撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证.pdf

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1、第26卷第12期342010年12月农业工程学报TransactionsoftheCSAEV矾．26No．12Dec．2010撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证章少辉1，一，许迪L2，(1．中国水利水电科学研究院水利研究所，北京100048；李益农1,2白美健1，22．国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048)摘要：模拟撤施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程，构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流

2、速场和溶质浓度场，建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模犁，并利用典型畦灌施肥试验结果，检验该模型的模拟效果。结果表明，建立的模型不仅具自．在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力，还具备较佳的水量和溶质质量守恒性，从而为评价撤施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比，提供了实用的数值模拟工具。关键词：灌溉，溶质运移，流速，水流，模型，畦灌，撒施doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．12．006中图分类号：$275．3，S147．3文献标志码：

3、A文章编号：1002—6819(2010)-12—0034-06章少辉，许迪，李益农，等．撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证[J]．农业工程学报，2010，26(12)：34—39．ZhangShaohui．XuDi，LiYinong。eta1．One．dimensionalmodeldevelopmentandvalidationofsurfaceflowandsolutetransportforborderirrigationintraditionalsurfacefertilizerapplication[／]

4、．TransactionsoftheCSAE，2010，26(12)：34—39．(证Chinese枥thEnglishabmact)0引言传统的撤施肥料方式是利用施肥机械或人工将肥料直接均撒于田面，常与随后进行的耕作、灌溉等措施相结合，其特点是易于操作、乐为农民所采纳，但缺点为撒施的氮肥易产生挥发损失，灌溉水流推进的冲蚀作用往往会影响肥料的田间分布均匀性Ill。与之相比，将氮肥预先充分溶解并与灌溉水混合后实施液体施肥的畦灌施肥方式，不仅可有效提高化肥利用效率，还能尽量避免因氮肥流失挥发造成的农田水土环境污梨}31。为了更好地评价

5、畦灌液体施肥系统性能，有必要开展撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模拟，这将为对比2种施肥方式下的畦灌施肥系统性能差异提供合理的依据。在畦灌液体施肥过程中，常认为肥料溶液和灌溉水被充分混合，故假设地表水流速度场与溶质浓度场在沿畦长仟意垂向断面都呈均布状态【41，在利用全水动力学、零惯量等模型模拟地表水流运动过程基础上，采用守恒型对流．扩散方程描述地表溶质运移过犁3卅。而在撒施肥料畦灌过程中，随着灌溉水流向下游推进，地表肥料溶质处于不断被溶解、下渗、向上输运的状态，继续沿用溶质浓度沿畦长任意垂向断面均布状况的假定显然不再收稿口期

6、：20i0-03．15修订日期：2010-05．ol基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2006AAl00210)；国家自然科学摹金资助项目(50909100)；中国水利水电科学研究院科研专项资助项目(节集1038)作者简介：章少辉(1977一)，男，河北石家庄人，工程师，博七生，主要从事田问节水灌溉技术研究。北京中国水利水电科学研究院水利研究所．100048。Emaihzhangsh@iwhr．com合理。此时在模拟中不仅需要描述水流速度场与溶质浓度场沿畦长的运动变化，还应考虑两者沿畦长任意垂向断面的非均

7、布状态【5刊，但与之相关的研究成果却鲜见报道。本文在数值求解沿畦长任意垂向断面均布流速下的一维畦灌地表水流运动基础上，借助湍流理论中的垂向流速分布规律和二维不可压缩流体力学连续方程，构造沿畦长及任意垂向断面非均布流速场，基于考虑地表溶质沿畦长及任意垂向断面运移的对流一扩散方程描述溶质运移过程，构建撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型，利用畦灌施肥试验结果，检验该模型的模拟效果。1一维畦灌地表水流运动模型1．1沿畦长任意垂向断面流速均布状态下的一维畦灌地表水流运动模型1．1．1控制方程采用具有向量形式的守恒型Saint．Ven

8、ant方程，描述沿畦长任意垂向断面流速均布状态下的一维畦灌地表水流运动过程【7】一au+望：s(1)式中，t为畦灌时间坐标，S：工为沿畦长的水平距离坐标，m：U为畦灌流场因变量向量；，为畦灌流场物理通量；S为源项向量，其为地形向量Sl、糙率向量岛和