大型灌区土壤水盐运移模拟研究进展

土壤盐渍化是一种由自然和人类活动综合作用引起的土地退化现象,灌区人类活动频繁,影响土壤盐渍化的因素多样,深入理解土壤水盐运移过程将有助于灌区的土壤盐渍化防治。在对灌区土壤水盐运移的影响因素、国内外水盐模型特点和应用研究梳理的基础上,提出了灌区水盐运移模拟的可能发展方向。灌区盐渍化的形成与气候干旱、地形、土壤季节性冻融、地下水含盐量和成土母质等自然因素,以及不合理的灌溉管理措施、耕作方式和施肥制度等人为因素密切相关。水盐运移模型是研究土壤水盐运移过程的有效工具,目前常用的水盐运移模型包括水盐平衡模型、物理模型和统计模型。由于模型率定和验证所需的土壤水盐运移过程、作物生长过程观测资料较难获取,水盐运移模型多用于田间尺度的节水控盐策略和灌排管理措施优化研究,在区域应用较为有限。现代大型灌区的快速发展导致灌区土壤水盐运移时空分布规律变化较大,对模型的不断改进以及计算机技术的快速发展为探究大型灌区水盐运移时空演变机制提供了可能性。未来应加强基于生态安全的灌区土壤水盐运移机制研究,构建耦合气候模式或经济模型的多过程水盐运移模型。

膜调控润灌在不同土壤类型下的技术参数确定

【目的】探究膜调控润灌在不同土壤类型和滴头流量下的土壤水分运移规律,确定不同土壤类型下的技术参数。【方法】基于室内试验数据建立HYDRUS-2D模型,设置4种土壤类型(砂土、壤土、砂质黏壤土、粉土)和3个滴头流量(0.9、2.1、3.2L/h),探究膜调控润灌在不同土壤类型和滴头流量下的技术参数。【结果】HDYDRUS-2D模型可以准确模拟膜调控润灌条件下的土壤水分运移及分布,相对误差在5%以内,决定系数(R2)和均方根偏差(RMSE)分别为0.97和0.007;砂土因其饱和导水率大易造成渗漏,在膜调控润灌系统下需要进一步调整滴灌管埋深和流量,膜调控润灌能较好地适应其余3种土壤,灌水结束时膜上水量占总灌水量的比例高于70%,大大减少了灌溉水渗漏量;随着滴头流量的增加,壤土膜上水量的占比逐渐减小。【结论】砂土条件下,需要调整滴灌管埋深以减少水分深层渗漏;推荐在砂质黏壤土和壤土条件下采用2 L/h的滴头流量进行灌溉;随着流量的增加,粉土膜上水量占比不会降低,推荐采用3 L/h的滴头流量进行灌溉。

基于不同土壤转换函数的土壤水分运移模拟对比研究

土壤水力参数是土壤水分运移模拟的关键输入。在野外应用中,土壤水力参数一般由土壤转换函数(PTF)基于土壤质地信息估计获取。为了对比分析不同PTF对土壤水分运移模拟的影响,本文选取了八个常用的PTF,基于七个FLUXNET中的站点,利用HYDRUS-1D软件开展了土壤水分运移的模拟。结果表明,使用不同的PTF会导致预测结果的显著差异。对于VGM模型,Rosetta3是最稳定的PTF;对于BC模型,Cosby2是最稳定的PTF。基于本文的模拟结果,不同PTF应该在模型中比较使用,以避免由于PTF的选择而带来的不确定性。

玉米芯颗粒对风沙土毛管水运移和蒸发特性的影响

为探索玉米芯在干旱地区的有效利用方式、提高其利用率,通过土柱模拟的方法,将1.5~6.0 mm玉米芯颗粒与风沙土混合开展吸水与蒸发试验。以未添加玉米芯的土柱为对照,设置10种添加玉米芯处理,对不同处理土柱的吸水量、湿润锋、蒸发量、蒸发强度等进行测定,分析玉米芯及其用量对风沙土吸水、保水效果的影响。结果表明,混合土壤毛管水上升高度比对照低0.0%~76.3%,毛管水平均上升速率比对照低7.3%~78.7%,蒸发强度比对照低10.7%~64.2%。玉米芯添加量≤40%时,吸水量比对照高8.6%~16.2%;玉米芯添加量>40%时,吸水量比对照低1.1%~46.0%。毛管水上升高度与时间之间呈幂函数关系,水分补给量与时间之间呈幂函数关系,水分补给量与毛管水上升高度之间呈线性相关。吸水条件下的Green-Ampt模型调整后可用于模拟混合土壤的毛管水上升过程。Rose蒸发模型能很好地表达混合土壤累计蒸发量随时间的变化特征。研究结果为沙化土地治理、秸秆还田改良耕地等研究与实践提供理论依据。

