基于HYDRUS-3D的微咸水膜孔沟灌水盐分布数值模拟

利用HYDRUS-3D模型对室内试验条件下微咸水膜孔沟灌水盐分布进行数值模拟，结果表明HYDRUS-3D模型模拟膜孔沟灌入渗过程的可靠性较高。在此基础上，通过模型模拟，对不同方案下的水盐运移规律进行探索，结果表明：当灌水量为450～900m3／hm2时，3％、6％和9％开孔率下的脱盐率均在46％以上，短期内达到0～40cm土层内压盐的效果，可为花生的生长提供良好环境。为达到节水、压盐的效果，膜孔沟灌条件下的灌水量不宜小于300m3／hm2。

基于Hydrus-3D模型的再生水涌泉根灌模拟及布置参数预测

为了探寻再生水果树涌泉根灌条件下灌水器的最优布设埋深和间距,以饱和―非饱和土壤水分运动理论为依据,选取了典型研究区一年和多年生桃树,利用Hydrus-3D模型对再生水涌泉根灌土壤水分入渗过程进行数值模拟,并将模拟结果与田间试验实测结果进行对比验证,同时预测了双源涌泉根灌灌水器的最优布置参数。结果表明,Hydrus-3D模型对再生水涌泉根灌湿润锋运移距离以及灌水结束后不同时刻含水量分布的模拟值和实测值之间决定系数R 2均大于临界决定系数,均方根误差RMSE分别小于1.5和0.05,且F检验P值均在0.05以上。说明Hydrus-3D模型可以用于再生水双源涌泉根灌土壤水分运移的模拟;利用Hydrus-3D模型预测结果表明,1,5,10年生桃树再生水双源涌泉根灌灌水器最优布设埋深分别为35,35,45 cm,最优布设间距分别为40,50,40 cm。

基于HYDRUS-3D模型的微润灌溉土壤水分入渗模拟

掌握土壤水分入渗规律对于合理制定灌溉方案、设置灌溉参数和改进灌溉技术有重要意义。为探究微润灌溉条件下土壤水分入渗规律,利用HYDRUS-3D有限元模型对微润灌溉下土壤水分入渗进行了数值模拟,讨论了初始压力水头和土壤质地对土壤水分入渗的影响。数值模拟结果显示:在土壤水分入渗的垂直剖面上湿润体以微润管为中心呈同心圆状向外扩散,扩散速率与初始压力水头呈正相关。模拟试验周期为36 h,分3个时间段进行土壤水分扩散速率的计算,0~5 h内土壤水分平均入渗速率为1.85 cm/h,6~15 h内的平均入渗速率为0.79 cm/h,16~36h内的平均水分入渗速率为0.59 cm/h。土壤含水率最大值出现在微润管周围,向外围呈减小趋势。相同时间内土壤湿润峰运移距离随初始压力水头的增大而增大,微润灌溉下水分入渗速率在3种质地的土壤(砂壤土、壤土、粘壤土)中依次增大,并测得在压力水头为-180 cm时整个模拟周期中3种质地土壤的平均水分扩散速率分别为:0.69、0.53、0.46 cm/h。研究表明,土壤含水率和水分扩散速率随压力水头的增大而增大,随土壤黏粒含量的增大而减小。

Hydrus-3D在设施膜孔灌水氮再分布过程中的应用研究

通过室内试验结果与Hydrus模型模拟计算结果对比分析,认为点源二维、点源三维模拟膜孔灌溉均作了过分的简化,特别是在水平湿润锋的模拟方面,相对误差较大。本文将膜孔处土壤以粗沙代替进行三维模拟,并与室内试验结果进行了验证,得到了较好的模拟结果。

基于Hydrus-3D模型的新疆生产建设兵团石河子121团秋浇定额研究

通过Hydrus-3D模型计算不同秋浇定额对土壤水盐变化的影响,研究适合新疆生产建设兵团石河子121团的秋浇定额。结果表明,较大的秋浇定额会产生较大的底层水分通量,造成地下水位升高。受到冻融作用的影响,在冻融期土壤水分过大也会加剧盐分的集聚,秋浇定额应尽可能的小。同时较大的秋浇定额,将会使土壤盐分淋洗的更为充分,给春季种子的萌发提供较好条件,秋浇定额应尽可能的大。当秋浇定额为2 250m^3/hm^2时,脱盐率达到55.71%,0~60cm土层含盐率仅为0.127%~0.481%,能较好的满足棉花春季播种的需求。

