Hydrus在农业灌溉及氮素运移方面的研究进展

我国农业灌溉效率较低,农业水域环境污染问题显著。为了探讨Hydrus在农业灌溉和氮素运移中的应用,文章针对近年来国内外Hydrus在农业灌溉及氮素运移方面的相关文章进行了整理综述。结果表明,Hydrus在涌泉灌溉、滴灌及土壤水分中的应用显著,同时也多用于分析氮素运移的影响因素及硝化与反硝化作用。在此基础上,Hydrus仍存在因模型参数设置等导致的误差,可以通过与其他模型耦合或开发相关拓展功能来提高模拟精度。

采用HYDRUS模拟采煤沉陷地裂缝区土壤水盐运移规律

煤炭的开采带来经济快速发展的同时也会带来一系列的生态环境问题,其中采煤沉陷产生的地裂缝是最直观的一种,其分布广、对土地破坏性大、对周边植物生长影响严重。西部矿井水矿化度较高,极易产生次生盐碱化,裂缝区的水盐运移对于该区域植物生长具有潜在的影响。为探究采煤沉陷地裂缝对土壤中水盐运移规律的影响,通过室内模拟试验,研究不同土壤盐浓度条件下,裂缝区土壤水盐分布特征,并运用数值模拟方法,建立采煤地裂缝土壤水盐运移模型,采用HYDRUS 2D软件进行模拟,将模拟值与实测值对比,结果表明:HYDRUS模拟数值与实测值呈现出相同的规律,满足精度要求,说明HYDRUS能够较好的模拟裂缝区域内的水盐运移。在56 d的模拟试验中,裂缝区土壤含水量在前3周为快速下降期,4~5周为中速下降期,5周之后为稳定期。越靠近地裂缝处土壤含水量下降越快,对于台阶为20 cm的地裂缝,其水盐含量影响范围约为水平距离裂缝45 cm处,地裂缝区域内土壤盐分运移趋势与水分基本一致,遵循盐随水行的运移规律,裂缝区含盐量有向下迁移的趋势,具有减轻次生盐碱化发生的潜力。

基于HYDRUS-1D模拟的变水头入渗条件下VG模型参数敏感性分析

采用单因素扰动分析法,分别对土壤水力参数残余含水量θr、饱和含水量θs、饱和导水率Ks、经验参数α和n进行扰动,选用HYDRUS-1D模型模拟南京市区2年一遇降雨条件下土壤水分入渗过程,分析变水头入渗条件下各土壤水力参数的敏感性,定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D输出变量土水势和累积入渗量的影响,简化后续模型率定工作,提高模型模拟精度。结果表明:在变水头入渗条件下,5个参数对土水势与累积入渗量敏感性排序均为n>Ks>θs>α>θr,其中α和n对于地表0～10 cm附近的土水势影响较大,Ks与θr,以及θs与α对土水势影响规律类似;±25%扰动情况下,θs、Ks与n三者对累积入渗量的影响均大于10%。因此,在进行变水头入渗条件下模拟计算中应保证Ks、θs、α和n参数的准确性。

基于Hydrus-1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究

以吉林省大安灌区为研究对象,在野外调查和资料收集的基础上,借助Hydrus-1D模型,模拟分析了旱田(玉米地)灌溉条件下地下水入渗补给过程。结果表明:模拟期间蒸散发动态变化较大,蒸腾量约为蒸发量的2.18倍,玉米生育期内,土壤水分蒸腾损失约占蒸散发消耗的79.74%,蒸散发在作物生长旺季以蒸腾为主,其它时段则以蒸发为主;旱田灌溉条件下,降水灌溉大量入渗形成土壤水,土壤水与地下水发生双向的、动态的水量频繁交换,模拟中地下水入渗补给量约为33.63 mm,入渗比为5.21%,其与研究区细密的包气带介质岩性有关。研究成果可为进一步开展旱田灌溉合理方案的制定提供科学依据。

HYDRUS模型与遥感集合卡尔曼滤波同化提高土壤水分监测精度

精确地估测干旱区土壤水分含量,对该区域的农业发展与水土保持具有重要意义。该文以MODIS与Landsat TM数据为数据源,利用其反演获得的条件温度植被指数(temperature-vegetation drought Index,TVDI)作为观测算子,将集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter,En-KF)同化方法应用于水文模型(HYDRUS-1D),进行干旱区表层土壤水分的模拟。结果表明:遥感数据反演土壤水分所构建的二维特征空间TVDI与表层土壤水分有较好的一致性;En-KF同化方法对模型变量与观测算子的更新,与单纯使用HYDRUS模型相比,获得的表层土壤水分含量精度有了明显提高,其均方根误差缩小了1个百分点,平均误差缩小了5个百分点。可见,基于多源遥感数据对表层土壤水分的En-KF同化模拟在干旱区具有较大的潜力,是提高干旱区土壤水分含水量监测精度的有效手段。

