1997年5月水 利 学 报SHUILI XUEBAO第5期
地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟
陈亚新 史海滨 田存旺
(内蒙古农牧学院水利工程系)Ξ
提要
在大气-土壤-地下水连续系统(ASGC)中,本文将土壤水-地下水部分用动力学理论和数值模拟技术结合的方法,研究了地下水与土壤盐渍化关系,并进行了动态模拟.在完成土壤水盐数据自动采集系统研制、水盐运动参数测定、数学模型建模识别、数值计算方法选择评价4项基础研究后,针对干旱区的一个大型灌区土壤-水环境中溶质迁移动态进行了系统模拟,获得复杂环境条件下多因子、多处理组合模式化的图谱,有助地下水与土壤盐渍化定量关系深入揭示、水土资源管理与预测.
关键词 地下水,土壤盐渍化,动态模拟,溶质迁移,相关性.
一、导 言
大气-土壤-地下水连续体(Atmosphere2Soil2GroundwaterContinuum简称ASGC)中,土壤盐渍化与地下水文关系密切,气候条件和矿质地下水动态是决定盐渍化敏感的环境因子、是包气带内溶质迁移能量转换和表土积盐的重要机制.地下水与土壤盐渍化关系研究过程的发展及其代表性的研究方法有以下4种:(1)五十年代,主要是应用调查统计法.通过大面积土壤和水文地质调查,统计地下水埋深(矿化度)与表土盐渍化现象的关系,获得地下水临界深度HK.但不能精确区分地下水水质,水位动态的具体影响,不涉及溶质迁移的动力机制,所称“表土盐渍化”难以量化,只能作自然现象的宏观描述.(2)六十年代我国用土壤强烈毛管水上升高度(毛管破裂点)加主要根系活动层深度,计算HK(或安全深度).从构成HK的微观揭示和量化方面较国外传统理论有较大进步[1.8.],仍不能对饱和2非饱和流连续体的积盐和脱盐能量转化过程进行深入揭示.(3)七十至八十年代,地中渗透仪(Lysimeters)方法的广泛应用,可进行补排关系潜水蒸发和入渗补给精确研究.开始将大气2土壤2地下水作统一体,使不同地下水埋深、不同土质、有无作物覆盖的潜水蒸发影响的研究得以系列化、标准化、促进了水均衡研究及水资源“三水转化”的评价,但大多数地中渗透仪内无专门的水、盐传感设备,如同“黑匣子”,不能获得其中水分含量θ(z,t)盐分含量S或溶质浓度C(z,t)的时空分布;受有限设备条件的约束,地中渗透仪的处理不能过多,所设计处理只能限于有限的观测设备.(4)七十至九十年代,在土壤水盐运动的能量转换理论和地下Ξ本文于1995年5月30日收到.系世界银行《中国北方灌溉》资助项目.
水数值模拟技术的推动下,在传统地中渗透仪或大型室内土柱内部增加水分或盐分传感器,进行近代技术的更新改造,使数学模型的数值解与实验技术得以结合,“黑匣子”得到识解.进而用土壤水盐数据采集系统,对ASGC系统的溶质迁移进行动态模拟.可对复杂环境下进行处理多、效率高、周期短、投资省的精确计算和分析评估;本文属于此例,以中国河套灌区为目标,研究地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟.
二、实验方法与测定设备
(一)实验物理模型 土柱4根,高220cm、直径14cm,内装均质扰动土(砂土、重砂壤土、轻砂壤土、粉质壤土).顶部用红外线灯照射模拟稳定蒸发,用标准蒸发皿d=20cm率定水面蒸发量;底部设排水滤层及地下水位控制装置,模拟不同地下水埋深;土柱上方设马氏供水箱,模拟降水(灌溉)入渗.构成蒸发2入渗再分配,不同地下水条件,均质土柱溶质迁移的物理模型.
(二)土壤水分数据采集子系统 用有较强垂直空间分辨能力,受土壤化学成分影响较小、易于防护的γ透射法,放射源为137Cs.γ射线探头由行走系统操作移动,对土柱轴线不同空间点进行θ自动采集.
(三)土壤盐分数据采集子系统 土柱内固定采集点(间距10cm)预埋接触式盐分
)或传感器,测定土壤溶液电导值EC,经16通道选通装置自动采集点溶液EC(25℃
C值.
(四)微机管理系统 经两块数据转换卡将电导仪和γ射线定标器与PC—386计算机连接,用汇编语言编制软件,实现自动选择量程、数据自动采集和记录、存贮的微机管理.
设土壤含水率目标值为θ,土壤溶质总浓度目标值为C,由数据采集系统定时(t)、定点(z)采样获得其时空分布:土壤湿度场记为θ(Zi,tj),溶质浓度场记为C(Zi,tj):i=1,2,…,I,I———空间观测点数; j=1,2,…,J,J———时间观测次数;I×J=系统内水分与盐分(浓度)采样品总数.