基于HYDRUS-3D不同沟灌方式下水盐运移模拟

为了探究不同沟灌方式下田间土壤水分及盐分运移规律,选定甘肃省景泰川电力提灌灌区为研究区,以田间分区试验为基础,运用HYDRUS-3D模型对交替隔沟灌(AFI)、常规沟灌(CFI)及固定隔沟灌(FFI)3种沟灌方式下土壤水盐运移进行模拟,并用田间试验数据对模拟结果进行验证。结果表明:不同沟灌方式下土壤各层含水率变化趋势基本一致,常规沟灌深层含水率约为32%,高于其他两种沟灌方式;土壤含盐量受沟灌方式及灌水量的影响较为显著,灌水量越大,洗盐效果越明显;从长周期来看,土壤盐分均出现不同程度累积,0~20 cm层常规沟灌积盐率为22%,固定隔沟灌为26%,交替隔沟灌为10%,交替隔沟灌对于控制盐分的积累效果最好。

基于HYDRUS-3D的畦灌模式下田间水盐运移模拟

为揭示干旱荒漠区农田畦灌模式下的田间尺度土壤水盐运移规律,选定甘肃省景泰川电力提灌灌区为研究区,基于HYDRUS-3D模型,对田间尺度畦灌模式下的土壤水盐运移特征和分布过程进行模拟,以现场田间试验数据对率定后的模型模拟结果进行了验证。结果表明:运用田间试验实测值对HYDRUS-3D模型中的参数及边界条件修正之后,模拟结果与田间实测值的差别很小,模型的可靠性较好;在灌溉-入渗与蒸发作用下,灌溉后的土壤含水率沿纵向呈现出明显的分层现象,畦田上层土壤含水率约为22%,中间土层的含水率约为26%,深层土壤的含水率约为29%;土壤含盐量沿纵向亦呈现出明显的分层现象,6.5 mg/cm^(3)(0~20 cm)、4.5 mg/cm^(3)(20~40 cm)、4.3 mg/cm^(3)(40~60 cm)、3.5 mg/cm^(3)(60~80 cm)、2 mg/cm^(3)(80~100 cm),整个田块土壤含盐量呈现出先下降再上升最后逐渐趋于稳定的变化趋势,畦田土壤含盐量平均值稳定在4.16 mg/cm^(3)左右。上述模拟结果可为研究区灌溉制度的优选以及土壤盐碱化治理提供决策依据。

HYDRUS-3D在土壤水分入渗过程模拟中的应用

HYDRUS-3D是一个可用来模拟土壤水流及溶质三维运动的有限元计算机模型。程序可以灵活处理各类水流边界,包括定水头和变水头边界、给定流量边界、渗水边界、大气边界以及排水沟等。水流区域本身可以是不规则水流边界,甚至还可以由各向异性的非均质土壤组成。本文介绍了HYDRUS-3D这一最新成果数学模型构成,并利用这一模型软件模拟计算了土壤水流及溶质的三维运动,水流控制方程采用修改过的Richards方程,对水流区域进行不规则三角形网格剖分,控制方程采用伽辽金线状有限元法进行求解,得到了水分和溶质在土壤中随时间的变化关系,可以提供从0.00001到5,近6个数量级的事件时间分辨率精度。其实际应用结果表明,HYDRUS-3D不仅功能齐全,能够提供强大的模型计算能力,并且其生成的模型能真实地反映水分和溶质入渗过程,可被应用于土壤含水量的前期预报工作。

