基于HYDRUS-2D南疆矮砧密植苹果滴灌灌溉制度优化

通过数值模拟和田间试验相结合的方法,以2019-2021年田间实测数据对模型水力特性参数进行率定和验证,并利用校准模型参数模拟了42组不同情景的滴灌苹果水分胁迫量和深层渗漏量变化规律,采用HYDRUS-2D模型优化了南疆地区5 a生矮砧密植苹果滴灌灌溉制度。结果表明,南疆5 a龄矮砧密植苹果树不同生育期滴灌适宜灌溉制度是开花坐果期、果实膨大期、果实成熟期的灌水次数和灌水定额分别为6次4.5 mm、19次13.5 mm、7次9 mm;灌水周期分别为3、4和3 d。

基于HYDRUS-2D的滨海盐渍化灌区冬小麦土壤水盐运移模拟研究

微咸水灌溉是缓解滨海地区农业淡水短缺的一个可能的解决方案,但是在盐渍化灌区使用微咸水灌溉难度较大。为探究盐渍化灌区如何科学合理地使用微咸水灌溉,以黄河三角洲垦东灌区为研究区,采用大田试验结合HYDRUS-2D数学模型模拟方法,研究滨海盐渍化灌区微咸水灌溉冬小麦田土壤水盐运移的影响。验证结果表明,HYDRUS-2D能够准确模拟微咸水灌溉作用下的土壤水盐分布,通过设定灌水定额为750 m^(3)/hm^(2)下4种灌水矿化度1 g/L(G1)、2 g/L(G2)、3 g/L(G3)和4 g/L(G4)情景,模拟结果表明,不同微咸水灌溉方案处理下0~100 cm土层土壤含水量差异不大,相同微咸水灌溉方案处理下,除0~20 cm土层外土壤含水量均有“上升-下降-平稳”的趋势,土壤含水量沿纵向分层明显,深层相比于浅层土壤含水量高;不同微咸水灌溉方案处理下0~40 cm土层土壤含盐量均有增大趋势,60~100 cm土层土壤含盐量均有减小趋势,土壤含盐量沿纵向分层明显,深层相比于浅层土壤含盐量低;再盐化率随微咸水灌溉矿化度增大而增大,脱盐率随微咸水灌溉矿化度增大而减小。G4使得冬小麦主根区(0~40 cm)平均土壤含盐量达到3.26 g/kg,受到高盐胁迫,脱盐率为39.60%、再盐化率高达68.95%,考虑多指标综合提出了滨海盐渍化灌区冬小麦在关键生育期微咸水灌溉矿化度不宜超过3 g/L。

Hydrus-2D模拟起垄覆膜处理对夏玉米生育期水量平衡的影响

为探究起垄和覆膜处理对辽西北半干旱区夏玉米生育期水量平衡的影响,该研究在建平县节水灌溉试验站将田间试验与Hydrus-2D模拟相结合,探究各典型年夏玉米生育期水量平衡的变化规律。结果表明:Hydrus-2D模型能够有效地对起垄和覆膜处理后夏玉米生育期的下垫面降雨入渗过程进行模拟,各下垫面实测值与模拟值的R^(2)均不小于0.87,均方根误差均小于0.01 cm^(3)/cm^(3);覆膜后各典型年的蒸发量平均减少52.24 mm,蒸腾量平均增加31.84 mm;覆膜会抑制多日持续降雨期间的深层渗漏速率,促进单日超过40 mm降雨的雨后深层渗漏速率;覆膜能减少作物生育期的农田耗水量(蒸发量,蒸腾量和深层渗漏量之和),使各典型年的平均农田耗水量减少25.74 mm,增加覆膜垄作处理的覆膜宽度能够进一步减少作物生育期的农田耗水量。因此,在辽西北半干旱区进行起垄和覆膜对缓解该地区的农业缺水紧张情势,丰富农田生育期水分转化结构的相关理论具有重要作用。

