豎管地表滴灌土壤水熱遷移數(shù)值模擬研究

豎管地表滴灌土壤水熱遷移數(shù)值模擬研究

摘要：豎管地表滴灌是一種特殊的灌溉方式，其可以實(shí)現(xiàn)土壤水分和熱量的精確供給，提高農(nóng)田水熱環(huán)境的控制性。本文利用數(shù)值模擬方法，對(duì)豎管地表滴灌土壤水分和熱量的遷移過(guò)程進(jìn)行研究。通過(guò)建立土壤水分和熱量的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法，模擬了豎管地表滴灌過(guò)程中土壤水分和熱量的變化規(guī)律，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。研究結(jié)果表明，豎管地表滴灌可以有效提高土壤水分和熱量的供給精度，降低水分和熱量的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：豎管地表滴灌；數(shù)值模擬；土壤水分；熱量；供給精度

一、引言

豎管地表滴灌是一種新型的灌溉方式，它通過(guò)在土壤表面開(kāi)設(shè)一系列直徑較小的豎向滴管，將水滴均勻供給給植株根系。相比于傳統(tǒng)的噴灑灌溉和滴灌，豎管地表滴灌具有節(jié)水、節(jié)能、提高水分和養(yǎng)分利用效率等優(yōu)勢(shì)。目前，豎管地表滴灌在農(nóng)田中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而對(duì)于土壤水分和熱量的遷移過(guò)程的研究還比較有限。

二、建立數(shù)學(xué)模型

豎管地表滴灌的土壤水分和熱量遷移過(guò)程可以看作是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題。根據(jù)土壤水分和熱量遷移的基本原理，可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。首先，考慮土壤水分的遷移，可以利用Richards方程描述土壤水分的變化規(guī)律：

?θ/?t=?·(K(θ)·?θ)+S

其中，?θ/?t是土壤水分的變化率，?是梯度算子，K(θ)是土壤水分導(dǎo)水系數(shù)，S是源項(xiàng)。然后，考慮土壤熱傳導(dǎo)，可以利用熱傳導(dǎo)方程描述土壤熱量的變化規(guī)律：

?T/?t=?·(κ·?T)+Q

其中，?T/?t是土壤熱量的變化率，κ是土壤熱傳導(dǎo)率，Q是源項(xiàng)。

三、數(shù)值模擬方法

為了求解上述數(shù)學(xué)模型，本文采用了有限元數(shù)值模擬方法。首先，將土壤域劃分為有限個(gè)小單元，然后使用數(shù)值計(jì)算方法求解數(shù)學(xué)模型。在計(jì)算過(guò)程中，需要將土壤的物理性質(zhì)參數(shù)和邊界條件納入考慮。同時(shí)，還需要對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和精度分析，以保證數(shù)值模擬的可靠性和準(zhǔn)確性。

四、數(shù)值模擬結(jié)果及討論

本文通過(guò)設(shè)置不同的邊界條件和土壤性質(zhì)參數(shù)，模擬了豎管地表滴灌過(guò)程中土壤水分和熱量的變化過(guò)程，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，在豎管地表滴灌的過(guò)程中，土壤水分和熱量的分布呈現(xiàn)出明顯的非均勻性，表現(xiàn)為近豎管地區(qū)水分和熱量含量較高，而離豎管較遠(yuǎn)的地區(qū)水分和熱量含量較低。此外，豎管地表滴灌可以通過(guò)控制滴灌水量和滴灌頻率，實(shí)現(xiàn)土壤水分和熱量的精確供給，提高水分和熱量的利用效率。

五、參數(shù)敏感性分析

為了進(jìn)一步研究豎管地表滴灌對(duì)土壤水分和熱量的影響，本文進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。結(jié)果顯示，滴灌頻率、滴水量和土壤導(dǎo)水系數(shù)是影響土壤水分和熱量分布的重要參數(shù)。適當(dāng)調(diào)整滴灌頻率和滴水量可以改變土壤水分和熱量的分布，提高土壤水分和熱量的利用效率。

六、結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬研究了豎管地表滴灌的土壤水分和熱量遷移過(guò)程，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。研究結(jié)果表明，豎管地表滴灌可以提高土壤水分和熱量的供給精度，降低水分和熱量的浪費(fèi)。同時(shí)，滴灌頻率、滴水量和土壤導(dǎo)水系數(shù)是影響土壤水分和熱量分布的關(guān)鍵參數(shù)。本研究對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化豎管地表滴灌技術(shù)，提高農(nóng)田水熱環(huán)境控制能力具有重要的參考價(jià)值綜上所述，通過(guò)本文的研究可以得出以下結(jié)論：豎管地表滴灌技術(shù)在農(nóng)田水熱環(huán)境控制方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在豎管地表滴灌過(guò)程中，土壤水分和熱量的分布呈現(xiàn)出明顯的非均勻性，近豎管地區(qū)水分和熱量含量較高，而離豎管較遠(yuǎn)的地區(qū)水分和熱量含量較低。滴灌頻率、滴水量和土壤導(dǎo)水系數(shù)是影響土壤水分和熱量分布的關(guān)鍵參數(shù)，適當(dāng)調(diào)整這些參數(shù)可以改變土壤水分和熱量的分布，提高其利用效率。因此，優(yōu)化豎管地