畦田施肥灌溉地表水流溶质运动理论与模拟

目录 序言 第1章 绪论 1 1.1 地面灌溉地表水流运动理论与模拟方法 2 1.2 地面施肥灌溉地表水流溶质运动理论与模拟方法 10 1.3 主要研究内容 14 参考文献 16 第2章 畦田施肥灌溉地表水流溶质运动理论与方法 21 2.1 地表水流溶质运动水动力学基础 22 2.2 地表水流溶质运动典型特征尺度及物理变量与控制方程表达式 33 2.3 地表水流运动控制方程 36 2.4 地表水流溶质运动控制方程 45 2.5 结论 52 参考文献 52 第3章 畦田施肥灌溉地表水流溶质运动模拟模型 55 3.1 地表水流运动模拟模型 56 3.2 地表水流溶质运动模拟模型 69 3.3 地表水流溶质运动耦合模拟模型 74 3.4 地表水流溶质运动物理过程数理需求 76 3.5 地表水流溶质运动模拟及耦合模拟模型确认与验证 82 3.6 结论 83 参考文献 84 第4章 畦田施肥灌溉地表水流溶质运动数值模拟方法 87 4.1 地表水流溶质运动控制及耦合方程数学类型分类 88 4.2 地表水流溶质运动控制及耦合方程空间与时间离散格式 94 4.3 地表水流溶质运动干湿边界条件空间与时间离散格式 123 4.4 地表水流溶质运动控制及耦合方程空间与时间离散方程求解方法 136 4.5 结论 140 参考文献 141 第5章 基于双曲-抛物型方程结构的全水动力学方程畦田灌溉地表水流运动模拟 143 5.1 基于双曲-抛物型方程结构的全水动力学方程畦田灌溉模型构建及数值模拟求解 144 5.2 基于双曲-抛物型方程结构的全水动力学方程畦田灌溉模型模拟效果评价方法 157 5.3 基于双曲-抛物型方程结构的全水动力学方程畦田灌溉模型确认与验证 161 5.4 结论 171 参考文献 172 第6章 考虑各向异性畦面糙率的全水动力学方程畦田灌溉地表水流运动模拟 174 6.1 考虑各向异性畦面糙率的全水动力学方程畦田灌溉模型构建及数值模拟求解 175 6.2 考虑各向异性畦面糙率的全水动力学方程畦田灌溉模型模拟效果评价方法 185 6.3 考虑各向异性畦面糙率的全水动力学方程畦田灌溉模型确认与验证 188 6.4 考虑各向异性畦面糙率的全水动力学方程畦田灌溉模型应用 198 6.5 结论 215 参考文献 216 第7章 利用Richards方程估算入渗通量的全水动力学方程畦田灌溉地表水流运动模拟 218 7.1 利用Richards方程估算入渗通量的全水动力学方程畦田灌溉模型构建及数值模拟求解 220 7.2 利用Richards方程估算入渗通量的全水动力学方程畦田灌溉模型模拟效果评价方法 231 7.3 利用Richards方程估算入渗通量的全水动力学方程畦田灌溉模型确认与验证 232 7.4 利用 Richards公式估算入渗通量的全水动力学方程畦田灌溉模型应用 239 7.5 结论 244 参考文献 245 第8章 依据维度分裂主方向修正的全水动力学方程畦田灌溉地表水流运动模拟 247 8.1 依据维度分裂主方向修正的全水动力学方程畦田灌溉模型构建及数值模拟求解 248 8.2 依据维度分裂主方向修正的全水动力学方程畦田灌溉模型模拟效果评价方法 258 8.3 依据维度分裂主方向修正的全水动力学方程畦田灌溉模型确认与验证 259 8.4 结论 265 参考文献 265 第9章 畦田施肥灌溉试验与方法 267 9.1 施肥灌溉方式 268 9.2 畦田施肥灌溉试验区 276 9.3 畦田施肥灌溉试验 277 9.4 畦田施肥灌溉试验观测与测试方法 285 9.5 畦田施肥灌溉试验数据统计分析方法 291 9.6 结论 293 参考文献 293 第10章 畦田液施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模拟 295 10.1 畦田液施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型构建及数值模拟求解 296 10.2 畦田液施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型模拟效果评价方法 304 10.3 畦田液施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型确认与验证 306 10.4 结论 313 参考文献 313 第11章 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模拟 315 11.1 