基于HYDRUS-2D模型的滴灌土壤水氮动态模拟研究

【目的】探究河套灌区滴灌条件下玉米各生育期土壤水氮变化规律及不同灌水量对土壤硝态氮累积量的影响。【方法】通过田间试验,设置高灌水量(D1:76 mm)处理和低灌水量(D2:60 mm)处理,分析土壤含水率和土壤氮素(铵态氮和硝态氮)的动态变化规律,利用HYDRUS-2D模型进行模拟验证与预测。【结果】各处理灌水后土壤含水率呈增加趋势;而土壤铵态氮和硝态氮在灌水施肥后迅速升高,随后下降,D1处理和D2处理不同生育期0~10 cm土层铵态氮量和硝态氮量的平均降幅分别为60.0%~62.0%和40.0%~46.7%。拔节期、抽雄期和灌浆期各土层灌水后D1处理相比D2处理的土壤含水率分别增加了5.9%、8.0%和6.7%,而土壤铵态氮量和硝态氮量随着土层深度的增加而降低。不同生育期硝态氮累积量为拔节期>抽雄期>灌浆期,随着生育期的推进,硝态氮累积量呈降低趋势。土壤含水率及氮素模拟值与实测值的吻合度较高,R2、RMSE和d均介于合理范围内。【结论】玉米生育期120 mm的灌溉定额可有效降低0~60 cm土层的硝态氮累积量,可降低硝态氮在60~100 cm土层的积累量。该研究可为当地灌区合理的水肥调控及灌溉制度的制定提供参考。

基于HYDRUS-2D盐荒地干排盐作用模拟研究

【目的】探究河套灌区典型区域在干排作用下的排盐量及耕地盐分向荒地运移所需的容泄区。【方法】于2017—2018年开展田间定位监测试验,建立二维饱和-非饱和土壤水盐迁移模型,利用HYDRUS-2D模型研究向日葵农田灌溉制度下的土壤盐分向荒地的迁移量及迁移范围。【结果】耕地与所需承载盐分的容泄区面积之比介于1.48~1.53,耕地全年向荒地的排盐量1.98~2.06 t。【结论】耕地盐分向荒地运移所需的容泄区范围取决于耕地面积及其占整个区域面积的比例,研究结果可为调节区域水盐平衡和盐荒地土壤改良提供科学依据。

基于Hydrus-2D滨海盐碱地控盐排水暗管布设参数研究

为研究滨海吹填土地区控盐排水暗管布设对当地水盐运移的影响,以天津滨海新区为研究区选定典型试验区域建立现场试验,运用试验数据建立并验证了Hydrus-2D数学模型,土壤含水率RMSE范围为0.0042~0.0062 cm^(3)/cm^(3),R2为0.9167~0.9773,NSE为0.7606~0.7931;土壤含盐量RMSE范围为0.7178~1.1694 g/kg,R^(2)为0.9732~0.9861,NSE为0.7140~0.9240,所建立的模型能够准确模拟淋洗和暗管排水协同作用下的土壤水盐运移规律。模拟结果表明,当将30 cm土层土壤含盐量降低至0.3%,暗管布设深度固定时,总有一个暗管布设间距,其对应的耗水量为最大值,当布设间距增大或者减小时耗水量也随之减小;也总有一个暗管布设间距,其对应的0~500 cm土层脱盐率为最大值,当间距增大或者减小时脱盐率也随之降低。暗管布设宽度固定时,耗水量随暗管布设深度增加而减少,暗管布设宽度逐渐增加时耗水量受布设深度影响逐渐减小;排盐率随布设深度增加而增加。考虑淋洗耗水量与脱盐率提出了综合性暗管布设参数选取指标α,并运用指标确定了20种暗管布设深度与宽度组合中的最优组合参数为深度为120 cm、间距200 cm。研究成果可为海滨吹填土地区控盐排水暗管技术应用提供指导。

