地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证.pdf

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1、第26卷第11期662010年11月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、b1．26No．1lNov．20lO地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证王建东1‘2，龚时宏L2，许迪L2，马晓鹏L2，于颖多1’2(1．中国水利水电科学研究院水利所，北京100048；2．国家节水灌溉北京T程技术研究中心，北京100048)摘要：土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一，基于土壤水、热运动基本方程，结合地表滴灌水分运动特点，建立了地表滴灌水、热运移数学模型，利用HYDRUS．2D软件对构建的数学模型进行了数值求解，并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对

2、比验证。结果表明，所构建的数学模犁．对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果：当土壤、气象以及灌水资料等可知时，利用该数学模犁可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律，模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外，数值模拟值和实测结果都显示，地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。关键词：地表滴灌，水热迁移，数值模拟，验证doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．11．011中图分类号：$275．6文献标志码：A文章编号：1002—

3、6819(2010)-ll一0066—06王建东，龚时宏，许迪，等．地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证[J]．农业工程学报，2010，26(11)：66--71．WangJiandong，GongShihong，XuDi，eta1．Verificationandnumericalsimulationforwaterflowandheattransportunderdripirrigation[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(11)：66—71．(inChinesewithEnglishabstract)0引言适宜的土壤水、热条件是作物良好生长的

4、重要环境参数，这点得到了一些学者的佐证⋯。地表滴灌具有显著的节水、增产及提高作物品质的优势，其内在原因之一与地表滴灌能显著改善作物生长所需的土壤水、热条件密不可分，因此，适时监测和及时调节土壤巾水、热条件也就成为促进作物优质高产的一个重要手段。然而，采取田间试验手段实时监测土壤水热分布状况存在难以长时间持续以及人力和财力上的难题。目前来讲，数值模拟是一种对复杂工程进行仿真的技术，可再现所研究问题的运移分布情景，在误差允许范围内，与做实验没有区别。因此，地表滴灌条件下土壤水热耦合迁移数值模拟方法的有效建立将无疑可以替代田间试验操作用来预测以及调控土壤水热分布状况。针对地表滴灌条件下土壤

5、水热耦合迁移数值模拟的首要工作就是建立土壤水热耦合迁移数学模型，在国外，Philip和DeVriest2】最早提出了建立在质能平衡基础}：的水．气一热耦合运移理论；Miily等人[3-41对Philip的模型进行了改进，采用基质势梯度代替含水率梯度；Nassar等人【5卅在Philip模型的基础上，建立了水、热、盐三者耦合运移的模型。在中国，隋红建【71、康绍忠【8】、孙景生【91、郭庆荣【10】分别对不同覆盖条件下的田间水热运移进行了收稿口期：2010-01．14修订日期：2010-09-04基金项目；国家自然科学基金项目(50709045)；国家“十二五”科技支撑计划课题“节水灌

6、溉技术应用模式”作者简介：王建东(1978一)，男，湖南茶陵人，工程师，博士。主要从事节水灌溉技术及产品研究。北京中国水利水电科学研究院水利所，100048。F．mail：wangjd@iwhr．com数值模拟研究，实现不同覆盖层下非均质土壤水热分布的定量分析；胡和平111】、黄兴法【12】分析了冻结条件下非饱和土壤水、热、盐耦合的运动，建立了相应的数学模型；隋红建【7】将不I—J覆盖下田间水热动态的一维模型发展N--维水热迁移的数值模型，促进了中国土壤水热耦合运移研究的进一步深化。近年来，随着非饱和多孔介质中水和溶质运移模拟的近一步开展，国内外的研究机构陆续开发了一系列数学模型软件

7、，这些模型大都包含了水、溶质、热运移，目前在微灌(地面滴灌，地下滴灌，微喷灌)条件下水、热及溶质运移的数值模拟上应用最多的是HYDRUS模型，如Li等【131模拟了地表滴灌条件下的水、氮在土壤中的运移规律。综合分析来看，针对地表滴灌条件下的水热耦合迁移的模拟研究还是较少，本文利用HYDRUS一2D软件模拟地表滴灌条件下水热耦合迁移规律，并用田问实测数据进行对比验证，进而评价了采取数值模拟的手段描述和预测地表滴灌条件下水热耦合迁移分布规律的可靠性和准确性。研