沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证 - Ingenta Connect.PDF

第 32 卷 第 23 期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.23 2016 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2016 93 ·农业水土工程· 沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证 1 1 2 2 章少辉 ，白美健 ，魏志斌 ，冯兵楷 （1. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 中国水利水电科学研究院，北京 100038 2. 石家庄市冶河灌区引岗管理处，石家庄 050200 ） 摘 要：沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具，然而已有相关模型无 法考虑沟底相对高程随机分布，且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此，该文采 用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程，借助双时间步法和有限体积法，并在地表 水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项，以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程，实现 了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下 9 个典型沟灌施肥试验实测数据，验证了模型的模拟效果。结果表明，模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程 随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程，以及地表溶质浓度演变过程，且水量与溶质量的质量守恒误差小于 0.1%，有 效克服了已有模型的缺陷，为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。 关键词：灌水；土壤水分；模型；沟灌施肥；动力学；耦合；无条件稳定 doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.23.013 中图分类号：S147.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016)-23-0093-08 章少辉，白美健，魏志斌，冯兵楷. 沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证[J]. 农业工程学报，2016 ，32(23) ：93－100. doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.23.013 Zhang Shaohui, Bai Meijian, Wei Zhibin, Feng Bingkai. Hydrodynamic coupled simulation and validation for surface water flow and solute transport in furrow fertigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 93 － 100. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.23.013 引发模拟结果的随机性误差[15-21] ，且对流与弥散项的解 0 前 言  算分离在引入分裂误差的同时，还必须仅在动态的有水 沟灌是一种应用广泛的地面灌溉方式[13] ，具有节能 区域内独立求解弥散项，这极易导致模拟结果的不稳定 省力、无需特定田间设施的优点[4-5] 。通常沟灌下施肥方式 性[7] 。另一类模型是采用守恒双曲型全水动力学方程 有 2 种，一种是灌溉前将固体肥料撒施到沟内（撒施肥料 （