掺砂量对中度盐碱土壤水力特性及溶质运移过程的影响

[目的]为探究不同掺砂量对中度盐碱土壤水力特性和溶质运移过程的影响。[方法]采用室内土柱试验,设置4种掺砂比例CK(掺砂0)、B1(掺砂10%)、B2(掺砂15%)、B3(掺砂20%),研究中度盐碱土壤在不同掺砂量条件下的土壤水力特性和溶质运移过程变化规律并进行模型模拟。[结果](1)掺砂量在0~20%内,中度盐碱土掺砂明显影响土壤水分特征曲线变化,掺砂比例越大,曲线越靠近Y轴。在任一吸力条件下土壤含水率表现为CK>B1>B2>B3。且掺砂比例越大,土壤小孔隙数量越多,微小孔隙减少,土壤持水性能减弱。土壤的饱和导水率随掺砂量的增加而增大。(2)随掺砂量的增加,溶质穿透曲线明显左移,初始穿透时间、完全穿透时间及穿透总历时均减少,B1、B2、B3处理总穿透历时分别比CK减少34.48%,47.22%,69.71%。(3)CED方程和两区模型均能较好地模拟掺砂条件下土壤中溶质运移状况,但相较于CDE方程,两区模型的拟合精度更高。对两区模型拟合参数进行分析发现,随掺砂量的增加,土壤孔隙流速、可动区含水比率和质量交换系数逐渐增大,而水动力弥散系数和弥散度呈减小趋势。[结论]盐碱土掺砂能够有效改善土壤水力特性,促进溶质在土壤中运移,有助于缓解盐碱对作物生长的不利影响。研究结果可为盐碱土改良与治理工作提供参考,为未来的研究和实践提供理论支持和实践指导。

土壤水盐运移模型研究进展及展望

回顾了国内外土壤水盐运移模型的发展历程,根据土壤水盐运移模型构成的原理和发展趋势,将土壤水盐运移模型分为水盐平衡模型、物理模型和系统模型。借助国内外文献对已有模型的原理和应用进行了介绍,并对存在的问题进行了分析;展望了新形势下土壤水盐运移模型的未来发展趋势和研究重点,旨在为今后土壤水盐运移模型研究提供新的思路。

温度影响下土壤水分运动模型

根据不同温度条件下的入渗资料 ,分析了活塞 (Green Ampt)公式在温度场中的适用性 ,认为 ,Green Ampt公式适用于温度场影响下的土壤水分运动。温度影响下的土壤水分运动的通量主要依赖于概化区的饱和导水率、湿润锋处基质势以及温度 ,其中饱和导水率的温度效应较大 ,而基质势的温度效应较小 。

土壤中水、热、盐耦合运移机理与模型的研究进展

土壤水、热、盐运移规律的研究是目前土壤学、农田灌溉、水土保持、环境科学等学科研究的一个热点问题,也是防治土壤次生盐碱化,提高土壤肥力和土壤生产效率的重点。为此,简要介绍了土壤水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤水、热、盐的研究成果,并对土壤水、热、盐运移模型研究进行了一定的评价,讨论了目前该研究领域急需解决的问题,为进一步的研究提供帮助。

均质土壤上升毛管水运动特性试验

将Green-Ampt模型用于均质土壤毛管水上升过程分析中,通过室内土柱模拟试验,对均质土毛管水运动特性进行了研究。结果表明:均质土毛管水上升高度和地下水补给量均与时间之间为幂函数关系,毛管水上升速度和地下水补给速率也均与时间呈幂函数关系,毛管水上升高度与地下水补给量之间呈明显的线性关系,毛管水上升速度与地下水补给速率也呈线性关系;通过试验资料可以推求有关参数;说明入渗条件下的Green-Ampt模型用于模拟均质土的毛管水上升过程是可行的。

