蓄水单坑水肥灌施条件下水氮运移分布规律试验研究及数值模拟

论文摘要

蓄水坑灌法是针对我国北方山区果园的干旱和水土流失问题而提出的一种新的灌水方法。蓄水坑灌法的最大特点是将节水灌溉和水土保持有机结合在一起。该灌水方法的研究已实现了由室内到田间的飞跃,水分运动方面的研究已趋于成熟,但养分运移特性方面的研究尚未涉及。近年来,盲目施肥所造成的肥料浪费与环境污染问题日趋严重,因此开展该灌水方式下水氮运移分布规律的试验研究与数值模拟将对蓄水坑灌法的进一步发展有着重要的理论与实际意义。本文将试验研究与数值模拟相结合,进行了室内均质土壤蓄水单坑水肥灌施试验,研究了不同灌水量（6,8,10L）和不同肥液浓度（800,1700,2600mg/L）时水分与氮素的运移分布规律。建立了蓄水单坑二维水氮运移数学模型,运用时间分裂-有限体积法对模型进行了数值求解。主要研究结论如下:（1）蓄水单坑灌水后,最终湿润土体形状为以坑轴为中心的不规则椭球体。湿润锋径向垂向推进距离与时间呈显著的对数关系。灌水量增大,其径向垂向推进距离也增大,且径向推进距离始终大于垂向,故水分入渗以水平扩散为主。高含水率区域集中在30cm-70cm深度,随时间推移含水率峰值向深层移动。肥液浓度对含水率分布无明显影响,而灌水量的增大会使含水率峰值增大。（2）蓄水单坑条件下土壤硝态氮含量在径向逐渐增大,在湿润锋处（含水率低,基质吸力大）大量积累。垂向浓度较高的区域分布在中深层土壤（z=40cm-70cm）及湿润边界。灌水量过大时会发生淋溶现象;肥液浓度增大时,硝态氮垂向剖面浓度及其峰值均增大。硝态氮在土壤中的运移与水分保持一致,对流是其运移的主要动力。（3）土壤铵态氮含量的径向分布与硝态氮相反,它随径向距离的增大而逐渐减小但浓度高于本底值;在垂向,随深度的增加其含量分布比较均匀,蓄水坑底以下迅速减少。浓度较高区域分布在坑壁附近20cm范围内,但比硝态氮分布均匀。灌水量对铵态氮分布影响不大,而肥液浓度的增大会使其浓度增大。铵态氮的运移滞后于水分运动,扩散是其运移的主要动力。水氮分布特征表明,蓄水坑灌法具有保水保肥的优点。（4）模型模拟结果与试验结果对比分析表明,水分运动模拟精度较高,氮素的模拟与实测值基本吻合,认为所建立的数学模型可用于模拟蓄水坑灌条件下土壤水分与氮素的运移。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 蓄水坑灌法简介及研究进展
• 1.2.1 蓄水坑灌法技术组成
• 1.2.2 蓄水坑灌法节水机理与水土保持作用
• 1.2.3 蓄水坑灌法研究进展
• 1.3 国内外溶质运移研究综述
• 1.3.1 溶质运移理论的发展
• 1.3.2 溶质运移数值模拟研究概况
• 1.3.3 溶质运移模型的求解方法
• 1.4 国内外水氮运移研究概况
• 1.4.1 水氮运移的试验研究现状
• 1.4.2 水氮运移的数值模拟研究现状
• 1.4.3 存在的问题
• 1.5 本文主要研究内容与技术路线
• 1.5.1 主要内容与目的
• 1.5.2 研究方法与技术路线
• 第二章 蓄水坑灌水肥灌施室内试验设计
• 2.1 试验材料与方法
• 2.1.1 试验材料与装置
• 2.1.2 试验方案
• 2.1.3 试验步骤与观测方法
• 2.2 土壤基本参数的测定
• 2.2.1 土壤物理性质测定
• 2.2.2 土壤水分特征曲线
• 2.2.3 非饱和导水率与比水容量
• 第三章 蓄水单坑水肥灌施条件下水氮分布规律试验研究
• 3.1 蓄水单坑水肥灌施条件下水分运动规律试验研究
• 3.1.1 湿润锋动态
• 3.1.2 土壤含水率分布特征
• 3.1.3 小结
• 3.2 蓄水单坑水肥灌施条件下氮素分布规律试验研究
• 3.2.1 硝态氮分布规律
• 3.2.2 铵态氮分布规律
• 3.2.3 小结
• 第四章 蓄水单坑水肥灌施条件下水氮运移数值模拟
• 4.1 水分运动数学模型的建立
• 4.1.1 模型基本假定
• 4.1.2 控制方程
• 4.1.3 定解条件
• 4.1.4 蓄水坑内水位变化过程求解
• 4.2 水分运动数学模型的求解
• 4.2.1 计算区域时空离散
• 4.2.2 离散方程的建立
• 4.2.3 边界条件的处理
• 4.2.4 求解过程
• 4.3 氮素运移数学模型的建立
• 4.3.1 控制方程
• 4.3.2 定解条件
• 4.3.3 模型参数的确定
• 4.4 氮素运移数学模型的求解
• 4.4.1 计算区域时空离散与离散方程的建立
• 4.4.2 边界条件的处理
• 4.4.3 求解过程
• 第五章 试验结果与模拟结果对比分析
• 5.1 土壤水分运动模拟结果与试验结果对比
• 5.1.1 湿润锋推进距离对比
• 5.1.2 土壤含水率对比
• 5.2 土壤氮素运移分布模拟结果与试验结果对比
• 5.2.1 硝态氮分布对比
• 5.2.2 铵态氮分布对比
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论及建议
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的主要研究工作