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畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬 版權信息
- ISBN：9787030553560
- 條形碼：9787030553560 ; 978-7-03-055356-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬 本書特色
本書以國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目課題和國家自然科學基金課題等取得的研究成果為依托，圍繞畦田施肥灌溉地表水流溶質遷移運動過程，開展相關理論與模擬方法研究。其中第2~第4章主要闡述畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬方法；第5~第8章主要涉及畦田灌溉地表水流運動模擬；第9~第11章主要開展畦田施肥灌溉地表水流溶質運動模擬；第12~第15章主要進行畦田施肥灌溉性能評價與技術要素優化組合分析。
畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬 內容簡介
本書以國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目課題和國家自然科學基金課題等取得的研究成果為依托，圍繞畦田施肥灌溉地表水流溶質遷移運動過程，開展相關理論與模擬方法研究。其中第2~第4章主要闡述畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬方法；第5~第8章主要涉及畦田灌溉地表水流運動模擬；第9~第11章主要開展畦田施肥灌溉地表水流溶質運動模擬；第12~第15章主要進行畦田施肥灌溉性能評價與技術要素優化組合分析。
畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬 目錄
目錄
序言
第1章 緒論 1
1.1 地面灌溉地表水流運動理論與模擬方法 2
1.2 地面施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬方法 10
1.3 主要研究內容 14
參考文獻 16
第2章 畦田施肥灌溉地表水流溶質運動理論與方法 21
2.1 地表水流溶質運動水動力學基礎 22
2.2 地表水流溶質運動典型特征尺度及物理變量與控制方程表達式 33
2.3 地表水流運動控制方程 36
2.4 地表水流溶質運動控制方程 45
2.5 結論 52
參考文獻 52
第3章 畦田施肥灌溉地表水流溶質運動模擬模型 55
3.1 地表水流運動模擬模型 56
3.2 地表水流溶質運動模擬模型 69
3.3 地表水流溶質運動耦合模擬模型 74
3.4 地表水流溶質運動物理過程數理需求 76
3.5 地表水流溶質運動模擬及耦合模擬模型確認與驗證 82
3.6 結論 83
參考文獻 84
第4章 畦田施肥灌溉地表水流溶質運動數值模擬方法 87
4.1 地表水流溶質運動控制及耦合方程數學類型分類 88
4.2 地表水流溶質運動控制及耦合方程空間與時間離散格式 94
4.3 地表水流溶質運動干濕邊界條件空間與時間離散格式 123
4.4 地表水流溶質運動控制及耦合方程空間與時間離散方程求解方法 136
4.5 結論 140
參考文獻 141
第5章 基于雙曲-拋物型方程結構的全水動力學方程畦田灌溉地表水流運動模擬 143
5.1 基于雙曲-拋物型方程結構的全水動力學方程畦田灌溉模型構建及數值模擬求解 144
5.2 基于雙曲-拋物型方程結構的全水動力學方程畦田灌溉模型模擬效果評價方法 157
5.3 基于雙曲-拋物型方程結構的全水動力學方程畦田灌溉模型確認與驗證 161
5.4 結論 171
參考文獻 172
第6章 考慮各向異性畦面糙率的全水動力學方程畦田灌溉地表水流運動模擬 174