Hydrus-3D模型模拟田间点源入渗与水分再分布准确性评价

滴灌条件下水分入渗与再分布是评价滴灌灌溉效率的重要内容，通过 Hydrus3D 模型模拟单点源和点源交汇情况下水分入渗及其再分布过程，并利用田间试验实测资料进行验证。结果表明：采用 Hydrus3D 软件建立的模型可较好地模拟单点源水分入渗、水平湿润锋扩散过程及土壤剖面水分的分布情况，水平湿润锋距离的模拟值和实测值的误差在灌水结束时达到最大，且滴头流量越大，误差亦越明显，其中最大绝对误差为4．6 cm ，最大相对误差达0．167，R2在0．95以上，F 检验 P 值大于0．05，且 RMSE 在2．1以内；模型模拟的土壤体积含水量分布和实测值基本一致，模拟值和实测值的 R2在0．90以上，F 检验 P 值大于0．05，RMSE 均小于0．07；湿润范围模拟结果和实测结果的吻合度较高。灌水结束后20 h ，模拟土壤剖面含水量的分布情况与实测值基本一致，模拟值和实测值 R2在0．575～0．652之间，F 检验 P 值大于0．05，RMSE 在0．013左右，双点源交汇区整个剖面模拟值和实测值 R2为0．526以上，F 检验 P 值大于0．05，RMSE 均小于0．01，模拟结果较好，说明 Hydrus3D 模型可模拟土壤水分再分布情况。

基于Hydrus-1D的土壤水盐运移数值模拟

为了研究积水入渗土壤水盐运移规律,通过室内土柱实验,分析不同灌水量条件下土壤水盐分布状态。应用饱和-非饱和土壤水分及溶质运动理论构建数学模型,利用Hydrus-1D软件进行水盐运移数值模拟,并将模拟结果与实测结果进行对比分析。结果表明:灌水量为1.4 L、2.8 L、4.2 L处理的积盐区位置分别为20 cm、30 cm、40 cm,积盐区积盐率分别为49.2%、57.6%、100%,表层土脱盐率分别为87.2%、93.7%、96.8%;积盐区在湿润锋以上5 cm左右处。HYDRUS-1D模型可以较好对土壤水盐运移规律进行模拟。

应用Hydrus-1D模型模拟分析冬小麦农田水分氮素运移特征

将Hydrus 1D水氮联合模型用于模拟冬小麦农田水分氮素运移转化过程,试验和模拟结果表明,北京地区冬小麦农田不同水肥处理小区,蒸散量约400mm,占根层总耗水量的95%以上,水分渗漏到根层以下量很少,各小区最大渗漏量为38.4mm。作物吸氮占总耗氮量的94%以上,而根层以下氮淋失很少,最大氮淋失量为8.7kg/hm2。氮淋失量主要对应于水分渗漏量,可考虑改变灌溉措施减少水氮淋失量。传统水、肥管理方案与优化水、肥管理方案比较,各处理产量和水氮利用效率无显著差异,而前者根层水分渗漏量大并肥料总投入量大。综合评价认为,优化水肥管理措施更合理可取。

HYDRUS模型在干旱区灌溉与土壤盐化关系研究中的应用

以新疆阿瓦提县丰收灌区为例,利用HYDRUS数值模型分析了灌溉水量对土壤盐分分布的影响,特别是耕作层土壤盐分的变化情况,同时也对当地实行的冬季灌水进行了分析,为农业技术操作提供了依据。

基于HYDRUS的三舟溪滑坡降雨入渗规律研究

以三舟溪滑坡为例,运用HYDRUS-1D模拟软件,对由于降雨影响造成滑坡土壤不饱和区的土壤水运动进行模拟计算,为滑坡体降雨入渗规律研究提供参考依据。将模拟计算结果与实际监测结果进行对比,发现在考虑降雨影响下,评价滑坡体降雨入渗规律采用Hydrus-1D是可靠的。受降雨特征和初始含水率的影响,降雨对地下水位的影响存在滞后作用,5月25日和5月29日降雨期间,湿润锋到达模型底部所用的时间分别为6 h、19.2 h。

