典型黄土灌区土壤水分零通量面变化特征研究.pdf
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1、Journal of Water Resources Research 水资源研究水资源研究,2023,12(4),368-377 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jwrr https:/doi.org/10.12677/jwrr.2023.124041 文章引用文章引用:廖一铭,严宝文.典型黄土灌区土壤水分零通量面变化特征研究J.水资源研究,2023,12(4):368-377.DOI:10.12677/jwrr.2023.124041 典型黄土灌区土壤水分零通量面变化特征研究典型黄土灌区
2、土壤水分零通量面变化特征研究 廖一铭,严宝文廖一铭,严宝文*西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 收稿日期:2023年7月7日;录用日期:2023年8月14日;发布日期:2023年8月31日 摘摘 要要 黄土灌区土壤水零通量面动态对作物生长状况和水生态稳定性有着重要的影响作用,研究其运动变化特征对灌黄土灌区土壤水零通量面动态对作物生长状况和水生态稳定性有着重要的影响作用,研究其运动变化特征对灌区地下水合理利用和水生态稳定意义重大。本文以宝鸡峡灌区作为研究区,基于钻孔资料,以灌溉水入渗和降区地下水合理利用和水生态稳定意义重大。本文以宝鸡峡灌区作为研究区,基于钻孔资料,以灌溉水入渗和降雨
3、入渗为供水条件,运用雨入渗为供水条件,运用Hydrus软件,探讨黄土中水分的运动特征和土壤水分零通量面位置的变化,构建多层软件,探讨黄土中水分的运动特征和土壤水分零通量面位置的变化,构建多层黄土条件下水分入渗和土壤水分零通量面位置变化模型,探索维持土壤水分含量稳定黄土条件下水分入渗和土壤水分零通量面位置变化模型,探索维持土壤水分含量稳定(零通量面下移极限零通量面下移极限)的途的途径。主要结论:径。主要结论:1)人工灌溉下发散型零通量面大多出现在距土壤表面人工灌溉下发散型零通量面大多出现在距土壤表面2030 cm之间,天然降雨下发散型零通之间,天然降雨下发散型零通量面大多出现在距土壤表面量面大多
4、出现在距土壤表面1020 cm之间;之间;2)天然降雨情况下缺失中更新统下部黄土层会使发散型零通量面天然降雨情况下缺失中更新统下部黄土层会使发散型零通量面的厚度增大,变化更剧烈。人工灌溉条件下地层结构对零通量面的影响较小;的厚度增大,变化更剧烈。人工灌溉条件下地层结构对零通量面的影响较小;3)供水时段的合理分配对于维持供水时段的合理分配对于维持土壤水分含量稳定有较大的影响。研究可为黄土灌区地下水运动参数的确定、作物需水预测和地下水农业污染土壤水分含量稳定有较大的影响。研究可为黄土灌区地下水运动参数的确定、作物需水预测和地下水农业污染研究提供理论基础。研究提供理论基础。关键词关键词 土壤水分,零
5、通量面,灌溉入渗,降雨入渗,土壤水分,零通量面,灌溉入渗,降雨入渗,Hydrus Study on Movement of Soil Water Zero Flux Plane in Typical Loess Irrigated Area Yiming Liao,Baowen Yan*College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi Received:Jul.7th,2023;accepted:Aug.14th,2023;published:
6、Aug.31st,2023 Abstract Dynamic of soil waters Zero Flux Plane(ZFP)in loess irrigation area has important influence on crop growth status and water ecological stability,and study on its movement is of great significance to the ra-作者简介:廖一铭(2001-),男,湖南衡阳人,硕士研究生,研究方向:水文学与水资源,Email:ym_*通讯作者 Email: 典型黄土灌区
7、土壤水分零通量面变化特征研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124041 369 水资源研究 tional utilization of groundwater and water ecological governance and stable restoration in irrigated area.Taking Baojixia irrigation area as the research area,based on the borehole data,and setting irriga-tion water and rainfall infiltration as
8、 the water supply conditions,using the Hydrus,this paper discusses the seepage movement characteristics of water in loess and the position changing of soil moisture ZFP,and constructs a model of water infiltration and soil moistures ZFP position in multi-layer soils.Sugges-tions are put forward to m
9、aintain the stability of soil moisture content(downward shift limit of ZFP).Main conclusions are as follows:1)Most of the divergent ZFP under artificial irrigation occur between 2030 cm from the soil surface,and most of the divergent ZFP under natural precipitation appear be-tween 1020 cm from the s
10、oil surface,2)The absence of the lower mesopleistic loess layer under natural precipitation increases the thickness of the divergent ZFP and change more drastically.Under artificial irrigation conditions,the substructure has little influence on the ZFP,and 3)The reasonable allocation of water supply
11、 period has a greater impact on maintaining the stability of soil moisture content(down-ward shift limit of the ZFP).This study can provide a solid theoretical basis for the determination of groundwater movement parameters,the forecast of the water demand of crops,and the research of groundwater agr
12、icultural pollution in loess irrigation area.Keywords Soil Moisture,Zeroflux Plane,Irrigation Infiltration,Rainfall Infiltration,Hydrus Copyright 2023 by author(s)and Wuhan University.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.