6.1 考慮各向異性畦面糙率的全水動力學方程畦田灌溉模型構建及數值模擬求解 175
6.2 考慮各向異性畦面糙率的全水動力學方程畦田灌溉模型模擬效果評價方法 185
6.3 考慮各向異性畦面糙率的全水動力學方程畦田灌溉模型確認與驗證 188
6.4 考慮各向異性畦面糙率的全水動力學方程畦田灌溉模型應用 198
6.5 結論 215
參考文獻 216
第7章 利用Richards方程估算入滲通量的全水動力學方程畦田灌溉地表水流運動模擬 218
7.1 利用Richards方程估算入滲通量的全水動力學方程畦田灌溉模型構建及數值模擬求解 220
7.2 利用Richards方程估算入滲通量的全水動力學方程畦田灌溉模型模擬效果評價方法 231
7.3 利用Richards方程估算入滲通量的全水動力學方程畦田灌溉模型確認與驗證 232
7.4 利用 Richards公式估算入滲通量的全水動力學方程畦田灌溉模型應用 239
7.5 結論 244
參考文獻 245
第8章 依據維度分裂主方向修正的全水動力學方程畦田灌溉地表水流運動模擬 247
8.1 依據維度分裂主方向修正的全水動力學方程畦田灌溉模型構建及數值模擬求解 248
8.2 依據維度分裂主方向修正的全水動力學方程畦田灌溉模型模擬效果評價方法 258
8.3 依據維度分裂主方向修正的全水動力學方程畦田灌溉模型確認與驗證 259
8.4 結論 265
參考文獻 265
第9章 畦田施肥灌溉試驗與方法 267
9.1 施肥灌溉方式 268
9.2 畦田施肥灌溉試驗區 276
9.3 畦田施肥灌溉試驗 277
9.4 畦田施肥灌溉試驗觀測與測試方法 285
9.5 畦田施肥灌溉試驗數據統計分析方法 291
9.6 結論 293
參考文獻 293
第10章 畦田液施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模擬 295
10.1 畦田液施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模型構建及數值模擬求解 296
10.2 畦田液施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模型模擬效果評價方法 304
10.3 畦田液施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模型確認與驗證 306
10.4 結論 313
參考文獻 313
第11章 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模擬 315
11.1 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模型構建及數值模擬求解 316
11.2 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模型模擬效果評價方法 329
11.3 畦田撒施肥料灌溉地表水流溶質運動全耦合模型確認與驗證 330
11.4 結論 339
參考文獻 340
第12章 冬小麥畦田施用尿素肥料灌溉特性與性能評價 342
12.1 施肥灌溉性能評價指標 343
12.2 畦田均勻撒施尿素灌溉 346
12.3 畦田液施尿素灌溉 354
12.4 結論 369
參考文獻 370
第13章 冬小麥畦田施用硫酸銨肥料灌溉特性與性能評價 371
13.1 施肥灌溉性能評價指標 372
13.2 畦田均勻撒施和液施硫酸銨灌溉 375
13.3 畦田非均勻撒施硫酸銨灌溉 389
13.4 結論 395
參考文獻 395
第14章 畦田液施肥料灌溉性能模擬評價與技術要素優化組合 397
14.1 畦田液施肥料灌溉數值模擬實驗設計 398
14.2 畦田液施肥料灌溉模型參數及模擬條件確定 399
14.3 畦田液施肥料灌溉施肥性能評價指標 399
14.4 畦田液施肥料灌溉技術要素對施肥性能影響模擬評價 400
