基于1DTempPro的水热运移模型及试验研究

基于多孔介质水热运移的对流扩散方程,建立低温水入渗的一维数学解析模型;搭建一维水平土柱低温水入渗试验平台,观测土柱水平方向的温度分布,分析在不同入渗水温和水力梯度下低温水在一维土柱内水热运移扩散特性;利用1DTempPro模拟低温水入渗土壤的水热运移,并与试验观测值、解析解对比,发现1DTempPro可以较好地模拟低温水入渗的温度场变化,准确度高,可以用来适时监测低温水灌区的水、热条件。     

辐射与低温水入渗对土壤水热变化规律的影响

【目的】研究辐射与低温水入渗条件下土壤水分和温度特性的变化规律,为进一步研究如何改善水库下游河岸带生态环境提供理论基础。【方法】以中细砂为代表性土样,利用自主研制的试验系统装置,设置3种辐射温度(无辐射、30和40℃),分析了在低温水入渗(水温10℃、入渗水头25cm)和不同辐射温度作用下土壤内部水分和温度的动态变化特性。【结果】砂土湿润锋的垂直距离和稳定入渗率随辐射温度的升高而增加。辐射热流增加,土壤表层温度升高,温度梯度增大,表面向内部的传热量增加,土壤内部温度升高;辐射温度为40℃时,土壤内部温度梯度大,且整体平均温度较无辐射时要高。有无辐射热流,低温水的入渗均会对土壤内部温度和水分分布产生影响,且土壤深层温度降幅较大。有辐射时,土壤表层温度明显高于无辐射。【结论】在低温水入渗条件下,辐射温度的变化对土壤水、热动态均会造成影响,其影响范围和强度因辐射温度的不同而存在差异。     

北疆典型土壤纵向弥散系数试验

[目的]研究不同土壤质地对土壤纵向弥散系数和弥散度的影响.[方法]根据土壤物理学及水动力弥散理论,以新疆北疆较为常见的典型砂壤土、粉壤土、壤土为例,NaCI为示踪剂,采用室内一维土柱垂直入渗试验测定纵向弥散系数.[结果]不同土壤质地,渗流速度越小弥散系数越小,渗流流速越大,达到土壤溶质浓度峰值的时间越短,且峰值浓度越大...     

再生水灌溉土壤污染物运移规律的试验研究——以宁夏回族自治区大武口市森林公园为例

以宁夏回族自治区大武口市森林公园利用再生水灌溉为例,通过室内一维土柱试验模拟土壤的入渗过程,研究了不同灌溉入渗条件下污染物在土壤中的运移规律,结果表明:土壤的吸附作用是影响该地区土壤污染物迁移的主要因素.研究结果为微污染水用于绿化灌溉对土壤环境的影响的进一步研究提供了科学依据.     

基于人工神经网络的土壤溶质运移模拟与预测

在土壤质地、土壤容重和含水量一定的情况下,把土壤溶质运移时间和运移距离看作影响土壤溶质运移的主要参数,建立2个输入单元和1个输出单元的三层BP网络,对一维垂直土柱Cd2 的穿透试验进行了模拟和预测.其预测结果同数值解相比,R2=0.949,精度基本一致.可见BP网络预测模型反映了溶质穿透过程中,土壤溶质含量与运移时间和距离的动态关系;用BP网络预测土壤溶质含量的时空变化具有可行性,而且不需要建立具体的数学模型;工作量大大减小,不需要测定水动力弥散系数、阻滞系数等,具有很强的实用性.     

基于HYDRUS模型的江苏如东盐渍土一维淋滤渗流试验研究

通过自行设计一维圆柱型淋滤渗流柱,采用原位回填装填盐碱土样,在人为设定降雨条件下,通过盐分传感器监测获取土壤水盐运移、渗滤液离子成分的监测数据.HYDRUS软件模拟水盐运移,含水量和盐分浓度的模拟结果表明模型可信度高,弥散度改变对土壤最终含盐量变化没有明显影响,但对在土壤干湿交替条件下不同阶段排盐量的比例分配有明显作用;当等温吸附系数整体降低时,土壤中盐浓度到达峰值所需时间减少,土壤排盐量增加.等温吸附系数较小的,对降雨量和降雨频率响应更明显,排盐效果更好.     

不同滴灌水温在灰漠土中水热耦合模拟与验证

【目的】滴灌条件下不同灌溉水水热状况对土壤水热状况的影响规律,根据土壤水、热运动基本方程,建立了地表滴灌水、热运移数学模型。【方法】采用正交试验设计,设计不同滴灌水温水平及其组合,共计40个试验处理。利用 HYDRUS-1D 软件建立的数学模型进行了数值求解,与实测数据结果进行验证。【结果】建立新疆灰漠土土壤含水量与压力水头的模拟方程(1)公式;(2)e^l_n0.328 9Q－0.063 81.560 5(h<0),确定土壤的水力学参数和热特性参数。【结论】利用该数学模型对地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件模拟预测。从模型的数值模拟值和实测结果对比验证显示,地表滴灌条件下低水温(10℃)和高水温(30℃)对土壤表层影响比较大,而且在早春增加一定的灌水温度,有利于作物苗期的生长。     

