土壤水盐运动模式研究及其在干旱区农田的应用

采用预估校正法求解土壤水分运动的h型Richards方程,此方法可以控制一定的迭代步数,但同样可达到二阶精度。同时采用具有二阶高精度的差分法求解土壤盐分运移的对流扩散方程,此格式可避免采用一般差分格式时出现的数值弥散问题。并将上述数学模式对干旱区绿洲棉田,在蒸散条件下土壤水分运动和土壤盐分向上运动积累过程进行数值模拟,模拟结果与测量值吻合较好,可为预报土壤盐碱化提供科学依据。     

干旱区绿洲棉田土壤水盐运动数值模拟

本文中利用预报校正法求解土壤水分运动的ｈ型Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程。同时利用具有二阶高精度的差分法求解土壤盐分运移的对流扩散方程,此格式可避免利用一般差分格式时出现的数值弥散问题。最后,将上述数学模型对干旱区绿洲棉田,在蒸发条件下土壤水分运动和土壤盐分向上运动积累过程进行数值模拟,计算结果与测量值吻合较好。可为预报土壤盐碱化提供科学依据。     

西藏古乡沟泥石流的数值模拟

泥石流运动数值模拟是确定泥石流泛滥范围、进行危险性分区、辅助减灾工程设计与检验的重要方法。以西藏波密古乡沟为实例,从泥石流的二维运动方程出发,使用一种新的数值方法对古乡沟50a一遇泥石流在堆积扇上的运动过程进行了数值模拟,获得了其最大流速、流深、动量和动能的空间分布,并据此确定了受泥石流危害较小的川藏公路穿越堆积扇方案。将泥石流数值模拟结果与游勇等1997年做的模型试验结果进行了比较,具有较好的相似性。     

膜下滴灌条件下绿洲棉田土壤水分运动数值模拟

应用非饱和土壤水运动理论,建立膜下滴灌条件下土壤水分运动二维数值模拟模型,研究了田间层状土壤在膜下滴灌条件下土壤水分运动特征.应用不同小区不同灌水处理的实测值与模拟值进行验证,同时对模型做了精度分析,结果表明符合精度要求,这说明所建立的模型能客观地反映实际土壤条件下的水分运动情况.研究结果表明:土壤剖面30～40 cm粘土层使土壤水分运动具有很大的差异,0～30 cm变化明显,而40 cm以下土壤水分运动的变化较小.膜下滴灌应该采取灌水量小,频度大的灌溉模式.     

基于ASAR双极化雷达数据的半经验模型反演土壤湿度

基于ENVISAT ASAR-APP数据,利用AIEM(改进积分方程模型)模拟分析粗糙度、土壤水分对ASAR 7个入射角后向散射系数的影响.建立小人射角模式ASAR数据后向散射模型和组合粗糙度计算模型,提出小入射角模式下双极化ASAR数据土壤水分反演半经验模型.基于A1EM模拟数据进行试验,验证了该模型的合理性,且反演的土壤水分和实测土壤水分相关系数为O.92,均方根误差(RMSE)为3.98%.     

沟道泥石流的数值模拟

以二维立面纳维尔－斯托克斯（Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ）方程为基本方程，将沟道泥石流视作为一种宾汉体．对三种不同纵坡情况下的沟道泥石流流场进行了数值模拟，并与相应的野外实验进行了对比，取得了较好的结果．     

沼泽湿地对污水中NH4^＋-N和PO4^3——P净化模拟研究

选取三江平原典型沼泽湿地———毛苔草沼泽,通过人工施加氮肥和磷肥来模拟农田污水排入沼泽湿地后,沼泽植物对污水的净化效果。从植物营养吸收角度进行野外实地污水净化模拟研究,对植物直接吸收利用的营养成分NH 4-N、PO3-4-P进行了测试分析。研究表明毛苔草沼泽对水中的NH 4-N、PO3-4-P的净化随时间的推移呈现明显的指数衰减下降趋势,随着氮、磷含量的增加,沼泽湿地对污水净化逐渐变慢,净化所需时间增长,曲线数值方程模拟效果较好。     

