负压渗管对土壤盐分淋洗效果影响的模拟研究

【目的】探究土壤淋洗过程中负压多孔渗管的出流机制及其对土壤水盐运移的影响特征。【方法】采用HYDRUS模型对埋设真空负压渗管的土壤剖面进行数值建模,模拟淋洗过程中不同土壤质地(粉质黏土、黏土、黏壤土、砂质黏壤土、砂壤土)、土表入渗水头(2、4、6、8、10cm)和渗管内负压水头(200、500、1000、1500、2000cm)组合情景下土壤水盐动态形式,并分析淋洗前后土壤脱盐率以及单位灌水对应的渗管排盐量。【结果】(1)负压渗管的排水主要源于下渗水在土壤剖面内形成的悬着水带,当悬着水带含水率达到饱和时排水通量达到最大。(2)负压渗管下土壤质地对负压渗管的排水排盐效果起决定作用,砂粒占比越高对应的脱盐效率和淋洗效率越高。(3)各处理的脱盐率与入渗水头和管内负压均呈微弱的正相关,但在砂质黏壤土和砂壤土中,增大入渗水头将降低淋洗效率。(4)负压渗管相对无渗管的脱盐率最大提升程度为7.91%,但提升程度从渗管上方向两侧递减,并在渗管下方存在随管内负压减小而范围扩大的积盐区。【结论】淋洗过程中负压渗管在偏砂性的土壤中模拟所得水盐的调控能力较强,能够在淋洗水量不变的条件下提升土壤的局部脱盐收益。

不同入渗水头条件下土壤水分运动数值模拟

在分析入渗水头对土壤水分入渗影响的基础上,提出了分层计算假定,建立了不同入渗水头作用下土壤水分运动数学模型,并采用差分法进行求解。在室内进行了不同入渗水头土壤水分入渗验证试验,结果表明,模型计算土壤含水率与试验实测值具有较高一致性,最大相对误差为4.8%,表明所建立的不同入渗水头作用下土壤水分运动数学模型是正确的,求解方法是可行的。

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。

地下渗灌土壤水分运动数值模拟

为了寻找一种准确实用的土壤水分运动模拟方法用于指导田间渗灌,该文对一种橡塑渗灌管田间渗灌过程进行监测,并采用Green-Ampt积水入渗模型和一维水平吸渗模型Philip解法分别对渗灌过程中土壤水分在垂直和水平方向的运动进行模拟,通过与田间实测值对比,检验模型的适用性。结果表明,应用Green-Ampt积水入渗模型模拟田间渗灌过程垂直方向土壤水分运动具有较好的准确性,一维水平吸渗模型Philip解法在水平方向的模拟则存在一定偏差。

沟灌土壤水分运动数值模拟与入渗模型

为进一步探明沟灌二维土壤水分运动规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了沟灌土壤水分运动数学模型,用多组试验资料对模型模拟结果进行验证,两者基本吻合,表明模型可用于模拟沟灌二维土壤水分入渗过程。用所建模型对不同因素组合下沟灌土壤湿润体特性进行模拟分析,结果表明:土壤初始含水率、沟间距对沟灌累积入渗量影响较小,土壤质地、容重、沟底宽和沟中水深对其影响较为显著;沟底宽、土壤初始含水率对土壤湿润体水分分布影响较小,土壤质地、容重对其影响较大,沟间距、沟中水深对其影响主要在零通量面附近,当入渗发生交汇后,零通量面处垂向湿润锋运移加快。以此为基础,建立了包含湿周在内的沟灌累积入渗量计算模型。

点源地下滴灌土壤水分运动数值模拟及验证

依据非饱和土壤水动力学理论,借助计算机数值模拟方法,应用Hydrus软件建立了地下点源滴灌的土壤水分轴对称二维数值模拟模型,分析对比了几种土壤条件下地埋点源滴灌时土壤水分的运动状况。应用土壤剖面含水率、土壤水湿润峰运移值和累积入渗量及入渗速率等指标的实测值与模型值对模型进行了验证。结果表明,两者具有较好的一致性,相对误差在10%以内,说明所建模型能比较真实地反映供试土壤条件下的水分运动情况。

基于HYDRUS-3D的涌泉根灌土壤入渗数值模拟

针对涌泉根灌流量大且出流边界为柱状,与传统滴灌、渗灌等存在很大差异的问题,依据非饱和土壤水动力学理论,并结合涌泉根灌条件下土壤水分运动特征,建立了具有柱状出流边界的入渗模型,利用HYDRUS-3D对模型进行求解,所建模型通过土壤剖面含水率随时间变化的实测值与模拟值的对比进行验证.结果表明:模拟值与实测值的相对误差在10%以内,两者具有较好的一致性,数值模拟结果可为涌泉根灌系统的合理设计及运行提供理论依据.通过数值模拟方法研究了流量、套管开孔长度对土壤含水率的影响,发现流量越大,水分运移速率越大,随着时间推移流量所引起的差异减小;灌水量相同时,灌水结束后土壤湿润体范围随流量增大略有减小;开孔区长度增加对湿润体形状、大小没有显著影响,但对土壤湿润体内水分分布状况影响较大.