基于HYDRUS对稻田不同阶段土壤水分的模拟与分析

为探寻稻田不同阶段土壤水分状况下的差异性,基于重庆丘陵区紫色土常规轮作水稻土壤水分的连续监测数据,利用HYDRUS-1D模型对稻田淹水、排水落干和收获后3个不同干湿阶段(阶段Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的土壤水力参数和土壤含水量开展验证模拟分析.研究表明:①根据R^(2)与RMSE的误差分析结果,HYDRUS可以实现对不同阶段稻田土壤水分变化的有效模拟.②根据土壤水量平衡分析,阶段Ⅰ的稻田土壤水分以水分补充的形式为主;阶段Ⅱ和Ⅲ的土壤水分以水分损失为主,底层渗漏量分别占总水分损失量的52%和95%.③根据HYDRUS的模拟结果,降雨直接影响土壤上下边界流的变化;阶段Ⅱ的实际作物蒸腾量和实际地表蒸发量低于阶段Ⅰ的,阶段Ⅲ稻田土壤的地表实际蒸发量与日照时数的关系更密切.

基于PEST的MODFLOW-HYDRUS耦合模型参数优化

为实现饱和、非饱和带水分运动耦合模型参数的有效率定,以内蒙古河套灌区永联试验区的地下水位、土壤含水率实测数据为基础,选用MODFLOW-HYDRUS耦合模型,采用试错法与PEST优化算法相结合的方法,对水文地质参数和土壤水力参数进行优化。优化结果表明:通过PEST算法进行参数优化后,耦合模型模拟精度有所提高,决定系数提高了2%~35%,纳什系数提高了6%~11.3倍,均方根误差减小了5%~20%,标准化均方根误差减小了5%~20%。其中验证期土壤含水率的各项评价指标提高或减小的幅度均为最大,决定系数、纳什系数、均方根误差和标准化均方根误差变化幅度分别为35%、11.3倍、20%和20%。

土壤水盐运移Hydrus模型及其应用

土壤盐渍化显著地影响着全球经济的发展,研究土壤中水盐运移的过程并对其进行精确模拟对于盐渍化土壤的监测、评价以及治理均具有重要意义。本文介绍了美国国家盐土实验室研发的Hydrus模型,系统阐述了该模型在不同土壤质地、灌溉方式、灌水频率以及不同盐碱土改良方式下的应用情况,并且展望了Hydrus模型的发展趋势,旨在为土壤水盐运移模型的研究提供思路。

基于HYDRUS软件的植物混掺土壤水分特征曲线分析

为探求植物混掺对土壤持水性产生的影响,以甘肃景泰地区土壤为试验材料,设置1%玉米芯、1%玉米叶、3%玉米芯、3%玉米叶等不同比例、不同秸秆混掺物4种处理,采用离心机法测定土壤水分特性曲线,同时利用HYDRUS软件进行模拟计算。结果表明,在相同吸力下,相同混掺物处理,混掺比为3%的土壤体积含水率高于混掺比为1%的土壤;相同混掺比处理,混掺玉米叶的土壤体积含水率高于混掺玉米芯的土壤,且混掺处理后土壤体积含水率均高于纯土;不同土壤水分特征曲线的模型拟合分析表明,不同处理的最优拟合模型均为Van Genuchten模型。研究结果可为探索该地区植物混掺条件下土壤水盐运移规律提供一定参考。

基于Hydrus模拟根灌条件下黄河滩地土壤水分入渗的研究

在室内测定并利用Hydrus软件模拟了在滴灌头埋深20 cm时黄河滩地土壤中水分的入渗及剖面分布规律。结果表明:在滴头下方10 cm处的土壤含水量明显低于在滴头附近的;在滴头上方10 cm处的土壤含水量在滴灌结束时接近0.13 cm/cm3;湿润锋纵向运移距离明显大于径向的,其中以湿润锋下径运移最快。经对比验证,本研究模拟计算结果与观测值较为吻合。