14.5 畦田液施肥料灌溉技術要素優化組合分析 407
14.6 結論 421
參考文獻 422
第15章 畦田撒施肥料灌溉性能模擬評價與技術要素優化組合 423
15.1 畦田撒施肥料灌溉數值模擬實驗設計 424
15.2 畦田撒施肥料灌溉模型參數及模擬條件確定 424
15.3 畦田撒施肥料灌溉施肥性能評價指標 425
15.4 畦田撒施肥料灌溉技術要素對施肥性能影響模擬評價 425
15.5 畦田撒施肥料灌溉技術要素優化組合分析 432
15.6 結論 446
參考文獻 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 緒論
步入21世紀后，世界各國社會經濟可持續發展強烈依賴于糧食安全和水安全，致大力發展灌溉農業的重要性與必要性日趨顯現。當前全球農作物灌溉面積約占總耕地面積的20%，全球灌溉用水量約占總用水量的70%，其中約95% 的農作物灌溉面積使用地面灌溉技術與方法(Turral et al.，2010；UNESCO，2014)。伴隨著地面灌溉技術與方法的普遍采用，近年來，地面施肥灌溉也得到實際應用(Kafkafi et al.，2011)。
地面施肥灌溉通常分為撒施肥料灌溉和液施肥料灌溉兩種方式。前者是包括中國在內的發展中國家普遍使用的地面施肥灌溉方式，具有施肥灌水簡便、無需專業設備投入等特點，但存在水肥施用過程可控性差、水肥分布均勻性較低等缺陷；后者則是施肥與灌溉結合的產物，將肥料預先溶解后形成的肥液隨灌溉過程均速注入田間，借助施肥裝置實現控制施肥時機及用量的目的，具備省時、省力、化肥利用率較高等特點(Boldt et al.，1994；Playan et al.，1997；Burguete et al.，2009)。
肥料在地面施肥灌溉過程中伴隨著地表水流作溶質遷移對流-擴散運動，肥料溶質沿畦(溝)長度的均勻分布狀況主要取決于灌溉水分分布均勻性和施肥灌溉方式，非均勻的肥料分布狀況常使相當數量的肥料經深層滲漏、地表徑流等途徑流失損耗，進而污染地表和地下水體(Boldt et al.，1994)。因此，為了獲得高水平的地面施肥灌溉性能并有效減少對農田生態環境產生的潛在影響，亟待采用合理的地面施肥灌溉技術與方法，并據此開展相關工程優化設計與運行管理活動(Zerihun et al.，2003)。
近年來，地面施肥灌溉工程優化設計與性能及運行管理效果評價正日趨建立在對施肥灌溉技術要素進行優化組合的數值模擬基礎上，進而形成對地面施肥灌溉地表水流溶質運動理論與模擬方法的迫切需求。然而，現有地表水流溶質運動理論與模擬方法基本上直接移植于河流動力學相關理論與模型(García-Navarro et al.，2000；Abbasi et al.，2003；Zerihun et al.，2005a)，并未考慮地表淺水流運動下地表(田面)相對高程空間分布差異與地表水深同屬于相同量級變量的物理事實，因而忽略了地表水流溶質運動緩慢擴散及局部繞流現象對水肥運動規律與特征產生的顯著影響，導致現有地表水流溶質運動模型與方法的模擬性能和效果相對偏低，甚至許多情況下無法滿足解決實際問題所需。為此，亟待深入研究不同地面施肥灌溉方式下的地表水流溶質運動規律與特征，正確認識地表水流溶質運動的基本物理特征，合理表述地表水流溶質運動控制方程的數學表達形式，研發撒施和液施肥料灌溉地表水流溶質運動控制方程及模擬模型，開發相關的數值模擬求解方法，以便為優化施肥灌溉工程設計方案、評價施肥灌溉性能、鑒選施肥灌溉運行管理措施提供支撐條件。
1.1 地面灌溉地表水流運動理論與模擬方法
現有地面灌溉地表水流運動理論與模擬方法主要來自河流動力學相關理論與模型，即將地表水流運動控制方程與地表入滲公式相結合，在必要的初始條件和邊界條件約束下，建立起用以模擬再現地面灌溉水流動力學過程的地面灌溉模型。其中，地表水流運動控制方程常以地面水深尺度下的守恒型全水動力學方程為依托，實際當中也采用其簡化形式：零慣量(擴散波)方程和動力波方程，而地表入滲公式則主要使用經驗型公式。用于求解地面灌溉模型的數值方法主要包括特征線法、有限差分法、有限體積法、有限單元法等。