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型构建及数值模拟求解 316 11.2 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型模拟效果评价方法 329 11.3 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶质运动全耦合模型确认与验证 330 11.4 结论 339 参考文献 340 第12章 冬小麦畦田施用尿素肥料灌溉特性与性能评价 342 12.1 施肥灌溉性能评价指标 343 12.2 畦田均匀撒施尿素灌溉 346 12.3 畦田液施尿素灌溉 354 12.4 结论 369 参考文献 370 第13章 冬小麦畦田施用硫酸铵肥料灌溉特性与性能评价 371 13.1 施肥灌溉性能评价指标 372 13.2 畦田均匀撒施和液施硫酸铵灌溉 375 13.3 畦田非均匀撒施硫酸铵灌溉 389 13.4 结论 395 参考文献 395 第14章 畦田液施肥料灌溉性能模拟评价与技术要素优化组合 397 14.1 畦田液施肥料灌溉数值模拟实验设计 398 14.2 畦田液施肥料灌溉模型参数及模拟条件确定 399 14.3 畦田液施肥料灌溉施肥性能评价指标 399 14.4 畦田液施肥料灌溉技术要素对施肥性能影响模拟评价 400 14.5 畦田液施肥料灌溉技术要素优化组合分析 407 14.6 结论 421 参考文献 422 第15章 畦田撒施肥料灌溉性能模拟评价与技术要素优化组合 423 15.1 畦田撒施肥料灌溉数值模拟实验设计 424 15.2 畦田撒施肥料灌溉模型参数及模拟条件确定 424 15.3 畦田撒施肥料灌溉施肥性能评价指标 425 15.4 畦田撒施肥料灌溉技术要素对施肥性能影响模拟评价 425 15.5 畦田撒施肥料灌溉技术要素优化组合分析 432 15.6 结论 446 参考文献 447 Catalogue Preface Chapter 1 Introduction 1 1.1 Theory and simulation method on surface water flow in surface irrigation 2 1.2 Theory and simulation method on surface solute transport in surface fertilization irrigation 10 1.3 Main research contents 14 References 16 Chapter 2 Theory and method on surface water flow and solute transport in basin fertilization irrigation 21 2.1 Hydrodynamic basis of surface water flow and solute transport 22 2.2 Typical characteristic scales，physical variables and governing equation expressions 33 2.3 Governing equations of surface water flow 36 2.4 Governing equations of surface solute transport 45 2.5 Conclusions 52 References 52 Chapter 3 Mathematical model on surface water flow and solute transport in basin fertilization irrigation 55 3.1 Mathematical model of surface water flow 56 3.2 Mathematical model of surface solute transport 69 3.3 Coupled mathematical model of surface water flow and solute transport 74 3.4 Mathematical-physical requirements in physical process of surface water flow and solute transport 76 3.5 Verification and validation of