三、数学模型与数值计算方法
(一)数学模型 在土壤水2地下水动力学理论指导下,多孔介质中溶质迁移的数学模型据总结[7,12],主要是在对流2弥散方程的基础上分别考虑吸附作用,或不动水体的单独影响.考虑到河套灌区的次生盐渍化特征及河套平原沉积与洪积交错成土特征,土壤中的盲孔现象(含不动水体)和吸附作用两者均不可忽视,经过专门实验和计算论证[6,10],在对流2弥散方程的基础上需增加同时考虑含有不动水体与吸附作用两种影响的改进模型.
对于均质各向同性土壤,在忽略温度势及生物吸收作用,只研究土壤吸附总量,不涉及单一离子组分和多离子间相互作用;对于大面积灌排系统中的任一单元体,忽略水平方向水力梯度影响等假定下,构成一维饱和2非饱和流场,地下水与土壤盐溶质迁移的数学模型,可分别由水分运动,盐溶质迁移两方程耦合构成:
1.土壤水分运动方程 为使数值计算迭代方便,并使计算误差较小和适用于饱和—78—
—非饱和流,采用以v为因变量的土壤水分运动方程,用隐差分法求解式(1).
2()(1—Av=,1)2+B(v)9t9Z9Z
初始条件:v(Z,t)=v0(Z), Z>0,t=0,
上边界条件:一类v(Z,t)=v0(Z), Z=0,t>0,
二类-v+K(v)=R(t), Z=0,t>0,9Z(1—2)(1—3)(1—4)
(1—5)
(1—6)
(1—7)蒸发时R(t)=-Es(t),再分配时R(t)=0,土壤 下边界条件= , 不9ZV
)=θ式中:Cr为入渗水浓度;Dsh(V,θmDsh;Ic(Z,t)为称源汇项,表示单位时
间内、单位体积溶液中由于土壤吸附(解吸)、衰变及沉淀(解析)作用引起的溶质质量变化.
Ic(Z,t)=ρα+,9t9t(3)
式中:Sα为土壤吸附量.由实验求得含有两种容量因子土壤吸附及解吸过程的河套土壤动力吸附模型[9]为:
Sα=Smax(1-be-2α),(4)
式中:Smax为土壤最大吸附量,对轻砂壤土Smax=9110mmol/kg;C为溶质平衡浓度;a为经验系数,吸附时a=010454,解析时a=010355;b为起始吸附容量因子,吸附时b=019505,解析时b=019765;Q为单位体积土壤中固态盐分含量,采用β系数法的下式计算:
θj+=i2(Ci-Cmax),9t
j+j+β1,Ci2≤Cmax, (当θi2=0时,令β=1)
j+β2 Ci2>Cmax,(5)β= π
流动区与非流动区溶质通过分子扩散交换:
=α(Cm-Cim),9t
θimi=(1-f)θi,(6)(7)
[10]式中:α为质量交换系数;f=θ.m/θ,f=01976
上述式(2),采用单步反向追踪的特征———有限元方法(CFE)求解.联立解式(1),(2)即可定解土壤溶质的水盐运动目标.
3.模型的正确性 用Naylor和Finger(1977)提出的三步法,在灌溉和冲洗淋盐、蒸发2入渗再分配条件下进行验证后研究提供了如下简化条件:在蒸发2入渗再分配时,不动水体具有“汇”的效用,对溶质迁移有较大影响,在长期预测时可忽略吸附作用的影响.而在降雨或灌溉入渗条件下,土壤吸附作用具有“源”的效应,对溶质迁移有较大影响,因而不动水体影响可忽略.上述成果较Nielsen(1986)总结的单独考虑吸附作用,单独考虑不动水体影响的数学模型的应用条件作了具体改进补充.
(二)数值计算方法 求解土壤水运动v方程比较了隐式差分和中心差分格式,认为虽然中心差分精度较高,但要求步长Δt太小,在长期蒸发模拟计算中难以采用,故选用隐式差分法.
求解具有双曲型特征溶质迁移方程,由于浓度峰面太陡,在Peclet数(Pe),Courant数(Cr)较大时,用一般数值方法易产生数值弥散(失真)或数值振荡(过量),常在浓度峰面附近出现数值摆动或峰面模糊不清.经对国内外公认的三种先进数值方法:Bresler时间导数取高次近似的差分;二阶迎风隐式差分;特征2有限元法;经稳定流、非稳定流的多种典型状态的比较计算认为;由于CFE法将双曲型方程转化为抛物型方程后,消除了数值计算困难的隐患,有精度和效率高的优点,有广泛适应性如:Pe≤100,Cr≤015,故溶质迁移用CFE法[6,7].
四、地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟
(一)模拟系列设计 根据河套灌区概念模型和灌排条件[4],用以下特值划分模拟系列和挡次:
1.气候 以水面蒸发强度代表共4个挡次:E0=110,610(多年平均),1010(近似4—6月平均),1815mm/d.