1.1.1 地表水流運動控制方程與初始和邊界條件
1.1.1.1 地表水流運動基本物理特征與灌溉技術要素
地面灌溉是指水流從地表進入田間并借助重力和毛細管力作用浸潤土壤的一種常見灌溉方法，按照浸潤土壤方式差異又可分為畦田灌溉(畦灌)和溝田灌溉(溝灌)兩種形式。畦田灌溉是我國*普遍采用的地面灌溉形式(圖1-1)。通過修筑的田埂將受灌農田分隔成一系列畦塊后，將水流從末級供水渠道或管道引入畦田，水流沿畦長方向(一維條畦)或沿畦長和畦寬兩個方向(二維寬畦)做對流、擴散、局部繞流等一系列非恒定運動，并在流動過程中受重力作用入滲逐漸濕潤土壤。地表水流運動過程一般包括水流的推進、消退和入滲等時段，入滲貫穿于全部時段中。
圖1-1 畦田灌溉示意圖
影響地表水流運動過程進而影響地面灌溉性能的主要灌溉技術要素可以劃分為三種類型：①田塊幾何尺度要素，包括畦(溝)長(寬)度、田面微地形空間分布狀況、縱(橫)向坡度、畦(溝)尾部封閉狀態；②灌溉管理要素，包括入地流量、入流形式、改口成數；③土壤特性要素，包括土壤入滲特性和田面糙率方向性。灌溉效率、灌水均勻度等地面灌溉性能評價指標均為以上灌溉技術要素的函數，改變并優化組合這些技術要素可獲得*好的地面灌溉性能與效果。
在以上影響地面灌溉性能的主要灌溉技術要素中，田塊幾何尺度要素和灌溉管理要素均屬于可控因子，采用人為措施與活動可達到改變其現狀的目的，而土壤特性要素則屬于不可控因子，受土壤質地、土壤水分布、表土固結度、耕作栽培措施等影響，土壤特性常表現出程度不一的時空變異性，致使地面灌溉性能呈現出不確定性與隨機性。大量研究結果表明(Zapata and Playan，2000；Strellkoff et al.，2003；許迪等，2007)，在地面灌溉工程設計與運行管理優化條件下，影響地表水流運動過程和地面灌溉性能的主要灌溉技術要素是田面微地形空間分布狀況(圖1-2)、土壤入滲時空變異性(圖1-3)和田面糙率方向性(圖1-4)，這些應該在地面灌溉地表水流運動理論與模擬方法研究中給予重點關注。
圖1-2 典型田塊的田面微地形空間分布狀況示意圖
圖1-3 典型田塊的經驗性入滲公式參數()空間分布狀況
圖1-4 典型田塊的田面糙率方向性示意圖
Shafique和Skogerboe(1983)指出土壤入滲性能是決定溝灌性能的*主要影響因素之一，其時空變異性是獲得較高灌溉效率的主要制約因子。Izadi 和Wallender(1985)發現溝灌中約1/3 的土壤入滲變異性起因于沿溝長濕周的變異性，其余2/3 與土壤質地變異性和觀測誤差有關。Jaynes 和Hunsaker(1989)指出盡管畦灌下土壤入滲變異性的穩定性較高，但入滲率的變異系數仍高達53%。Hunsaker 和Bucks(1991)指出水平畦灌下51% ~68%的入滲變異性來自灌前土壤含水量的差異，其余是非均勻田面高程分布差異造成的，且37%的冬小麥產量變異性歸咎于土壤入滲變異性。Playan 等(1996)認為水平畦灌下的畦面微地形空間分布狀況差異，可引起約34% 的入滲受水時間變異及73% 的入滲受水深變異，且地表水流運動推進和消退時間及灌溉性能明顯受到微地形狀況影響。de Sousa 等(1995)提出水平溝灌下的田面高程非均勻性會明顯減少灌水均勻度，導致作物產量*多減少2/3。此外，灌溉淺流下的地表作物覆蓋對水流運動阻力較大，且緩流下的水流阻力并非處于全紊流狀態，導致畦面糙率隨雷諾數、地表植被特性變化而發生改變(Strelkoff et al.，2000)。許迪等(2002)根據冬小麥田間灌溉試驗結果，討論了畦面微地形空間分布狀況對灌水質量及作物產量的影響，研究表明畦灌性能和作物產量隨田面平整狀況的改善而得到明顯提高，采用激光控制土地精平技術可以實現高標準的田面平整程度。因耕作播種等形成的作物布局結構及地表局部的起伏凹凸常表現出特定方向性，致使地表水流阻力呈現出各向異性特征，在二維寬畦下尤為凸顯。Strellkoff 等(2003)初步提出了考慮畦面糙率各向異性的張量型地表水流運動阻力系數，但卻無法用于擴散效應和對流效應并存的狀況。
