蓄水坑灌条件下果园冻融期土壤水热耦合模拟研究

摘要

冬季对果树进行灌水，可对土壤起到蓄水保墒的作用，其有利于冻结的土壤水分融化并入渗，增加了土体中的水分，可为果树在春季发芽和生长提供较好的水分。蓄水坑灌由于蓄水坑的存在，增加了土壤与空气的接触界面，不仅改变了果园土壤水分的分布规律，也改变了果园根区土壤温度的分布，特别是在冬季实施冬灌，相比较与其它灌水方式，蓄水坑灌果园冬季土壤冻融过程与水热演进过程也必然有所不同。本文在田间试验的基础上，分析了蓄水坑灌果园越冬期土壤水热变化的规律，利用BP神经网络模型对越冬期内的蓄水坑灌果园土壤温度分布进行预测，并利用COMSOL Multiphysics 软件对冻融条件下蓄水坑灌果园土壤水热耦合演进过程进行定量模拟研究，取得的主要成果如下： 1. 冬灌前，在同一土层深度处，蓄水坑灌土壤温度要低于地面灌溉的土壤温度。冬灌后，灌水量为180L/株的蓄水坑灌与地面灌溉相比，在同一土层深度，蓄水坑灌冬季土壤温度整体上低于地面灌溉；不同土层深度处，蓄水坑灌与地面灌溉的冬季土壤温度分布规律一致，均表现为，随着土壤深度的增加，土壤温度不断升高；两种灌溉方式的土壤温度在冻融期随着时间的变化均表现为先降低后增加的趋势，且蓄水坑灌最低温度的出现日期较地面灌溉相比，具有滞后性。冬灌灌水量为60L/株、180L/株和300L/株的蓄水坑灌土壤温度随着灌水量的增加，在同一土层深度处表现为逐渐升高的趋势。在土层深度0-40cm处，随着灌水量的增加，土壤温度变化比较明显，40cm以下的土层深度，随着灌水量的增加，土壤温度变化不大。 2. 冻结期内，灌水量为 0L/株的蓄水坑灌土壤含水率在中深层80-100cm处较大；灌水量为60L/株、180L/株和300L/株的蓄水坑灌，土壤含水量均表现为在0-100cm处比较高；不同灌水量的土壤含水率随着土层深度的增加整体上（除表层 20cm）均表现为先升高后降低，在土层 80cm处达到最大值。当土壤进入融化期后，不同灌水量的土壤含水率与冻结期内土壤含水率相比，在土层0-40cm处均出现较大的减小趋势，融化后的土壤含水率除在0-40cm土层深度处有较大变化外，40cm以下土层深度的土壤含水率均比冻结期提高较多。 3. 根据2015年和2016年两年的蓄水坑灌果园在越冬期内的土壤温度实时监测资料，建立了以距蓄水坑壁5cm处的分层土壤最低温度、坑内平均温度、地表温度和沿坑壁的径向距离为输入，以距蓄水坑壁15cm、25cm和 35cm 处分层土壤最低温度为输出，拓扑关系为 11-13-8的BP-WSPI-T模型。在对距坑壁 15cm、25cm 和 35cm 处土壤最低温度进行预测时，BP-WSPI-T 模型的平均相对误差分别为 8.7%、9.4%和 7.3%；对土壤温度空间二维分布进行预测时，模型平均相对误差为8.5%，模型误差较小，因此，本文建立的BP-WSPI-T模型可较好的模拟蓄水坑灌果园越冬期土壤温度分布的动态变化，可为蓄水坑灌果园越冬期土壤温度预测提供定量分析工具。 4. 根据土壤水热耦合原理，建立了蓄水坑灌条件下果园冻融期土壤水热耦合模型。通过对冻融条件下土壤水热耦合运移方程、初始及边界条件、模型所需水热参数进行确定，借助COMSOL Multiphysics软件实现了对蓄水坑灌条件下果园冻融期土壤水热耦合运移数值模拟。通过田间实测数据对模拟结果进行验证，结果表明，土壤温度模拟结果与实测结果的绝对误差在 0~1.5℃之内，土壤含水率模拟结果与实测结果的相对误差为 6.3%，误差较小。运用验证后的模型对灌水量为60L/株、180L/株和300L/株的蓄水坑灌越冬期土壤水热分布进行模拟，结果表明，不同灌水量的土壤总含水率随着土层深度的增加均表现为先增加后降低，到达土壤底部时，含水率又会有所升高；随着灌水量的增加，不同土层深度的土壤总含水率呈现增大的趋势；土壤冰含量主要出现在土层0-60cm处，且越靠近蓄水坑附近，冰含量也大。不同灌水量的土壤温度均表现为随着土层深度的增加而升高，0℃以下的土壤温度出现在土层0-60cm处，且越靠近地表和蓄水坑壁的土壤温度越低。土壤水热模拟结果均符合蓄水坑灌条件下果园冻融期土壤水热分布规律。因此，本文建立的蓄水坑灌条件下果园冻融期土壤水热耦合运移模型可以较好地预测冻融土壤温度分布及孔隙水的迁移、相变、冰含量的聚集规律，可为冻融条件下蓄水坑灌苹果园防冻及蓄水保墒提供服务。

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