基于平原区野外观测的土壤水分特征曲线推求与应用

为研究湿润平原区非饱和带土壤水分特征曲线以及土壤水分运动规律,探究其对区域水循环过程的影响,本研究在我国太湖流域平原区金坛野外试验基地进行了降雨量、蒸发量、土壤含水量、水势、地下水埋深等连续监测。基于水文数据深入分析了土壤水动态变化,结果表明地表以下0~0.4 m深度的土层是土壤水分变化最频繁剧烈的地带。采用VG模型反演出基于野外实测数据的土壤水分特征曲线(SWCC)参数并与实验室得到结果相对比,并利用反演得到的土壤水分特征曲线对典型降水事件进行数值模拟。研究表明基于野外数据的土壤水运动模拟效果更优,较好地验证了野外观测曲线模型的精度与可靠性,为太湖流域平原区土壤水运动和产流计算提供了可靠的理论依据。

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。

一维垂向非饱和土壤水分运动的数值模拟——以长白山北坡山地棕色针叶林土为例

以土壤水分运动基本方程为依据,根据长白山北坡山地棕色针叶林土的实际土壤层结构,建立了该地区一维垂向非饱和土壤水分运动数学模型,并推导了该模型的数值离散方程,编制了用于该模型数值模拟的计算程序.最后通过数值模拟对模型进行验证.结果表明,模拟值与实测值能够较好吻合.

入渗、再分布和蒸发条件下一维土壤水运动的数值模拟

采用数值法求解非饱和土壤水分运动的Richards方程可采用不同的初始和边界条件,实现复杂条件下水分运动过程的预测。在确定入渗、再分布及蒸发的初始和边界条件基础上,采用隐式差分格式列出差分方程,对垂直一维积水入渗、半无限土体再分布及半无限土体裸土蒸发的水分运动过程进行数值模拟,模拟结果与实测资料的比较表明,就入渗湿润锋、累积入渗量的时间变化趋势及入渗、再分布和蒸发的土壤含水率剖面而言,其实测值与计算值比较符合,说明采用的算法、水分特征曲线模型和其它参数都是合理的,该方法可用来描述水分运动特征。

竖直微润灌土壤水分运动数值模拟与验证

为进一步认识微润灌土壤水分运动规律,进而指导微润灌工程设计,依据非饱和土壤水分运动理论,建立了竖直微润灌土壤水分运动模型,并用SWMS-2D软件进行求解。通过室内试验,对单位长度微润管入渗量、土壤湿润锋运移值和土壤剖面含水率等指标的模拟值进行分析验证。结果表明,模拟值与实测值一致性较好,所建模型能比较真实地反映竖直微润灌土壤水分运动的状况,利用SWMS-2D软件对竖直微润灌土壤水分运动进行模拟具有可行性。

非饱和土壤水分一维运动的数值模拟

以土壤水动力学原理为基础,利用有限差分法,建立了垂直方向上非饱和土壤水分一维运动的数值模型,用以模拟均质土壤在不同初始与边界条件下的水分运动。程序使用面向对象编程的VisualBasic高级程序设计语言编写,并通过验证。该模型可以模拟降水和灌溉入渗以及蒸发条件下的土壤水分在垂直剖面上的分布情况。

垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中的适用性研究

利用一维垂直入渗试验研究垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中适用性。采用碎石粒径2~5mm和4组不同碎石含量下的土石混合介质,根据实测的土壤水分入渗特征量,推求出模型参数,再依据模型参数模拟水分入渗过程。对模拟入渗过程与实际入渗过程进行对比分析,两者之间的相对误差在6%以内,精度较高。说明垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中具有一定的适用性。

非饱和土壤水分运动参数空间变异特性的统计分析

非饱和土壤水分运动参数的空间变异规律是大区域参数估计的基础。分析秦王川灌区土壤物理性质及水分运动参数空间变异的统计规律。特征曲线与导水率标定系数具有对数正态分布 ,且与干容重和物理性粘粒含量P0 .0 1 呈直线相关。 F检验结果 ,相关达到显著水平。