2.土壤 选定灌区内3种代表土类,重砂壤土、轻砂壤土、粉质壤土.土体构型均质扰动土.盐分垂向分布2种,全剖面均匀分布,表层20cm呈现三解型分布,以下均匀分布.盐分化学组成,以Cl-型为主.积盐动态计算深度5种,Hs=20,50,100,200,250cm.盐溶质浓度垂向空间分布11种C(Z)=0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200cm.
3.地下水 埋深6种,Hg=015,110,115,210,215,310m.矿化度5种,以单盐NaCl进行实验模拟,Cg=011,015,110,510,1010g/L.
4.预测时间 3种动态过程,土壤总蒸发时间(tmax):t1=10—50d、用于两次灌水间,t2>45d,用于播种—收割,t3=120d相当全生育期.
5.灌溉或冲洗定额 3种,M=60,80,100m3/亩,灌溉水质Ci=015—110g/L.—80—
由此组成复杂ASGC系统的多处理、多组合的模拟系统,可表征3种主要自然因子A、S.G及人工因子M与t的相互关系,即一定条件下地下水与土壤盐渍化动
[7]态.
(二)动态模拟图谱 选择稳定蒸发条件下、轻砂壤土的10幅图作代表说明:11在一定气候条件下(Es=10mm/d),不同地下水埋深、不同地下水矿化度与一定深度土层内平均积盐量关系图1可知:在地下水埋深很浅Hg=50cm图1(a),各种地下水矿化度对表土20cm积盐量S20均与积盐蒸发时间t呈线性正相关;在灌区内常见地下水矿化度Cg=015—110g/L,当t>20—30d,其S20>012%可达到危害作物苗期正常生长.而当地下水埋深增大为Hg=100cm,即使蒸发强度增大到Es=1815mm/d如图1(b),大多数矿化度如Cg=015—510g/L的S20—t关系线全部上移并呈非线性急剧增大,但t的适当延长,如t35d后,对S100—t不同矿化水有曲线尾部分离趋势.图1(e)表明,对于更大地下水埋深Hg=250cm,计算所得地下水位以上的全部包气带内总平均盐量S250,会受到不同矿化地下水的影响,矿化度大的Cg=510,1010g/L居于S250—t的最上方,矿化度低的Cg=011,015g/L居图形最下方.不同地下水埋深,不同地下水矿化度组合,对S20—t的积盐动态关系如图1(f).可知在一定蒸发条件下,地下水埋深比地下水矿化度,对于表土积盐是更为敏感的因子
.
图1 不同潜水埋深(Hg),不同潜水矿化度(Cg),不同蒸发强度Es条件下:
表层或一定深度土体积盐量S与蒸发时间t复相关关系
21在一定气候条件(Es=10mm/d)和蒸发时间(t=30d)观察不同地下水埋深、不同地下水矿化度的不同土层深度(Z)剖面的溶质浓度(C)的分布关系图2可知:在浅地下水埋深Hg=015m条件下,矿质地下水Cg=011,015,110,510g/L补给包气带后,盐分经过浓缩主要集中在表层0—20cm—30cm深度;以下分布渐趋减小并相对稳定,即图2(a)、(b)的112号线与Z轴渐平行;对不同矿化度的C2Z曲线有相似双曲线型,且1.2号线保持一定的相互距离.但当地下水达Hg=110,115m后,
随Cg的加大,C(Z)的垂向分布发生改变呈凹形曲线,即C(Z)2Z关系出现两个峰值段,如在表土层0—20—30cm处出现地表峰值,在接近地下水面以上50—100cm处出现另一个更大的峰值,可能是由于模拟时表土“风干脱水”,使表土积盐受阻,而在邻近地下水的强烈供给区(带)产生溶质大量迁移浓缩的结果,其分布特征随地下水矿化度Cg值不同这种分异性变得更加明显.图2(a)、(b)的4、6号线即表明在相同地下水埋深Hg=115m条件下,由于Cg=011,015,110,510所致.这种底土含盐高的垂向分布,是干旱区表土次生盐渍化的潜在威胁,当遇到小雨或小定额灌水,可产生小雨“勾碱”现象使表土积盐
.
图2 不同潜水埋深(Hg),不同潜水矿化度(Cg)条件下,一定蒸发积盐时间(t=30d)
和稳定蒸发强度(Es=1010mm/d),不同土层深度(Z)剖面2盐溶质浓度(C)分布关系
3 在一定气候条件(Es=10mm/d)和地下水矿化度(Cg=110g/L)条件下,不同地下水埋深对表土S20和100cm土层S100积盐量与t的动态关系图3可知:该图具有双曲型特征,与国内多处实验站从地中渗透仪观测的潜水蒸发2地下水埋深关系十分相似.随着蒸发时间t的延长,表土和一定深度土层内积盐量也不断增大,由于对地下水埋深反应的灵敏性不同,随积盐层计算深度增大,S20→S100时其S—t—Hg的转折(或称突变性)深度值从Hg=115→210m,这一关系可用于系统探求地下水临界深度HK的变化规律,并可具体说明临界深度的确定应与规定深度土层积盐量有密切关系,有助于HK值确定的规范化.上述原理还可用于变动地下水矿化度Cg,模拟不同Cg2Hg2t2S20,100等复相关关系.较传统方法即依靠一组或几组有限的地中渗透仪只能获得少数的几种潜水埋深与蒸发关系和一种马氏并供水水质Cg关系比较,能获得多因子,多处理组合系统的动态模拟成果.
