基于FLUENT土壤养分渗流扩散的数值模拟研究

通过模拟降雨装置试验测定了土壤的渗透系数,并借助CFD-PDE耦合,采用离散元软件FLUENT的流体模拟功能研究了磷酸二氢钾溶液在土壤渗流过程中渗流速度和有效扩散系数随土层深度的变化规律。结果表明:在不同水头下渗透系数的变化基本上都呈下降趋势,供试土壤的渗透率随土层深度的增加而降低;磷酸二氢钾溶液在中心点以下0.02 m处的渗流扩散能力最强,且随着土层深度加深和到中心点距离的增加呈辐散性减弱。     

基于FLUENT土壤养分渗流扩散的数值模拟研究

通过模拟降雨装置试验测定了土壤的渗透系数,并借助CFD-PDE耦合,采用离散元软件FLUENT的流体模拟功能研究了磷酸二氢钾溶液在土壤渗流过程中渗流速度和有效扩散系数随土层深度的变化规律.结果表明:在不同水头下渗透系数的变化基本上都呈下降趋势,供试土壤的渗透率随土层深度的增加而降低;磷酸二氢钾溶液在中心点以下0.02 m处的渗流扩散能力最强,且随着土层深度加深和到中心点距离的增加呈辐散性减弱.     

白龙江上游不同演替阶段森林土壤入渗和持水特征

土壤入渗和持水性能对森林生态水文有着重要影响。为了解白龙江上游不同演替阶段森林土壤入渗特征和持水性能,在室内采用双环刀法对该地区土壤进行研究,测量土壤容重、孔隙度、持水量、渗透速率、根系含量等指标。结果表明:1)不同演替阶段森林土壤的容重、持水量、孔隙度的变化比较明显,并随着土层深度的增加土壤容重与持水量、孔隙度呈反比关系;2)土壤入渗速率在不同土层上各有差异,但总体有初渗速率＞平均渗透速率＞稳定入渗速率的趋势。在0~10 cm土层灌丛的渗透性能好,10~40 cm红桦林渗透性能优于其他林分;3)Kostiakov模型对不同植被类型不同土层的土壤入渗拟合的精度相对较高,尤其是对灌丛的拟合,是描述本研究区灌丛地土壤入渗特征最好的模型;4)植物粗根与土壤入渗呈负相关关系,与毛管持水量呈正相关关系,细根和中根与土壤入渗呈正相关关系,中根与毛管持水量呈负相关关系。     

灌水量和入渗压力对大容量渗灌器入渗特性的影响

【目的】掌握大容量渗灌器在不同入渗条件下的土壤水分运动及入渗规律.【方法】利用室内模拟土柱试验,研究了土壤湿润体的形状以及灌水量和入渗压力对渗灌器入渗特性的影响.【结果】距离对称剖面大于9.2cm的湿润体剖面近似为半椭球体;入渗初期在水头的作用下湿润峰的运移速率较快,之后湿润峰处于稳定增加的趋势,湿润峰的运移距离(y)与时间(t)的关系可以用乘幂关系表达y=mtn,拟合相关性达到显著水平.在水分再分布过程中湿润体垂直入渗距离的增加量逐渐大于水平方向的增加量,湿润比降低,在入渗后期重力式梯度占据主要的作用;土壤入渗率分析表明,0.4、0.7、1.0L的平均入渗速率分别为0.025、0.022、0.017L/s;一次灌水量越大的处理平均入渗速率越小.【结论】针对不同土壤的入渗能力和植物的根系生长范围,可通过调节入渗面的出口直径尺寸和灌水量的多少改变湿润比,具有较好的应用前景.     

