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。     

点源地下滴灌土壤水分运动数值模拟及验证

依据非饱和土壤水动力学理论,借助计算机数值模拟方法,应用Hydrus软件建立了地下点源滴灌的土壤水分轴对称二维数值模拟模型,分析对比了几种土壤条件下地埋点源滴灌时土壤水分的运动状况。应用土壤剖面含水率、土壤水湿润峰运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模型值对模型进行了验证。结果表明,两者具有较好的一致性,相对误差在10%以内,说明所建模型能比较真实地反映供试土壤条件下的水分运动情况。     

微孔管渗灌时土壤水分运动的有限元模拟及其应用

为了深入了解新型微孔渗灌管的灌水性能，提供推广应用渗灌的科学理论和技术依据，建立了含有第3类边界条件的二维微孔管渗灌土壤水分运动的数学模型，采用有限单元法进行了模拟。检验结果表明模型具有较高的精度。模型的仿真应用结果表明：供水水压力、土壤初始含水率、渗管的渗水速率等对渗灌效果都有明显影响。供水压力增大渗灌后土壤湿润范围内的平均含水率增大。初始含水率越高，湿润锋越不明显，总渗水量越小。随着渗管渗水速率的增大，渗管周围将出现饱和区，并存在渗水速率临界值，该值与土壤初始含水率有关。增加渗管的渗水速率可以提高渗灌的灌水效果。     

渗灌土壤水分调控技术参数的研究进展

分析了渗灌条件下土壤水分的运动规律，对渗灌调控土壤水分的有关技术参数如渗灌管埋深、间距、灌水压力、渗灌管的允许长度和出流量等研究进行了概括，并提出了渗灌技术参数今后的研究重点：对渗灌参数进行综合研究及水分运移规律等方面的研究。     

单坑变水头入渗条件下均质土壤水分运动的数值模拟

变水头入渗条件下的土壤水分运动是蓄水坑灌的基本理论问题。该文根据土壤水动力学的基本理论,分析了蓄水坑变水头入渗的复杂边界条件,并推导了其坑水位变化与坑壁变水头入渗关系的数学表达式,进而建立了蓄水坑灌单坑变水头入渗及土壤水分运动的数学模型。采用ADI交替方向隐式差分格式将土壤水分运动方程离散,用Gauess-Seidel迭代算法求解非线性差分方程,实现了单坑变水头条件下的土壤水分运动的数值模拟。实验验证表明,数值计算结果与实测值有着较好的一致性。     

层状土垂直一维入渗土壤水分运动数值模拟与验证

[目的]为进一步认识层状土垂直一维入渗土壤水分运动规律。[方法]依据非饱和土壤水分运动理论,建立了垂直一维土壤饱和—非饱和水分运动的数学模型,并用SWMS-2D软件进行求解。采用已有文献资料,对均质土和层状土的土壤剖面含水率、土壤湿润锋运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模拟值进行分析验证。[结果]实测值与模拟值具有较好的一致性,所提出的数学模型既适用于均质土壤,也适用于层状土壤。[结论]所建模型能比较真实地反映均质土和层状土垂直一维入渗土壤水分运动的状况,证明利用SWMS-2D软件对层状土柱中土壤水分运动进行模拟具有可行性。     

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%～80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%～94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。     

地埋点源滴灌土壤水分运动规律的研究

根据非饱和土壤水运动理论，建立了地埋点源滴灌条件下土壤水分运动的数学模型，针对地埋点源入渗的特点，采用了可动的边界条件，加快了有限差分法对模型求解速度。应用模型分析了地埋点源滴灌土壤水分运动的基本规律，由此对地埋点源滴灌系统的设计和运行管理提出了初步看法     

日光温室黄瓜栽培条件下土壤水分动态的数值模拟

为研究日光温室黄瓜需水规律,在温室中布设了主要气象因素和土壤水基质势监测装置。根据试验资料拟合得到了黄瓜根系伸展深度及叶面积指数动态曲线,进而获得蒸散与蒸腾模式及黄瓜根系吸水模式,在此基础上,依据土壤水动力学理论,建立了土壤水分动态的数值模型,对黄瓜两个主要生育期土壤水分动态进行了模拟,并就不同灌溉量和土壤不同初始含水率对土壤水分动态的影响进行了数值分析     