(三)成果的检验 将数值模拟成果与河套灌区内两处地中渗透仪实验、宁夏银北灌区普查方法所得成果比较,详见[7].对于非冻期(4—9月)砂性土无作物覆盖的潜水蒸发,虽三处所用方法及划分标准
有一定不同,但所获得的临界深度基
本一致HK=115m并随计算土层深
度增加和积盐时间的延长HK值会有
所增大到210m.证实数值动态模拟
成果可靠.
图3 在Es=1010,Cg=1条件下,不同潜水埋深不同蒸发
时间下,表土(或一定土层)积盐总量关系
五、结 语
11以实验土柱物理模型为基础的数值模拟技术,研究地下水与土壤盐渍化的动态关系,可作为深入认识和再现客观过程的一种近似手段.不仅可对复杂多变的环境进行多因子、多处理的组合问题动态系统模拟;还可对一部分不便进行实验或不能进行实验的某些问题(如边界条件不同,极值下的动态)进行仿真和预测.
21有关地下水与土壤盐渍化各种研究方法有各自的优缺点和一定的适用条件,它们之间是相互补充的.动态模拟方法虽有许多优点并可用于预测,但限于实验室与野外条件的某些差异,仍需要用田间调查和专门设备的观测实验验证;同时该方法需要有科学的物理模型和精确的参数测定,才能使计算机的仿真获得好的效果.
参考文献
〔1〕 张蔚榛,地下水非稳定流计算和地下水资源评价.科学出版社,1983年.
〔2〕 陈亚新,土壤2水环境中溶质迁移研究,干旱区资源与环境.水与环境专刊,1989年.〔3〕 田园,孙雪峰,刘好智,地下水开发利用与管理第一辑.水利电力出版社,1991年.〔4〕 王伦平,陈亚新,曾国芳,内蒙古河套灌区灌溉排水与盐碱化防治.水利电力出版社,
1993年.
〔5〕 陈亚新,史海滨,干旱区稳定蒸发条下土壤溶质迁移的动态预测.干旱区环境整治与资
源合理利用国际学术讨论会论文专集,干旱区资源与环境,1993年.
〔6〕 史海滨,陈亚新,饱和2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
年第8期.
〔7〕 陈亚新,史海滨等,中国河套灌区土壤2水环境中溶质迁移动态的系统模拟研究.内蒙古
农牧学院水资源与水土工程研究所,1994年.
〔8〕 贾大林,胡毓骐,地下水临界深度的初步探讨.盐渍土改良与节水农业,贾大林论文选.
中国农业科技出版社,1994年.
〔9〕 陈亚新,史海滨,含有两种土壤容量因子的等温吸附模型.内蒙古农牧学院学报,1995
年16卷第4期.
〔10〕 史海滨,陈亚新,吸附作用与不动水体对溶质迁移影响的模拟研究.土壤学报,1996年
33卷第3期.
〔11〕 Javandel.I.,DaughtyC.andTsangC.F.,Groundwatertransporthandbookofmathemat2
icalmodels.UniversityofCalifornia.Berkeley,1984.
〔12〕 Nieisen,R.D.,etal.,WaterflowandsoulutetransportProcessinunsaturatedzone.Wa2
terResour.Res22(9),1988.
〔13〕 Broadbridge.p.,SolutionofanonlinearobsorptionmodelofmixedSaturafed2unsaturated
flow.WaterResources.Res.26(10),1990.
(下转第35页)
Cumulativefunctionofsensitiveindexforwinterwheat
WangYangren LeiZhidong YangShixiu
(TsinghuaUniversity)
Abstract
Aconceptofcumulativefunctionofsensitiveindexwasintroducedinthispaper.Byreviewingthepreviousstudies,theauthorsuseagrowingcurvetorepresentthecumulativefunctionofsensi2tiveindexinJensenmodel.Amethodfordeterminingtheparametersofthecumulativefunctionwasconsumptionforwinterwheat.Theresultsdemonstratethatthecumulativefunctionofsensitivein2dexrepresentedbyagrowingcurvecoulddescribetheyieldresponsetowaterdeficitforwinterwheat.