1.1.1.2 地表水流運動控制方程
地面灌溉地表水流垂向運動尺度遠小于其水平向，故屬于典型的淺水流運動狀態，符合淺水動力學垂向靜壓假設條件，即水流壓力沿垂向近似呈靜壓分布狀況(潭維炎，1998；江春波等，2007)，故可采用地面水深尺度下的守恒型全水動力學方程表述地面灌溉地表水流運動過程。盡管守恒型全水動力學方程在描述洪水演變與河流水動力學過程等激變非恒定流運動中得到廣泛應用(Liang and Marche，2009)，但當表述地面灌溉地表水流運動過程時，卻往往表現出較差的表達性能(Rogers et al.，2003)。如圖1-5 所示，與洪水演變和河流水動力學下的地表淺水流運動狀況相比，地面灌溉淺水流運動條件下的流速和水深遠小于前者，且地表(畦面)相對高程b的空間分布差異對水流運動影響的尺度效應呈量級提升，致使地表水流局部繞流擴散現象嚴重，影響到利用該方程對此物理問題加以表述的正確性。此外，為了考慮畦面微地形空間分布狀況對地面灌溉地表水流運動過程的影響，常需在數值求解守恒型全水動力學方程過程中維系物理通量梯度與地表(畦面)相對高程梯度向量之間的數值平衡關系，這導致模擬性能下降(Morton and Mayers，2005)。
鑒于地面灌溉下的流速相對緩慢，在舍去守恒型全水動力學方程中慣性量項(加速度項)后，形成了零慣量(擴散波)方程(Strelkoff and Katopodes，1977；Strelkoff et al.， 2003)，由于其僅描述了地表水流在重力作用下的水波擴散過程，又稱為擴散波方程(Hugheset al.，2011)，適用于描述較小弗勞德數Fr 下的地表水流運動過程(Walker，1987；Bradfordet al.，2002)。此外，由于零慣量(擴散波)方程中的分量方程仍為偏微分方程，故在一維條件下又提出了動力波方程，即在不考慮畦面微地形空間分布狀況下，一維地表水流的水面線近似呈指數函數形式分布(Walker and Skogerboe，1987)，可以用來近似替代零慣量(擴散波)方程中的動量守恒方程，但因限制條件較多致使該方程很少用于實際(Strelkoff et al.，1998)。
圖1-5 不同水力學條件下地表水流運動狀況的示意圖
1.1.1.3 地表入滲公式
為了表述地面灌溉多孔基底界面上的地表水流運動過程，可將地表水流運動控制方程與入滲公式相結合，建立起地面灌溉模型，并將入滲耦合在該模型的源(匯)項當中。入滲常被視為單相非壓縮流體運動，可借助非飽和土壤水流動Darcy 定律和質量守恒原理加以描述。當采用具有物理機制的土壤水動力學方程(Richards 方程)表征入滲時，具有精確描述土壤水變飽和運動且入滲估值精度較高的特點，但難點在于需要獲取土壤水力特性參數并對其進行率定(Strelkoff et al.，1998)。為此，常采用經驗型或具有半物理機制的公式描述入滲，這包括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，具有半物理機制的Green-Ampt 公式考慮了土壤質地、干容重、先期土壤含水量、地表水深等影響因素，物理意義明確、估值效果較好，但受復雜的物理參數定義、大量的試驗觀測數據需求、繁瑣的公式推理過程等制約，其更多局限在理論意義上而實用性卻相對較低(Bautista et al.，2001)。采用Kostiakov 公式、Kostiakov-Lewis 公式、Horton 公式和Philip 公式等經驗型公式描述入滲過程主要與受水時間有關，其式中經驗參數少且獲取相對容易，綜合反映了土壤水力特性、前期土壤水分、水流形態等初始條件和邊界條件影響，從實用角度出發，易于推廣采用(Bautistaet al.，2001)。
作為經驗型公式和半物理機制公式的折中，
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