黄土高原生物结皮覆盖对土壤积水入渗特征的影响及其模型模拟

【目的】探讨生物结皮层覆盖后对土壤水分入渗特征的影响。【方法】于2018年7-8月,以位于陕北黄土高原神木市六道沟小流域的生物结皮覆盖的黄绵土和风沙土为研究对象,以相邻的无结皮黄绵土和风沙土为对照(距离在10 m以内),采用双环法和土柱法分别对其水分入渗特征进行测定,计算饱和导水率(K_s)、土壤水分入渗速率及土壤水分入渗参数(稳定入渗速率、平均入渗速率和累积入渗量),并采用Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型对水分入渗过程进行模拟。【结果】(1)无论是黄绵土还是风沙土,生物结皮均能降低不同土层土壤的K_s,且生物结皮对黄绵土的影响高于风沙土。在0～20 cm土层,与无结皮对照相比,生物结皮覆盖的黄绵土和风沙土上K_s平均分别下降了42.1%和25.6%。(2)基于双环法和土柱法的测定结果显示,在积水入渗条件下,生物结皮覆盖黄绵土的稳定入渗速率(0.29～0.55 mm/min)、平均入渗速率(0.57～0.58 mm/min)和累积入渗量(3.63～3.69 cm)与无结皮黄绵土相比分别减少了27.5%～45.0%,32.6%～58.4%和31.8%～61.0%;生物结皮覆盖风沙土的稳定入渗速率(3.30～4.13 mm/min)、平均入渗速率(3.06～4.25 mm/min)和累积入渗量(19.22～26.76 cm)与无结皮风沙土相比分别减少了2.4%～11.3%,1.6%～27.8%和5.5%～26.3%,且基于双环法测定的土壤水分入渗参数整体上略高于土柱法。相对黄绵土,生物结皮对风沙土水分入渗参数的影响较小。(3)不同模型的模拟结果表明,Horton模型对生物结皮覆盖土壤水分入渗过程的拟合效果整体优于Philip模型和Kostiakov模型。【结论】生物结皮层的覆盖降低了0～20 cm土层的渗透性,土壤水分入渗过程可以使用Horton模型进行拟合。     

木兰围场阔叶林土壤层物理性质研究

为了能够更加深入地了解阔叶林土壤的物理性质,利用土壤烘干法和环刀法,以阔叶林作为研究对象,对其土壤层的物理性质进行研究。结果表明:土层深度与容重呈正相关,土层越深,土壤容重越大,40~60cm深的土壤容重是表层土壤容重的1.56倍。阔叶林土壤的毛管孔隙度的大小要大于非毛管孔隙度的大小,且随着土层的深入毛管孔隙度逐渐变小。土壤的初渗速率比较大,达到了27.01mm·min-1,林分的入渗稳渗速率为2.42mm·min-1,土壤入渗过程中的入渗速率与入渗时间存在较好的幂函数关系。     

土壤容重对海涂垦区粉砂土水分垂直入渗特征的影响研究

为探明土壤容重变异对海涂围垦区粉砂土水分入渗性能及变化过程的影响,该文通过室内土柱一维垂直入渗试验,比较分析了围垦区粉砂土和南京菜地黄棕壤不同容重下土壤水分入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化。结果表明容重对2种试验土壤入渗过程有较大影响,表征土壤入渗能力的稳定入渗速率、累积入渗量和湿润锋深度均随容重增大递减,呈显著负相关关系。模拟2种土壤入渗过程的考斯加科夫模型中,表征初始入渗速率的参数K值随容重增大递减,而表征入渗能力衰减速度的参数α随容重增大未表现出显著差异。简略的Philip入渗方程的幂级数解可以很好地拟合2种土壤湿润锋深度随时间变化过程,拟合的参数λ和x变化规律表明随着容重的增大,基质势梯度、重力作用都呈逐渐减弱的趋势。采用一维代数模型可以较好的模拟粉砂土入渗剖面含水率分布规律,土壤容重越高,模型的理论值越准确。     