Keywords waterproduction,cumulativefunctionofsensitiveindex,growingcurve.(上接第83页)
Dynamicsimulationoftherelationshipbetweenwatertable
andsalinizationofsoil
ChenYaxin ShiHaibin TianCunwang
(InnerMongoliaInstituteofAgricultureandAnimalHusbandry)
Abstract
TherelationshipbetweenwatertabledepthandsaliniztionofsoilhasbeenstudiedbynumericalsimulationonthebasisoftheoryofthesoilwaterdynamicandsolutetransportintheAtmosphere2SalinizationofSoil2GroundwaterContinuum(ASGC).Fourfundamentalresearchonsystematicsimulationandrelevantsoftwarehavebeencompleted:1,computermanagementsystemtomakeautomaticdatacollectionofsoilwaterandsaltconcentration.2,determinationexperimentsofsoilwaterandsaltmovementparametersinsaturatedandunsaturatedsoil.3,calculationmodelestab2lishmentofsolutetransport.4,numericalmethodwhichcansolvecomplexmathematicalproblemsbasedonthesolutetransportmodel.basedonthedynamicsiumlationofsolutetransportinthesoil2waterenvironmentofalargearidirrigationarea,114multi2factorandmulti2casechartsinthecom2plexenvironmenthavebeencompleted.Thisishelpfulforrevealingquantitativecorrelationandmechanismofwatertablelandsalinizationofsoilaswellasthemanagementandcalculationofsoilwaterresource.
Keywords groundwater,salinizationofsoil,dynamicsimulation,solutetransport,rela2tionship.
1997年5月水 利 学 报SHUILI XUEBAO第5期
地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟
陈亚新 史海滨 田存旺
(内蒙古农牧学院水利工程系)Ξ
提要
在大气-土壤-地下水连续系统(ASGC)中,本文将土壤水-地下水部分用动力学理论和数值模拟技术结合的方法,研究了地下水与土壤盐渍化关系,并进行了动态模拟.在完成土壤水盐数据自动采集系统研制、水盐运动参数测定、数学模型建模识别、数值计算方法选择评价4项基础研究后,针对干旱区的一个大型灌区土壤-水环境中溶质迁移动态进行了系统模拟,获得复杂环境条件下多因子、多处理组合模式化的图谱,有助地下水与土壤盐渍化定量关系深入揭示、水土资源管理与预测.
关键词 地下水,土壤盐渍化,动态模拟,溶质迁移,相关性.
一、导 言
大气-土壤-地下水连续体(Atmosphere2Soil2GroundwaterContinuum简称ASGC)中,土壤盐渍化与地下水文关系密切,气候条件和矿质地下水动态是决定盐渍化敏感的环境因子、是包气带内溶质迁移能量转换和表土积盐的重要机制.地下水与土壤盐渍化关系研究过程的发展及其代表性的研究方法有以下4种:(1)五十年代,主要是应用调查统计法.通过大面积土壤和水文地质调查,统计地下水埋深(矿化度)与表土盐渍化现象的关系,获得地下水临界深度HK.但不能精确区分地下水水质,水位动态的具体影响,不涉及溶质迁移的动力机制,所称“表土盐渍化”难以量化,只能作自然现象的宏观描述.(2)六十年代我国用土壤强烈毛管水上升高度(毛管破裂点)加主要根系活动层深度,计算HK(或安全深度).从构成HK的微观揭示和量化方面较国外传统理论有较大进步[1.8.],仍不能对饱和2非饱和流连续体的积盐和脱盐能量转化过程进行深入揭示.(3)七十至八十年代,地中渗透仪(Lysimeters)方法的广泛应用,可进行补排关系潜水蒸发和入渗补给精确研究.开始将大气2土壤2地下水作统一体,使不同地下水埋深、不同土质、有无作物覆盖的潜水蒸发影响的研究得以系列化、标准化、促进了水均衡研究及水资源“三水转化”的评价,但大多数地中渗透仪内无专门的水、盐传感设备,如同“黑匣子”,不能获得其中水分含量θ(z,t)盐分含量S或溶质浓度C(z,t)的时空分布;受有限设备条件的约束,地中渗透仪的处理不能过多,所设计处理只能限于有限的观测设备.(4)七十至九十年代,在土壤水盐运动的能量转换理论和地下Ξ本文于1995年5月30日收到.系世界银行《中国北方灌溉》资助项目.
水数值模拟技术的推动下,在传统地中渗透仪或大型室内土柱内部增加水分或盐分传感器,进行近代技术的更新改造,使数学模型的数值解与实验技术得以结合,“黑匣子”得到识解.进而用土壤水盐数据采集系统,对ASGC系统的溶质迁移进行动态模拟.可对复杂环境下进行处理多、效率高、周期短、投资省的精确计算和分析评估;本文属于此例,以中国河套灌区为目标,研究地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟.
二、实验方法与测定设备
(一)实验物理模型 土柱4根,高220cm、直径14cm,内装均质扰动土(砂土、重砂壤土、轻砂壤土、粉质壤土).顶部用红外线灯照射模拟稳定蒸发,用标准蒸发皿d=20cm率定水面蒸发量;底部设排水滤层及地下水位控制装置,模拟不同地下水埋深;土柱上方设马氏供水箱,模拟降水(灌溉)入渗.构成蒸发2入渗再分配,不同地下水条件,均质土柱溶质迁移的物理模型.
(二)土壤水分数据采集子系统 用有较强垂直空间分辨能力,受土壤化学成分影响较小、易于防护的γ透射法,放射源为137Cs.γ射线探头由行走系统操作移动,对土柱轴线不同空间点进行θ自动采集.