mathematical and coupled mathematical models 82 3.6 Conclusions 83 References 84 Chapter 4 Numericalsolution on surface water flow and solute transport in basin fertilization irrigation 87 4.1 Classification of mathematical type of governing equations and their coupled expressions 88 4.2 Spatial-temporal discrete schemes of governing equations and their coupled expressions 94 4.3 Spatial-temporal discrete schemes of dry-wet boundary conditions 123 4.4 Solutions of spatial-temporal discrete schemes of governing equations and their coupled expressions 136 4.5 Conclusions 140 References 141 Chaper 5 Simulation on surface water flow in basin irrigation based on Fully Hydrodynamic Equation with hyperbolic-parabolic hybrid structure 143 5.1 Mathmatical model development and its numerical solution 144 5.2 Evaluation method of simulation performance 157 5.3 Verification and validation of the developed model 161 5.4 Conclusions 171 References 172 Chapter 6 Simulation on surface wa 文摘 第1章 Chapter 1 绪论 步入21世纪后，世界各国社会经济可持续发展强烈依赖于粮食安全和水安全，致大力发展灌溉农业的重要性与必要性日趋显现。当前全球农作物灌溉面积约占总耕地面积的20%，全球灌溉用水量约占总用水量的70%，其中约95% 的农作物灌溉面积使用地面灌溉技术与方法(Turral et al.，2010；UNESCO，2014)。伴随着地面灌溉技术与方法的普遍采用，近年来，地面施肥灌溉也得到实际应用(Kafkafi et al.，2011)。 地面施肥灌溉通常分为撒施肥料灌溉和液施肥料灌溉两种方式。前者是包括中国在内的发展中国家普遍使用的地面施肥灌溉方式，具有施肥灌水简便、无需专业设备投入等特点，但存在水肥施用过程可控性差、水肥分布均匀性较低等缺陷；后者则是施肥与灌溉结合的产物，将肥料预先溶解后形成的肥液随灌溉过程均速注入田间，借助施肥装置实现控制施肥时机及用量的目的，具备省时、省力、化肥利用率较高等特点(Boldt et al.，1994；Playan et al.，1997；Burguete et al.，2009)。 肥料在地面施肥灌溉过程中伴随着地表水流作溶质迁移对流-扩散运动，肥料溶质沿畦(沟)长度的均匀分布状况主要取决于灌溉水分分布均匀性和施肥灌溉方式，非均匀的肥料分布状况常使相当数量的肥料经深层渗漏、地表径流等途径流失损耗，进而污染地表和地下水体(Boldt et al.，1994)。因此，为了获得高水平的地面施肥灌溉性能并有效减少对农田生态环境产生的潜在影响，亟待采用合理的地面施肥灌溉技术与方法，并据此开展相关工程优化设计与运行管理活动(Zerihun et al.，2003)。 近年来，地面施肥灌溉工程优化设计与性能及运行管理效果评价正日趋建立在对施肥灌溉技术要素进行优化组合的数值模拟基础上，进而形成对地面施肥灌溉地表水流溶质运动理论与模拟方法的迫切需求。然而，现有地表水流溶质运动理论与模拟方法基本上直接移植于河流动力学相关理论与模型(García-Navarro et al.，2000；Abbasi et al.，2003；Zerihun et al.