基于HYDRUS-3D的干旱区土壤沟灌模式水盐运移模拟

为揭示干旱区农田沟灌模式下田间尺度土壤水盐运移规律,选定甘肃省景泰川电力提灌灌区为研究区,通过构建HYDRUS-3D沟灌田间水盐运移三维模型,对一个灌水周期内田间微观尺度的土壤水盐运移过程进行了模拟与验证分析。结果表明:运用田间试验实测值对HYDRUS-3D模型中的参数及边界条件修正之后,模拟结果合理,模型可靠性较高;在一个灌水周期内,模拟试验区内的土壤平均含水率呈逐渐减少的趋势并在灌水结束约20天后达到稳定值20%,且沿纵向分层现象明显;在灌溉水淋洗与水分蒸散发耦合作用下,模拟区土壤含盐量呈现先下降后上升的趋势,整个沟灌模拟区域内的含盐量出现了明显的分区现象,表现为沟顶种植一侧(7 mg/cm^(3))>中间部分(3.8 mg/cm^(3))>灌水沟一侧(2.5 mg/cm^(3))。研究结果可为干旱区土壤盐碱化治理提供参考。

基于HYDRUS-2D/3D的玉米全膜双垄沟水肥运移规律与根系响应

为研究西北旱区玉米全膜双垄沟种植模式下土壤水肥运移规律,通过HYDRUS-2D/3D模型对甘肃省定西市玉米全膜双垄沟土壤水肥运移规律及根系响应进行数值模拟,分析全膜双垄沟播种植模式下土壤含水率及垄沟内种肥浓度的分布规律,在合理播深处设置观测点以表征土壤含水率及膜下氮、磷、钾水肥互作运移变化规律。模拟结果表明,全膜双垄沟膜下渗水孔与种穴位置处土壤水肥发生环状侧渗现象,其中土壤含水率范围为15.20%~17.12%,垄沟内氮肥转化浓度趋于15.38 mg/L,磷肥转化浓度趋于5.15 mg/L,钾肥转化浓度趋于12.21 mg/L,水肥主要集中在垄沟位置,保障了苗期水肥需求;通过施加根系吸水和水肥运移模拟表明全膜双垄沟模式下土壤水肥条件满足玉米出苗需求。研究模型与结果将为玉米全膜双垄沟农艺技术的优化提升提供理论依据。

多因素影响下膜孔灌单向交汇入渗特性

为研究膜孔直径、膜孔间距、土壤初始体积含水率、入渗水头4个因素对膜孔灌单向交汇入渗特性的影响,通过室内土箱入渗试验资料来验证HYDRUS-3D模拟膜孔灌单向交汇入渗过程的可靠性,用HYDRUS-3D模拟不同膜孔直径、膜孔间距、土壤初始体积含水率、入渗水头条件下的单向交汇入渗过程,分析各因素耦合条件下单向交汇入渗规律,分别建立了各影响因素与单位膜孔面积累积入渗量、交汇时间、交汇面面积之间的经验模型.结果表明:4个因素对单位膜孔面积累积入渗量的影响程度从大到小依次为膜孔直径、土壤初始体积含水率、膜孔间距、入渗水头;对膜孔交汇入渗交汇发生时间的影响程度从大到小依次为膜孔间距、膜孔直径、土壤初始体积含水率、入渗水头;对入渗结束时交汇面湿润体面积的影响程度从大到小依次为膜孔直径、膜孔间距、土壤初始体积含水率、入渗水头.该研究结果可为确定最优膜孔灌技术要素组合提供理论依据.