树木根系吸水宏观模型的建立与验证

树木根系吸水引起土壤含水率显著降低,从而导致胀缩性地基沉陷。研究树木根系吸水机制有助于了解树木对地基沉陷的影响。现有的研究涉及非均匀分布根系吸水模型的比较少,而且存在诸多缺陷。为建立具有通用性和实用性的树木根系吸水模型,开展一系列室内和现场试验,测定非饱和土壤水运动参数,监测土壤基质势,进行树木根系调查,观测气象要素。然后通过土壤水运动逆运算获得根系吸水速率的时空分布,通过多元回归分析建立根系吸水函数。实例计算结果表明,所提出的根系吸水模型计算根系吸水速率与观测结果相符合。与现有的根系吸水模型相比,建立的根系吸水模型具有以下优势和特点:首先,该根系吸水模型只包含3个易于确定的影响因素,即水面蒸发强度、根系分布密度和土壤水基质势,这使得根系吸水模型的实际应用更为简单方便;其次,现有的宏观吸水模型都假定根系吸水速率与根长密度成正比,而定义根系密度为单位体积土体的有效吸水根的烘干质量,因为根系吸水率不仅与根长有关,也与根径有关,并且认为根系吸水率是根系分布密度的指数函数,因为相邻根彼此限制对方吸水;此外,采用4个空间分布特征参数来反映最大根系密度点和零根系密度点,使得根系吸水模型对任意植物根系分布形式具有普适性,且能灵活考虑根系吸水率的空间变异性,这四个特征参数可通过根系调查确定。

一维非饱和土壤水分运动的数值模拟

基于MATLAB平台,应用有限差分法,对以土壤含水率(θ)为应变量的一维非饱和土壤水分运动模型进行了离散,得到了该模型的有限差分方程,并对其进行了模拟。结果表明,该模型形式简单,计算简便,符合应用要求。

新型保墒材料对黄绵土水分运移的作用机制研究

通过人工控水、自然蒸发试验 ,对高分子吸水剂和渗水膜两种保墒材料的抗旱作用机制进行了研究。结果表明 ,吸水剂与渗水膜在抑制土壤蒸发方面具有较强的互补性。吸水剂对土壤水分状况和蒸发性能的影响在于其对土壤水分物理性质的改善 ,并与用量和干旱过程密切相关。混剂土土壤容重略有增大 ,但最大持水量、总孔隙度并未减小 ,反而增大 ,同时 ,最小持水量、非毛管孔隙度及通气孔隙度均随吸土比增加而增大。混剂土对水分蒸发的抑制作用在含水量较高的干湿交替阶段远大于初始含水量较低的持续干旱阶段 ,且与用量成正相关。渗水膜覆盖对水分蒸发的抑制作用 ,随覆盖率提高而增大 ,但持续干旱阶段远大于干湿交替阶段。 Cl- 示踪表明 ,覆盖在显著削弱覆盖区及相邻非覆盖区非饱和土壤水分垂直向上流动的同时 ,增强了水分的水平移动 ,显著提高了相邻非覆盖区土壤的水分状况。

东北黑土区非饱和土壤水分运动数值模拟研究

根据非饱和土壤水分运动基本理论,建立一维运动数学模型,采用有限差分法计算,对东北黑土区非饱和土壤水分一维运动进行数值模拟研究。经Warrick试验验证,模拟结果和实际测量值的相对误差小于0.001,该模型可以模拟东北黑土区非饱和土壤水分在垂直剖面上的分布情况。

预报校正法在非饱和土壤水分运动数值模拟中的应用

以土壤水动力学原理为基础,研究了垂直入渗条件下土壤水分运动规律。采用非迭代的预报校正法的差分法,对非饱和土壤水分运动过程进行了模拟。结果表明,试验实测数据与模拟计算值吻合较好。该方法可以用于实际土壤水分运动的预测和模拟。

非饱和土渗水时间的确定方法

非饱和土水气联合测试仪测定渗水系数的关键是渗水时间的准确确定 .本文利用均方差来监测渗气系数的变化 ,从而确定出渗水时间 ,通过实验比较 。

非饱和土壤中大孔隙流的影响因素研究

【目的】分析非饱和土壤中大孔隙流现象的影响因素及影响特点。【方法】在装有粉砂壤土的土槽中人工造出直径4 mm的通地表和不通地表的孔隙进行滴灌试验,设置3种灌水量:50、60、70 L;3种孔隙长度:50、60、70 cm;3种土壤初始含水率:5.7%、9.9%、13.3%。通过测定孔隙不同长度处的孔壁土壤含水率及相应长度处基质流区的含水率,并计算其相应的基质吸力,分析孔隙中出现大孔隙流的概率。【结果】土壤中出现大孔隙流的现象具有一定的随机性,孔隙上部(0~30 cm)出现大孔隙流的概率在2.08%~7.14%之间,下部(40~70 cm)出现大孔隙流的概率在14.58%~19.05%之间,上部出现大孔隙流的概率小于下部出现大孔隙流的概率;通地表孔隙出现大孔隙流的概率(13.04%)小于不通地表孔隙出现大孔隙流的概率(27.54%);3种影响因素对出现大孔隙流的影响程度为:孔隙长度最大,初始含水率次之,灌水量最小。【结论】非饱和土壤中,孔隙长度对出现大孔隙流的概率影响较大;大孔隙流现象通常出现在孔隙的下半部分。