，2005a)，并未考虑地表浅水流运动下地表(田面)相对高程空间分布差异与地表水深同属于相同量级变量的物理事实，因而忽略了地表水流溶质运动缓慢扩散及局部绕流现象对水肥运动规律与特征产生的显著影响，导致现有地表水流溶质运动模型与方法的模拟性能和效果相对偏低，甚至许多情况下无法满足解决实际问题所需。为此，亟待深入研究不同地面施肥灌溉方式下的地表水流溶质运动规律与特征，正确认识地表水流溶质运动的基本物理特征，合理表述地表水流溶质运动控制方程的数学表达形式，研发撒施和液施肥料灌溉地表水流溶质运动控制方程及模拟模型，开发相关的数值模拟求解方法，以便为优化施肥灌溉工程设计方案、评价施肥灌溉性能、鉴选施肥灌溉运行管理措施提供支撑条件。 1.1 地面灌溉地表水流运动理论与模拟方法 现有地面灌溉地表水流运动理论与模拟方法主要来自河流动力学相关理论与模型，即将地表水流运动控制方程与地表入渗公式相结合，在必要的初始条件和边界条件约束下，建立起用以模拟再现地面灌溉水流动力学过程的地面灌溉模型。其中，地表水流运动控制方程常以地面水深尺度下的守恒型全水动力学方程为依托，实际当中也采用其简化形式：零惯量(扩散波)方程和动力波方程，而地表入渗公式则主要使用经验型公式。用于求解地面灌溉模型的数值方法主要包括特征线法、有限差分法、有限体积法、有限单元法等。 1.1.1 地表水流运动控制方程与初始和边界条件 1.1.1.1 地表水流运动基本物理特征与灌溉技术要素 地面灌溉是指水流从地表进入田间并借助重力和毛细管力作用浸润土壤的一种常见灌溉方法，按照浸润土壤方式差异又可分为畦田灌溉(畦灌)和沟田灌溉(沟灌)两种形式。畦田灌溉是我国*普遍采用的地面灌溉形式(图1-1)。通过修筑的田埂将受灌农田分隔成一系列畦块后，将水流从末级供水渠道或管道引入畦田，水流沿畦长方向(一维条畦)或沿畦长和畦宽两个方向(二维宽畦)做对流、扩散、局部绕流等一系列非恒定运动，并在流动过程中受重力作用入渗逐渐湿润土壤。地表水流运动过程一般包括水流的推进、消退和入渗等时段，入渗贯穿于全部时段中。 图1-1 畦田灌溉示意图 影响地表水流运动过程进而影响地面灌溉性能的主要灌溉技术要素可以划分为三种类型：①田块几何尺度要素，包括畦(沟)长(宽)度、田面微地形空间分布状况、纵(横)向坡度、畦(沟)尾部封闭状态；②灌溉管理要素，包括入地流量、入流形式、改口成数；③土壤特性要素，包括土壤入渗特性和田面糙率方向性。灌溉效率、灌水均匀度等地面灌溉性能评价指标均为以上灌溉技术要素的函数，改变并优化组合这些技术要素可获得*好的地面灌溉性能与效果。 在以上影响地面灌溉性能的主要灌溉技术要素中，田块几何尺度要素和灌溉管理要素均属于可控因子，采用人为措施与活动可达到改变其现状的目的，而土壤特性要素则属于不可控因子，受土壤质地、土壤水分布、表土固结度、耕作栽培措施等影响，土壤特性常表现出程度不一的时空变异性，致使地面灌溉性能呈现出不确定性与随机性。大量研究结果表明(Zapata and Playan，2000；Strellkoff et al.，2003；许迪等，2007)，在地面灌溉工程设计与运行管理优化条件下，影响地表水流运动过程和地面灌溉性能的主要灌溉技术要素是田面微地形空间分布状况(图1-2)、土壤入渗时空变异性(图1-3)和田面糙率方向性(图1-4)，这些应该在地面灌溉地表水流运动理论与模拟方法研究中给予重点关注。 图1-2 典型田块的田面微地形空间分布状况示意图 图1-3 典型田块的经验性入渗公式参数()空间分布状况 图1-4 典型田块的田面糙率方向性示意图 Shafique和Skogerboe(1983)指出土壤入渗性能是决定沟灌性能的*主要影响因素之一，其时空变异性是获得较高灌溉效率的主要制约因子。Izadi 和Wallender(1985)发现沟灌中约1/3 的土壤入渗变异性起因于沿沟长湿周的变异性，其余2/3 与土壤质地变异性和观测误差有关。Jaynes 和Hunsaker(1989)指出尽管畦灌下土壤入渗变异性的稳定性较高，但入渗率的变异系数仍高达53%。Hunsaker 和Bucks(1991)指出水平畦灌下51% ~68%的入渗变异性来自灌前土壤含水量的差异，其余是非均匀田面高程分布差异造成的，且37%的冬小麦产量变异性归咎于土壤入渗变异性。Playan 等(1996)认为水平畦灌下的畦面微地形空间分布状况差异，可引起约34% 的入渗受水时间变异及73% 的入渗受水深变异，且地表水流运动推进和消退时间及灌溉性能明显受到微地形状况影响。de Sousa 等(1995)提出水平沟灌下的田面高程非均匀性会明显减少灌水均匀度，导致作物产量*多减少2/3。此外，灌溉浅流下的地表作物覆盖对水流运动阻力较大，且缓流下的水流阻力并非处于全紊流状态，导致畦面糙率随雷诺数、地表植被特性变化而发生改变(Strelkoff et al.