(三)土壤盐分数据采集子系统 土柱内固定采集点(间距10cm)预埋接触式盐分
)或传感器,测定土壤溶液电导值EC,经16通道选通装置自动采集点溶液EC(25℃
C值.
(四)微机管理系统 经两块数据转换卡将电导仪和γ射线定标器与PC—386计算机连接,用汇编语言编制软件,实现自动选择量程、数据自动采集和记录、存贮的微机管理.
设土壤含水率目标值为θ,土壤溶质总浓度目标值为C,由数据采集系统定时(t)、定点(z)采样获得其时空分布:土壤湿度场记为θ(Zi,tj),溶质浓度场记为C(Zi,tj):i=1,2,…,I,I———空间观测点数; j=1,2,…,J,J———时间观测次数;I×J=系统内水分与盐分(浓度)采样品总数.
三、数学模型与数值计算方法
(一)数学模型 在土壤水2地下水动力学理论指导下,多孔介质中溶质迁移的数学模型据总结[7,12],主要是在对流2弥散方程的基础上分别考虑吸附作用,或不动水体的单独影响.考虑到河套灌区的次生盐渍化特征及河套平原沉积与洪积交错成土特征,土壤中的盲孔现象(含不动水体)和吸附作用两者均不可忽视,经过专门实验和计算论证[6,10],在对流2弥散方程的基础上需增加同时考虑含有不动水体与吸附作用两种影响的改进模型.
对于均质各向同性土壤,在忽略温度势及生物吸收作用,只研究土壤吸附总量,不涉及单一离子组分和多离子间相互作用;对于大面积灌排系统中的任一单元体,忽略水平方向水力梯度影响等假定下,构成一维饱和2非饱和流场,地下水与土壤盐溶质迁移的数学模型,可分别由水分运动,盐溶质迁移两方程耦合构成:
1.土壤水分运动方程 为使数值计算迭代方便,并使计算误差较小和适用于饱和—78—
—非饱和流,采用以v为因变量的土壤水分运动方程,用隐差分法求解式(1).
2()(1—Av=,1)2+B(v)9t9Z9Z
初始条件:v(Z,t)=v0(Z), Z>0,t=0,
上边界条件:一类v(Z,t)=v0(Z), Z=0,t>0,
二类-v+K(v)=R(t), Z=0,t>0,9Z(1—2)(1—3)(1—4)
(1—5)
(1—6)
(1—7)蒸发时R(t)=-Es(t),再分配时R(t)=0,土壤 下边界条件= , 不9ZV
)=θ式中:Cr为入渗水浓度;Dsh(V,θmDsh;Ic(Z,t)为称源汇项,表示单位时
间内、单位体积溶液中由于土壤吸附(解吸)、衰变及沉淀(解析)作用引起的溶质质量变化.
Ic(Z,t)=ρα+,9t9t(3)
式中:Sα为土壤吸附量.由实验求得含有两种容量因子土壤吸附及解吸过程的河套土壤动力吸附模型[9]为:
Sα=Smax(1-be-2α),(4)
式中:Smax为土壤最大吸附量,对轻砂壤土Smax=9110mmol/kg;C为溶质平衡浓度;a为经验系数,吸附时a=010454,解析时a=010355;b为起始吸附容量因子,吸附时b=019505,解析时b=019765;Q为单位体积土壤中固态盐分含量,采用β系数法的下式计算:
θj+=i2(Ci-Cmax),9t
j+j+β1,Ci2≤Cmax, (当θi2=0时,令β=1)
j+β2 Ci2>Cmax,(5)β= π
流动区与非流动区溶质通过分子扩散交换:
=α(Cm-Cim),9t
θimi=(1-f)θi,(6)(7)
[10]式中:α为质量交换系数;f=θ.m/θ,f=01976
上述式(2),采用单步反向追踪的特征———有限元方法(CFE)求解.联立解式(1),(2)即可定解土壤溶质的水盐运动目标.
3.模型的正确性 用Naylor和Finger(1977)提出的三步法,在灌溉和冲洗淋盐、蒸发2入渗再分配条件下进行验证后研究提供了如下简化条件:在蒸发2入渗再分配时,不动水体具有“汇”的效用,对溶质迁移有较大影响,在长期预测时可忽略吸附作用的影响.而在降雨或灌溉入渗条件下,土壤吸附作用具有“源”的效应,对溶质迁移有较大影响,因而不动水体影响可忽略.上述成果较Nielsen(1986)总结的单独考虑吸附作用,单独考虑不动水体影响的数学模型的应用条件作了具体改进补充.
(二)数值计算方法 求解土壤水运动v方程比较了隐式差分和中心差分格式,认为虽然中心差分精度较高,但要求步长Δt太小,在长期蒸发模拟计算中难以采用,故选用隐式差分法.