13、org/licenses/by/4.0/1.引言引言 黄土地区厚度巨大的土层具有储存水分的良好基础,其中的土壤水可为植被生长提供水分和养料1 2,而适度埋深的土壤水分零通量面是维持土壤水分持续供给的必要条件之一。但近 50 年来,气候变化加上工农业开发,黄土高原区域尤其是灌区内土壤水分的变化日趋剧烈,黄土灌区土壤水分动态研究的需求也日趋迫切3 4。目前学者们在土壤水分时空变化与水量平衡,植被承载力等方面取得很多的研究成果,为黄土灌区土壤水分亏缺的解决提供了大量科研依据5。但进一步的深层次研究需探明水循环中包括深层渗漏和蒸散发量等水文变化量,也就是水分零通量面的时空变化情况,而这类变量在土层深厚
14、黄土地区的动态监测较为困难6,尤其是供水频繁的灌区,因此相应的研究较少。而使用数值方法,依据少量监测数据获得接近实际状态的模拟结果可以有效解决问题,Hydrus 就是其中一类常用的模拟方法7 8。宝鸡峡灌区位于陕西省关中西部,地处大陆性半干旱气候区,年均降雨量约 600 mm 左右,年均蒸发量约1100 mm。灌区总灌溉面积 1.943 105 hm2。按自然地形和工程布局,分为塬上和塬下两大灌域,塬上灌域也称黄土塬灌区,塬下灌域称为渭河阶地灌区。黄土塬灌区的地表水源主要来自于渭河干流林家村渠首,灌溉面积1.241 105 hm2,塬下灌区由渭河干流魏家堡自流引水,灌溉面积 7.020 104
15、 hm2。经过 50 多年运行,灌区基本上形成了地表水为主、地下水为辅的灌溉格局,用水模式在大型黄土灌区中极具代表性。灌区主要作物以玉米、小麦、油菜、果树等为主9,是全省粮、油、果的生产和供应基地,灌区的发展对全省的粮食安全和关中经济社会发展具有重要支撑作用。因此研究该区黄土中水分零通量面的运动特征十分必要。2.研究方法研究方法 Hydrus2D 是一款用于土壤水分运移和热运移建模的软件,基本原理是建立数学模型来描述土壤中水分和热量的运动和变化。通过离散化土壤系统的物理特性,将系统建模为一系列方程,然后求解这些方程得到系统各Open AccessOpen Access典型黄土灌区土壤水分零通量
16、面变化特征研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124041 370 水资源研究 部分的水、热分布情况。Hydrus2D 的水分运移模型基于 Richards 非线性偏微分方程,方程描述了水分在土壤中的运动速度与土壤水势梯度间的关系。在 Hydrus2D 中,Richards 方程被离散化为一组有限差分方程,求解后可得到土壤中的水分含量、水势以及水分的流动情况10。本文使用 Hydrus2D 进行水分运移模拟,通过参数的设置,构建地质模型和多层黄土水流入渗模型,利用有限元生成模块进行长方形区域网格剖分,设置初始水头压力条件和边界条件,通过求解水流控制方程等方程组,不断迭代,直到所
17、有设置的时间步长都计算出结果,得到研究区域网格上每个节点的水头值、土壤含水量等数据,据此构建多层黄土中水分入渗和土壤水分零通量面位置变化模型,进行数值模拟。3.情景设定和地层分析情景设定和地层分析 3.1.情景设定情景设定 通过分析资料确定模拟地层结构,然后使用 Hydrus2D Water Flow 模块构建多层结构黄土入渗模型(假定制取长 10 m 的土柱),供水条件设置为人工灌溉和天然降雨状态,土壤水力参数设置见表 2。人工灌溉供水条件的强度通过分析灌区玉米和冬小麦的灌水定额及灌溉期进行设定,本文设置次灌溉定额为 60 m3/亩,灌溉期为 30 天,每天灌溉 8 小时,灌溉强度 0.03
18、749 cm/h。而天然降雨强度受季节等因素条件影响较大,本文设定天然降雨强度为 0.0458 cm/h,降雨历时为 4 小时,降雨间隔时间 8 小时。据陕西省气象局资料,宝鸡市年平均蒸发量约为 1200 mm,平均每天蒸发量约为 3.3 mm,综合考虑取蒸发强度为 0.02083 cm/h。Figure 1.Distribution of formation drilling in Baojixia irrigation area 图图 1.宝鸡峡灌区地层钻孔分布图 边界条件的设置:顶边界为大气边界,底边界设置为自由排水边界,两侧边界假定无水分交换作用,设置为零通量边界。最后通过分析模拟结果