基于HYDRUS-2D的负压灌溉土壤水分入渗数值模拟

依据土壤水动力学理论,结合负压灌溉条件下土壤水分运动特征,建立了土壤水分入渗模型。利用HYDRUS-2D对所建模型求解,并模拟在负压地下灌溉下,水分在土壤垂直剖面随时间的入渗变化规律。将模拟结果与试验测量结果进行对比验证,结果表明,两者相对误差为2%～4%,所建模型可以有效描述负压地下灌溉条件下土壤水分入渗规律。利用该模型模拟研究了不同灌水器半径（8、10、12 cm）和不同土质（北京地区土壤和基质）下土壤水分的入渗情况。结果表明：灌水器半径是影响土壤水分入渗的显著性因素。灌水器半径越大,水分入渗速率越快。灌水器尺寸对入渗起始时的入渗延迟有较大影响,灌水器半径越大,延迟越小。土壤水分入渗速率与灌水器半径呈正相关。

利用HYDRUS-2D软件模拟污染事故后三氮污染物的迁移转化规律

以某污水处理池泄露污染水环境为例,利用HYDRUS-2D软件构建土壤水分运动和溶质运移模型,模拟三氮在该场地非饱和带垂向以及向下游地表水体的迁移转化过程,为定量预测识别该污水泄漏场地对下伏含水层和下游河流的影响提供技术参考。结果表明:(1)三氮在非饱和带垂向100cm以内明显富集,但富集规律各异;(2)氨氮和亚硝态氮在整个模拟期内并未迁移至潜水面,对下游河流的影响微乎其微,最终污染下伏含水层和下游河流的是硝态氮;(3)硝态氮在污水泄漏事件发生后的第1 095天以0.024 0mg/cm3(即24mg/L)到达下伏潜水面,超过《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)中Ⅲ类限值(20mg/L);(4)硝态氮在污水泄漏事件发生后的第938天以0.468 5mg/cm3(即468.5mg/L)的峰值到达下游河流,超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定的Ⅴ类限值(2.0mg/L)。

基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动模拟

为研究负压微润灌不同技术参数组合下的土壤水分运动过程,以土箱试验实测含水率为依据,构建并验证了基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动反演模型,并结合反演模型对负压微润灌多种组合情景的土壤湿润体模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,探究适宜于不同设施作物的负压微润灌技术参数组合。结果表明:采用HYDRUS-2D反演模型能够较好地模拟负压微润灌不同供水水头条件下的土壤湿润体特征,土壤湿润距离(水平距离、垂直向上距离和垂直向下距离)、含水率及累积入渗量模拟值与实测结果之间的决定系数和NSE分别达到0.98和0.77以上。试验及模拟结果均表明,负压微润灌条件下供水水头与土壤含水率、累积入渗量及不同方向的湿润距离均呈负相关关系。此外,基于反演模型对负压微润灌不同湿润体的情景模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,拟定了不同设施作物适宜的负压微润灌技术参数范围。本研究对农业生产中负压微润灌技术参数的选择及新型节水微润灌技术的推广具有指导意义。

基于HYDRUS-2D模型的膜下滴灌暗管排水棉田土壤盐分变化

为研究膜下滴灌暗管排水条件下棉田土壤盐分变化规律,该研究基于新疆122团盐碱地暗管排水试验,通过膜下滴灌淋洗,监测0~200 cm土层土壤盐分变化,并应用HYDRUS-2D数值模型,模拟分析了暗管排水条件下,盐渍化棉田在2013和2014年生育周期内和秋季返盐阶段土壤盐分变化情况。结果表明:模拟值与实测值之间吻合度较高,模型可用于预测盐碱地土壤层剖面盐分含量变化。模拟结果显示,棉花生育期内滴灌条件下,盐分持续下降;棉花收获后土壤表层开始返盐;2013和2014年棉花吐絮期土壤含盐量与初始含盐量相比,在膜下,0~80 cm土层平均脱盐率分别达到了41.11%和55.56%;膜下及膜间,0~80 cm土层平均脱盐率分别达到了14.05%和17.88%;棉花收获后,土壤表层返盐明显,但与初始含盐量相比仍较低,0~80 cm土体盐分分别平均下降了5.55%和10.15%,0~200 cm土体盐分分别平均下降了2.58%和4.96%,说明暗管控制条件下,使用滴灌淋洗和暗管排盐的模式,土体内的盐分总量呈现降低趋势。研究可为西北内陆干旱区暗管排盐技术和膜下滴灌的推广和应用提供理论支撑和科学指导。