带状砂沟模式下土壤入渗过程模拟研究

[目的]探究土壤质地类型和砂沟结构参数对土壤入渗过程的影响,为砂沟集雨工程设计、运行和管理提供科学依据。[方法]基于HYDRUS-2D/3D软件,建立带状砂沟模式下土壤水分运动数学模型,利用室内试验验证模拟带状砂沟模式下土壤入渗过程的可靠性。在此基础上,模拟分析不同影响因素下带状砂沟模式下土壤累积入渗量和湿润锋运移变化过程。[结果]模拟结果与实测数据无显著性差异且一致性良好,表明所建模型及其求解方法能够有效获取带状砂沟模式下不同时刻土壤累积入渗量和湿润锋运移距离数值;均质土壤填充带状砂沟存在明显的增渗效应。原土质地、砂沟距、砂沟宽和砂沟深均对增渗率有较大影响,增渗率随原土饱和导水率和砂沟距的增大而减小,随砂沟宽和砂沟深的增大而增大;土壤湿润锋轮廓呈下低上高的U形,随时间的延长,U形侧边湿润锋逐渐靠近砂沟交汇面,顶部平台逐渐消失;原土质地对湿润锋运移距离影响较大,湿润体随原土饱和导水率的增大而增大;砂沟深对湿润锋的形态和分布影响较大,随砂沟深度的增大,U字体型垂向拉伸,左侧湿润深度显著增大,右侧湿润深度变化微弱;砂土质地、砂沟距和砂沟宽对湿润锋运移距离影响较小。[结论]带状砂沟土体构型能够显著提高土壤入渗能力,土壤质地类型和砂沟结构参数对土壤累积入渗量和湿润锋运移距离均有不同程度影响。

基于HYDRUS的深施作业液肥水分入渗数值模拟

为探究液肥系统深施作业下土壤水分入渗湿润体运移变化规律,采用HYDRUS数值模拟的方法。选取不同系统压力、注肥深度、土壤质地3个因素进行试验,研究以上3因素对深施作业下液肥中水分入渗的影响。结果表明:湿润体形态大小和湿润锋运移距离与系统压力成正相关,与土壤质地的黏重程度呈负相关,与注肥深度无显著关系,但湿润体的空间分布与注肥深度呈正相关;不同方向土壤湿润锋运移距离与注肥时间都呈显著幂函数关系,且在相同注肥时间内均符合垂直向上>垂直向下>水平方向的规律。

Effects of Loess Cavity on Soil Moisture Movement: Revealed by Soil Column and HYDRUS Model

The purpose of this study is to advance our current understanding of soil moisture storage in subsurface and water infiltration rate in loess soil. Therefore, a set of experiments was conducted on two soil columns filled with silty clay loam, with and without applying cavity technical method. For the soil column applied with loess cavity, the ponding infiltration was simulated using HYDRUS-2D/3D, version 2.x and the simulated results were verified by those of observation. The results show that 1) the loess cavity significantly decreased the infiltration rates when the flux permeated through it (varying from 0.358 to 0.208 cm·min-1) as compared with no cavity soil column (varying from 0.408 to 0.241 cm·min-1);2) similarly, the total cumulative infiltration and at the termination of wetting front advancement of soil column with cavity were 66 cm and 69 cm lower than that of no cavity soil column (76 and 78 cm), respectively. Consequently, the soil moisture at the subsurface and surrounding the loess cavity was effectively ameliorated;3) the model was capable of predicting water infiltration processes in the soil column with loess cavity, and the root mean square error of simulated water contents, wetting front advancements, cumulative infiltrations, and infiltration rates were from 0.22 to 3.63 cm3·cm-3, 1.6 to 3.63 cm, 3.44 cm, and 0.026 cm·min-1, respectively. Overall, the findings in this study indicate that loess cavity can effectively increase soil moisture storage at shallow surface and the HYDRUS-2D/3D model is capable of simulating and predicting scenarios to help achieve stable shallow soil surface with loess cavity.

库布齐沙地土壤水分运移规律数值模拟研究

以砂土下进行地表滴灌的沙柳、速生杨、旱柳和榆树人工林为研究对象,采用粒径检测激光分析仪进行土壤质地分析得到各土样粒径分布情况,通过HYDRUS-2D/3D数值模拟研究灌水及水分再分布过程中压力水头和含水量的动态变化规律。结果表明:库布齐沙漠北部边缘地区人工林立地土壤中砂粒含量高于70%且黏粒含量低于2.5%,属典型砂质土壤。滴灌流量为3.0 L/h,时长为6 h时,各类人工林根深范围内土壤均能达到饱和含水量,能满足人工林用水需求。

