作物生长条件下农田水盐运移模型.docx

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1、农业工程学报B落痛W金TRANSACTIONSOFTHECHINESE的.Jtt口工F1%1X.资源乐统SOCIETYOFAGRICULTURAL取牙出期刊WAMrAMGCiATA(CMiMAtNFOnmr0r11BFnmiMTAIENGINEERING1999年第15卷第2期VoLI5No.21999作物生长条件下农田水盐运移模型*张展羽郭相平乔保雨苏杰摘要将农田水、盐运移与作物动态生长这一大系统分解、组合，分别建立了饱和一非饱和土壤水分运动、土壤盐分运动及农作物生长3个子模型，分析了3个子模型之间的动态耦合关系，并给出了相应的求解方法，结合实例进行分析，结果表明，实测资料与计算结果吻合较好

2、，为节水灌溉和防治盐渍化提供了新的决策途径。关键词农田水盐运移作物模型数值方法节水灌溉WaterandSaltTransportModelinFarmlandUnderPlantingZhangZhanyuGuoXiangpin(HehaiUniversityiNanjing,210098)QiaoBaoyuSuJie(WaterConservancyBureauofSheyangCounty,JiangsuProvince)AbstractThelargescalesystemwhichconsistsofsoilwaterandsalttransportandcropdynamicgrow

3、ingwasdecomposed.Threesub-modelswereprovided,whicharesaturated-unsaturatedsoilwatermovementmodel,salttransportmodelandcropdynamicgrowingmodel.Thecouplingrelationsofthemandtherelatednumericalsolvingmethodswereanalyzed.Exampleshowedthatthemodelsarereasonable.Keywordsfarmlandwaterandsalttransport,cropm

4、odel,numericalsolvingmethod,watersavingirrigation近年来，农田土壤水分、盐分运移的数值模拟方法得到了大量应用1-3,考虑农作物根系吸水对土壤水分运动影响的研究也己有不少成果4,5。但是，目前大多数水分、盐分运移模型不涉及土壤水盐条件对农作物动态生长的影响，因而不能很好地描述土壤水分、盐分运动对作物生长之间所具有的强烈的反馈和耦合作用，实际上，农田水盐状况影响作物生长，而作物生长状况的改变又对农田水盐运动产生直接影响，这在节水灌溉条件下尤为明显。本文基于SPAC系统理论，建立考虑农作物动态生长的农田水、盐运移模型，并与大型测坑的野外试验资料对比分析

5、，用以指导农田灌溉管理及盐碱化防治。1农田水盐运移模型总体框图农田水分、盐分状况受降水、灌溉、地下水埋深等上、下边界条件，以及农作物生长等诸多因素的影响，其中土壤水分状况、土壤盐分状况和农作物生长状况三者密切相关。将土壤水分运动模型、土壤盐分运动模型、作物腾发生长模型按三个子模块分别研究，选择土壤含水量、土壤含盐量、作物蒸腾量等作为耦合变量，将上述三个子模块进行组装，构成了农田水盐运移总体模型。图1为农田水盐运移总体模型，它给出了三个子模块及各耦合变量之间的关系。图1农田水盐运移总体模型Fig.1Mainmodelofwater-saltmovementinfarmland2数学模型2.1 水

6、分运移模型大田条件下，水分运移模型为一维有源项水分运动方程，取地表为Z轴零点，向下为正，则号=弱。引一空）t3工LzJdz初始条件：(z,O)=o(z)根据上边界条件：喷、滴灌或降雨，雨强小于土壤入渗率；蒸发；降雨引起土表积水。得边界条件方程诬Eb/nyg的频5.如（第2/7页）R*如:52:49(?)+(0)1-o=e(3)dZ0(。)当+M6)1o=dZ。(0.。=仇下边界条件：潜水面(Z,t)IZ=L=Qs(4)式中。土壤含水率，体积除D()土壤水扩散率，cm2d;k()-水力传导度，C11d;z深度坐标值，cm；t时间，d；s(z,t)一根系吸水函数，受作物动态生长影响；O(Z)土壤剖

7、面初始含水率分布；Qs土壤饱和含水率；I-降雨强度或喷、滴灌强度cm/d；2表土蒸发强度，cmd,是作物覆盖率的函数；L下边界深度，cm。2.2 盐分运移模型研究表明6,7,非饱和情况下，盐分运移近似遵循费克定律，考虑到饱和一非饱和土壤水、盐运移以垂直方向为主，根据质量守恒原理，数学模型为*立二宗八次/兆)一誓立一McQdtZZ初始条件：c(z,O)=C(z)(6)根据上边界条件：降雨；蒸发；灌溉。得方程C(Zt) *0 = C (7)下边界条件：定浓度边界c(z,t)IZ=L=COrISt(常数)式中c土壤溶液浓度，g/L；Dsh水动力弥散系数，cm2d;q渗透流速，cm/d；r(c,t)源

8、汇项，表示单位时间内在单位体积溶液中溶质由于吸附、结晶和衰变等引起的变化。Co雨水含盐浓度，其值近似为零。3一灌溉水的盐分浓度，g/Lo将土壤对盐分的吸附等作用看作是减弱了弥散的作用，引入影响系数a,这样可将考虑吸附作用的对流扩散方程式(5)简化为一般的对流扩散方程。3(。c)9/cd(qC)F-二喜.G一一(9)2.3 作物模型2.3.1不同水盐条件下的作物根系吸水在节水灌溉条件下，土壤水分亏缺和土壤盐浓度的增加对作物根系吸水产生胁迫，有研究表明8,在无盐渍化地区，根系吸水函数可采用Zr I Oj - OwfSO(z)=215657,(。式中SO(z,t)无盐渍化地区根系吸水率，cm/d；T

