土壤水动力学模型及在SPAC系统建模中的应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 我国水资源现状和节水农业 1

1.1.2 我国农业环境污染现状 4

1.2 研究历史与现状 8

1.2.1 土壤水动力学模型研究 8

1.2.2 污染物迁移动力学研究 10

1.2.3 植物根系模型研究 11

1.2.4 农田水利模型研究 12

1.2.5 基于模型的水肥优化管理研究 14

1.2.6 基于模型的氮污染风险评价技术研究 14

1.2.7 土壤水动力学及污染物运移模拟数值方法研究 15

第2章 土壤水动力学基本理论 17

2.1 土壤水动力学概述 17

2.2 土壤—植物—大气连续体基本概念 17

2.3 土壤水动力参数 18

2.3.1 土壤水势 18

2.3.2 土壤水分特征曲线 19

2.3.3 土壤水分运动参数 21

2.4 土壤物理常数 23

2.5 直角坐标系土壤水分运动基本方程 24

2.6 直角坐标系一维土壤水分运动方程的不同形式 25

2.7 直角坐标系一维土壤水分运动方程的定解条件 25

2.8 蒸发和入渗边界条件的基本理论 26

2.9 根系吸水模型 28

2.10 土壤质地 29

2.10.1 土壤质地分类 29

2.10.2 土壤质地对土壤生产性能的影响 32

第3章 裸地条件下蒸发模型理论 34

3.1 引言 34

3.2 表土蒸发模型理论 34

3.2.1 形成干土层前的表土蒸发过程 35

3.2.2 土壤水非稳定蒸发的解析解 36

3.2.3 形成干土层后的表土蒸发过程 37

3.2.4 现阶段表土蒸发模型 39

3.3 潜水蒸发模型理论 40

3.3.1 一维均质土潜水蒸发时的土壤水稳定运动 40

3.3.2 一维均质土潜水蒸发时，最大潜水蒸发强度的统一计算式 42

3.3.3 一维均质土潜水稳定蒸发的求解 43

3.3.4 一维非均质土潜水蒸发时土壤水稳定运动 44

3.3.5 潜水蒸发的经验公式 45

3.4 本章小结 46

第4章 裸地条件下入渗模型理论及应用研究 47

4.1 引言 47

4.2 裸地条件下入渗模型理论 47

4.2.1 经验性入渗模型 47

4.2.2 机理性入渗模型 49

4.2.3 入渗过程的非均匀流研究 53

4.3 入渗模型数值试验研究 53

4.3.1 分层土体入渗响应数值试验研究 53

4.3.2 积水条件下入渗响应数值试验研究 58

4.4 本章小结 63

第5章 土壤—植物—大气系统土壤水动力学有限元模型 64

5.1 引言 64

5.2 基于SWMS_2D模型的有限元基本理论 64

5.2.1 二维土壤水分运动方程 64

5.2.2 初始条件和边界条件 65

5.2.3 有限元数值解法 65

5.2.4 SWMS_2D模型程序组成 67

5.3 基于动态根系生长的土壤水动力学有限元模型 70

5.4 实例验证 71

5.4.1 实例说明 71

5.4.2 模型验证 73

5.5 本章小结 77

第6章 裸地条件下土壤水动力学IRE模型 78

6.1 引言 78

6.2 裸地条件下的IRE方法基本原理 78

6.3 裸地条件下改进的IRE土壤水动力学模型 82

6.4 实例验证 82

6.4.1 实例一 82

6.4.2 实例二 86

6.4.3 结论 89

6.5 FEM与IRE的土体蒸发响应模拟研究 89

6.5.1 实例介绍 89

6.5.2 分项结果 90

6.5.3 综合结果 96

6.5.4 结论 98

6.6 本章小结 99

第7章 土壤—植物—大气系统水肥优化使用决策支持系统 100

7.1 引言 100

7.2 EU-ROTATE_N决策支持系统 101

7.2.1 模型和架构 101

7.2.2 水模块基本理论 105

7.3 N_ABLE动力学模型 111

7.3.1 作物需求量计算模块 111

7.3.2 根生长与分布模块 112

7.3.3 作物氮吸收模块 113

7.3.4 N_ABLE模型计算流程图 114

7.4 Daisy模型 115

7.5 NPK综合动力学模型 117

7.5.1 磷动力学模型 118

7.5.2 钾动力学模型 118

7.6 本章小结 119

第8章 EU-ROTATE_N决策支持系统的发展和实例验证 120

8.1 引言 120

8.2 EU-ROTATE_N决策支持系统水模块的改进 120

8.2.1 实际入渗量或蒸发量计算 121

8.2.2 实际蒸腾量计算 121

8.2.3 IRE方法 122

8.3 实例验证 122

8.3.1 实例说明 122

8.3.2 模型验证 124

8.4 SMCR_N模型 129

8.5 实例验证 130

8.5.1 实验介绍 130

8.5.2 输入数据 130

8.5.3 结果及讨论 133

8.6 本章小结 139

参考文献 140

图1.1 农业活动中氮污染过程示意图 5

图2.1 欧洲范围内粗砂（a）和细砂（b）的代表性土壤水分特征曲线 22

图2.2 欧洲范围内粗砂（a）和细砂（b）的导水率含水率和扩散系数含水率关系曲线 23