AR模型在土壤水分动态模拟中的应用

土壤水分运动是一个复杂的时间序列系统,其变化与区域气候条件和生态环境密切相关,具有明显的随机性波动。建立土壤水分动态变化模型可以使田间土壤水分的适时适量调节方便可行,对于农田水利工程的规划和管理也有利。利用时间序列分析方法进行丘陵地区紫色土土壤水分含量变化的预测建模研究,应用AR时间序列模型进行土壤水分含量的预测,结果表明AR模型能够较好地拟和及预测土壤水分时间序列。     

塔里木盆地绿洲农田土壤水盐运动动力学模式研究

本文采用改进型Ｐｉｃａｒｄ迭代差分法求解土壤水分运动的混鸽ｉｃｈａｒｄｓ方程,避免了采用Ｐｉｃａｒｄ迭代求解ｈ型Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程所现的质量平衡误差问题。     

干旱人工固沙植被区土壤水分动态随机模拟

土壤水分是陆地水循环过程的关键环节,是联系陆地水文过程与生态过程的纽带。随着全球极端气候事件的频繁发生,土壤水分随机模拟逐渐成为当前生态水文学研究的热点。利用2008-2011年生长季土壤湿度连续监测数据及1991-2011年日降水资料,结合Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型,模拟了沙坡头人工植被区生长季土壤水分动态与土壤湿度概率密度函数特征。结果表明：人工固沙植被区生长季土壤水分年际变化与降雨分布一致。2008-2011年生长季植物根际层（0~60 cm）土壤湿度概率分布基本呈单峰状,20 cm处的土壤水分峰的阔度较其他土层相对土壤湿度峰较宽,并且分布也出现了一定程度的跳跃。而随着土层厚度的增加,在40 cm和60 cm的土壤水分概率分布峰的阔度也较小,与Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型模拟结果一致。说明Rodriguez-Iturbe模型在干旱人工植被区也具有很好的适用性,可以对荒漠人工植被恢复区的土壤水分统计特征进行很好的模拟,为以后干旱沙区随机生态水文模型的建立奠定基础。     

内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤水分动态模拟研究

基于土壤水动力学原理,建立了内陆河流域山前农田绿洲SPAC系统土壤水分运移的子模型。应用该模型对土壤剖面含水率、农田棵间蒸发和叶面蒸腾量进行了模拟研究,并以实测值进行了验证。对相同种植与田间管理条件下的春小麦生长季田间土壤水分、土壤蒸发和叶面蒸腾量进行了预报,得到了较满意的结果。对模型主要参数土壤饱和导水率Ks、土表排水系数Wmax、净辐射Rn、风速Uz、饱和差D、作物叶面指数LAI进行了敏感性分析,得出这些参数对土壤水分运移的影响显著。应用该模型对西北干旱区内陆河流域山前绿洲灌溉农田的土壤水分均衡和作物根系吸水规律以及SPAC系统中土壤水分运移规律进行了模拟研究。     

阿拉尔绿洲灌区棉田土壤水分扩散率的测定

土壤水分扩散率是研究土壤水盐运动的重要参数之一。在室内用非稳定流水平土柱法对塔里木河流域阿拉尔绿洲灌区棉田土壤水分扩散率进行了测定。建立了Boltzmann变换参数、土壤水分扩散率与土壤含水率之间的定量关系。结果表明:土壤水分扩散率与土壤含水率呈单调递增关系。当土壤含水率趋近饱和含水率时,土壤水分扩散率趋近于无穷大。因此,用指数函数或幂函数不能很好地刻画土壤水分扩散系数与土壤的体积含水量之间的定量关系。本文建立的土壤水分扩散率与土壤含水率之间的函数关系较好地反映了土壤水分扩散系数与土壤的体积含水量之间的客观规律。     

区域干旱的数值模拟试验

针对土壤干旱,利用大气和土壤耦合模式对干旱过程进行数值模拟研究。在数值模拟方法上,引入美国国家大气研究中心和宾西法尼亚大学联合开发的第四代中尺度区域数预报模式MM4作为与土壤耦合的大气运动模式;将区域中尺度大气运动模式MM4与土壤水传导模式耦合,通过对土壤湿度的连续计算来试验模拟出干旱过程的几个阶段的状态。在大气与土壤耦合的过程中,主要考虑了4个的方面作用:分别是地表水蒸发、蒸腾作用、地表水渗透和地面风场。在进行区域干旱过程模拟试验中,以土壤湿度作为干旱划分指标,针对壤土选取长江中下游地区,1999年8月1日至30日的地面、高空资料进行连续计算。试验分三个阶段:第一阶段为长江中下游地区土壤供水量满足农作物需水量阶段;第二阶段为根系层土壤供水量小于农作物生长需水量阶段;第三阶段为长江中下游地区农作物干旱阶段。在对模拟试验的结果进行了分析后,得到了一些干旱形成过程的初步结论。     