蓄水多坑入渗条件下土壤水分运动建模与试验

针对蓄水坑灌坑内水头高且非恒定和土壤入渗边界复杂的特点,建立了蓄水多坑三维入渗及土壤水分运动数学模型,采用ADI交替方向隐式差分格式结合Gauess-Seidel迭代法对模型进行求解,并进行了试验验证,结果表明计算值与实测值吻合较好,说明所建立的数学模型正确,采用的数值求解方法是可行的。

波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动数值模拟及试验

考虑到地下水浅埋对上层包气带水分分布造成一定影响,该研究结合波涌灌技术,对地下水浅埋下间歇入渗的土壤水分分布特征和运动规律进行了分析,建立了基于饱和-非饱和土壤条件下一维间歇入渗水分运动模型,根据试验实测资料采用Hydrus-1D软件反推土壤水分运动参数,并对入渗过程进行了模拟。在此基础上,确定了饱和导水率的估算模型。结果表明:所建参数估算模型较好地反映了饱和导水率与间歇周期数、循环率以及周期时间之间的相关关系,所建水分运动模型模拟值与实测值比较,累计入渗量、土壤含水率以及湿润体运移距离总体相关系数高于0.96,均方差在0.5以内,吻合度较高,能够较好地描述了地下水影响条件下波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动特征。该研究为波涌灌技术进一步发展奠定了科学基础。

单坑变水头入渗条件下均质土壤水分运动的数值模拟

变水头入渗条件下的土壤水分运动是蓄水坑灌的基本理论问题。该文根据土壤水动力学的基本理论,分析了蓄水坑变水头入渗的复杂边界条件,并推导了其坑水位变化与坑壁变水头入渗关系的数学表达式,进而建立了蓄水坑灌单坑变水头入渗及土壤水分运动的数学模型。采用AD I交替方向隐式差分格式将土壤水分运动方程离散,用G auess-Se idel迭代算法求解非线性差分方程,实现了单坑变水头条件下的土壤水分运动的数值模拟。实验验证表明,数值计算结果与实测值有着较好的一致性。

黄土高原重力式地下滴灌水分运动模型与分区参数研究

建立了重力式地下滴灌条件下的土壤水分运动模型,分析地下滴灌土壤水分入渗规律。对黄土高原不同分区的4种典型土壤、不同灌水技术要素条件下的地下滴灌土壤湿润体形态、滴孔处出流量及土壤土水势进行数值模拟得出:榆林紧砂土土壤导水率较大,向下渗漏过多,不适宜地下滴灌;安塞砂壤土、洛川中壤土、武功重壤土在相同灌水量下,供水压力与滴孔孔径对地下滴灌湿润体形态影响微弱,但对滴孔出流量有较大影响,因此在地下滴灌工程设计时,只需根据田块长度和渗水管损失设计孔径和供水压力,并采用较小供水压力,降低供水水池高度,减小工程量;对武功重壤土,孔径和供水压力较大时地下滴灌滴孔处土壤易饱和板结,宜采用较小的孔径和供水压力。

土壤盐渍化的监测和预报研究

本文采用田间观测和数值模拟相结合的方法，对改造后的重盐碱试验地的水盐动态连续三年进行了监测和预报研究。在田间，监测了地下水的水位和矿化度、土壤盐分和水分、降雨和农田蒸散量等参数，同时针对现场试验条件进行数值模拟。在土壤盐分输运模型中，考虑动水不动水概念和吸附作用，在解水分运动方程时采用了更合理的改进型Picard迭代差分法。研究表明，在当前的自然因素和农耕活动中，试验地土壤中的盐分达到动态平衡，不会发生土地重新盐渍化。

蓄水坑灌单坑土壤水分运动模型的有限体积法求解

基于土壤水分运动的动力学方程,建立了蓄水坑灌单坑土壤水分运动的数学模型及边界条件,利用有限体积法对模型进行了求解。为了验证所建模型的准确性,在室内进行了蓄水单坑水分入渗试验。模拟结果和试验结果的对比表明,土壤湿润锋和含水率的模拟值与实测值吻合较好,说明所建立的蓄水单坑二维土壤水分运动模型是正确的,采用有限体积法求解是可行的。该模型可作为预测蓄水坑灌条件下单坑土壤水分运动的有效工具。

