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基于SPAC系统的土壤水动力学模型研究

2020-12-07阅读(538)

基于SPAC系统的土壤水动力学模型研究

论文摘要

开展对土壤-作物-大气系统（简称SPAC系统）土壤水动力学和水肥优化使用决策支持系统的研究,可以提高水资源尤其是农业用水效率,降低农作物成本,提高农药和化肥的利用率,有效地缓解过量农药和化肥进入地表或地下水体导致的环境污染问题。本文采取了理论分析、数值模拟和算例验证相结合的方法对以下几个问题进行研究和探讨。1.通过引入生长折减系数等理论,完善了过量施肥导致土壤中过量氮存在、产生的负渗透压抑制作物生长的理论,进一步发展了EU-ROTATEN模型。实例验证表明:新研发的模块相对较合理,能够对多种作物在施肥条件下作物干重和作物上部（除须根）的含氮量进行一定的模拟,并能有效地反映过量施肥导致土壤负渗透压的影响效果。2.通过引入相关的根系生长动力学模型、根长密度分布函数以及蒸发和蒸腾计算模型等理论,与二维有限元程序SWMS2D相耦合,发展了模拟SPAC系统的土壤水动力学有限元模型。实例验证表明:降雨对土层含水率分布的影响随着深度的增加而减小;蒸腾量和蒸发量的模拟结果较为可靠;根长密度分布具有一定的阶段性。3.通过改进上下边界条件,发展了裸地条件下土壤水动力学IRE模型（即积分型的Richards方程解法）。降雨数值试验结果表明:新模型的模拟结果介于FEM和Green Ampt模型模拟结果之间,更符合实际情况;蒸发试验结果表明:模拟结果与实验数据基本吻合,克服了FEM模型不稳定等不足;现场试验结果表明:累积入渗量、累积蒸发量和下边界累积排水量的模拟结果与FEM模拟结果基本吻合;土壤含水率分布接近FEM的计算结果和实验数据,其主要差别出现在顶层6cm的土体内。4.由于外界条件的复杂性和土体性质的多样性,土体在一定外界条件下的响应问题难以得到定量化描述。通过对欧洲5种典型土体进行100天的蒸发数值试验,在含水率分布和蒸发总量等数据上进行对比,探讨了欧洲5种典型土体的响应规律,为实际应用提供了一定的参考价值。5.针对EU-ROTATEN模型中以CASCADE方法为核心的水模块参数难确定,预测结果不够准确等问题,通过引入裸地条件下改进的IRE模型,与现有的EU-ROTATEN模型进行耦合,发展了有植被条件下土壤水动力学IRE模型,进一步发展了EU-ROTATEN决策支持系统,实例验证表明:不同深度处土壤含水率随时间的变化与试验数据基本吻合,根长及根长密度模拟结果与实验值吻合,蒸腾量和蒸发量的模拟结果较为可靠,土壤中含氮量模拟结果较吻合。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 图目录
  • 表目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景与意义
  • 1.1.1 我国水资源现状和节水农业
  • 1.1.2 我国农业环境污染现状
  • 1.1.3 本课题的研究意义
  • 1.2 研究历史与现状
  • 1.2.1 土壤水动力学模型
  • 1.2.2 数值方法
  • 1.3 研究内容与方法
  • 1.3.1 研究内容
  • 1.3.2 研究方法
  • 第2章 土壤水动力学及水肥优化使用决策支持系统理论
  • 2.1 引言
  • 2.2 土壤水动力学理论
  • 2.2.1 土壤水动力学概述
  • 2.2.2 土壤水势、水分特征曲线及水分运动参数
  • 2.2.3 直角坐标系土壤水分运动基本方程
  • 2.2.4 一维土壤水分运动方程的不同形式
  • 2.2.5 直角坐标系下一维土壤水分运动方程的定解条件
  • 2.2.6 蒸发边界条件水流通量求解方法
  • 2.2.7 降雨或灌溉边界条件水流通量求解方法
  • 2.2.8 根系吸水模型
  • 2.3 水肥优化使用决策支持系统基本理论
  • N决策支持系统概述'>2.3.1 EU-ROTATEN决策支持系统概述
  • N决策支持系统水模块基本理论'>2.3.2 EU-ROTATEN决策支持系统水模块基本理论
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 土壤-作物-大气系统水肥优化使用决策支持系统
  • 3.1 引言
  • ABLE动力学模型'>3.2 NABLE动力学模型
  • 3.2.1 作物需求量计算模块
  • 3.2.2 根生长与分布模块
  • 3.2.3 作物氮吸收模块
  • ABLE模型计算流程图'>3.2.4 NABLE模型计算流程图
  • 3.3 NPK综合动力学模型
  • 3.3.1 磷动力学模型
  • 3.3.2 钾动力学模型
  • N模型'>3.4 EU-ROTATEN模型
  • N新发展的模块'>3.4.1 EU-ROTATEN新发展的模块
  • 3.4.2 实例验证
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 土壤-作物-大气系统土壤水动力学有限元模型
  • 4.1 引言
  • 4.2 有限元基本理论
  • 4.2.1 二维土壤水分运动方程
  • 4.2.2 初始条件和边界条件
  • 4.2.3 有限元数值解法
  • 4.3 基于动态根系生长的土壤水动力学有限元模型
  • 4.4 实例验证
  • 4.4.1 实例一
  • 4.4.2 实例二
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 土壤-作物-大气系统土壤水动力学IRE模型
  • 5.1 引言
  • 5.2 裸地条件下的IRE方法基本原理
  • 5.3 裸地条件下改进的IRE土壤水动力学模型
  • 5.4 实例验证
  • 5.4.1 实例一
  • 5.4.2 实例二
  • 5.4.3 实例三
  • 5.4.4 结论
  • 5.5 有限元与IRE模型的土体响应对比研究
  • 5.5.1 研究内容
  • 5.5.2 分项结果
  • 5.5.3 综合结果
  • 5.5.4 结论
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 基于IRE模型的水肥优化使用决策支持系统
  • 6.1 引言
  • 6.2 基于IRE模型的水肥优化使用决策支持系统的改进
  • 6.2.1 实际入渗量或蒸发量计算
  • 6.2.2 实际蒸腾量计算
  • 6.2.3 IRE方法计算水土运动
  • 6.3 实例验证
  • 6.3.1 实例一
  • 6.3.2 实例二
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 结论与展望
  • 7.1 结论
  • 7.2 展望
  • 参考文献
  • 发表（录用）的学术论文目录
  • 个人简历

    • 相关论文文献

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