松嫩平原苏打盐渍土土壤水分特征研究

以苏打盐化草甸土和苏打碱土2 种土壤类型为研究对象,研究苏打盐渍土土壤水分特征,并对土壤水分特征曲线进行模拟。结果表明,0~40 cm土壤层,盐化草甸土总孔隙度大于50%,毛管孔隙中以0.1~1.2 mm当量孔径的粗孔隙为主,苏打碱土总孔隙度低,主要以小于0.1 mm当量孔径的细孔隙为主;0~40 cm土壤层在相同水势作用下,盐化草甸土土壤含水率明显高于苏打碱土,说明苏打碱土土壤持水能力较低。通过模型模拟,获得不同土壤层的水分特征曲线参数,模拟值与实测值相关系数均在0.9 以上,模型具有可靠性。     

基于土壤理化性质估计土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数

在东北黑土区采集了不同侵蚀强度黑土土样,测定其土壤水分、机械组成、有机质和容重等指标,利用Rosetta模型估计了Van Genuchten模型的参数,并将估算土壤水分与实测土壤水分对比,评价了选择不同土壤理化性质指标的模拟精度,及该方法对东北黑土的适宜性。结果表明：选择4个或6个土壤性质指标,尺度参数（α）和形状参数（n）的差异较大,采用6指标时,α增大,n减小。修正VG模型参数m与n的关系后,模型拟合精度明显提高,其中6指标的计算结果好于4指标,但拟合值偏大,需进一步较正。Rosetta模型适用于砂粒含量小于46%,粘粒含量大于28%的东北黑土。     

土壤水研究的进程和展望

本文评述了近年来土壤水的理论研究及共方法、应用性研究的进展情况。     

三江平原季节性积水沼泽湿地能量平衡要素研究

2005年6月1日到8月30日,在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场季节性积水沼泽湿地,观测了净辐射和土壤热通量;利用Penman-Monteith公式和地表能量平衡方程式计算了潜热通量和感热通量;同时用SHAW模型对以上4个能量平衡要素进行了模拟研究,并用观测值以及模型效率、标准差和平均方差检验和评价了其模拟效果。结果表明,三江平原季节性积水沼泽湿地净辐射在6月末至7月初较大;潜热通量主要受净辐射的影响,与土壤水分关系不密切;沼泽湿地地表在6月初至8月中旬以吸收能量为主,8月末以后则开始释放能量;感热通量在植物生长季的初期和末期较大,在中期则比较小。SHAW模型能较好的模拟出沼泽湿地的净辐射、潜热通量和土壤热通量;该模型虽对感热通量的模拟结果并不理想,但能较好的模拟其变化趋势。这说明SHAW模型基本适用于对季节性浅积水沼泽湿地（水深小于10cm）能量平衡各要素的模拟。     

鲁西北平原冬小麦耗水过程与节水灌溉管理模式讨论

本文利用禹城综合试验站土壤-植物-大气综合观测场冬小麦田间的小气候梯度仪和大型蒸渗仪的观测资料,结合作者建立的模拟SPAC系统中水、热、CO2通量和光合作用的综合模型,研究了冬小麦全生育期的耗水过程;根据模拟计算的土壤水分动态,对山东省鲁西北平原现行的灌水管理模式进行了讨论。(1)冬小麦全生育期耗水438mm;返青以前耗水占20%,拔节-灌浆期是耗水的旺盛时期,占67%;(2)灌水后地表以下1m处的渗漏量与土层前期储水量和灌水量有关,前期含水量越大,灌水量越大,损失越大,灌水利用率越低;(3)鲁西北平原现行的越冬水-返青水-灌浆水-黄熟水的灌水模式在各次的灌水量控制上应谨慎处理,否则会造成大量的水资源浪费,从而影响灌水利用率。