基于HYDRUS的微润灌溉线源入渗数值模拟

为探究微润灌溉在沙壤土中的入渗规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立1.0、1.5、2.0 m三种水头下微润灌溉土壤水分运动的数学模型。利用HYDRUS(2D/3D)软件对模型进行求解,求解结果表明:微润灌溉入渗流量随水头的增大而增大;湿润体沿渗灌管呈圆柱形分布,相同灌水时间下,湿润体大小随水头的增大而增大,湿润锋运移速率在灌水48 h内迅速减小,之后逐渐趋于稳定;含水率等值线为以渗灌管为中心的同心圆,平均含水率随水头的增大而增大,灌水均匀度随水头的增大而减小。为了验证软件模拟的精确性,将田间试验结果与模型模拟值进行对比,结果表明:模拟值与实测值无显著性差异,两者具有较好的一致性,说明HYDRUS软件可用于模拟微润灌溉条件下土壤水分运动及设计地下线源入渗灌水策略。

利用HYDRUS-2D模拟膜下滴灌玉米农田深层土壤水分动态与根系吸水

河套灌区农田地下水埋深普遍较浅且年内波动较大,明确不同膜下滴灌条件下深层土壤水分对根区的补给作用及作物根系吸水的响应差异有利于膜下滴灌技术的完善和推广。本研究开展了连续2 a(2017—2018年)的春玉米田间试验,设置3个膜下滴灌灌溉水平,分别控制土壤基质势下限为-10 kPa(S1)、-30 kPa(S3)和-50 kPa(S5)。利用HYDRUS-2D模型模拟0~120 cm深度土壤含水量、根层下边界(100 cm深度处)水分通量和作物根系吸水速率。结果表明,经过率定后的HYDRUS-2D模型对0~120 cm深度土壤含水量模拟结果的根均方差(RMSE)和决定系数(R2)分别为0.039~0.042 cm3·cm-3和0.78~0.73,模拟结果可靠。膜下滴灌农田100 cm和120 cm深度处土壤含水量较高且处理间差异不大,说明不同滴灌条件对于100 cm以下深层土壤含水量影响较小;但不同处理显著影响根区下边界的水分通量和根系吸水速率。基质势下限控制水平越低,深层土壤水分对于根区的补给量(毛管上升)越大,S1、S3、S5生育期内累积补给量在31.9~49.6 mm之间。S5处理根系吸水速率较低,根系吸水受到显著抑制,从而造成作物生长指标和产量显著低于S1和S3处理(P<0.05);而S1和S3之间籽粒产量差异不显著。综上,在本研究所设置的3个滴灌处理中,S3生育期内灌溉定额为240~300 mm,既较S1显著减少灌水量、提高水分利用效率,又具有较好的根系活力,有效利用深层土壤水分,因此建议该地区春玉米膜下滴灌的灌水下限为-30 kPa。

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。

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能够较好地模拟不同介质中水与溶质的迁移转化过程。然而,目前我国的Hydrus应用研究大都局限于小区域或对室内土柱的一维模拟;研究中确定模型水力和溶质运移参数的过程有待规范与提高;部分研究缺乏对Hydrus模拟结果的系统评估。未来我国Hydrus模型研究有待加强的领域包括:①将Hydrus与不同环境领域模型进行耦合从而实现在流域等大尺度的全过程模拟;②基于实际研究需求,对Hydrus标准模块缺乏的功能进行扩展。

基于Hydrus模拟纳米碳对黄土坡面土壤水分运动特征的影响

黄土高原水土流失严重,纳米碳可对黄土坡面水土流失起到较好调控作用。基于Hydrus模型,结合野外坡地模拟降雨试验数据,分析了纳米碳对黄土地区坡地降雨侵蚀的影响过程,并通过模型确定相关参数,为治理黄土地区水土流失及评价模型适用性提供依据。结果表明:纳米碳可提高降雨在坡地土壤的水分入渗量,增加土壤对降雨的容纳能力,且纳米碳施加量越大,土壤增渗效果越好,其中施量为1.0%时,裸地、柠条、苜蓿、黄豆、玉米累积入渗量分别增加17%,5%,12%,6%,7%;Hydrus软件的模拟结果可有效反映纳米碳对坡面降雨入渗的影响过程,通过对相关系数R 2,平均绝对值误差MAE和均方根误差RMSE分析,Hydrus拟合结果可信度较高。通过对土壤拟合水力参数的对比分析,纳米碳对土壤水分入渗过程具有较大影响,随纳米碳施加量的增加,各水力参数的变化与纳米碳施加量存在明显的线性关系,进气吸力h d(斜率为41~146)、形状系数n(斜率为0.381~2.573)、饱和导水率K s(斜率为0.023~0.064)均呈增大趋势。