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。

松针覆盖土壤的水分动态及其HYDRUS模拟

为准确还原松针覆盖条件下的土壤水分动态变化规律,设置0.29、0.58、0.87g/cm^(2)共3个不同的松针覆盖水平(分别记为F_(1)、F_(2)、F_(3))和不覆盖松针处理(F_(0))进行一维土柱垂直入渗试验,以van Genuchten模型为基础,针对松针覆盖层的特性设置相应的水力特征参数,并使用HYDRUS-1D对土柱入渗和蒸发过程进行模拟。结果表明:与F_(0)相比,松针覆盖处理F_(1)、F_(2)、F_(3)的土壤蒸发量随松针覆盖层厚度增加而逐渐减少,松针覆盖处理能明显降低土壤蒸发量;松针覆盖土壤会优先蒸发松针覆盖层内部的水分,F_(3)在0~300 min时段内始终保持着3种覆盖处理中最高的时段蒸发量和累计蒸发量,且时段蒸发量呈现出随时间逐渐减小的趋势;4种处理的土壤含水量空间分布主要在5 cm以上的浅层土壤中表现出较大的区别,试验截止时,F_(1)、F_(2)、F_(3)在该深度下的地表土壤含水量较F_(0)提升比例分别为67.3%、94.9%、110.2%;7.5~17.5 cm深度下,F_(1)、F_(2)、F_(3)的土壤含水量相比F_(0)的均有提升,但相互之间差距不明显;4种处理在20cm以下的深层土壤含水量虽然较为接近,但湿润锋深度随覆盖量增长呈现逐渐增加的趋势;HYDRUS-1D模型的模拟值同实测值间的均方根误差低于0.025,相关系数高于0.6,拟合程度较好。

井塘结合入渗补给地下水的包气带水流模拟

为探究井塘结合模式在含水层补给管理中的应用潜力,利用HYDRUS软件构建了二维轴对称模型。通过对已有文献中实际场地有井无塘模式复现验证了本文建模过程的准确性,并进一步分析比较了不同塘半径下(5、15、25 m和35 m)井塘结合、有井无塘和有塘无井3种模式的补给效果,以及不同包气带质地(砂土、壤质砂土、砂质壤土和壤土)和井深(33、38、43 m)对井塘结合模式入渗和补给效果的影响。模拟结果表明:(1)复现值与文献值吻合较好,决定系数R 2均在0.98以上;(2)不同塘半径下井塘结合模式的补给效果均优于其他两种模式,但渗透塘半径为5 m时,井塘结合模式730 d的累计补给量分别为有井无塘和有塘无井模式的1.02倍和36倍,而当渗透塘半径增大到35 m时,井塘结合模式730 d的累计补给量则为有井无塘和有塘无井模式的2.6倍和1.54倍;(3)不同包气带质地下井塘结合模式累计入渗量随入渗时间呈线性增大的趋势,而累计补给量则分别在26.3 d、38.9 d、81.9 d和164.4 d时(湿润锋达到稳定状态)才随时间增加呈线性增大的趋势,随包气带渗透系数K s的增加,湿润锋首次到达补给区域的时间分别为0.75、1.38、3.63 d和8.63 d;(4)井深每增加5 m,井塘结合模式730 d的累计入渗量分别增加5.5%和5.9%,累计补给量分别增加9.5%和9.8%,湿润锋首次到达补给区域的时间则分别减少31.8%和25.6%。研究结果可为地下水人工补给调蓄工程的优化设计提供参考。