负水头条件下的水平一维土壤吸渗特征

该文分析了不同负水头条件下土壤水分运动特征,并通过室内模拟试验研究了不同负水头条件下水平一维土壤的吸渗特征,根据Brooks-corey模型推求了描述负水头条件下土壤吸渗公式,并分析了各参量间的函数关系。分析了Philip吸渗公式在负水头条件下的适用性,并对所建立的公式进行检验。研究结果表明:上述理论关系可以很好描述负水头条件下水平一维土壤吸渗过程。

冬小麦不同深度灌水条件下土壤水分运动数值模拟

冬小麦深度灌水可以促进根系深扎,提高水分利用率。为了定量计算深度灌水条件下土壤水分动态,根据冬小麦不同深度灌水试验,用土壤水分运动方程的源项模拟不同深度灌水,建立了冬小麦不同深度灌水条件下土壤水分运动模型,采用有限差分法求解。利用不同深度灌水冬小麦试验数据对模型进行验证,结果表明模型计算的土壤含水率与实测土壤含水率的动态变化趋势一致,二者显著相关,相关系数在0.90以上,模型平均绝对误差最大值为0.023 cm3/cm3,平均相对误差最大值为8.22%,均方根误差最大值为0.03 cm3/cm3。所建模型具有较高的模拟精度,可用于模拟不同深度灌水条件下冬小麦土壤水分分布与动态变化。

冻融期地下水位变化情况下土壤水分运动的初步研究

建立了地下水浅埋条件下土壤冻融期水热耦合迁移模型，并采用混合型Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程对冻融过程中的土壤饱和—非饱和水分流动问题进行了初步研究。模拟结果与试验资料的对比表明所采用的模型是可靠的。根据模拟结果，冻结过程中潜水位最大降深与初始潜水埋深间的关系可用反Ｌｏｇｉｓｔｉｃ公式表示。对于内蒙古河套灌区，考虑融化期春小麦需水要求的土壤封冻前的适宜地下水位约为１．５ｍ～２．０ｍ。

蓄水坑灌条件下土壤水分运动的数值模拟

本文以非饱和土壤水分运动理论为基础,根据蓄水坑灌法土壤水分入渗的特点,建立了蓄水坑灌条件土壤水分运动的数学模型,并用有限差分法进行求解。同时用试验资料对模型进行验证,并用模型计算结果分析了蓄水坑灌条件下土壤初始含水率对土壤水分分布的影响,能为蓄水坑灌法的合理设计提供了一定的参考。

滴头间距对双点源交汇入渗影响的模拟研究

【目的】研究滴头间距对双点源滴灌土壤水分入渗的影响。【方法】应用HYDRUS 3D软件,在滴头间距分别为10,20,30和40 cm时,对湿润峰交汇时间、交汇面土壤含水量、湿润峰运移速率和湿润体的形状变化进行模拟研究,并进行试验验证。【结果】湿润峰交汇时间随着滴头间距的增大呈指数级增加,湿润峰运移速率与滴头间距之间呈幂函数关系;随着滴头间距的增加,湿润体形状依次从1个近似半球体向近似半药囊形、半花生壳形及2个分离的近似半球体转变,湿润体内高含水量区域也从2个逐渐转化为1个。以土壤剖面含水量、湿润峰运移距离及总入渗量为指标进行验证试验,结果表明,土壤含水量、湿润峰运移距离及总入渗量的模拟值与实测值均具有较好的一致性。【结论】滴头间距对双点源滴灌土壤水分入渗影响显著,土壤水分三维数值模拟模型能较准确地反映双点源入渗条件下粘壤土的水分运动规律。

变水头边界条件下土壤水分运动数值模拟

本研究提出了一种变水头条件下一维土壤水分运动数值模拟的边界处理方法,采用隐式差分法对基本方程进行差分离散,用迭代法求解非线性方程。在结合室内实验验证模型可用的基础上,分析了变水头条件下不同土壤初始含水率、不同初始水头高度下土壤水分的运动规律。结果表明,土壤初始含水率和初始水头对水分运动都有较大影响,作者提出的变水头边界处理方法可用于水分入渗历时和湿润锋的预测。

不同灌水量下设施土壤水盐运移规律及数值模拟

为了寻求防治设施土壤次生盐渍化的最佳灌水量,通过室内土柱模拟试验,分析不同灌水量下设施土壤剖面水分、土壤电导率的变化特征,在此基础上模拟土壤水盐变化趋势,并将模拟结果与试验实测结果进行对比分析。结果表明,不同灌水量对土壤含水量的影响主要集中在30cm以上土层,灌水量过高时土壤剖面含水量反而较低;灌水后25d,各灌水处理在0-30cm土层形成脱盐区,30cm以下土层形成积盐区。土壤水盐分布的模拟结果表明,HYDRUS-1D模型可较好的描述土壤中水盐变化趋势。根据各灌水处理土壤剖面中的水盐分布情况,提出600ml为本试验条件下的最适灌水量。