降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响

高温季节土壤表层温度非常高,土壤内部含水率较低,突发性降雨对于土壤温度动态变化和水热交换运移影响极大。为了揭示降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响,该研究建立了反映降雨入渗过程的土壤热量运移数学模型,编制了有限元数值计算程序,针对南京雨花台区典型土壤,开展了降雨非饱和入渗对土壤热量运移影响的数值计算与分析研究。结果表明:不考虑降雨入渗情况下,土壤温度变化与热量运移主要是表层土壤与环境之间的热交换作用引起,热量运移影响深度约0.2 m;降雨强度45 mm/h作用下,随降雨历时增加,雨水全部自由入渗到土壤内部,土壤内部基质吸力呈线性递减趋势,湿润锋面逐渐下移,土壤体积含水率快速增加;湿润锋过后的土壤体积含水率逐渐接近于饱和体积含水率,土壤入渗能力逐渐下降,直至趋于饱和入渗率;在降雨非饱和入渗影响下,入渗到土壤孔隙中的低温雨水与土壤颗粒发生热量交换,进而改变了原有土壤温度场分布,并随着降雨入渗深度的持续增加,降雨入渗过程对土壤热量运移的影响呈现逐渐减弱趋势。经过现场实测数据与模拟计算结果验证,随着降雨历时增加,土壤体积含水率实测值和数值计算值相对误差保持在±3.99%以内,均方根误差RMSE为0.01 cm^3/cm^3;土壤温度实测值和数值计算值的相关误差保持在±2.72%以内,均方根误差RMSE为0.55℃,模拟计算结果和现场实测数据均吻合较好,表明该模型对描述降雨非饱和入渗过程土壤热量运移规律的适应性较强,数值计算程序合理。研究成果可为农业水利工程与水土保持、土壤水文水资源的分布与利用、城市水资源控制与生态环境保护等领域提供重要参考。

永宁引黄灌区土壤水分运移的同位素特征研究

【目的】揭示干旱区降雨或灌溉条件下的包气带水分运移规律。【方法】利用原位观测和同位素示踪方法对银川平原永宁引黄灌区的降雨特征和降雨、灌溉水、土壤水、地下水同位素组分进行了分析。【结果】2019年4—10月降水量为157.3 mm,6月降水量最大,占全年降水量的55%,总体上表现为短历时的小到中雨。土壤水δD和δ^(18)O的最大值随着土层深度的增加而减小,0~50 cm土壤水氢氧同位素的标准差大于70~270 cm的标准差。5月7日、6月25日、6月27日降水对0~50 cm土层的贡献比例分别为13.7%、14.8%和83.9%。灌溉水在0~50 cm土层的贡献比例为49.3%~100.0%,70 cm以下的贡献比例为14.3%~46.6%。【结论】降水入渗的影响范围在30~50 cm以内,灌溉入渗的影响范围达到270 cm,土壤水蒸发消耗主要发生在0~50 cm土层。

土壤非饱和带中的优先流

优先流是近年来研究土壤水运动所提出的术语。在某些条件下,水分在非饱和带中的运移不是简单的一维垂直向下流动,而是越过大部分土壤的体积沿着优先途径流动。优先流通常分为三类:大孔隙流,漏斗流,指流。本文分别介绍了这三类流动形式,并回顾了有关优先流的理论和实验的研究成果。

一维非饱和土壤水分运动模型的数值模拟

分析有限体积法在一维非饱和土壤水分运动模型的数值算法上的适用性及优劣,通过算例对有限体积法进行验证。结果表明,有限体积法同样适用于一维非饱和土壤水分运动,与大多数学者都采用的有限差分法计算结果比较发现两种算法的数值模拟结果相近。但是改变网格疏密后,对有限体积法的计算结果影响不大且与实测值相近,而对有限差分法的计算结果有影响,从而说明在网格稀疏的情况下,有限体积法更好。

垂向一维均质土壤水分运动在蒸发条件下的运用

本文以新疆乌拉泊尔均衡场，新疆化肥厂试验站及昌吉地下水综合试验场资料求得的非饱和土壤水分特征曲线、水力传导度和土壤扩散率为依据，建立了适合乌鲁本齐地区非饱和土壤水分运动在蒸发条件下运用的数学模型．并用实测资料进行了验证．数值模拟结果与常观实测值有着良好的一致性，可应用于今后试验场在蒸发条件下土壤水动态的预报．