滨海盐碱区不同林龄柽柳人工林土壤水分物理性质差异性

为揭示柽柳人工林对黄河三角洲滨海盐碱地土壤水分物理性质的影响,对3种林龄(3、6、8 a)柽柳林地的土壤密度、土壤孔隙度、持水贮水能力以及渗透性进行了研究。结果表明:林龄和土层深度均可影响柽柳林地的土壤水分物理特性,其中土壤密度随林龄的增加呈降低趋势,随土层深度的增加呈增大趋势;土壤孔隙度、持水量、贮水量均随林龄的增大而增加,随土层深度的增加而降低;各指标在3 a与8 a林地间及表层土(0≤土层深度(H)20 cm)与深层土(40 cm≤H60 cm)间差异均显著(P0.05);土壤入渗速率与入渗时间呈现明显的幂函数关系,初渗速率和稳渗速率在不同林龄林地间由大到小的顺序均表现为8、6、3 a,且8、6 a林地与3 a林地差异显著(P0.05)。综合来看,随着林龄的增长,柽柳林中凋落物分解与细根生长的作用逐步增强,0 cm≤H60 cm土壤剖面内的土壤密度、孔隙度、持水性及渗透性得到很大改善,土壤的通气性和透水能力明显提高。因此,在黄河三角洲滨海盐碱区营造柽柳人工林有利于改善土壤水分物理状况。     

农田CO_2释放初步研究

通过对不同天气类型和夜间在不同深度的测定 ,初步研究了江淮地区农田土壤CO2 排放状况。利用Excel拟合得夜间不同深度土壤CO2 平均排放速率分布公式为 :y =-0 .0 0 62x4 -0 .0 3 42x3+0 .64 13x2 -1.5 80 8x +2 .3 9;阴天的白天为 :y =1.85 49ex+8.892 3 ;晴朗的白天为 :y =0 .3 2 2 7x4 -4 .15 63x3+18.684x2 -3 4.43 4x +2 8.3 5 8。利用地表 0cm的数据计算得江淮地区农田CO2 排放速率为 10 .5mg/(m2 ·h) ,计算得高温期间 ( 5～ 9月 ,共 15 3d)江淮地区农田 (面积约 5 8.2× 10 4 hm2 )土壤CO2 总排放量约2 .2 4× 10 1 1 g。     

小陇山林区主要林地类型土壤入渗特征

【目的】选择小陇山林区最适宜的涵养水源森林类型,减轻水土流失程度.【方法】采用环刀法对小陇山林区6种主要林地类型土壤入渗特征进行研究.【结果】6种主要林地土壤稳渗率依次为:锐齿栎林(6.52mm/min)阔叶混交林(5.30mm/min)油松林(4.89mm/min)华山松林(4.48mm/min)日本落叶松林(3.87mm/min)无林地(3.62mm/min);Kostiakov模型对土壤入渗过程的拟合精度比较高;同一林地类型土壤初始入渗率和稳定入渗率都随着土层深度的增加而减少;土壤初渗率与土壤含水量呈极显著负相关,土壤稳渗率与土壤密度呈极显著负相关,与非毛管孔隙度成极显著正相关.【结论】阔叶林土壤入渗能力较强,可有效改善生态质量.     

城市绿地覆盖砂石后土壤水分入渗过程及模型分析

【目的】对城市绿地砂石覆盖土壤水分入渗过程进行研究和模型分析,为城市绿地水资源的合理利用提供理论参考。【方法】以银川城市绿地砂石覆盖土壤为研究对象,采用一维垂直定水头入渗法,选取砂石覆盖厚度为影响因子,设置5个覆盖厚度(0,2.5,5.0,7.5,10.0cm),观测湿润锋运移和累计入渗量变化规律,比较各处理土壤入渗特征,并用Horton、Kostiakov、Philip和通用经验模型模拟土壤的入渗过程,从中选出模拟效果最佳的模型。【结果】不同砂石覆盖厚度条件下湿润锋进程与入渗时间呈显著的函数关系,影响大小依次为10.0cm7.5cm5.0cm2.5cm0cm。砂石覆盖可以提高土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率和累计入渗量。与无覆盖相比,砂石覆盖厚度为2.5,5.0,7.5,10.0cm时的初始入渗速率分别增加了2.4%,5.2%,23.4%,27.6%;稳定入渗速率分别增加了6.0%,25.3%,32.8%,82.0%;平均入渗速率分别增加了12.5%,29.2%,39.6%,79.2%;累计入渗量分别增加了4.2%,11.7%,12.7%,17.0%。利用4种入渗模型拟合覆盖不同厚度砂石的土壤水分入渗过程,发现Horton模型拟合效果最好,Kostiakov模型次之,Philip模型和通用经验模型拟合效果较差。【结论】城市绿地覆盖砂石可以提高土壤入渗速率,增加入渗量,其中以覆盖厚度为10.0cm时最高,且Horton模型是拟合砂石覆盖与水分入渗关系的最佳模型。     