基于HYDRUS-2D的地下滴灌下水分运移数值模拟研究

利用HYDRUS-2D软件模拟了地下滴灌条件下滴头周围黏壤土的土壤水分动态,并与田间观测进行对比;通过分析不同滴头流量对试验地土壤湿润模式的影响,明确了最佳灌水技术参数。结果表明,HYDRUS-2D软件模拟结果与观测值一致,体积含水率均方根误差为1.2%~4.5%,湿润范围均方根误差变化范围为2.1~3.87cm。

基于HYDRUS-2D的雨水集聚深层入渗系统土壤水分运移模拟

为了解雨水集聚深层入渗(RWCI)系统土壤水分的入渗规律,设置不同灌水量(10 L、21 L和36 L)和RWCI设计坑深(40 cm和60 cm)的室内土箱试验,观测不同灌水量与不同水头变化情况土壤含水率变化和土壤湿润锋在径向和垂直方向上运移过程,依据非饱和土壤水动力学理论,建立HYDRUS-2D变水头边界条件土壤水分二维入渗模型。通过与实测数据对比,结果表明模型模拟值和实测值具有较好一致性:垂向湿润锋相对均方差(R E)、平均绝对误差(MAE)和纳什系数(NE)分别为0.019、0.011 cm和0.994,径向湿润锋R E、MAE和NE分别为0.018、0.851 cm和0.977,土壤含水率R E、MAE和NE分别为0.188、0.016 cm 3·cm-3和0.916。相比于设计深度为40 cm的RWCI系统,60 cm RWCI系统在不同灌水量下能够更有效地增加果树根系分布层的土壤含水率,增加土壤水分入渗深度;相同灌水量下RWCI系统设计深度的径向湿润锋分布间无明显差异,而垂直方向的分布具有明显差异;RWCI系统在相同的设计深度下,随着灌水量增大湿润锋在垂向与径向的运移距离差异逐渐增大。

基于HYDRUS-2D滴灌棉田不同深度排盐沟土壤水盐运移的试验及模拟

针对膜下滴灌引起的盐分累计问题,为探求不同深度排盐沟对滴灌棉田土壤水盐运移规律的影响,设计测坑排盐浅沟滴灌棉花种植试验,通过建立HYDRUS-2D模型对10 cm深度排盐沟、30 cm深度排盐沟土壤水分、盐分运动规律进行模拟,利用土壤实测数据与对模拟结果进行验证。结果表明:土壤电导率受到排盐浅沟影响较为明显,排盐浅沟深度越大,排盐效果越明显;深度为30 cm排盐沟滴头处形成盐分淡化区域,排盐沟处0-15 cm土层盐分呈现不同程度积累;相对于深度为10 cm的排盐沟,30 cm深度排盐沟盐分聚集区更接近于土壤裸露处,有利于进一步开展大水洗盐、机械刮盐等工作;由于试验在测坑中展开存在一定人为因素,因此需继续开展大田试验,以期对结果进行充分验证。

基于HYDRUS-2D模型模拟耕荒地水盐运移规律

在野外实测资料的基础上,利用HYDRUS-2D模型对作物生育期耕地与盐荒地间土壤水盐的迁移进行了模拟和分析。结果表明,在强蒸发作用下,盐分在表层土壤中积聚,20、40、70cm土层分别上升了67.23%、62.37%、37.2%。经检验,HYDRUS-2D模型对土壤含水率和含盐率运移的模拟具有较高精度,反映出盐分积聚和水分运移规律。

