斥水性土壤中水分运动规律的数值模拟

摘要

土壤斥水性（Soil water repellency，简称SWR）是一种广泛存在的土壤物理性质，对土壤水分运动产生较大影响。随着近年来数值模拟被广泛应用于土壤水分运动，研究斥水性土壤中水分运动的数值模拟对全面了解斥水性土壤中水分运动规律具有指导意义。 本文结合不同情况下的试验数据，结合HYDRUS-1D模型，确定其初始和边界条件，进行了均质和层状斥水性土壤入渗、蒸发及遮雨棚下斥水土壤中夏玉米生长过程中根系吸水规律的数值模拟。模型模拟的效果评价采用相关系数（R2）、相对均方根误差（RRMSE）和纳什效率系数（NSE）表达。对于室内入渗和蒸发试验，通过应用RETC软件对van-Genutchen土壤水分特征曲线进行土壤水力参数拟合，结合实测土壤水力参数残余含水率（θr）、饱和含水率（θs）和饱和导水率（Ks），对土壤水力参数α和n经过率定和验证，进而应用HYDRUS-1D模型对均质和层状斥水性土壤入渗、蒸发过程水分运动进行了模拟。遮雨棚下斥水土壤中夏玉米种植试验共5个处理（CK、WR1、WR2、WR3和WR4），斥水级别为亲水和轻微斥水，生育期内LAI与积温的关系通过高斯三参数方程进行拟合，根据LAI将Penman-Monteith计算的腾发量划分为蒸发量和蒸腾量。应用HYDRUS-1D根据实测的2016年含水率对土壤水力参数进行反算，得到Ks、α和n，结合实测的θr和θs，应用2017年的实测含水率数据进行参数的验证。最后对试验中较难直接观测的不同剖面的逐日含水率变化值以及根系吸水量进行了模拟。论文得出了以下主要结论： （1）应用HYDRUS-1D模拟亲水、轻微斥水和强度斥水级别的不同质地土壤水平吸渗和垂直入渗过程的水分运动过程模拟效果整体较好。对于亲水土壤，RRMSE、R2和NSE的变化范围分别为2.2%-16.6%、0.93-0.999和0.783-0.998；对于轻微斥水土壤，RRMSE、R2和NSE的变化范围分别为1.5%-11.7%、0.942-0.996和0.796-0.996；对于强斥水土壤，RRMSE、R2和NSE的变化范围分别为8.4%-21.1%、0.876-0.99和0.774-0.989。对于同一土壤，随着斥水性的增加，模拟的效果有所降低，但是整体模拟效果较好，肯定了HYDRUS-1D在斥水性土壤水分运动模拟中的适用性。积水高度分别为4cm、6cm、8cm和10cm条件下，强度斥水土壤的预测模拟结果清晰地揭示了累积入渗量、湿润锋和剖面含水率随入渗时间的变化规律，为进一步研究不同质地、不同斥水性土壤中水分运动以及溶质运移等提供依据。 （2）基于严谨的土壤水力参数率定和验证，应用HYDRUS-1D对层状斥水性土壤积水入渗过程中的土壤水分运动规律进行了数值模拟。层状土壤分别为亲水、轻微斥水、强度斥水和严重斥水塿土以及亲水砂土，有塿土夹砂土和砂土夹塿土两个层状土壤试验处理。亲水土壤的夹层位置分别为5cm、10cm和20cm，斥水性土壤的夹层位置均为5cm。对于塿夹砂情况，模拟的累积入渗量、湿润锋和剖面含水率的R2变化范围分别为0.912-0.999、0.951-0.999和0.940-0.993；对于砂夹塿情况，累积入渗量、湿润锋和剖面含水率的实测值与模拟值R2变化范围分别为0.957-0.999、0.976-0.999和0.952-0.999。对于斥水性塿土夹砂土以及砂土夹塿土中夹层位置为10和20cm的情景，进行水分入渗过程的预测。不同斥水级别层状土壤水分运动过程的模拟结果显示，斥水性夹层土壤滞水造成水分回填从而降低水分入渗速率，很大程度影响水分运动过程，尤其是对塿土夹砂土情景，当夹层位置为10cm时，土壤斥水性对水分运动过程的影响最为显著。对于砂土夹亲水塿土处理，夹层位置为10cm对水分运动影响最大；对于砂土夹斥水（轻微、强度和严重斥水）塿土，夹层位置为5cm对水分运动影响最大。土壤斥水性对水分运动的影响比夹层位置更为明显，尤其是砂土夹塿土情景的试验处理，当夹层塿土的斥水性由亲水增加到严重斥水，各个处理上层和夹层的水分变化不大，但是下层土壤的含水率显著降低。综上，HYDRUS-1D为研究斥水性层状土壤水分运动规律提供了有力的帮助。 （3）对均质斥水性塿土、砂土和盐碱土蒸发过程中的水分运动过程进行了模拟，斥水级别分别为亲水、轻微斥水和强度斥水。对于塿土和盐碱土，累积蒸发量随着斥水级别的增加呈现明显减小的规律，砂土无明显规律。R2、RRMSE和NSE值一致表明均质斥水性土壤蒸发率的模拟效果与累积蒸发量和含水率的模拟效果相比稍差。层状斥水性土壤蒸发试验处理与层状斥水性土壤入渗试验处理相同。对于亲水性层状土蒸发试验，累积蒸发量随着夹层位置的增加呈现显著上升的趋势。不同斥水级别的塿土夹砂土的累积蒸发量随斥水级别的增加呈现下降的趋势。塿土夹砂土的试验处理中，蒸发率的模拟效果较好。对于亲水性砂土夹塿土，累积蒸发量随着夹层位置的增加而增加，但是在砂土夹斥水性塿土试验中，累积蒸发量无明显规律，模拟效果较其他蒸发试验的稍差。通常HYDRUS-1D在斥水性土壤蒸发过程水分运动规律的模拟中具有一定的适用性。 （4）遮雨棚下斥水性土壤中夏玉米生长情况下，在参数验证阶段，模拟5个试验处理含水率的R2大于0.91，RRMSE小于19.4%，NSE大于0.95。对于2016年试验，模拟CK、WR1、WR2、WR3和WR4试验处理的蒸散量（ETa）的R2分别是0.82、0.86、0.87、0.74和0.73；对于2017年试验，CK、WR1、WR2、WR3和WR4试验处理的ETa的R2分别是0.81、0.74、0.71、0.72和0.66，土壤表层0.5cm处逐日含水率的模拟R2大于0.65。因此，HYDRUS-1D的模拟效果整体较好。两年度5个试验处理的根系吸水模拟结果表明，逐日根系吸水在生长旺盛时期即播后50天左右达到峰值，尤其是2016年。根系吸水用来维持夏玉米生长，斥水性土壤中的根系吸水值要比亲水土壤中小。随着初始WDPT值的增加，根系吸水呈现明显下降的趋势。较弱的根系吸水对夏玉米的长势以及产量产生较大的影响，两年度4个斥水土壤处理的根系吸水较弱，土壤蒸发较强，夏玉米可吸收的土壤水分很少，因此斥水土壤中夏玉米的生长受到抑制。

