基于HYDRUS-1D模型的水库近坝区土壤水分动态模拟

为探究五强溪水库近坝区土壤水分动态变化规律,以研究区内土壤墒情站为研究对象,利用实测逐日降雨与逐日蒸发数据驱动HYDRUS-1D模型反演土壤水力特性参数,分别在深度为10、20、40 cm观察点处进行土壤水分动态模拟,探讨研究区土壤水分动态变化规律及模型的应用效果。结果表明:不同观察点土壤水分模拟值与实测值的决定系数平均值为0.74,纳什效率系数平均值为0.71,均方根误差在0.011~0.035 cm^(3)/cm^(3)之间;0~10 cm深度的土壤水分对降雨和蒸发的响应最灵敏,波动最大;在水库主汛期(4—6月份)土壤水分变化平稳,且保持在较高的水平;研究期内7—12月份土壤水分在较大降雨情况下出现短暂饱和,土壤干湿变化明显,模拟值与实测值吻合度较高;整体上,HYDRUS-1D模型在研究区土壤水分动态模拟中具有较高的精度,可为研究区土壤水分估计及其动态变化规律研究提供有效方法。

基于HYDRUS-1D生物滞留设施模型的参数敏感性分析及率定

为验证HYDRUS-1D模拟生物滞留设施水文调控效应的可靠性,通过物模试验,采用修正Morris法对模型主要参数的敏感性进行分析筛选,结合模拟值和实测值对筛选后的参数进行率定验证。结果表明:径流总量、径流峰值及其各削减率输出结果的敏感参数不尽相同,其中降雨量均为高敏感参数;利用变异系数法,判断参数的综合敏感程度,其主要敏感参数包括降雨量,蓄水层高度,种植土层和基质层的饱和含水率、饱和导水率和孔径分布参数;验证期内模型模拟和物模实测结果的均方根误差(root mean square error,RMSE)最高为0.131、相对误差(relative error,RE)均低于6.92%、纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)和决定系数R2均为0.9以上,匹配度高,模拟结果可靠,为利用HYDRUS-1D改进生物滞留设施规划设计方法提供理论支撑。

微咸水冰体融出水质及基于HYDRUS-1D的土壤淋洗特征研究

为揭示微咸水结冰融水时咸淡分离状况及对盐渍土盐分的淋洗效应,通过室内融冰试验研究不同解冻温度(10℃、15℃)和矿化度处理(纯净水、0.5 g·L^(-1)、2 g·L^(-1)、4 g·L^(-1))冰体的融化速度及融出水质,并借助HYDRUS-1D模型,模拟分析了不同处理融出水与微咸水直接入渗对剖面土壤盐分的淋洗效果差异。结果表明:微咸水冰体咸淡分离效果明显,各处理下的微咸水冰体融出淡水体积占比均超75%,矿化度越小融出淡水体积越大;微咸水冰体先咸后淡融出水入渗对盐渍土中的盐分有较好的淋洗效果,优于相同矿化度的微咸水直接入渗处理;10℃处理微咸水冰融出水对盐渍土的淋洗效果要好于15℃处理。研究结果对于探索内陆干旱区地下微咸水资源利用及新的非生育期节水控盐模式具有一定的指导意义。

基于集合卡尔曼滤波同化方法和HYDRUS-1D模型的土壤水分模拟

研究建立了一个基于集合卡尔曼滤波方法和HYDRUS-1D模型相结合的数据同化方案,利用2021年4月26日—10月5日内蒙古巴彦淖尔五原站0~80 cm的土壤水分观测数据进行模拟验证,以提高土壤水分的模拟精度。结果表明:(1)集合数大小和观测误差的选取对同化系统性能有较大影响。集合数在100以上,土壤含水量的同化精度不再有明显提高。观测误差越小土壤水分模拟精度越高,因此观测误差为0.025时的同化精度最高。(2)数据同化后,各层土壤水分模拟精度较同化前均有明显提高,各层土壤水分同化值与观测值间的相对误差、均方根误差、平均绝对误差分别减少至0.025~0.063、0.01~0.017 cm^(3)·cm^(-3)、0.008~0.016 cm^(3)·cm^(-3)。证明数据同化方法能够有效改善土壤水分模拟效果。(3)0~20 cm土壤水分同化效果最好,20~40 cm次之,40~80 cm土壤水分同化效果较差。模拟精度分析值优于同化预报值,同化预报值优于HYDRUS-1D预报值。