，2000)。许迪等(2002)根据冬小麦田间灌溉试验结果，讨论了畦面微地形空间分布状况对灌水质量及作物产量的影响，研究表明畦灌性能和作物产量随田面平整状况的改善而得到明显提高，采用激光控制土地精平技术可以实现高标准的田面平整程度。因耕作播种等形成的作物布局结构及地表局部的起伏凹凸常表现出特定方向性，致使地表水流阻力呈现出各向异性特征，在二维宽畦下尤为凸显。Strellkoff 等(2003)初步提出了考虑畦面糙率各向异性的张量型地表水流运动阻力系数，但却无法用于扩散效应和对流效应并存的状况。 1.1.1.2 地表水流运动控制方程 地面灌溉地表水流垂向运动尺度远小于其水平向，故属于典型的浅水流运动状态，符合浅水动力学垂向静压假设条件，即水流压力沿垂向近似呈静压分布状况(潭维炎，1998；江春波等，2007)，故可采用地面水深尺度下的守恒型全水动力学方程表述地面灌溉地表水流运动过程。尽管守恒型全水动力学方程在描述洪水演变与河流水动力学过程等激变非恒定流运动中得到广泛应用(Liang and Marche，2009)，但当表述地面灌溉地表水流运动过程时，却往往表现出较差的表达性能(Rogers et al.，2003)。如图1-5 所示，与洪水演变和河流水动力学下的地表浅水流运动状况相比，地面灌溉浅水流运动条件下的流速和水深远小于前者，且地表(畦面)相对高程b的空间分布差异对水流运动影响的尺度效应呈量级提升，致使地表水流局部绕流扩散现象严重，影响到利用该方程对此物理问题加以表述的正确性。此外，为了考虑畦面微地形空间分布状况对地面灌溉地表水流运动过程的影响，常需在数值求解守恒型全水动力学方程过程中维系物理通量梯度与地表(畦面)相对高程梯度向量之间的数值平衡关系，这导致模拟性能下降(Morton and Mayers，2005)。 鉴于地面灌溉下的流速相对缓慢，在舍去守恒型全水动力学方程中惯性量项(加速度项)后，形成了零惯量(扩散波)方程(Strelkoff and Katopodes，1977；Strelkoff et al.， 2003)，由于其仅描述了地表水流在重力作用下的水波扩散过程，又称为扩散波方程(Hugheset al.，2011)，适用于描述较小弗劳德数Fr 下的地表水流运动过程(Walker，1987；Bradfordet al.，2002)。此外，由于零惯量(扩散波)方程中的分量方程仍为偏微分方程，故在一维条件下又提出了动力波方程，即在不考虑畦面微地形空间分布状况下，一维地表水流的水面线近似呈指数函数形式分布(Walker and Skogerboe，1987)，可以用来近似替代零惯量(扩散波)方程中的动量守恒方程，但因限制条件较多致使该方程很少用于实际(Strelkoff et al.，1998)。 图1-5 不同水力学条件下地表水流运动状况的示意图 1.1.1.3 地表入渗公式 为了表述地面灌溉多孔基底界面上的地表水流运动过程，可将地表水流运动控制方程与入渗公式相结合，建立起地面灌溉模型，并将入渗耦合在该模型的源(汇)项当中。入渗常被视为单相非压缩流体运动，可借助非饱和土壤水流动Darcy 定律和质量守恒原理加以描述。当采用具有物理机制的土壤水动力学方程(Richards 方程)表征入渗时，具有精确描述土壤水变饱和运动且入渗估值精度较高的特点，但难点在于需要获取土壤水力特性参数并对其进行率定(Strelkoff et al.，1998)。为此，常采用经验型或具有半物理机制的公式描述入渗，这包括Kostiakov 公式(1932 年)、Kostiakov-Lewis 公式(1981 年)、Horton 公式(1940 年)、Philip 公式(1957 年)、Green-Ampt 公式(1911 年)等。其中，具有半物理机制的Green-Ampt 公式考虑了土壤质地、干容重、先期土壤含水量、地表水深等影响因素，物理意义明确、估值效果较好，但受复杂的物理参数定义、大量的试验观测数据需求、繁琐的公式推理过程等制约，其更多局限在理论意义上而实用性却相对较低(Bautista et al.，2001)。采用Kostiakov 公式、Kostiakov-Lewis 公式、Horton 公式和Philip 公式等经验型公式描述入渗过程主要与受水时间有关，其式中经验参数少且获取相对容易，综合反映了土壤水力特性、前期土壤水分、水流形态等初始条件和边界条件影响，从实用角度出发，易于推广采用(Bautistaet al.，2001)。 作为经验型公式和半物理机制公式的折中，