目录

论文说明

声明

第一章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 土壤斥水性的成因和表征指标

1.2.2斥水土壤中的水分运动规律

1.2.3 HYDRUS模拟土壤水分运动的研究进展

1.2.4 斥水性土壤水分运动数值模拟的研究进展

1.2.5目前研究中存在的问题

1.3 研究思路

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3技术路线

1.4 小结

第二章 均质斥水性土壤水分入渗数值模拟

2.1 材料与方法

2.1.1 试验亲水土样

2.1.2 试验斥水土样

2.1.3 试验设置

2.1.4 模型描述和参数确定

2.2 结果与分析

2.2.1 土壤水力参数率定

2.2.2 土壤水力参数验证

2.2.3 强度斥水土壤垂直入渗模拟

2.3 讨论

2.4 小结

第三章 层状斥水性土壤水分运动模拟

3.1 材料与方法

3.1.1 积水入渗试验

3.1.2 层状土壤入渗模拟理论

3.1.3 土壤水力参数确定

3.2 结果与分析

3.2.1率定参数模拟效果评价

3.2.2验证参数模拟效果评价

3.2.3 预测模拟

3.3 小结

第四章 斥水性土壤蒸发过程的模拟

4.1 材料与方法

4.1.1蒸发试验土样

4.1.2 蒸发试验处理

4.1.3 HYDRUS-1D模拟蒸发理论

4.2 结果与分析

4.2.1 均质斥水性土壤蒸发模拟

4.2.3 层状斥水性土壤蒸发模拟

4.3 小结

第五章 斥水性土壤夏玉米根系吸水的模拟

5.1 材料与方法

5.1.1斥水性土壤中夏玉米种植试验

5.1.2 HYDRUS-1D模型模拟理论

5.1.3 土壤水力参数反算、验证及模拟

5.2 结果与分析

5.2.1 LAI拟合结果

5.2.2 逐日ETP、Ep 和Tp

5.2.3 土壤水力参数反算

5.2.4 土壤水力参数验证

5.2.5 10-40cm深度逐日θv模拟

5.2.6 逐日Ea计算

5.2.7 逐日和累积根系吸水模拟

5.3 讨论

5.4 小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

个人简历