而且与实测结果吻合较好。     

Tracing Pharmaceuticals in the Unsaturated Zone (10 pp)

Background, Aim and Scope   One of the first occurrences of pharmaceutically active compounds in groundwater was reported from the sewage irrigation farms south of Berlin. At these sewage irrigation farms treated sewage effluent passed the soil and unsaturated zone before reaching the aquifer. Clofibric acid was detected in pore water from soils of those sewage irrigation farms in concentrations between 65 ng/L and 1430 ng/L. The aim of this study was to investigate the transport behavior of regularly detected clofibric acid, diclofenac, ibuprofen, and propyphenazone under conditions comparable to those at the sewage irrigation farms in a multiple compound sand column laboratory experiment. Materials and Methods   Sediment column experiments were conducted to study the transport of pharmaceuticals in the unsaturated zone. The migration was measured in fine to medium grained sand and leaching solution containing 1 mg/L of pharmaceutically active compounds and 61 mg/L of the tracer lithium chloride (LiCl). For the analysis of the pharmaceutical compounds the water samples were adjusted to a pH value of 2 and then extracted by solid-phase extraction (SPE). Before extraction, the samples were spiked with a surrogate standard for analytical quality control. The sample extracts were analyzed by capillary gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with selected ion monitoring (SIM). Depending on the sample volume (100 to 200 mL) and the matrix, the limits of detection were between 1 and 10 ng/L, and the limits of quantitation were between 5 and 25 ng/L. Analysis for calcium, magnesium and lithium were carried out using a 'Trace Scan' ICP-AES from Thermo Jarrel Ash. Sodium, potassium, iron and manganese were analyzed using a Philips PU 9400 flame AAS. Analysis of anions was performed on a Dionex ion chromatograph DX 120. Results   At the sewage irrigation farms the average concentrations of clofibric acid in the unsaturated zone declined from higher values near ground surface (480 ng/L) to lower values near the groundwater table (65 ng/L). From the pharmaceuticals analyzed only clofibric acid, primidone and propyphenazone could be analyzed in the first (upper) aquifer at the sewage irrigation farms. All other pharmaceuticals could neither be detected in the first aquifer nor in the deeper aquifers. Breakthrough curves from soil column experiments revealed no transformation and no retardation for clofibric acid, whereas transformation of diclofenac was so high (79%) that no retardation factor could be calculated. Ibuprofen was significantly transformed (37%), transformation of propyphenazone (17%) was quite low and retardation (Rf = 2.05) was in the range of previously conducted column experiments. Discussion   The results confirm previously conducted experiments with clofibric acid where this compound was identified as highly mobile and persistent. The results that diclofenac and ibuprofen are significantly transformed where unexpected as other studies exhibited much lower transformation under saturated conditions at least for diclofenac. However, lower pH values and higher oxygen contents in the unsaturated zone compared to the aquifer may explain this observed high transformation of these compounds at the column experiments. Conclusions   We conclude that irrigation with sewage effluent containing the compounds used in our experiments will lead to an input into groundwater of clofibric acid, whereas diclofenac and ibuprofen will most likely be transformed during the passage. Propyphenazone will be retarded but will most likely occur in groundwater. These results from the column experiments coincide very well with the occurrence of the pharmaceuticals clofibric acid, primidone, and propyphenazone in the first aquifer. Recommendations and Perspective  : The results underline the need to study the sorption of pharmaceuticals on various materials. e.g. organic matter, surfaces at pH values occurring in the unsaturated zone. Future field studies will also include the investigation of desorption behavior in the unsaturated zone.     

干旱区滴灌条件下土壤水盐运移规律探析

通过对干旱内陆河灌区田间土壤水、盐及土壤肥力动态监测试验分析,结果表明：在干旱内陆河灌区,棉花全生育期里,灌水前后土壤盐分变化明显,积盐脱盐交替频繁。土壤的肥力对土壤盐分的影响很大。通过对干旱内陆河灌区土壤水盐运移规律的研究和分析,可以为合理灌溉和防止土壤次生盐渍化提供科学依据,为当地农业生产作出指导,具有一定的现实意义。     

Visual MODFLOW在李官堡水源地水流模拟中的应用

数值模拟方法目前是模拟地下水流动和评价地下水资源量的主要技术方法之一。Visual MODFLOW软件具有系统化和可视化的突出特点,因此应用该软件建立地下水系统的数学模型,对沈阳市李官堡水源地的水流情况进行了模拟和预测。模拟结果表明,该水源地为建设项目提供所需的9.8×104m3/d水量是可行的。模型的建立对傍河型水源地的建设和开采水量的预测有一定的借鉴价值。