蓄水坑灌果园土壤水分时空动态变化及数值模拟研究

摘要

近年来，随着社会的发展，水资源短缺问题已经成为制约我国经济发展的主要因素之一。而在我国传统的果林灌溉方法中，主要是将灌溉水直接由地表入渗到根区土壤，由于土壤水入渗能力的限制，对于根系分布较深的果树，水分将不能被充分利用。针对上述问题，在20世纪末，孙西欢教授提出了一种可以同时解决北方地区干旱和水土流失问题的新型果林灌溉方法“蓄水坑灌法”。蓄水坑灌法是一种中深层立体灌溉方法，具有节水、抗旱以及保水等优点。目前，对蓄水坑灌法已经进行了大量研究，在土壤水分入渗、蒸发、水氮运移以及数值模拟方面都取得了一定成果，但是针对田间土壤水分动态变化以及数值模拟方面还缺少系统的研究，因此研究田间土壤水分的时空动态分布以及数值模拟，可为蓄水坑灌在田间的推广应用奠定基础。
　　本文采用田间试验、数值模拟与理论分析相结合的方法，对不同坑深及不同灌水量条件下土壤贮水量的时空动态变化进行了研究，并与地面灌溉条件下土壤贮水量的时空动态变化进行了对比，得出如下结论:
　　(1)对不同坑深条件下土壤贮水量的时空动态研究表明:①在各土层范围内，两种坑深的土壤贮水量随时间变化的总体趋势一致，都呈现一定的波动性，在没有水分补给的情况下，土壤贮水量随时间推移减少;②不同坑深条件下土壤贮水量在不同时间上的垂向分布规律相似，均是随着深度的增加呈先增大后减少的趋势，但坑深越大，中深层的贮水量越大:③不同坑深条件下土壤贮水量在不同时间上的径向分布规律相似，均是以蓄水坑为中心向四周依此减小;④对不同坑深条件下土壤贮水量的垂向和径向分布规律进行回归分析，结果证明分布形式均与指数函数相符;⑤对不同坑深条件下土壤贮水量的垂向和径向分布特征进行变异性分析，可知坑深越大，中深层的变异系数越大，蓄水坑周围的变异系数也越大;
　　(2)对不同灌水量条件下土壤贮水量的时空动态研究显示:①在各土层范围内，三种灌水量的土壤贮水量随时间的变化均呈现相似的波动性，灌水量越大，在各个时期土壤贮水量也相应较大;②对不同灌水量条件下土壤贮水量在不同时间上的垂向分布进行对比分析，发现三种灌水量条件下土壤贮水量均是随着深度增加先增大后减小，且灌水量越大，在中深层土壤贮水量也越大;③对径向分布研究表明，三种灌水量在径向分布趋势相同，都是在蓄水坑较近径向处，土壤贮水量大;同时灌水量越大，径向上的土壤贮水量也越大;④对不同灌水量条件下土壤贮水量在不同时间上的垂向和径向分布规律进行回归分析，结果证明与所拟合的指数函数形式相符;⑤对不同灌水量条件下土壤贮水量垂向和径向的分布特征进行变异性分析，可知灌水量越大，中深层的变异系数越大，蓄水坑周围径向距离处的变异系数也越大;
　　(3)对蓄水坑灌与地面灌溉土壤贮水量时空动态变化进行对比分析发现:①两种灌溉方式在各土层深度范围内土壤贮水量均是随着时间呈现一定波动性，且表层土壤水分波动更加明显;②蓄水坑灌条件下，土壤贮水量在不同时期内的垂向分布均随深度的增加呈先增大后减小趋势，在径向上，蓄水坑附近的土壤贮水量较大;地面灌溉条件下，土壤贮水量在垂向上随着深度依次递减，在径向上，土壤贮水量无明显差异;③以80cm深度为界，80cm以上，地面灌溉土壤贮水量大于蓄水坑灌;80cm以下，则正好相反;④对不同时间上蓄水坑灌和地面灌溉土壤贮水量的垂向和径向变化规律进行回归分析，结果证明均符合所拟合的指数与对数函数以及常数形式;⑤对蓄水坑灌和地面灌溉土壤贮水量垂向和径向分布特征进行变异性分析，发现蓄水坑灌在表层和中深层变以及蓄水坑附近处变异系数较大，地面灌溉在地表变异系数较大，在中深层，蓄水坑灌变异系数比地面灌溉大。
　　(4)在分析蓄水坑灌土壤水分运移规律的基础上，建立了果园田间三维土壤水分运动的数学模型，并采用有限元法对模型求解;经实测数据验证，模拟值与实测值吻合程度较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 果林节水技术研究概述

1．2．1 果园节水灌水方法

1．2．2 果园节水输水技术

1．3 土壤水分研究进展

1．3．1 国外土壤水分研究进展

1．3．2 国内土壤水分研究进展

1．4 土壤水分动态的研究进展

1．4．1 土壤水分的时空动态研究进展

1．4．2 国外土壤水分动态数值模拟研究进展

1．4．3 国内土壤水分动态数值模拟研究进展

1．5 蓄水坑灌研究进展

1．6 论文主要研究内容与技术路线

1．6．1 主要研究内容

1．6．2 技术路线

第二章 试验设计与方法

2．1 试验区概况

2．2 试验设计

2．3 试验日程安排

2．4 测定项目与方法

2．5 数据处理与分析

第三章 蓄水坑灌条件下坑深对土壤贮水量时空动态变化的影响

3．1 不同坑深对土壤贮水量时间动态变化的影响

3．2 不同坑深对土壤贮水量空间动态变化的影响

3．2．1 不同坑深对土壤贮水量垂向动态变化的影响

3．2．2 不同坑深对土壤贮水量径向动态变化的影响

3．3 本章小结

第四章 蓄水坑灌条件下灌水量对土壤贮水量时空动态变化的影响

4．1 不同灌水量对土壤贮水量随时间动态变化的影响

4．2 不同灌水量对土壤贮水量空间动态变化的影响

4．2．1 不同灌水量对土壤贮水量垂向动态变化的影响

4．2．2 不同灌水量对土壤贮水量径向动态变化的影响

4．3 本章小结

第五章 蓄水坑灌与地面灌溉土壤贮水量时空动态变化的对比分析

5．1 蓄水坑灌与地面灌溉土壤贮水量随时间动态变化的对比分析

5．2 蓄水坑灌与地面灌溉土壤贮水量空间动态变化的对比分析

5．2．1 蓄水坑灌与地面灌溉土壤贮水量垂向动态变化对比分析

5．2．2 蓄水坑灌与地面灌溉土壤水分径向动态变化的对比分析

5．3 本章小结

第六章 蓄水坑灌果园田间三维土壤水分运动的数值模拟

6．1 土壤水分运动模型的构建

6．1．1 确定模拟区域

6．1．2 土壤水分运动模型的建立

6．2 模型的求解

6．2．1 初始条件

6．2．2 边界条件

6．2．3 模型的求解方程

6．3 模型验证

6．4 本章小结

第七章 结论与建议

7．1 主要结论

7．2 建议

参考文献

致谢

1、攻读硕士期间参加的科研项目

2、攻读硕士期间发表的论文