种植作物条件下粉砂壤质土壤水盐运移的数值模拟研究

利用大型水盐运动模拟土柱研究了在田间气候作用下作物 (小麦 玉米连茬种植 )生长对土壤水盐运移的影响。研究并建立了土壤水盐运移的数学模型 ,就模型所需的饱和导水率、水力传导度、水分特征曲线、水动力弥散系数进行了室内外测定 ,并对数学模型进行了数值求解。对四个土柱的模拟结果与实测结果进行了数据分析和对比。结果表明 :数值模拟结果和实测数据比较 ,除个别点有一定偏离之外 ,模拟计算结果与实测值拟合效果比较理想 ,说明该模型用于模拟种植作物条件下粉砂壤质土壤的水盐运移是实际可行的。

基于保水剂应用的土壤水分运移模型构建方法及源汇项求解

保水剂作为一种重要的非工程节水材料,已在旱地农业生产中得到了广泛应用,但适用于保水剂应用条件下的土壤水分运移模型还不多见。本文对保水剂应用条件下的土壤水力参数进行了重新定义,将非饱和扩散率D(θ)及非饱和导水率K(θ)分别表示为时变函数形式D(θ,t)和K(θ,t),在前人研究的基础上,对保水剂施入土壤中的时间和试验进行时间进行了统一,提出了适用于保水剂应用条件下的土壤水分运移模型构建方法及其源汇项求解方法,同时设置了数值试验对源汇项求解方法进行了检验。结果表明:时间步长、土壤层状性及边界条件对源汇项求解方法稳定性的影响较小,而时间间隔、水力参数、测试误差和仪器精度对稳定性的影响较大。

蚯蚓粪对土壤团聚体组成和入渗过程水分运移的影响

通过室内土壤团聚体组成分析试验和土柱一维垂直入渗试验,探究蚯蚓粪对土壤团聚体组成、抗水蚀稳定性以及入渗过程中水分运移特性的影响。结果表明:(1)蚯蚓粪可以有效降低土壤容重,增加0.25~2 mm粒级大团聚体的数量,分形维数D从2.84减小至2.65,减小了6.69%,显著提高了土壤团聚体抗水蚀稳定性;(2)施加比例为1/20时,可以显著增加湿润锋的运移距离,而后随着施加比例的增大,湿润锋距离有不同程度的减小,但均大于未施加蚯蚓粪的处理,且各处理下的湿润锋运移距离与入渗时间的关系均可用幂函数描述;(3)蚯蚓粪比例的增大可以显著提高累积入渗量和稳定阶段的入渗速率,当施加比例为1/3时,累积入渗量较对照组增大48.74%;其中Kostiakov-Lewis模型对入渗过程的模拟准确度最高,也更接近实测值。

微咸水入渗条件下碱土和盐土水盐运移特征分析

通过微咸水入渗实验结果和入渗模型分析实验资料方法研究了碱土、盐土在微咸水入渗条件下土壤水盐运移特性。结果表明:当矿化度在一定范围,相同入渗时间内两种土壤的累积入渗量、湿润锋随入渗水矿化度的增加而增加;不同SAR的微咸水入渗对盐土、碱土入渗能力影响不大,特别是盐土。碱土的水分和盐分运移与入渗水矿化度均呈正相关关系,盐土则不然。

生化黄腐酸对土壤物理性质及水分运动特性的影响

为了探究生化黄腐酸(biochemical fulvic acid,BFA)在土壤结构改良方面的应用,通过向土壤中添加BFA,研究其在不同浓度处理下对土壤物理性质及水分运动特性的影响。结果表明:(1)随着BFA施加比例提高,土壤中>0.25 mm的水稳性团聚体数量显著增多,施加比例为20 g/kg时,R 0.25、MWD、GMD分别增加284.98%,105.64%,35.06%,分形维数降低2.17%。(2)在温度与pH变化的影响下,随着施加比例增大,Zeta电位的绝对值逐渐增大,施加比例为20 g/kg时,Zeta电位的绝对值分别提高11.77%,59.70%。(3)向土壤中施加BFA可以显著增强土壤的入渗能力,提高累积入渗量与入渗率,随着施加比例的增大,累积入渗量提高28.83%;3种入渗模型均能较好地模拟土壤水分入渗过程。