基于GIS的土壤水分运动模型

我国北方灌溉农田区土壤水分空间差异较大,一维水分模型无法计算土壤水分的空间分布,本研究在V isualBasic环境下结合ArcOb jects控件技术,利用ArcG IS的空间分析能力,开发出一个基于G IS的三维区域土壤水运动模型。该模型以R ichards方程和Van Genuchten公式为基础,通过简单的数据输入及参数设定便能快速的计算出土壤含水量、土壤导水率和土壤水势,对土壤水分空间运动进行模拟,并分别利用参考文献数据及实测数据对模型进行验证,证明计算结果可靠。     

波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动数值模拟及试验

考虑到地下水浅埋对上层包气带水分分布造成一定影响,该研究结合波涌灌技术,对地下水浅埋下间歇入渗的土壤水分分布特征和运动规律进行了分析,建立了基于饱和-非饱和土壤条件下一维间歇入渗水分运动模型,根据试验实测资料采用Hydrus-1D软件反推土壤水分运动参数,并对入渗过程进行了模拟。在此基础上,确定了饱和导水率的估算模型。结果表明:所建参数估算模型较好地反映了饱和导水率与间歇周期数、循环率以及周期时间之间的相关关系,所建水分运动模型模拟值与实测值比较,累计入渗量、土壤含水率以及湿润体运移距离总体相关系数高于0.96,均方差在0.5以内,吻合度较高,能够较好地描述了地下水影响条件下波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动特征。该研究为波涌灌技术进一步发展奠定了科学基础。     

棉花膜下滴灌土壤水盐运移规律数值模拟

通过棉花桶栽试验,获取棉花全生育期土壤蒸发蒸腾量以及土壤含水率、含盐量变化规律。以土壤水分运动基本方程和溶质运移对流-弥散方程为基础,在考虑棉花根系吸水和土壤蒸发蒸腾条件下,对膜下滴灌棉花全生育期时段内土壤中水盐运移规律进行了数值模拟,并与实测的土壤含水率和含盐量进行了对比分析。其结果显示:土壤表层和深层的土壤含水率和含盐量模拟值与实测值均存在不同程度的偏差,而中间层土壤含水率和含盐量的模拟值较接近实测值。因此,只要能够获得足够的精确的大田实测资料,就可以将该模型应用于棉花膜下滴灌土壤水盐运移规律的实际预测。     

蓄水坑灌单坑土壤水分运动有限元模拟

为了合理设计干旱地区果树蓄水坑灌,该文根据土壤水动力学原理和单坑入渗土壤水分运动特点,建立了单坑二维土壤水分运动数学模型,采用有限单元法求解,并根据质量守恒原理建立了确定坑内水位变化过程的数学模型。室内单坑入渗土壤水分运动验证试验结果表明坑内水位变化过程、土壤含水率、湿润锋的实测值与模型计算值吻合较好,说明所建立的单坑二维土壤水分运动数学模型和坑内水位变化过程数学模型是正确的,采用有限元法对其求解是可行的,该模型可用于模拟单坑土壤水分分布规律。     