基于HYDRUS-1D模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟

[目的]探究不同整地措施下的土壤水分动态特征,为评估坡面整地的生态水文效益,促进旱区植被恢复提供科学依据。[方法]通过半干旱黄土区油松林自然坡面和鱼鳞坑、反坡台的原位对照研究,基于土壤水分动态监测,结合降雨事件,利用HYDRUS-1D软件模拟,揭示不同整地措施对土壤水分垂直运移特征的影响。[结果](1)一维非饱和土壤水分运移数值模型对0—40 cm土壤水分的模拟精度大于40—100 cm,适于表层(0—40 cm)土壤水分的模拟;整个研究期内,相同降雨条件下,鱼鳞坑、反坡台的土壤水分通量显著大于相应对照自然坡面样地(p<0.05),鱼鳞坑的土壤水分通量显著大于反坡台(p<0.05)。(2)单独降雨条件下,0—40 cm内鱼鳞坑、反坡台的土壤水分通量比相应对照自然坡面样地平均提高9.07%,4.02%;鱼鳞坑、反坡台与相应对照自然坡面样地的平均差值最大在20,30 cm处,分别为0.79%,0.37%,整体呈先增后减趋势;降雨量为5—10 mm时,鱼鳞坑、反坡台的土壤水分通量最大为1.94%,1.42%,分别在30,40 cm;降雨量>10 mm时,鱼鳞坑、反坡台的土壤水分通量最大值均在0—20 cm,随降雨量增大而逐渐降低;鱼鳞坑、反坡台各层土壤水分通量之间差异均不显著。(3)持续降雨条件下,0—40 cm内鱼鳞坑、反坡台的土壤水分通量比其对照自然坡面样地平均提高10.73%,4.72%;鱼鳞坑、反坡台与相应对照自然坡面样地的差值在0—20 cm内最显著(p<0.05),平均差值整体均呈递减趋势;鱼鳞坑、反坡台与相应对照自然坡面样地各层的差值在降雨量为10—20 mm时最显著(p<0.05),最大增量均在10 cm处,分别为1.35%,0.53%;鱼鳞坑各层的平均土壤水分通量呈递减趋势,反坡台呈递增趋势;不同降雨特征下,鱼鳞坑、反坡台土壤水分通量最大值的深度不同,降雨量<20 mm时,鱼鳞坑、反坡台在10,20 cm,分别为1.58%,0.72%,降雨量>20 mm,均在40 cm,为2.61%,1.92%;鱼鳞坑、反坡台各层土壤水分通量间的显著性也不相同,降雨量为5—10 mm时鱼鳞坑各层土壤水分通量之间均有显著差异(p<0.05),反坡台在20—40 cm土壤水分通量之间有显著差异(p<0.05)。[结论]鱼鳞坑、反坡台均对土壤水分有不同程度的影响,鱼鳞坑在降雨条件下蓄水效果更好。

基于HYDRUS-1D模型的灌区农田土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征研究

为定量分析农田土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征,基于3年冬小麦-夏玉米轮作水氮试验,采用HYDRUS-1D模型对泾惠渠灌区农田土壤水氮运移转化过程进行动态模拟。结果表明:HYDRUS-1D模型可以准确模拟不同深度土壤水分和硝态氮的运移过程,根系层下(200 cm)土壤水分渗漏量主要受灌水量影响,冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏量大于夏玉米全生育期,两者渗漏量分别为15.34~25.38 cm和6.98~9.82 cm。夏玉米和冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏强度分别为0.06~0.08 cm·d^(-1)和0.06~0.10 cm·d^(-1),冬小麦越冬期灌溉处理的全生育期根系层下土壤水分渗漏量受越冬期灌水量影响明显。夏玉米和冬小麦生育期内根系层下硝态氮淋失通量范围分别为0.003~0.016 mg·cm^(-3)·d^(-1)和0.001~0.032 mg·cm^(-3)·d^(-1)。硝态氮淋失与灌水量、降雨量及土壤剖面硝态氮含量呈正相关关系,并且对降雨和灌溉的响应具有滞后性,约在灌水后12 d时根系层下土壤硝态氮淋失通量达到峰值。根系层下土壤硝态氮淋失通量在夏玉米生育期末和冬小麦生育期初处在较高值。综合而言,生产中应合理规划夏玉米及冬小麦灌水和施肥制度,适当调整冬小麦越冬期灌水量,推荐越冬期灌水量低于90 mm。