黄土覆盖区采动地表裂缝对土壤水分扰动影响的模拟试验研究

[目的]探究黄土覆盖区煤矿开采沉陷变形造成的地表裂缝对土壤水分变化的扰动效应,为采煤沉陷区土壤水分变化规律研究提供数据支撑。[方法]以典型黄土覆盖区的采煤沉陷区为模型,使用自主研制的开采沉陷地表裂缝模拟装置进行物理模拟试验,并在裂缝周围布设水分传感器,分析地表裂缝引起的土壤水分变化特征。利用Hydrus软件构建水文模型,结合物理模拟试验结果对数值计算模型进行优化。采用控制变量法,利用优化后的模型计算在不同裂缝形状、地形以及初始含水量条件下裂缝周围土壤含水量与非变形区土壤含水量差值。[结果]裂缝宽度主要影响土壤水分散失量的最大值,而裂缝深度主要影响散失量最大值出现的位置;裂缝对上坡方向和下坡方向影响规律存在差异,且坡度越大,差异越明显;土壤初始含水量越小,裂缝对土壤水分扰动程度越小;当初始含水量低于20%时,地表裂缝对土壤水分的影响范围不超过15 cm。[结论]在相同边界条件下,土壤水分模拟试验结果与物理试验数据变化规律呈现一致性,利用优化后的数值计算模型可以定量地分析黄土覆盖区土壤水分对采动地表裂缝的响应特征。

干旱区平原水库坝后农田土壤水盐运移的规律研究

干旱区的平原水库造成坝后农田地下水位抬升,加剧了土壤盐渍化的程度,厘清干旱区平原水库对坝后农田土壤水盐运移规律,便于制定有效的措施来控制地下水位,进而抑制土壤盐渍化的发生。因此采用试验监测和数值建模,利用Hydrus软件模拟出坝后农田土壤水盐运移规律。结果表明:水库水位的变动影响下游农田地下水位的变化,水库水位越高,上下游水位差越大,渗流量就越大,地下水补给量增加,水位上升越快;土壤地下水位与含水率呈正相关,地下水位越高,含水率就越高;土壤的含水率与含盐量呈负相关。通过蒸发量的增大,水分被蒸发速度加快,含水率逐渐降低,将水中的盐分留在土壤中,地表聚盐速度增加,从而含盐量增加。土壤的深度越浅,变化越明显;因此地下水位的变化对水盐动态影响较大,是诱发盐渍化的内因。而气象因素的蒸发是水盐运移的原始驱动力,是诱发土壤盐渍化的外因。通过合理的措施有效的控制地下水位,可以降低或防止坝后土壤的次生盐渍化问题。

干旱区平原水库坝后排水沟对下游农田土壤水盐运移的影响

干旱区平原水库的渗漏会抬高坝后农田地下水位,使土壤发生盐渍化,许多土地因此减产甚至弃耕。坝后设置排水沟是一种有效控制农田地下水位的措施。本研究采用排水沟调控坝后农田的地下水位,并利用HYDRUS模拟出在不同地下水位和深度的条件下土壤含水率与含盐量的变化情况,将实测数据与模拟数据相互对比,检验出模拟值的可靠度。研究结果表明:地下水位通过排水沟从1 m降到3 m,表层含盐量相差1.49~33.19 g·L^-1,因此排水沟遏制地下水位越深,水盐运移越不明显,次生盐渍化越不容易发生,反之,则容易发生土壤盐渍化;地下水位相同时,土体种植植物可以降低含水率和含盐量,其中含水率最大变化为6.33%,含盐量仅相差0.08~4.56 g·L^-1左右,而且随着土层深度增加其影响的程度也逐渐减小。设置排水沟是解决坝后农田土壤盐渍化的较好方式。

畦灌条件下不同水肥处理对麦田水氮运移的影响

【目的】探究不同水肥梯度对冬小麦生育期内土壤水、氮分布的影响。【方法】在田间试验基础上利用HYDRUS-1D模型对畦灌麦田根区土壤水氮运移特性进行数值模拟。【结果】HYDRUS-1D模型可较好的模拟根区土壤水氮分布,模拟值与实测值的决定系数R2大于0.84,RMSE和MAE分别小于0.807和0.695;提高土壤水分控制下限,冬小麦生育期内灌水次数增加,灌水后1~2 d内表层土壤硝态氮量向下淋溶,导致0~20 cm土层硝态氮量明显降低并随时间推移向20~100 cm土层运移,而灌水对各土层铵态氮量无明显影响;随施氮量的增加,0~60 cm土层中硝态氮、铵态氮量有明显提升,其中0~40 cm土层中硝态氮量和0~20 cm铵态氮量较其他土层明显增加,0~40 cm土层土壤含水率随施氮量的增加而下降。【结论】HYDRUS-1D模型可以较好地模拟不同水氮处理下土壤中水氮分布情况。