基于人工神经网络的土壤溶质运移模拟与预测

在土壤质地、土壤容重和含水量一定的情况下．把土壤溶质运移时间和运移距离看作影响土壤溶质运移的主要参数，建立2个输入单元和1个输出单元的三层BP网络．对一维垂直土柱Cd^2 的穿透试验进行了模拟和预测。其预测结果同数值解相比，R^2=0．949，精度基本一致。可见BP网络预测模型反映了溶质穿透过程中，土壤溶质含量与运移时间和距离的动态关系；用BP网络预测土壤溶质含量的时空变化具有可行性，而且不需要建立具体的数学模型；工作量大大减小，不需要测定水动力弥散系数、阻滞系数等，具有很强的实用性。     

内蒙古砒砂岩土壤水平入渗特性及适用模型研究

本文以内蒙古准格尔旗典型的砒砂岩土壤为研究对象,研究容重及初始含水率变化对砒砂岩土壤水平入渗特性的影响及适用模型。采用室内模拟土柱法,对3组砒砂岩土壤RS(紫红色)、HS(粉红色)和WS(灰白色)分别进行水平土柱积水入渗试验,研究容重为1.30 g/cm~3、1.35 g/cm~3、1.40 g/cm~3、1.45 g/cm~3、1.50 g/cm~3和初始含水率为7%、11%和15%不同梯度对水平入渗规律的影响。结果表明,砒砂岩土壤水平入渗入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系;入渗率、累计入渗量与初始含水率成反比关系,但湿润锋运移速率随初始含水率增加而增大;砒砂岩土壤容重越大,入渗率、累计入渗量越低,湿润锋运移越慢。初始含水率及容重的大小影响砒砂岩土壤水平入渗能力,Philip模型适用于模拟不同容重及初始含水率影响下的水平入渗过程,建立能够直接反映容重与入渗率关系的Philip改进模型,并通过r检验法验证了改进模型具有较高模拟精度。     

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。     

基于正交试验土石坝热-流耦合模型参数的敏感性分析

【目的】研究热-流耦合模型参数的敏感性,减小运行期土石坝热-流耦合模型参数校正过程的工作量,为土石坝热-流耦合模型参数选取提供依据。【方法】采用正交试验法,以某水库土石坝为例,基于大坝热-流耦合模型,以坝体与坝基平均温度作为敏感性分析的主要指标,对大坝热-流耦合模型各参数的敏感性进行分析。【结果】渗透率和土体比热容对土石坝温度场影响较敏感,其极差值分别为0.124 5和0.086 2,其余参数的敏感性由强到弱依次为孔隙率(n)、饱和含水率(θs)、导热系数(λ)、残余含水率(θr)和土体密度(ρ),极差值分别为0.046 5,0.029 3,0.026 6,0.014 3和0.011 3,相对于渗透率和土体比热容,这5个参数对于温度场计算结果的影响较小。【结论】在对土石坝温度场进行校正时,应将模型中的渗透率和土体比热容作为重点参数。     

一维非均质条件下农田土壤水分运移模拟及应用

为了定量化描述一维非均质条件下土壤水分的运移过程,采用Richards方程的基质势形式阐述了一维多层质地下土壤水分的运移过程,根据田间实际情况设定了土壤水分运移模型模拟方程的定解条件,以各层粒径组成和容重为输入参数借助传递函数给出了模型参数的初始值,利用数值差分法求解了模型的数值解,最后采用田间实测的各层土壤含水量与参数敏感性分析对模型参数进行了校正和模拟效果评价。结果表明,模型参数敏感性主要受土壤水力特征参数α和n的影响,参数α值越大,土壤进气值越低,含水量越少;n值减小,土水势降低,土壤吸力增大,含水量增加;在调整数值模型精度时,α和n引起的误差范围为10%～30%;模拟值和测量值的变化过程比较吻合,表明研究构建的基质势方程能够实现对田间一维多层质地土壤水分运移过程的准确模拟。     

应用HYDRUS-1D模型模拟分析PFCs在土壤中的迁移特征

为探明全氟化合物(PFCs)在土壤中的迁移转化规律,为PFCs地下水污染防治提供依据,以全氟丁酸(PFBA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)和全氟辛基磺酸(PFOS)等6种PFCs作为研究对象,在室内设置一维土柱实验模拟PFCs在土壤中的迁移过程,采用Hydrus-1D模型建立土壤水流和溶质运移数值模型,对PFCs在土柱中的迁移过程进行模拟,将模拟结果同实验结果进行比较,模型模拟值与实验实测值吻合得较好。采用单因素局部扰动分析方法,分别对HYDRUS-1D模型中入渗水量、土壤容重、纵向弥散度和PFCs在土壤介质中的吸附系数等参数进行扰动,并与参数原值结果进行比较,计算敏感系数,结果表明入渗水量、土壤容重和吸附系数是影响PFCs在土壤中迁移的主要因素。     