沼液穴灌土壤水分运移的交汇入渗特征

通过室内试验研究不同沼液浓度(原液与水的体积比为1∶4、1∶6、1∶8、CK)和穴孔直径(3、5、7 cm)对沼液穴灌土壤水分运移交汇入渗特征的影响。结果显示:相同入渗时间内,累积入渗量随沼液浓度的增大而减小;相同沼液浓度条件下,土壤水分累积入渗量随穴孔直径的增大而增大,土壤水分入渗速率随入渗距离的增大而减小;在相同穴孔直径及入渗位置,沼液浓度越大,土壤入渗速率越小;在相同入渗位置,随穴孔直径的增加,土壤入渗速率逐渐增加;Kostiakov入渗模型准确描述了累积入渗量随入渗时间增加而增加的关系,且模型拟合系数R2均大于0.99;沼液浓度相同时,土壤含水率为22%等值线以上的面积随着穴孔直径的增加而增大;土壤含水率为22%等值线以上的面积随沼液浓度的减小而增大。综合分析结果表明,沼液穴灌交汇入渗速率、累积入渗量及土壤含水率分布受沼液浓度、穴孔直径的影响。     

基于FLUENT的滴灌条件下土壤水分入渗数值模拟

[目的]研究滴灌过程中土壤水分的入渗规律对合理滴灌与作物增产有重要意义。[方法]本文采用Fluent软件对行距为50cm的滴灌种植模式计算求解。[结果]通过模拟得到土壤水分入渗的速度分布云图与各点水分分布云图。模拟结果与实际试验结果基本一致,入渗速度随入渗深度和宽度的增加而减小,水平方向和垂直方向的平均入渗速度分别为2.73×10~(-4) m·s~(-1)、2.24×10~(-4) m·s~(-1),水平方向入渗速度较大;水分到达距地面10cm深处作物根部所需时间大约为100~120min;入渗时各点土壤含水率增速随时间下降,随宽度和深度的增加而减小。[结论]模拟结果表明,数值模拟能够较好地反映滴灌条件下土壤水分入渗规律,为确定最优种植模式提供理论指导。     

激光平地对河套灌区土壤水分入渗及秋浇质量的影响

为促进激光平地的推广应用和提高秋浇质量,以内蒙古河套灌区普通农田为对照,测定激光平地对农田土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分入渗速率和秋浇质量等的影响。结果表明：激光平地主要影响0～10 cm土层土壤容重、土壤总孔隙度和毛管孔隙度,显著降低0～30 cm土层土壤非毛管孔隙度,但对10～30 cm土层土壤容重、土壤总孔隙度和毛管孔隙度则无显著影响;激光平地显著降低了土壤水分稳定入渗速率,秋浇水量可减少25.93%;激光平地后,农田的灌溉水流速率较快且较一致,田面储水深度较浅且均一,水流消退速率较低且较均匀。综上,建议河套灌区应积极开展激光平地,以节约灌水量并提高秋浇质量。     

滴灌条件下土壤水分运移动态研究

通过对滴灌条件下土壤湿润体、水分分布等观测研究,结果表明:滴灌条件下水分以点源入渗土壤,水平和垂向的湿润锋均随入渗时间的增加而逐渐变大,在入渗开始阶段湿润锋的推进速率较大,随入渗时间的延长,湿润锋的推进速率逐渐变慢。粘质土娄土,在滴灌速率为2.67L/h时,湿润锋径向移动速率远大于垂向移动速率,前者是后者的1.22倍。比较不同模型拟合的滴灌条件下土壤湿润锋的动态变化,多项式模型的拟合程度较好;同时建立土壤湿润体水分含量(Y)与径向距离(L)、垂向距离(H)、实验时间(T)之间的经验关系式。     