9、p(t)t时刻作物的潜在蒸腾速率，cm/d；z计算根系深度，cm；zr作物根系层总深度，cm；v凋萎含水率，%；f-田间持水率，%；A经验指数。根系层土壤含盐条件下，根系吸水速率应考虑土壤含盐量的修正，根系吸水函数为5(zJ)=rc(0So(Z(U)式中一由于土壤含盐而影响作物蒸腾的阻滞系数。2.3.2作物潜在蒸腾速率TP(t)和表土蒸发速率2根据ETP(t)、Tp(t)和2三者的关系Tp(t)=ETp(t)-2因2为农田作物冠层叶面积指数LAl的函数2=f(Lai),ETp(0故Tp(t)=l-f(Lai)-ETp(t)(12)Lai式中f(LAi)=Hfen；m,n分别为经验系数和经验指数

10、，与作物种类有关；1.AI包括死叶和活叶在内的总叶面积指数；ETp(t)t时刻农田潜在腾发率，cm/do2.4求解方法根据初始土壤水、盐状况及气象资料预测作物腾发量及其分布S(z,t),用有限差分法解土壤水分运动方程，用特征线法解土壤盐分运动方程，根据求得的土壤水盐分布再预测下一阶段作物生长、相应的腾发量及其分布，如此重复计算至预定时间为止。对盐分运动方程中的对流问题，根据水分运移模型的求解结果，采用单步反向粒子追踪法。为了保证计算的稳定性，提高计算效率，计算中还采用了下述方法。1)第i节点粒子的初始位置，采用关于时间中值的平均流速法。2)采用三点Lagrange插值法计算对流作用后各节点的浓

11、度。3)差分迭代过程中，控制Pe数小于2,以满足离数后的三对角方程对角占优，控制Cr数小于1,以满足一个时间步长内溶质对流距离不超过一个空间步长。3实例计算根据射阳县水利试验站冬小麦田间试验资料进行了模拟计算。田间试验安排在6个大型测坑中进行，地面以下设廓道供观测，并设置地下水埋深控制系统。测坑内土壤为中壤土，孔隙率48临田间持水率31%,凋萎含水率9.5%,土壤密度为L37g/cm3,地下水埋深分别按0.8m、1.2川和1.6m控制，地下水盐浓度为3gL,在距地面IoCm、20cm、40cm.60Cm及90Cm深度处分别埋设张力计和盐分探头。根据土壤取样分析，土壤水扩散率为D(O)=609.

12、002.57水动力弥散系数为DSh=入vI+D0,人为弥散度，对中壤土，取入=L0cm,V为孔隙渗流速度，根据水分运移模型求得。DO为分子扩散率，WDO=O.02CmVho冬小麦实施节水灌溉制度，分蕤期灌溉1次，净灌水量50mm,拔节期灌溉1次，净灌水量70mm,其他资料略。土壤水盐耦合作用下冬小麦累积腾发量见图2。计算表明：总腾发量随地下水埋深加大而增加，腾发量差达92mm。月份图2不同地下水埋深累积腾发量Fig. 2 Accumulatedevapotranspirationsunderdifferentdepthsofgroundwater拔节期灌溉后土壤剖面含水率变化见图3a,土壤剖面

13、盐浓度变化见图3b（限于篇幅，仅列出地下水埋深为L2m时的分析结果）。计算表明：实测值与计算值吻合较好。土壤剖面含水率。及盐浓度C变化规律受地下水埋深影响。表层含水率随地下水埋深降低而减少，灌溉后30天，表层土壤含水率最小值为18%,最大值为25%。土壤盐浓度随作物腾发量增加向表层积聚的趋势明显，其中地下水埋深为0.8m的测坑灌后30d,土壤表层溶液盐浓度从1.5g/L增加到4.2gL,而地下水埋深为L6m的测坑，盐浓度从0.8g/L上升到2.5g/L,地下水埋深及盐浓度是当地农业生产的重要制约因素之一。a.含水率b.盐浓度图3土壤剖面含水率及盐浓度分布(地下水埋深L2m)Fig. 3 Wat

14、erandsaltcontentdistributionsalongsoildepth4结论1)农田水盐运移模型将土壤水分、盐分运动与农作物生长模型这一相互影响、制约的整体分解组合，为模拟计算提供了简便可靠的方法，为盐渍化地区实施节水灌溉提供了新的决策工具。2)对射阳县冬小麦农田模拟计算表明：地下水埋深对冬小麦生长有明显影响，当埋深为0.8m时，实际腾发量比最大腾发量下降30%,生长明显受抑。地下水埋深与土壤含盐状况也密切相关，0.8m浅方案表土盐浓度是L6m方案的1.68倍，当地地下水临界深度不宜小于L6m。3)作物需水旺期，气温高，蒸发强，表土返盐迅速，应采用适当措施，减少表土蒸发。当土壤

15、含水率低于18%,盐浓度大于2.5gL时，应实施灌溉压盐，防止作物生理干旱。4)灌溉和降雨淋盐作用十分明显，干旱年份冬小麦灌水应不少于2次，次灌水量50-70mm,以保持农田土壤盐分的动态平衡。*国家自然科学基金资助项目(59479026)作者简介：张展羽，教授，南京市西康路1号河海大学水利水电工程学院，210098作者单位：张展羽郭相平(河海大学)乔保雨苏杰(江苏省射阳县水利局)参考文献1戚隆溪，陈启生，逢春浩等.土壤盐渍化的监测和预报研究.土壤学报，1997(2)：1901982,史海滨，陈亚新.饱和一非饱和流溶质传输的数学模型与数值方法评价.水利学报，1993(8)：49553DABarry,GarrisonSposito.ApplicationoftheConvectiondispersionmodeltosolutetransportinfinitesoilColumns.SoilSciSoc