求解具有双曲型特征溶质迁移方程,由于浓度峰面太陡,在Peclet数(Pe),Courant数(Cr)较大时,用一般数值方法易产生数值弥散(失真)或数值振荡(过量),常在浓度峰面附近出现数值摆动或峰面模糊不清.经对国内外公认的三种先进数值方法:Bresler时间导数取高次近似的差分;二阶迎风隐式差分;特征2有限元法;经稳定流、非稳定流的多种典型状态的比较计算认为;由于CFE法将双曲型方程转化为抛物型方程后,消除了数值计算困难的隐患,有精度和效率高的优点,有广泛适应性如:Pe≤100,Cr≤015,故溶质迁移用CFE法[6,7].
四、地下水与土壤盐渍化关系的动态模拟
(一)模拟系列设计 根据河套灌区概念模型和灌排条件[4],用以下特值划分模拟系列和挡次:
1.气候 以水面蒸发强度代表共4个挡次:E0=110,610(多年平均),1010(近似4—6月平均),1815mm/d.
2.土壤 选定灌区内3种代表土类,重砂壤土、轻砂壤土、粉质壤土.土体构型均质扰动土.盐分垂向分布2种,全剖面均匀分布,表层20cm呈现三解型分布,以下均匀分布.盐分化学组成,以Cl-型为主.积盐动态计算深度5种,Hs=20,50,100,200,250cm.盐溶质浓度垂向空间分布11种C(Z)=0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200cm.
3.地下水 埋深6种,Hg=015,110,115,210,215,310m.矿化度5种,以单盐NaCl进行实验模拟,Cg=011,015,110,510,1010g/L.
4.预测时间 3种动态过程,土壤总蒸发时间(tmax):t1=10—50d、用于两次灌水间,t2>45d,用于播种—收割,t3=120d相当全生育期.
5.灌溉或冲洗定额 3种,M=60,80,100m3/亩,灌溉水质Ci=015—110g/L.—80—
由此组成复杂ASGC系统的多处理、多组合的模拟系统,可表征3种主要自然因子A、S.G及人工因子M与t的相互关系,即一定条件下地下水与土壤盐渍化动
[7]态.
(二)动态模拟图谱 选择稳定蒸发条件下、轻砂壤土的10幅图作代表说明:11在一定气候条件下(Es=10mm/d),不同地下水埋深、不同地下水矿化度与一定深度土层内平均积盐量关系图1可知:在地下水埋深很浅Hg=50cm图1(a),各种地下水矿化度对表土20cm积盐量S20均与积盐蒸发时间t呈线性正相关;在灌区内常见地下水矿化度Cg=015—110g/L,当t>20—30d,其S20>012%可达到危害作物苗期正常生长.而当地下水埋深增大为Hg=100cm,即使蒸发强度增大到Es=1815mm/d如图1(b),大多数矿化度如Cg=015—510g/L的S20—t关系线全部上移并呈非线性急剧增大,但t的适当延长,如t35d后,对S100—t不同矿化水有曲线尾部分离趋势.图1(e)表明,对于更大地下水埋深Hg=250cm,计算所得地下水位以上的全部包气带内总平均盐量S250,会受到不同矿化地下水的影响,矿化度大的Cg=510,1010g/L居于S250—t的最上方,矿化度低的Cg=011,015g/L居图形最下方.不同地下水埋深,不同地下水矿化度组合,对S20—t的积盐动态关系如图1(f).可知在一定蒸发条件下,地下水埋深比地下水矿化度,对于表土积盐是更为敏感的因子
.
图1 不同潜水埋深(Hg),不同潜水矿化度(Cg),不同蒸发强度Es条件下:
表层或一定深度土体积盐量S与蒸发时间t复相关关系
21在一定气候条件(Es=10mm/d)和蒸发时间(t=30d)观察不同地下水埋深、不同地下水矿化度的不同土层深度(Z)剖面的溶质浓度(C)的分布关系图2可知:在浅地下水埋深Hg=015m条件下,矿质地下水Cg=011,015,110,510g/L补给包气带后,盐分经过浓缩主要集中在表层0—20cm—30cm深度;以下分布渐趋减小并相对稳定,即图2(a)、(b)的112号线与Z轴渐平行;对不同矿化度的C2Z曲线有相似双曲线型,且1.2号线保持一定的相互距离.但当地下水达Hg=110,115m后,
随Cg的加大,C(Z)的垂向分布发生改变呈凹形曲线,即C(Z)2Z关系出现两个峰值段,如在表土层0—20—30cm处出现地表峰值,在接近地下水面以上50—100cm处出现另一个更大的峰值,可能是由于模拟时表土“风干脱水”,使表土积盐受阻,而在邻近地下水的强烈供给区(带)产生溶质大量迁移浓缩的结果,其分布特征随地下水矿化度Cg值不同这种分异性变得更加明显.图2(a)、(b)的4、6号线即表明在相同地下水埋深Hg=115m条件下,由于Cg=011,015,110,510所致.这种底土含盐高的垂向分布,是干旱区表土次生盐渍化的潜在威胁,当遇到小雨或小定额灌水,可产生小雨“勾碱”现象使表土积盐
.