图2.3 降雨或灌溉时入渗率随时间关系曲线 27

图2.4 降雨或灌溉时含水率的分布和分区的示意图 27

图2.5 根系吸水率土壤负压响应函数示意图 29

图2.6 美国制土壤质地分类 31

图3.1 砂壤土土柱蒸发试验中蒸发系数与干土层厚度关系曲线 38

图3.2 砂壤土土柱蒸发试验中干土层厚度随时间变化过程 38

图3.3 地下水埋深一定时，不同蒸发强度下的土壤负压分布 43

图3.4 地下水埋深一定时，入渗和蒸发条件下，土壤剖面上含水率分布 44

图4.1 Green Ampt入渗模型示意图 50

图4.2 改进的Green Ampt模型示意图 51

图4.3 数值实验土体的初始含水率 54

图4.4 累积入渗量随时间变化图 55

图1.5 径流量随时间变化图 55

图4.6 湿润锋位置随时间变化图 56

图4.7 实际入渗速率随时间变化图 56

图4.8 设计工况下H随时间变化曲线图 59

图4.9 壤砂土入渗响应模拟结果 60

图4.10 砂壤土入渗响应模拟结果 60

图4.11 壤土入渗响应模拟结果 61

图4.12 粘土入渗响应模拟结果 61

图5.1 荷兰Bouwing试验农场1984年天气数据图 72

图5.2 Bouwing实验农场的0～40cm和40～100cm的土壤含水率与lg|h|的实验点及模拟曲线 72

图5.3 实例中10个时段有限元方法模拟结果与实验数据在含水率分布上的数据对比 75

图5.4 实例中三个不同阶段标准化的根长密度实验点与模拟结果的对比图 75

图5.5 实例中模拟的实际蒸发量与蒸腾量随时间变化曲线图 76

图6.1 裸地条件下改进的IRE土壤水动力学模型示意图 80

图6.2 实例1中不同计算方法壤砂土和粘壤土的实际入渗速率 84

图6.3 实例1中不同计算方法壤砂土和粘壤土的实际累积入渗量 85

图6.4 实例1中不同计算方法壤砂土和粘壤土不同深度处含水率对比图 86

图6.5 实例2不同计算方法得到的蒸发速率对比图（a）粗砂（b）细砂 88

图6.6 设计算例下不同计算方法模拟上层土—粗土含水率分布图 91

图6.7 设计算例下不同计算方法模拟上层土—粗土每日蒸发量和累积蒸发量 91

图6.8 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等土含水率分布图 92

图6.9 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等土每日蒸发量和累积蒸发量 93

图6.10 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等细土含水率分布图 93

图6.11 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等细土每日蒸发量和累积蒸发量 94

图6.12 设计算例下不同计算方法模拟上层土—细土含水率分布图 94

图6.13 设计算例下不同计算方法模拟上层土—细土每日蒸发量和累积蒸发量 95

图6.14 设计算例下不同计算方法模拟上层土 极细土含水率分布图 95

图6.15 设计算例下不同计算方法模拟上层土—极细土每日蒸发量和累积蒸发量 96

图6.16 FEM方法模拟100天后5种土体的累积蒸发量 96

图6.17 FEM方法模拟100天后5种土体总含水量变化量 97

图6.18 FEM方法模拟100天后5种土体总含水量变化率 97

图6.19 FEM方法模拟的5种土体总水量随时间变化图 98

图6.20 IRE方法模拟的5种土体总水量随时间变化图 98

图7.1 EU-ROTATE_N模型流程图（主要模块） 102

图7.2 EU-ROTATE_N模型水模块流程图 106

图7.3 NRCS径流量计算模型流程图 109

图7.4 N_ABLE模型计算流程图 114

图7.5 Daisy模型组成示意图 116

图7.6 Daisy模型中碳流（二氧化碳）示意图 116

图7.7 NPK综合动力学模型流程图 117

图8.1 荷兰PAGV试验农场1984年天气数据图 123

图8.2 PAGV实验农场的0～25cm,25～40cm和40～100cm土壤含水率与lg|h|的实验点及模拟曲线 124

图8.3 实例中六个不同深度处模拟结果与实验数据在含水率上的数据对比 126

图8.4 实例中土壤含水率实测值与模拟值对比图 126

图8.5 实例中三个不同阶段标准化的根长密度实验点与模拟结果的对比图 127

图8.6 实例中作物干重模拟值与实测值对比图 128

图8.7 实例中含氮量模拟结果 128

图8.8 华威大学国际园艺研究所1970年天气数据图 131

图8.9 华威大学国际园艺研究所1971年天气数据图 131

图8.10 华威大学国际园艺研究所1972年天气数据图 132

图8.11 华威大学国际园艺研究所1973年天气数据图 132

图8.12 华威大学国际园艺研究所1974年天气数据图 132

图8.13 华威大学国际园艺研究所1975年天气数据图 133