基于Hydrus-1D模型的淮北平原冬小麦地潜水蒸发规律

选取淮北平原五道沟水文水资源实验站作为研究区,评价Hydrus-1D模型在淮北平原冬小麦地潜水蒸发过程模拟的适用性,并探讨不同降水条件下冬小麦各生育期潜水蒸发规律。结果表明,基于Hydrus-1D模型模拟的潜水蒸发过程与基于水量平衡和Bouchet互补关系理论的潜水蒸发变化过程基本一致,相关系数为0.82、绝对误差为0.04 mm/d、相对误差为12.4%;冬小麦生育期潜水蒸发量受降水条件影响,当降水量偏多时,潜水蒸发总量较大;从冬小麦各生育期的潜水蒸发量来看,灌浆期-成熟期>抽穗期-灌浆期>拔节期-抽穗期>返青期-拔节期。研究结果可为制定淮北平原合理灌溉制度提供理论依据。

基于HYDRUS-1D的秸秆覆盖条件下黑土区玉米田土壤水盐运移规律

为揭示不同秸秆覆盖量对黑土区玉米田农田土壤水盐运移的影响机制,基于田间试验结果,利用HYDRUS-1D模型对秸秆覆盖下农田土壤水盐运移过程进行模拟,分析不同秸秆覆盖量对土壤水盐动态的影响规律。结果表明:秸秆覆盖可以增强土壤保水性、抑制土壤盐分积累,随秸秆覆盖量增加,秸秆覆盖对土壤水盐运移的作用效果更加明显,在玉米全生育期内秸秆半量覆盖及全量覆盖较裸地40 cm耕层内各土层平均含水率分别提高3.38%~5.78%和5.26%~9.62%、平均电导率分别降低4.61%~8.93%和8.87%~12.41%。基于HYDRUS-1D模型模拟结果可知,土壤含水率模拟值与实测值的决定系数介于0.903~0.940,标准误差介于0.010~0.014 cm^(3)·cm^(-3),平均相对误差介于3.46%~4.64%;土壤电导率模拟值与实测值的决定系数介于0.817~0.853,标准误差介于0.091~0.111 mS·cm^(-1),平均相对误差介于4.06%~5.46%。误差分析表明HYDRUS-1D模型模拟精度较高,能够用于模拟研究区秸秆覆盖条件下农田土壤水盐运移过程。

Hydrus-1D软件模拟污染土壤重金属溶质运移

为了研究污染物在不同性质土层中的运移规律,以某化工厂污染土壤中的重金属为研究对象,选取土壤中的Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)为污染物预测因子,应用Hydrus-1D软件建立重金属溶质运移模型,模拟重金属溶质在土壤中的运移变化过程,得到其在不同时间段的下渗最大距离和在不同土层的浓度平衡时间。结果表明:所建立的模型能够模拟重金属溶质在土壤中的分布和运移的时空变化规律;当下渗时间为200、1000 d时,Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)的最大下渗距离分别为1.78、2.23、2.09 m和4.55、5.70、5.54 m;在杂填土和重壤土中,Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)到达平衡所需的时间分别为1025、1430、1410 d和2280、3000、3019 d。

基于HYDRUS-1D模型研究石油烃污染物在土壤中的运移规律

石化企业运行过程中发生物料泄漏,不仅会对地下水环境造成影响,也会对土壤环境造成一定影响。文章针对石化企业可能发生的罐区物料泄漏的情景,应用HYDRUS-1D软件构建土壤非饱和带水流模型及溶质运移模型,对石油烃污染物在土壤环境中的运移深度、运移时间及浓度变化进行模拟预测,进一步提出保护土壤环境的相关措施,为石化企业保护土壤环境提供技术支持。