不同耕作管理措施对坡耕地降雨入渗的影响

利用人工模拟降雨试验,研究了不同耕作管理措施对坡耕地降雨入渗的影响,并采用有限差分法对入渗过程进行了数值模拟。结果表明,土壤入渗速率的计算值与实测值吻合较好,且耕作管理措施可明显增加坡面土壤的水分入渗,在相同入渗时间情况下,土壤稳渗速率大小排序为等高耕作>人工掏挖>人工锄耕>直线坡,在中小坡度和中小雨强条件下,这种特征表现更为显著。     

镉对土壤脲酶动力学特征的影响

采用室内模拟培养的方法,对镉污染土壤脲酶动力学特征进行了研究.结果表明:脲酶活性随着培养时间的增加而降低,并在第6天达到最大抑制率;同一培养时间内,随着镉浓度的增加,土壤脲酶活性呈现降低的趋势;两种模型拟合结果表明,模型y=c(1+ax)/(1+bx)拟合效果较好,说明镉对土壤脲酶活性的抑制为部分抑制;随着镉浓度的增加,Km值不变,Vmax和Vmax/Km呈降低趋势,说明镉对土壤脲酶的作用为非竞争型抑制,即抑制作用为部分非竞争型抑制.     

模拟黑麦草植被缓冲带对径流中氮、磷以及悬浮颗粒物的截留效果研究

农业面源污染已成为湖泊和河流的主要污染源之一,河岸植被缓冲带的存在可以对面源污染物进行有效吸收和截留。为阻控径流中农业面源污染物向水体的迁移,以模拟黑麦而麦草植被缓冲带为研究对象,采用模拟径流和降雨试验方法,通过6组模拟试验,分析其对地表径流及渗流中氨氮(NH₄⁺-N)、总磷(TP)、溶解态磷(DP)及悬浮颗粒物(SS)的截留、阻控效果。结果表明:黑麦草植被缓冲带对地表径流及土壤不同深度渗流中氮、磷及SS等面源污染物均具有一定的截留效果。模拟径流和降雨条件下,随着渗流取样深度的增加,黑麦草对各形态氮磷污染物的截留效率逐渐增大。模拟降雨条件下,黑麦草植被缓冲带对40cm渗流中NH₄⁺-N、TP和DP的截留效率高于模拟径流中污染物的截留效率,其最大值分别为28.0%,12.4%和25.6%。植物根系吸收、土壤的入渗以及土壤吸附等作用是黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中各形态氮磷及SS的截留、阻控作用机制。     

Guelph入渗仪在松华坝水源区土壤入渗性能上的应用

【目的】验证Guelph入渗仪进行室内模拟的可行性以及研究松华坝水源区不同土地利用类型对土壤入渗性能的影响。【方法】利用Guelph入渗仪通过野外测定和室内模拟研究了林地、林改坡地和坡耕地土壤水分入渗过程。【结果】通过野外测定,土壤入渗性能强弱表现为林地林改坡地坡耕地,室内模拟的结果与其一致,且两种方法的结果显著相关;通过对土壤入渗性能与影响土壤入渗因素的相关分析发现,含水率、砂粒、容重、总孔隙度是影响土壤入渗性能的重要因素;利用3种公式对野外测定的土壤入渗速率进行拟合,Kostiakov公式拟合效果最好,通用经验公式次之,Philip公式还存在一定的偏差。【结论】利用Guelph入渗仪进行室内模拟可以很好地反映土壤渗透性能,更易控制实验条件,还可以观测到指标的变化过程,土壤入渗量和湿润锋等指标的测定更能全面地表达土壤入渗性能。     

参数平均方式对层状夹砂土壤积水入渗数值模拟的影响

为研究非饱和土壤水分运动方程中参数的平均方式对层状土水分运动数值模拟的影响,采用有限差分方法对Richards方程进行离散,并用MATLAB软件编程模拟层状夹砂土柱的薄层积水入渗过程。对差分网格中半节点参数的8种不同平均方式进行了数值模拟稳定性和精度的比较。结果表明:不同平均方式下湿润峰到达某一深度的时间与该处的土壤含水量增速呈负相关关系;间接算术平均和调和平均下的土壤含水率数值振荡较大;几何平均和三点平均2种方式下入渗率、累积入渗量和湿润锋误差相对较小。综合分析,几何平均和三点平均更适合层状夹砂土情况下薄层积水入渗过程的数值模拟。