基于正交试验土石坝热-流耦合模型参数的敏感性分析

【目的】研究热-流耦合模型参数的敏感性，减小运行期土石坝热-流耦合模型参数校正过程的工作量，为土石坝热 流耦合模型参数选取提供依据。【方法】采用正交试验法，以某水库土石坝为例，基于大坝热-流耦合模型，以坝体与坝基平均温度作为敏感性分析的主要指标,对大坝热-流耦合模型各参数的敏感性进行分析。【结果】渗透率和土体比热容对土石坝温度场影响较敏感，其极差值分别为0.124 5和0.086 2,其余参数的敏感性由强到弱依次为孔隙率(n)、饱和含水率(θs)、导热系数(λ)、残余含水率(θr)和土体密度(ρ)，极差值分别为0.046 5,0.029 3,0.026 6,0.014 3和0.011 3，相对于渗透率和土体比热容，这5个参数对于温度场计算结果的影响较小。【结论】在对土石坝温度场进行校正时，应将模型中的渗透率和土体比热容作为重点参数。     

土壤容重对深层坑渗灌入渗特性影响的试验研究

为了揭示土壤客重对深层坑渗灌入渗量的影响规律,通过室内均质土模拟试验,采用非线性回归法对试验数据进行分析;建立了以土壤容重为参数深层坑渗灌的Kostiakov和Philip改进模型,并进行了验证.结果表明:入渗时间相同时,入渗量随着土壤容重的增大而减小;Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型都适用于模拟深层坑深灌的入渗过程,相关系数均在0.99以上;建立的2个改进模型计算精度均很高,效率系数分别为99.7%和99.9%.相比较而言,深层坑渗灌的Philip模型具有一定的理论依据,计算精度较高且模拟效果好,可作为计算深层坑渗灌入渗量的有效模型.     

(土娄)土和黑土不同层次钾运移研究

以采自陕西省杨凌区西北农林科技大学农作一站的(土娄)土和黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所试验田的黑土为研究对象,通过饱和稳定流土柱运移实验,测定不同层次土壤钾运移穿透曲线;应用对流、扩散模型,对测试穿透曲线进行拟合,反求其运移参数D、R,结果表明:钾在土娄土和黑土不同层次的运移均受到强烈的阻滞作用.(土娄)土的阻滞因子与土层的粘粒含量呈显著正相关;黑土对钾运移的阻滞作用是土壤质地、有机质含量、矿物组成等因子综合作用的结果.(土娄)土和黑土的扩散、弥散系数与平均孔隙水流速均呈极显著的线性关系.     

土壤溶质运移的色谱塔板理论模型

土壤溶质运移模型是研究土壤中农用化学物质迁移的一种重要手段.由于一维土壤溶质运移在基本机制和形式上与化学色谱分析有相似性,将化学色谱理论应用于土壤溶质运移研究,得到了土壤溶质运移的色谱塔板理论模型,该模型的解析解与常用对流弥散方程的解具有相似的结果.同时,土柱试验表明,色谱模型的模拟结果与试验结果基本一致,仅部分时段模拟结果稍低于试验值,这可能由于色谱塔板模型尚未考虑水动力弥散作用和其中采用一阶近似有关.说明色谱塔板理论可用于土壤溶质运移研究,为认识土壤溶质运移提供了一种新的方法.     

变水头边界条件下土壤水分运动数值模拟

本研究提出了一种变水头条件下一维土壤水分运动数值模拟的边界处理方法，采用隐式差分法对基本方程进行差分离散，用迭代法求解非线性方程。在结合室内实验验证模型可用的基础上，分析了变水头条件下不同土壤初始含水率、不同初始水头高度下土壤水分的运动规律。结果表明，土壤初始含水率和初始水头对水分运动都有较大影响，作者提出的变水头边界处理方法可用于水分入渗历时和湿润锋的预测。     

土壤溶质运移的色谱塔板理论模型

土壤溶质运移模型是研究土壤中农用化学物质迁移的一种重要手段。由于一维土壤溶质运移在基本机制和形式上与化学色谱分析有相似性,将化学色谱理论应用于土壤溶质运移研究,得到了土壤溶质运移的色谱塔板理论模型,该模型的解析解与常用对流弥散方程的解具有相似的结果。同时,土柱试验表明,色谱模型的模拟结果与试验结果基本一致,仅部分时段模拟结果稍低于试验值,这可能由于色谱塔板模型尚未考虑水动力弥散作用和其中采用一阶近似有关。说明色谱塔板理论可用于土壤溶质运移研究,为认识土壤溶质运移提供了一种新的方法。     

塿和黑土不同层次钾运移研究

以采自陕西省杨凌区西北农林科技大学农作一站的土娄土和黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所试验田的黑土为研究对象，通过饱和稳定流土柱运移实验，测定不同层次土壤钾运移穿透曲线；应用对流、扩散模型，对测试穿透曲线进行拟合，反求其运移参数D、尺，结果表明：钾在塿土和黑土不同层次的运移均受到强烈的阻滞作用。塿土的阻滞因子与土层的粘粒含量呈显著正相关；黑土对钾运移的阻滞作用是土壤质地、有机质含量、矿物组成等因子综合作用的结果。塿土和黑土的扩散、弥散系数与平均孔隙水流速均呈极显著的线性关系。