HYDRUS-1D模型对河套灌区不同灌施情景下氮素迁移的模拟

选取河套灌区五原建丰的典型土壤,应用HYDRUS-1D模型对不同灌溉强度、不同表施浓度以及将表施改为灌施3类情景下土壤氮元素的迁移进行了动态模拟,研究了灌溉和施肥对河套灌区典型区域土壤氮元素迁移的影响.结果表明,灌水强度小于0.10 cm.h-1时,铵态氮与硝态氮累积流出通量变化极为缓慢;强度大于0.14 cm.h-1时,累积流出通量急剧攀升,表明氮元素大量向土层深层流失.铵态氮表施浓度的变化对氮素的迁移几乎没有影响.保持相同的施肥量,灌施情景对铵态氮迁移几乎无影响,但表施换为灌施后硝态氮下渗浓度增加47%,更易于向深层渗漏.

Hydrus-1D软件在地下水污染风险评价中的应用

以北京市东南郊再生水灌区为研究区域,应用Hydrus-1D软件构建水流、溶质运移模型,模拟再生水连续灌溉入渗过程中水流在包气带中的运动,并以再生水中的典型有机污染物多环芳烃萘、菲为研究对象,模拟其随灌溉水在包气带中的迁移衰减反应过程,结合MapGIS6.7,将Hydrus-1D的点模拟结果应用于大面积、区域性的污染评价,通过与研究区地下水萘、菲的背景值进行对比,分级评估地下水污染风险.结果表明,经过50年连续灌溉后,再生水灌区整体地下水萘、菲污染风险较低,萘的污染风险高于菲,灌区内高污染风险区域主要位于凤港减河、红旗干渠与凤官沟交汇处以及东风干渠、永乐河与通大边沟之间.

Hydrus-1D模型在田间水循环规律分析中的应用及改进

为分析农田水分运移规律,以华北平原位山引黄灌区典型田间为研究对象,应用Hydrus-1D模型连续模拟了2006-2009年的田间水分运移过程。对模型中表面阻抗的计算方法进行了改进,从而改善了蒸散发的模拟结果,与涡度相关系统的实测蒸散发数据对比表明了改进的合理性。对蒸散发的分析表明,对于种植季节性作物的农田,叶面积指数(leafarea index,LAI)是影响蒸散发季节变化过程的重要因素,而气象条件主要决定其在较短时间尺度(如一周)内的波动。与时域反射仪(time domain reflectometry,TDR)实测土壤含水率的对比表明,模型对土壤含水率的模拟精度较高。水量平衡分析结果表明,降雨和灌溉的80%由蒸散发消耗,在汛期农田通过排水发生田间渗漏损失。

应用HYDRUS-1D模拟砂质夹层土壤入渗特性

依据非饱和土壤水分运动理论,采用HYDRUS-1D软件,对砂质夹层土壤入渗特性进行数值模拟,分析各因素对砂质夹层土壤入渗规律的影响。结果表明:砂质夹层结构对土壤入渗特性有较大影响,具有暂时的阻水和减渗作用;湿润锋穿过砂层上界面后,入渗过程变为稳渗阶段,稳渗率主要受砂层质地、砂层埋深和压力水头影响,与土壤初始含水率和砂层厚度无关;砂质夹层土壤剖面水分分布不连续,上层土壤基本饱和,砂层土壤未饱和,土壤剖面含水率主要受砂层质地、砂层埋深和砂层厚度的影响。研究结果可为农业水资源利用及工程防渗技术提供理论依据。