模糊控制和HYDRUS-2D在农业浇灌中的应用

结合非饱和土壤动力学理论和非线性模糊控制方法,以黄瓜的生长习性为研究对象,利用HYDRUS-2D对所建模型进行求解来调整模糊控制隶属度函数,并验证模糊控制系统输出结果。结果表明:通过HYDRUS-2D仿真模拟比使用实验方法获得数据效率提升至少21.3倍;通过土壤剖面含水率随时间变化的模拟值与模糊控制的输出值的对比验证,误差在3%以内。

基于HYDRUS-2D模型的玉米高出苗率地下滴灌开沟播种参数优选

开沟播种是一种可显著提高地下滴灌春玉米出苗率的新型播种方式,为了优化该技术模式,该文通过两年田间试验分析了地下滴灌玉米出苗率与灌水后种子处土壤有效饱和度(effective saturation)的关系,并基于HYDRUS-2D构建了地下滴灌开沟播种土壤水分运动模型,以90%玉米出苗率为前提,研究了不同土质和土壤初始含水率条件下3个技术参数——开沟深度、滴灌带埋深和灌水量对种子处土壤有效饱和度的影响。结果表明:1)出苗率随土壤有效饱和度线性递增,土壤有效饱和度不小于0.77时,出苗率超过90%;2)地下滴灌开沟播种HYDRUS-2D模型模拟精度较高,模拟得到的土壤有效饱和度随开沟深度增大而增大,随滴灌带埋深增大而减小;3)满足土壤有效饱和度为0.77所需的出苗水灌水量随土壤黏粒含量、土壤初始含水率和开沟深度增大而减小,随滴灌带埋深增大而增大。当表层土壤初始含水率为40%田持~60%田持时,开沟深度每增加5 cm,砂壤土的出苗水灌水量减小15~20 mm,粉壤和粉黏土的出苗水灌水量减小6~18 mm;滴灌带埋深由30 cm增大到35 cm时,砂壤土的出苗水灌水量增大16~21 mm,粉壤和粉黏土的出苗水灌水量增大4~14 mm。不同埋深和开沟深度下,当表层土壤初始含水率由40%田持增大到60%田持时,砂壤土的出苗水灌水量减小9~14 mm,粉壤和粉黏土的出苗水灌水量减小9~19 mm;4)综合考虑土壤质地、玉米根系分布、机械作业、耗能、耕作深度和土壤水深层渗漏以及土壤初始含水率,玉米地下滴灌适宜的滴灌带埋深为30~35 cm,开沟深度为10~15 cm,灌水量范围为25~67 mm。农业生产者可以根据当地实际情况对以上3个技术参数进行合理配置。

基于改进的HYDRUS-2D模型暗管排水过程模拟

为了提高HYDRUS-2D模型在暗管排水中的模拟精度,提出了虚拟土层(VSL)和实际开孔面积(AHA)两种方法来代替HYDRUS-2D在暗管排水中的暗管原有渗透边界(PSB)。研究表明:VSL和AHA模型的模拟值与实测值具有较好的一致性;土壤含盐量平方根误差(RMSE)分别为0.757、0.966 g·kg^-1,决定系数(R^2)分别为0.977和0.964;土壤含水率的RMSE分别为0.007、0.008 cm^3·cm^-3,R2分别为0.885和0.794。此外,VSL在模拟排水方面(RMSE=9.48L,R2=0.93)和模拟排盐方面(RMSE=0.225 kg,R^2=0.922)的模拟精度均高于AHA和PSB,可见,VSL更适用于暗管边界。进一步建立了VSL的环宽(RW)与其饱和导水率(Ks)之间的经验公式(R2=0.99,P<0.01),当模拟区域和暗管布局变化时,该经验公式可用于确定VSL的模型参数,其模拟结果可用于指导相关地区的暗管布局。