图2 不同潜水埋深(Hg),不同潜水矿化度(Cg)条件下,一定蒸发积盐时间(t=30d)
和稳定蒸发强度(Es=1010mm/d),不同土层深度(Z)剖面2盐溶质浓度(C)分布关系
3 在一定气候条件(Es=10mm/d)和地下水矿化度(Cg=110g/L)条件下,不同地下水埋深对表土S20和100cm土层S100积盐量与t的动态关系图3可知:该图具有双曲型特征,与国内多处实验站从地中渗透仪观测的潜水蒸发2地下水埋深关系十分相似.随着蒸发时间t的延长,表土和一定深度土层内积盐量也不断增大,由于对地下水埋深反应的灵敏性不同,随积盐层计算深度增大,S20→S100时其S—t—Hg的转折(或称突变性)深度值从Hg=115→210m,这一关系可用于系统探求地下水临界深度HK的变化规律,并可具体说明临界深度的确定应与规定深度土层积盐量有密切关系,有助于HK值确定的规范化.上述原理还可用于变动地下水矿化度Cg,模拟不同Cg2Hg2t2S20,100等复相关关系.较传统方法即依靠一组或几组有限的地中渗透仪只能获得少数的几种潜水埋深与蒸发关系和一种马氏并供水水质Cg关系比较,能获得多因子,多处理组合系统的动态模拟成果.
(三)成果的检验 将数值模拟成果与河套灌区内两处地中渗透仪实验、宁夏银北灌区普查方法所得成果比较,详见[7].对于非冻期(4—9月)砂性土无作物覆盖的潜水蒸发,虽三处所用方法及划分标准
有一定不同,但所获得的临界深度基
本一致HK=115m并随计算土层深
度增加和积盐时间的延长HK值会有
所增大到210m.证实数值动态模拟
成果可靠.
图3 在Es=1010,Cg=1条件下,不同潜水埋深不同蒸发
时间下,表土(或一定土层)积盐总量关系
五、结 语
11以实验土柱物理模型为基础的数值模拟技术,研究地下水与土壤盐渍化的动态关系,可作为深入认识和再现客观过程的一种近似手段.不仅可对复杂多变的环境进行多因子、多处理的组合问题动态系统模拟;还可对一部分不便进行实验或不能进行实验的某些问题(如边界条件不同,极值下的动态)进行仿真和预测.
21有关地下水与土壤盐渍化各种研究方法有各自的优缺点和一定的适用条件,它们之间是相互补充的.动态模拟方法虽有许多优点并可用于预测,但限于实验室与野外条件的某些差异,仍需要用田间调查和专门设备的观测实验验证;同时该方法需要有科学的物理模型和精确的参数测定,才能使计算机的仿真获得好的效果.
参考文献
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(下转第35页)
Cumulativefunctionofsensitiveindexforwinterwheat
WangYangren LeiZhidong YangShixiu
(TsinghuaUniversity)
Abstract
Aconceptofcumulativefunctionofsensitiveindexwasintroducedinthispaper.Byreviewingthepreviousstudies,theauthorsuseagrowingcurvetorepresentthecumulativefunctionofsensi2tiveindexinJensenmodel.Amethodfordeterminingtheparametersofthecumulativefunctionwasconsumptionforwinterwheat.Theresultsdemonstratethatthecumulativefunctionofsensitivein2dexrepresentedbyagrowingcurvecoulddescribetheyieldresponsetowaterdeficitforwinterwheat.
Keywords waterproduction,cumulativefunctionofsensitiveindex,growingcurve.(上接第83页)
Dynamicsimulationoftherelationshipbetweenwatertable
andsalinizationofsoil
ChenYaxin ShiHaibin TianCunwang
(InnerMongoliaInstituteofAgricultureandAnimalHusbandry)
Abstract
TherelationshipbetweenwatertabledepthandsaliniztionofsoilhasbeenstudiedbynumericalsimulationonthebasisoftheoryofthesoilwaterdynamicandsolutetransportintheAtmosphere2SalinizationofSoil2GroundwaterContinuum(ASGC).Fourfundamentalresearchonsystematicsimulationandrelevantsoftwarehavebeencompleted:1,computermanagementsystemtomakeautomaticdatacollectionofsoilwaterandsaltconcentration.2,determinationexperimentsofsoilwaterandsaltmovementparametersinsaturatedandunsaturatedsoil.3,calculationmodelestab2lishmentofsolutetransport.4,numericalmethodwhichcansolvecomplexmathematicalproblemsbasedonthesolutetransportmodel.basedonthedynamicsiumlationofsolutetransportinthesoil2waterenvironmentofalargearidirrigationarea,114multi2factorandmulti2casechartsinthecom2plexenvironmenthavebeencompleted.Thisishelpfulforrevealingquantitativecorrelationandmechanismofwatertablelandsalinizationofsoilaswellasthemanagementandcalculationofsoilwaterresource.
Keywords groundwater,salinizationofsoil,dynamicsimulation,solutetransport,rela2tionship.