应用HYDRUS-1D模型模拟农田土壤水渗漏及硝态氮淋失特征

在定位试验基础上,应用HYDRUS-1D模型对黄淮海平原典型土壤(黄潮土)中土壤水渗漏及硝态氮淋失动态进行了模拟分析。结果表明:在传统水氮管理模式下,黄潮土2m土体深处的土壤水渗漏和硝态氮淋失非常严重,2个轮作期内,土壤水渗漏总量占地表总入水量的23.7%,硝态氮淋失总量占总输入N量的15.9%,冬小麦生长季的硝态氮淋失量大于夏玉米生长季;改良灌溉和改良施肥模式下产生的硝态氮淋失量比传统灌溉和传统施肥模式减少74.7%,节约灌溉水211.5mm、节省施N423.5kg·hm-2。

应用HYDRUS-1D模型模拟分析PFCs在土壤中的迁移特征

为探明全氟化合物(PFCs)在土壤中的迁移转化规律,为PFCs地下水污染防治提供依据,以全氟丁酸(PFBA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)和全氟辛基磺酸(PFOS)等6种PFCs作为研究对象,在室内设置一维土柱实验模拟PFCs在土壤中的迁移过程,采用Hydrus-1D模型建立土壤水流和溶质运移数值模型,对PFCs在土柱中的迁移过程进行模拟,将模拟结果同实验结果进行比较,模型模拟值与实验实测值吻合得较好。采用单因素局部扰动分析方法,分别对HYDRUS-1D模型中入渗水量、土壤容重、纵向弥散度和PFCs在土壤介质中的吸附系数等参数进行扰动,并与参数原值结果进行比较,计算敏感系数,结果表明入渗水量、土壤容重和吸附系数是影响PFCs在土壤中迁移的主要因素。

应用HYDRUS-1D模型评价土壤水资源量

利用焉耆盆地典型试验区观测资料,以土壤水动力学原理为基础,建立起浅埋区(埋深≤2m)植被覆盖条件下田间土壤水分数学模型,对典型试验区土壤水资源量补给项、排泄项和消耗项进行计算与评价,评价结果表明:地下水资源和土壤水资源转化十分频繁,水量交换是双向的、动态的;在浅埋区土壤水库调蓄能力较弱,造成部分灌溉水的渗漏。

HYDRUS-1D在土壤明渠排水洗盐模拟中的应用

土壤洗盐是盐碱地改良的重要手段,以大安灌区重度盐渍区为例,运用HYDRUS-1D模型对灌区土壤明渠排水洗盐过程中的水盐动态进行了研究,采用室内土柱灌水模拟洗碱过程的观测数据验证了模型的可行性。通过对大安灌区重度盐渍区3a的洗碱效果进行数值模拟,对泡碱洗盐过程中盐分运动规律进行了预测。结果表明,经过3a的明渠排水洗盐,大安灌区土壤表层40cm范围内含盐率降到了1%以下,其土壤含盐量已经降到了轻度盐化草甸土土壤含盐量的水平,可以进行水田种植;排水沟距应在100m左右为宜。

基于Hydrus-1D的滴灌土壤水分运移数值模拟

为探索滴灌土壤水分运移、土壤水分再分布及土壤水力特性参数等,利用Hydrus-1D软件对室内有机玻璃箱滴灌条件下土壤水分运动进行了模拟,并对其土壤导水率和土壤水分特征曲线进行了求解和拟合,并利用均方根误差RMSE和决定系数R2进行评价。结果表明Hydrus1-D软件对滴灌条件下土壤水分分布的模拟具有较高的精度,在滴头处实测的土壤含水率和模拟的土壤含水率其RMSE和R2可以达到0.021 6和0.856 2,并对土壤水分特征曲线和扩散率曲线进行了模拟,发现其能较好满足V-G模型和指数函数关系,说明Hydrus1-D软件可普遍用在分析评价土壤水分的有效性,研究土壤水分运动等方面。

利用Hydrus-1D模拟分层土壤剖面的水流运动

[目的]研究分层土壤水分运移规律,进行水分运移的数值模拟。[方法]利用Hydrus-1D软件,通过设定不同上下边界条件,进行分层土壤的水分运移模拟。[结果]利用Hydrus-1D软件可以模拟到水分运移中观测点的水头、含水量及土壤上表层流量的随时间的变化规律。[结论]水分运移中的地面边界流量、水头和含水量与降雨量的变化直接相关,科学可靠的气象数据对水分运移的模拟非常重要。