水利工程論文-作物生長田間水分平衡的系統(tǒng)模擬.doc

水利工程論文-作物生長田間水分平衡的系統(tǒng)模擬摘要：本文以作物生長模型MACROS(L1D)為基礎(chǔ)，建立了土壤水分運(yùn)動(dòng)和作物生長耦合關(guān)系綜合模擬系統(tǒng).著重介紹了SPAC體系水分運(yùn)動(dòng)子模型，并對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬的結(jié)果和各類參數(shù)的靈敏度等進(jìn)行了分析.最后，應(yīng)用該模擬系統(tǒng)對(duì)南方多雨地區(qū)冬小麥田土壤水分平衡和土壤漬害的發(fā)生過程進(jìn)行了模擬分析.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：SPAC水分運(yùn)動(dòng)水分與作物生長耦合模型水分平衡漬害地表排水近年來數(shù)值模擬方法在農(nóng)田土壤水分運(yùn)動(dòng)研究中被廣泛采用1,4，并逐步從實(shí)驗(yàn)室引向田間5,6，也考慮了農(nóng)田作物狀況對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響2,3,7,9.但是，國內(nèi)大多數(shù)水分運(yùn)動(dòng)模型沒有涉及土壤水分條件對(duì)作物生長過程的動(dòng)態(tài)影響，因而不能很好地反映土壤水分運(yùn)動(dòng)與作物生長動(dòng)態(tài)之間所具有的強(qiáng)烈的反饋和耦合作用，實(shí)際上，不良水分條件限制作物生長，而作物生長狀況的改變又對(duì)農(nóng)田水分平衡過程產(chǎn)生重要影響.同時(shí)，作物的不同種植方式也將影響農(nóng)田水分平衡狀況.在作物生長動(dòng)態(tài)模型MACROS(L1D)8和田間水分平衡模型的基礎(chǔ)上，建立并引進(jìn)了農(nóng)田水分平衡與作物生長動(dòng)態(tài)耦合子模型，本文著重討論水分運(yùn)動(dòng)子模型的模擬方法，分析模型模擬結(jié)果的可靠性及其對(duì)主要參數(shù)的敏感性，并應(yīng)用該模型研究了多雨地區(qū)冬小麥生長田間土壤水分動(dòng)態(tài)，討論多雨地區(qū)土壤漬、澇的發(fā)生和消退過程.1土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以近作物冠層的大氣為上邊界，土體一米深處為下邊界，構(gòu)成作物生長田間農(nóng)田水分平衡系統(tǒng).作物生長模型MACROS(L1D)以1d(24h)為時(shí)間步長，在作物出苗后開始模擬，并向土壤水分平衡模型提供所需作物參數(shù).而土壤水分運(yùn)動(dòng)模型則以可變時(shí)間步長(0.1-0.001d)進(jìn)行模擬.因此，土壤水分狀態(tài)經(jīng)24h循環(huán)計(jì)算后才取值與作物發(fā)生相互作用.當(dāng)不良土壤水分條件發(fā)生時(shí)，作物生長受到限制，從而也改變了向土壤水分平衡模型提供的有關(guān)作物參數(shù)，這樣就構(gòu)成了土壤水分平衡與作物生長動(dòng)耦合關(guān)系.模型中，僅考慮作物特性、土壤水分特性和氣象要素，并認(rèn)為其它條件均滿足作物生長要求.1.1水分液態(tài)流土壤水分液態(tài)流為有根系吸水條件下的垂直一維流，即/t=-q/Z-Sr,其中q為水流通量，q=-K(h)h/Z+K(h),因此有：C(h)(h)/(t)=()/(Z)K(h)(h)/(Z)-K(h)-Sw,(1)式中h(cmH2O)為壓力水頭，K(h)為導(dǎo)水率(cmd-1-1),C=d/dh為比水容量，Z為深度座標(biāo)(cm)，t為時(shí)間(d)，Sw為根系吸水函數(shù).田間條件下，土壤水分運(yùn)動(dòng)有多種邊界條件，而它們又反復(fù)交替變化.本模型有：初始條件：h=hi,Z0,t=0.上邊界條件：(1)表層土壤接近飽和或有極薄積水時(shí)，h=0,Z=0,t0.(2)土表向土壤供水，供水強(qiáng)底低于入滲率，K(h)(h)/(Z)-K(h)=-i,Z=0,t0.(3)土表蒸發(fā)而土壤供水充足，K(h)(h)/(Z)-K(h)=E,Z=0,t0.(4)土壤蒸發(fā)而土體向土表供水速率低于蒸發(fā)速率，土表趨于風(fēng)干狀態(tài)，h=had,Z=0,t0；其中腳標(biāo)ad表示風(fēng)干土.下邊界條件：下邊界條件主要考慮地下水位埋深ZW(m)的影響(1)ZW3.0；h=hi,Z=Zmax,t0.(2)3.0ZW1.0；h=ZW-Zmax,Z=Zmax,t0.(3)ZW1.0；h=0,Z=ZW,t0.其中，當(dāng)ZW1.0m時(shí)，地下水位埋深即為模擬系統(tǒng)下邊界，流入地下水位中的水亦即為土壤水滲漏損失.土壤中發(fā)生飽和流時(shí)，/t=0,有：q=-Ki(hi+1-hi)/(Zi+1-Zi)i,(h2-h1)+(h3-h2)+(hn+1-hn)=hn+1-h1,(2)i=n,為土壤層次數(shù)，得到n+1個(gè)線性方程求解.對(duì)土壤中的非飽和流，考慮到土壤水分運(yùn)動(dòng)模型與作物生長動(dòng)態(tài)模型的綜合模擬計(jì)算量較大，故采用基質(zhì)流勢(Matricflowpotential)8,9的概念求解水流方程.定義U為基質(zhì)流勢U-hK(h)dh,則水流通量方程可改寫為：q=-(dU)/(dZ)+K(h),(3)假設(shè)兩相鄰?fù)翆又行牡牧髁侩S深度的分布不變，微薄土層中心之間的水勢變化為線性的，則式(3)可以導(dǎo)出水流通量方程的積分形式為：(4)當(dāng)水流發(fā)生在非均質(zhì)土層之間時(shí)，式(4)中的積分項(xiàng)由下式修正.(5)作物根系吸水函數(shù)Sw,先由作物冠層蒸騰量E確定其總量，當(dāng)土壤供水充足時(shí)，各土層中根系吸水量Swi，根據(jù)已確定的根系總量和由實(shí)驗(yàn)測定的根系在土壤剖面上的分布比例i計(jì)算，即Swi=iE.(6)不良土壤水分條件發(fā)生時(shí)，根據(jù)旱害、漬害程度對(duì)式(6)進(jìn)行修正，修正參數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定9.1.2水分汽態(tài)流土壤蒸發(fā)和作物蒸騰由彭曼-蒙特斯公式計(jì)算1.2.1作物蒸騰設(shè)Ep為作物潛在蒸騰速率，ESR和E分別為太陽輻射力蒸發(fā)項(xiàng)和空氣干燥力蒸發(fā)項(xiàng)，有：Ep=ESR+E(7)其中(8)式(8)中，SR為輻射吸收量，為水的汽化潛熱，S為飽和水汽壓隨溫度變化曲線的斜率，P和*分別為空氣干燥力和表觀溫度計(jì)常數(shù)項(xiàng)，它們又分別為：(9)式中es和ea分別為飽和水汽壓和水汽壓實(shí)測值，Cp為空氣的體積熱容量