移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

为减少大型喷灌机的喷灌水分蒸发漂移损失,将低压喷头改装成按适当间距布置的大流量压力补偿滴灌管,使大型喷灌机自走时拖拽滴灌管,实现边移动边滴灌。该移动滴灌系统融合了大型喷灌机与滴灌的技术优势,具有较高的节水潜力,研究其土壤水分入渗规律对于设计节水高效的灌溉系统具有重要意义。为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况,该研究搭建了移动滴灌试验装置,设置30、40与50 mm 3种灌水深度进行移动滴灌土箱试验,同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。模拟与实测结果对比表明,所构建模型能较准确地反映移动滴灌的土壤水分运动规律,土壤剖面中的水分运动均遵循面源入渗模式,灌水后48 h土壤剖面含水率模拟值的标准均方根误差低于20%,各测点处含水率变化过程模拟的标准均方根误差值总体低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土与粉壤土3种不同的土壤质地,20、30与40 mm 3种不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm3/cm3 5种不同的土壤初始含水率对移动滴灌条件下土壤水分入渗规律的影响。结果表明土壤质地对湿润峰运移距离与湿润体形状的影响较大,土壤砂性越强,湿润体横截面积越大,可以适应更大的滴灌管安装间距;对于供试砂壤土而言,增大灌水深度与土壤初始含水率,均可以提高湿润峰运移距离和灌水均匀性,但会加大深层渗漏风险。该研究结果对于大型喷灌机的移动滴灌系统设计运行具有重要参考价值。     

多点源滴灌条件下土壤水分运动的数值模拟

为了摸清多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,为密植作物滴灌系统的合理设计提供依据,本文根据非饱和土壤水动力学理论和多点源滴灌条件下土壤水分运动特征,建立了多点源滴灌条件下土壤水分运动数学模型,利用商业化软件Hydrus对模型进行了求解。模拟结果与实测情况对照表明,模拟的入渗过程与实测的入渗过程基本吻合,均遵循点源入渗、湿润区交汇和最终形成湿润带的演变规律;模拟的交汇时间和入渗深度与实测的相比,偏差均在10%以内;在湿润锋交汇前,湿润区内部土壤含水率模拟值与实测值的差异较小,吻合较好,在湿润锋交汇后,湿润区上部土壤含水率的模拟值要比实测值小一些。总体而言,模拟结果还是能比较真实地反映多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,可为滴灌系统的合理设计及运行提供一定的理论依据。     

非饱和土壤一维水分入渗与再分布的解析解法

Soil infiltration and redistribution are important processes in field water cycle, and it is necessary to develop a simple model to describe the processes. In this study, an algebraic solution for one-dimensional water infiltration and redistribution without evaporation in unsaturated soil was developed based on Richards equation. The algebraic solution had three parameters, namely, the saturated water conductivity, the comprehensive shape coefflcient of the soil water content distribution, and the soil suction allocation coefficient. To analyze the physical features of these parameters, a relationship between the Green-Ampt model and the algebraic solution was established. The three parameters were estimated based on experimental observations, whereas the soil water content and the water infiltration duration were calculated using the algebraic solution. The calculated soil water content and infiltration duration were compared with the experimental observations, and the results indicated that the algebraic solution accurately described the unsaturated soil water flow processes.     

盐碱土入渗下修正Green-Ampt模型参数确定与验证

为进一步探究盐碱土的入渗机理,实现科学的盐碱土农业生产与灌溉,基于传统Green-Ampt模型,根据盐碱土的入渗特性引进扩散率,并结合对土壤剖面含率分布的划分假定对模型进行修正.利用5种盐碱土进行一维积水入渗试验,采用入渗率、湿润锋数据验证该修正模型.结果显示:修正模型模拟值与实测值的一致性良好,进行相关分析得到5种盐...     

土壤质地和灌水器材料对负压灌溉出水流量及土壤水运移的影响

负压灌溉法是一种新近提出的节水灌溉技术,灌溉时供水水头为“负值”,即灌溉水源高程低于灌水器高程。不同材料灌水器和土壤质地是影响灌溉系统出水流量及土壤水运移的重要因素。该文研究了在高程差H为-0.5 m情况下两种灌水器及两种质地土壤对两者的影响。结果表明：灌水器相同时,累计入渗量、水平和垂直最大湿润距离随时间呈幂函数关系变化;在历时相同时黏壤土较砂壤土大;湿润体近似为六分之一的竖直椭球体,但黏壤土水平与垂直最大湿润距离之比大于砂壤土。土壤质地相同时,纤维灌水器较陶土灌水器出水流量高。试验结果进一步证明了负压灌溉的可行性,并为确定负压灌溉系统应用范围及规划设计过程中灌水器选择提供了依据。