19、,总结零通量面位置的变化规律及其上下运动。3.2.地层结构分析地层结构分析 通过比对宝鸡峡塬上灌区钻孔剖面图,从东至西选取三个代表钻孔:84 号钻孔(武功)、86 号钻孔(乾县)和93 号钻孔(礼泉)(图 1)。钻孔分析发现,宝鸡峡塬上灌区的地质结构自上而下大都包含有上更新统黄土、中更新统上部黄土、中更新统下部黄土以及下伏砂砾卵石、砂、粘质砂土等岩性。按照量算的地层比例,确定钻孔各地层的虚拟厚度,结果见表 1,各地层水力参数见表 2。典型黄土灌区土壤水分零通量面变化特征研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124041 371 水资源研究 Table 1.Formation st
20、ructure and thickness of each layer 表表 1.地层结构与各层厚度表 钻孔 上更新统黄土 中更新统上部黄土 中更新统下部黄土 84 1.96 6.32 1.72 86 2.48 7.52 93 1.93 6.78 1.29 Table 2.Hydraulic parameters of loess layer in the upper Baojixia irrigation area 表表 2.宝鸡峡塬上灌区黄土地层水力参数 岩性 孔隙度 粒度构成%渗透系数 K m/d 砂 粉砂 粘土 水平 垂直 中更新统下部黄土 0.05%8 5761 1934 抽水综合
21、0.0440.032 中更新统上部黄土 5%10%813 5472 2036 9.8 1042.2 102 4.4 1032.5 102 抽水综合 0.0190.922 上更新统黄土 10%1012 5964 2029 抽水综合 0.0190.922 4.模型建立模型建立 根据模拟设计的构想,根据 84 号、86 号、93 号钻孔资料,分别设定人工灌溉和天然降雨状态两种边界条件,建立 6 个模型。4.1.Water Flow 模型原理和假设模型原理和假设 4.1.1.模型原理模型原理 Water Flow 模型主要用于描述土壤中水分的运移过程。该模型基于 Richards 基本方程:AAiji
22、zijhK KKStxx=+(1)为体积含水量(cm3/cm3);h 为压力水头(cm);K 为饱和导水率(cm/d);AijK为无量纲张量 KA的第 i 个主分量在 j 方向上的分量;源汇项 S(d1)用于解释根系吸水11。模拟过程中,Water Flow 模型将土壤划分为一系列离散的网格单元,通过求解 Richards 方程来描述土壤中的水分运移过程,并考虑土壤温度、孔隙度、压缩性等因素的影响。4.1.2.模型假设模型假设 Water Flow 模型的假设包括:多孔介质土壤,水分运移受毛管力、重力和惯性力影响。土壤孔隙度、渗透率、吸附性能、压缩性、温度等参数会随时间和空间变化。土壤水分是连
23、续的,无间隙或气泡。土壤中的水分流速与水分梯度成正比,且满足 Darcy 定律12。土壤毛管力是由土壤颗粒表面张力和水气界面张力间的相互作用所产生。土壤水分运移也受温度影响,升温会降低土壤孔隙度和水分吸附性能,从而影响水分运移速度。4.2.模型参数的确定和构建模型参数的确定和构建 4.2.1.几何参数确定几何参数确定 6 个模型均为长 100 cm,深 1000 cm,有结构的有限元网格简单几何的二维流动运移的垂直面。4.2.2.水流参数确定水流参数确定 6 个模型均在“主要过程(Main Processes)”对话框中选用 WaterFlow(水流)模块;在“时间信息(Time In-典型黄
24、土灌区土壤水分零通量面变化特征研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124041 372 水资源研究 formation)”对话框设定:模拟起始时间为 0 h,模拟结束时间为 72 h(三天),初始时间步长 0.002 h,最小时间步长 0.001 h,最大时间步长 1 h。可变时间边界数设置为 72。天然降雨供水条件模型 3 个,“输出信息(Output Information)”参数设置为模型每运行 10 个时间步长输出一个数据,输出详细数据数组总数为 360(即输出结果时间间隔为 0.2 h)。其可变时间边界参数设置为:降雨强度 0.0458 cm/h,蒸发强度 0.020
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