基于表观电导率和Hydrus模型同化的土壤盐分估算

精细刻画农田土壤盐分运移过程对盐渍化精准治理具有重要意义。该文以磁感式大地电导率仪 EM38 测定的土壤表观电导率作为数据源,利用表观电导率与剖面土壤盐分之间的反演模型作为观测算子,将集合卡尔曼滤波(ensembleKalman filter,EnKF)同化方法应用于土壤水盐运移过程模型(HYDRUS-1D),进行滨海盐渍农田周年土壤盐分动态的模拟,并分析了同化过程的敏感性。结果表明:与单纯使用 HYDRUS 模型相比,EnKF 同化方法对模型观测算子的更新,有效提高剖面土壤盐分模拟精度,且 EnKF 同化值的精度优于 EnKF 同化模拟值,在同化过程中的调整量亦最大;敏感性分析结果显示土壤盐分同化过程对状态变量集合数大小不敏感,对观测数据误差和引入观测数据的深度较为敏感,观测数据误差水平越高、引入观测数据的深度越浅其误差越大。研究表明基于水盐运移模型和土壤表观电导率数据的 EnKF 同化方法能提高土壤盐分的模拟精度,为利用多源数据和机理模型进行较大尺度生态过程模拟预测提供了有效手段。

植物生长与营养物转化耦合模型研究

植物生长对流域营养物质迁移转化有重要影响。在分析营养物与水循环机制以及生物生长过程与环境变化过程互动耦合的基础上,根据植物生长动力学模型和土壤氮、磷、碳等营养物转化模型理论,建立了植物生长与土壤营养物质迁移转化耦合模型。利用所建立的模型,模拟了太湖滆湖水系内生物量和营养物(污染物)迁移转化的动态变化过程,并与实测结果进行了比较。结果表明,模型具有较高精度,可为流域面源污染物负荷的预测提供参考。

土壤水盐运移Hydrus模型及其应用

土壤盐渍化显著地影响着全球经济的发展,研究土壤中水盐运移的过程并对其进行精确模拟对于盐渍化土壤的监测、评价以及治理均具有重要意义。本文介绍了美国国家盐土实验室研发的Hydrus模型,系统阐述了该模型在不同土壤质地、灌溉方式、灌水频率以及不同盐碱土改良方式下的应用情况,并且展望了Hydrus模型的发展趋势,旨在为土壤水盐运移模型的研究提供思路。

活性X-3B红染料在水-土壤-作物连续体中的迁移模型研究

进入环境的活性X 3B红染料是一典型的持久性有机污染物 (POPs) .它从水分室向土壤分室再到作物分室的迁移 ,是一连续的生态过程 .基于此 ,从理论上对活性X 3B红染料在水 土壤两相、土壤 作物两相以及水 土壤 作物整个连续体中的迁移进行了定量描述与探讨 ,并采用棕壤 大豆、褐土 小麦、红壤 萝卜和水稻土 水稻等系统给予了实验论证 ,表明活性X 3B红染料通过吸附机制从水分室到土壤分室的迁移符合Langmuir模型 ,通过作物根系吸收机制从土壤分室到作物分室的迁移可以用对数化的作物 土壤积累因子 (CSAF)模型予以定量描述 .

饱和非均质土壤中溶质大尺度运移的两区模型模拟

目前,用于模拟土壤中溶质运移过程的两区模型(TRM)的研究均集中在实验室的短土柱上,涉及的尺度较小。本研究分别应用两区模型(TRM)、对流-弥散方程(CDE)和分数微分对流-弥散方程(FADE)对1 250 cm长一维非均质土柱中NaCl的运移过程进行模拟,并分析了TRM模型参数的变化特征。结果表明:实验土柱中存在一定的不动水体,与CDE和FADE相比,TRM能更好地描述土柱中不同位置处溶质穿透曲线的提前穿透和拖尾特征,表明TRM对较大尺度条件下非均质土壤中溶质运移的模拟具有更高的精度;应用TRM研究长土柱中溶质的运移问题依然存在弥散系数的尺度效应问题,但TRM的弥散尺度效应小于CDE;TRM中的可动水体含量可以由土壤的有效孔隙率与总孔隙率的比值来确定;而质量交换系数则与对流时间(x/vm)之间存在幂函数的相关关系。

地下水环境中污染物迁移预测实验数学模型基本方程探讨

本文以钴为研究对象，运用相似理论，探讨采用黑箱功能模拟方法、通过模拟实验来建立地下水中污染物迁移预测的实验数学模型的基本方程。