基于HYDRUS-2D的膜调控润灌湿润锋运移数值模拟研究

通过室内土箱试验验证HYDRUS-2D模拟膜调控润灌水分运移的可行性,并探究通量一定时膜规格对湿润锋运移的影响规律。基于HYDRUS-2D,对膜处理40 cm×35 cm、40 cm×30 cm、40 cm×25 cm、40 cm×20 cm(下膜边长×上膜边长)在相同通量的情况下膜规格对膜调控润灌湿润锋运移的影响。结果表明:(1)在对室内试验与数值模拟试验的误差分析中,各个观测点含水率的相对误差都在10%以内,相对误差的平均值为4.28%,对于湿润锋实测值与模拟值的误差分析中,均方根误差变化范围为1.28~3.20 cm,3个方向全部湿润锋运移距离的模拟值与实测值的均方根误差为2.41 cm,证明了HYDRUS-2D对于膜调控润灌数值模拟的可行性;(2)灌水结束后,各个膜处理的上膜水量都要大于下膜水量,并且上膜最小时湿润锋垂直向上的运移距离最大,为29.04 cm,膜上水量也最大,百分比为79.57%,湿润锋垂直向下的运移距离最小,膜下水量也最小;上膜最大时湿润锋垂直向上的运移距离最小,为23.03 cm,膜上水量也最小,百分比为66.33%,湿润锋垂直向下的运移距离最大,膜下水量也最大;表明膜规格的改变能够很好地调控上下膜的水量,上膜的减小能够有效减少膜下渗漏的水量;(3)膜调控润灌湿润锋垂直向上与水平向右的运移距离与时间存在着明显的幂函数关系,垂直向下的湿润锋运移距离与时间存在着明显的线性关系。

基于HYDRUS-2D的滨海地区膜下滴灌土壤水盐运移模拟研究

以春玉米“郑单958”为供试作物,采用膜下滴灌灌水方式,设定2种不同灌水定额,分别是单次灌水定额20 mm和10 mm,测定试验区土壤水分、盐分含量,利用HYDRUS-2D模型对土壤水盐运移进行模拟,将模拟值与实测值进行对比分析,探究滨海地区盐碱化土壤水盐运移规律。结果表明:滴灌过程中,水平方向土壤盐分由膜下向膜边运移,膜下土壤淋洗效果好于膜边;竖直方向0~20 cm土壤水分、盐分变化幅度最大,土壤含盐量降低16.1%,淋洗效果明显;下层土壤盐分淋洗效果一般,土壤含盐量降低值仅为9.6%。土壤水分重分布过程中,0~20 cm土层土壤含水率和含盐量变化幅度比20~60 cm土层大。0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层高灌水定额(20 mm)处理对土壤盐分的抑制作用分别比低灌水定额(10 mm)处理高26%、11%、19%,并且高灌水定额滴灌将土壤盐分淋洗到60 cm土层以下,而低灌水定额滴灌未能将土壤盐分淋洗到60cm土层以下。HYDRUS-2D模拟得到的土壤含水率与含盐量和实测值基本吻合,模型可靠。

基于Hydrus-2D分析农田覆膜对降雨入渗的影响

为探究覆膜处理对农田降雨入渗过程的影响,该研究建立Hydrus-2D降雨入渗模型,模拟不同下垫面条件下不同覆膜和降雨情况对降雨入渗的影响。设裸地平作、无垄覆膜、起垄覆膜3种下垫面,覆膜宽度、降雨量和降雨历时3个因素,每个因素4个水平,共设置144种方案,模拟各方案的降雨入渗过程,分析其土壤含水率空间分布、湿润锋运移、雨后入渗量和有效降雨系数变化。结果表明,无垄覆膜、起垄覆膜处理雨后的膜间表层土壤含水率与裸地平作相比分别增加5.8%和9.2%,膜间水分入渗深度分别增加10.67和12.45 cm,说明覆膜和起垄均能促进降雨入渗;与裸地平作相比覆膜和起垄覆膜能显著提高有效降雨系数,特别是小降雨量的有效降雨系数增加明显;不同覆膜宽度对有效降雨系数的影响达到了显著水平,膜宽70 cm时有效降雨系数最大。因此通过调整覆盖地膜的宽度和设置垄沟可增加降雨入渗量及水分入渗深度,提高降雨资源和农田水分利用效率,这对缓解干旱半干旱区的农业缺水紧张情势,丰富农田水分运移、不同下垫面降雨入渗等相关理论具有重要作用。