图8.14 蚕豆—1972在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 133

图8.15 胡萝卜—1970在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 134

图8.16 韭—1971在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 134

图8.17 洋葱—1973在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 134

图8.18 豌豆—1971在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 135

图8.19 土豆—1972在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 135

图8.20 萝卜—1971在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 135

图8.21 糖用甜菜-1974在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 136

图8.22 夏季白菜—1970在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 136

图8.23 芜菁—1972在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2） 136

图8.24 作物（除须根）含氮率（％）模拟值与实测值对比图 136

图8.25 作物干重模拟值与实测值对比图 138

图8.26 不同作物上部（除须根外）含氮率（％）的关系图 138

表1.1 2007年中国各水资源一级区水资源量（亿立方米） 2

表1.2 2007年中国各水资源一级区用水量（亿立方米） 2

表1.3 2008年中国各水资源一级区水资源量（亿立方米） 3

表1.4 2008年中国各水资源一级区用水量（亿立方米） 3

表1.5 2008年中国七大水系水质类别及主要污染指标 6

表1.6 2009年中国七大水系水质类别及主要污染指标 6

表1.7 2010年中国七大水系水质类别及主要污染指标 6

表1.8 2010年重点湖库水质类别 7

表1.9 2010年重点大型淡水湖泊水质状况 7

表1.10 2010年城市内湖水质评价结果 7

表1.11 2010年大型水库水质评价结果 7

表2.1 常用的土壤水分特征曲线方程 20

表2.2 各种土壤的滞后影响统计表 21

表2.3 国际制土壤质地分类 30

表2.4 卡庆斯基制土壤质地分类（简明方案） 31

表2.5 中国土壤质地分类标准 32

表2.6 不同质地的七壤平均有效水容量 33

表4.1 数值实验5组土体的水力特征参数 54

表4.2 数值实验5组土体的入渗速率 57

表4.3 土体的水力特征参数和初始含水率 58

表4.4 设计工况的参数值 58

表4.5 Parlange模型参数计算值 59

表4.6 模拟结束时土体在设计工况下湿润锋位置 62

表5.1 SWMS_2D模型程序组成 67

表5.2 源文件INPUT2.FOR不同子程序所对应读入的输入文件和输入块 68

表5.3 源文件OUTPUT2.FOR中不同子程序所对应的输出文件 69

表5.4 四种作物的Lnrd（Zr）的拟合参数 71

表5.5 Bouwing实验农场基本数据 71

表5.6 Bouwing实验农场的土壤水力参数值 73

表6.1 不同土层区间的平均土壤水模拟值与有限元结果的相对百分比误差 81

表6.2 模拟结束时刻模拟土体水量平衡表 81

表6.3 实例1的土壤参数 83

表6.4 Yanful和Choo使用土壤水分特性曲线获得粗砂的相关参数 87

表6.5 Yanful和Choo使用土壤水分特性曲线获得细砂的相关参数 87

表6.6 实例2中土体性质及参数 87

表6.7 实例2两种计算模型得到的平均蒸发速率及累积蒸发量 89

表6.8 算例中5种土的初始含水率 90

表6.9 欧洲典型土的物理定义 90

表6.10 欧洲地区常见5种典型土的水力参数 90

表6.11 100cm的研究土体上层土—粗土总含水量（cm）随时间变化表 91

表6.12 100cm的研究土体上层土—中等土总含水量（cm）随时间变化表 92

表6.13 100cm的研究土体上层土—中等细土总含水量（cm）随时间变化表 93

表6.14 100cm的研究土体上层土细土总含水量（cm）随时间变化表 94

表6.1 5 100cm的研究土体上层土——极细土总含水量（cm）随时间变化表 95

表7.1 不同水文土壤类别的饱和导水率的范围值 110

表7.2 不同条件下二类径流量曲线值CN2 110

表8.1 PAGV实验农场基本数据 122

表8.2 实例中不同时期0～100cm土层中含氮率实测值 123

表8.3 实例中水位变化表 123

表8.4 PAGV实验农场的土壤水力参数值 124

表8.5 1970—1975年实验详细信息 130