土壤水力参数对点源入渗湿润体形状的影响

为探究点源积水入渗的运移机理,以达西定律和质量守恒原理为基础,利用HYDRUS软件对点源积水入渗过程进行数值模拟分析与验证,分析点源积水入渗条件下土壤水平湿润锋与垂直湿润锋的比值(湿润锋比)和土壤水力参数(进气吸力、形状系数以及饱和导水率)之间的关系,并基于土壤饱和扩散率建立水平湿润锋运移模型。结果表明:细质土壤(进气吸力大于11 cm)的湿润体形状近似为以积水中心为椭圆心、以垂直湿润锋和水平湿润锋为长半轴和短半轴的椭圆体,而粗质土壤(进气吸力小于8.7 cm)湿润体的椭圆心位于积水中心下方,从而导致短半轴大于水平湿润锋、长半轴小于垂直湿润锋;细质土壤的湿润锋比随时间变化较小,可近似为常数,土壤湿润锋比与形状系数和饱和导水率之间无显著的函数关系,但与进气吸力呈线性递增关系,决定系数R^2为0.999;湿润锋运移过程可以采用入渗时间的幂函数进行拟合,且幂函数系数和指数可以分别用土壤饱和扩散率的一次多项式和二次多项式进行估计,经验证得到的模型在误差允许范围内具有较好的效果。本研究可为分析点源积水水盐运移等问题提供机理性依据,也为我国北方干旱半干旱地区合理规划设计滴灌系统、提高农业灌溉用水效率提供科学依据。

地下滴灌土壤水分运移与分布研究进展

地下滴灌条件下土壤水分运移与分布规律一直是学术界追踪的热点课题。为明确地下滴灌条件下土壤水分运移与分布影响因素的研究进展,总体概览了地下滴灌技术的基本原理、主要特点以及发展历程,系统阐述了不同地下滴灌方式下土壤水分运移与分布研究方法及结论,并介绍数值仿真技术在土壤水分分布规律研究中的应用现状,综合分析了地下滴灌条件下影响土壤水分运移与分布的关键因素,总结了当前研究现状与发展瓶颈,并对未来研究方向进行展望,以期为后续深入研究和提高灌溉水分利用率提供理论参考。

实验室尺度三维含水层核素迁移模型试验

为了准确模拟和预测核素在含水层中的分布、累积情况,借助物理模型试验与核素迁移模式客观反映其迁移、转化规律是不可或缺的手段。以山西第四系粉质壤土潜水层地下水为研究对象,建立实验室尺度下的核素迁移三维模型试验,示踪核素90Sr以点源形式布设在断面中心位置,通水量为375mL/d。结果表明,260d后中心点处90Sr浓度峰值沿轴向迁移了3.9cm,峰值活度浓度为1.04×10^4Bq/cm^3;随着与轴线距离的增加,径向上、下对称6个区域的峰值浓度逐渐减小,上半部活度浓度为1.02×10^3~8.03×10^3Bq/cm^3,峰值迁移距离约为2.7~3.6cm,下半部活度浓度为1.86×10^3~9.80×10^3Bq/cm^3,峰值迁移距离约为3.3~3.6cm。结合试验体中90Sr的浓度分布,建立Hydrus-3D核素迁移三维数值模型,拟合得到了90Sr在粉质壤土中的吸附分配系数为79.0mL/g,纵向弥散度为0.7cm,横向弥散度为0.8cm。

负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。

红壤涌泉灌水分入渗试验及数值模拟

为了探索红壤涌泉灌的水分入渗规律,进行了不同流量下涌泉灌的水分入渗试验,依据非饱和土壤水分运动理论建立土壤入渗数学模型,采用软件HYDRUS-3D进行了求解,在模型验证后,采用数值模拟方法研究土壤水分入渗运动。模型验证说明:土壤含水率的模拟值与实测值相对误差较小,两种结果的吻合度比较高,涌泉灌土壤水分运动可以用该模型来模拟。数值模拟结果说明:随流量的增加,土壤水分运动特征值随之增大;随着时间的延长增减的幅度变小;入流量越大,湿润锋运移速度越快,土壤含水率增加的速率越大;当入渗达到稳定时,土壤含水率与流量呈等比例增加的关系。