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第1章 绪论1

1.1 研究背景与意义1

1.1.1 我国水资源现状和节水农业1

1.1.2 我国农业环境污染现状4

1.2 研究历史与现状8

1.2.1 土壤水动力学模型研究8

1.2.2 污染物迁移动力学研究10

1.2.3 植物根系模型研究11

1.2.4 农田水利模型研究12

1.2.5 基于模型的水肥优化管理研究14

1.2.6 基于模型的氮污染风险评价技术研究14

1.2.7 土壤水动力学及污染物运移模拟数值方法研究15

第2章 土壤水动力学基本理论17

2.1 土壤水动力学概述17

2.2 土壤—植物—大气连续体基本概念17

2.3 土壤水动力参数18

2.3.1 土壤水势18

2.3.2 土壤水分特征曲线19

2.3.3 土壤水分运动参数21

2.4 土壤物理常数23

2.5 直角坐标系土壤水分运动基本方程24

2.6 直角坐标系一维土壤水分运动方程的不同形式25

2.7 直角坐标系一维土壤水分运动方程的定解条件25

2.8 蒸发和入渗边界条件的基本理论26

2.9 根系吸水模型28

2.10 土壤质地29

2.10.1 土壤质地分类29

2.10.2 土壤质地对土壤生产性能的影响32

第3章 裸地条件下蒸发模型理论34

3.1 引言34

3.2 表土蒸发模型理论34

3.2.1 形成干土层前的表土蒸发过程35

3.2.2 土壤水非稳定蒸发的解析解36

3.2.3 形成干土层后的表土蒸发过程37

3.2.4 现阶段表土蒸发模型39

3.3 潜水蒸发模型理论40

3.3.1 一维均质土潜水蒸发时的土壤水稳定运动40

3.3.2 一维均质土潜水蒸发时，最大潜水蒸发强度的统一计算式42

3.3.3 一维均质土潜水稳定蒸发的求解43

3.3.4 一维非均质土潜水蒸发时土壤水稳定运动44

3.3.5 潜水蒸发的经验公式45

3.4 本章小结46

第4章 裸地条件下入渗模型理论及应用研究47

4.1 引言47

4.2 裸地条件下入渗模型理论47

4.2.1 经验性入渗模型47

4.2.2 机理性入渗模型49

4.2.3 入渗过程的非均匀流研究53

4.3 入渗模型数值试验研究53

4.3.1 分层土体入渗响应数值试验研究53

4.3.2 积水条件下入渗响应数值试验研究58

4.4 本章小结63

第5章 土壤—植物—大气系统土壤水动力学有限元模型64

5.1 引言64

5.2 基于SWMS_2D模型的有限元基本理论64

5.2.1 二维土壤水分运动方程64

5.2.2 初始条件和边界条件65

5.2.3 有限元数值解法65

5.2.4 SWMS_2D模型程序组成67

5.3 基于动态根系生长的土壤水动力学有限元模型70

5.4 实例验证71

5.4.1 实例说明71

5.4.2 模型验证73

5.5 本章小结77

第6章 裸地条件下土壤水动力学IRE模型78

6.1 引言78

6.2 裸地条件下的IRE方法基本原理78

6.3 裸地条件下改进的IRE土壤水动力学模型82

6.4 实例验证82

6.4.1 实例一82

6.4.2 实例二86

6.4.3 结论89

6.5 FEM与IRE的土体蒸发响应模拟研究89

6.5.1 实例介绍89

6.5.2 分项结果90

6.5.3 综合结果96

6.5.4 结论98

6.6 本章小结99

第7章 土壤—植物—大气系统水肥优化使用决策支持系统100

7.1 引言100

7.2 EU-ROTATE_N决策支持系统101

7.2.1 模型和架构101

7.2.2 水模块基本理论105

7.3 N_ABLE动力学模型111

7.3.1 作物需求量计算模块111

7.3.2 根生长与分布模块112

7.3.3 作物氮吸收模块113

7.3.4 N_ABLE模型计算流程图114

7.4 Daisy模型115

7.5 NPK综合动力学模型117

7.5.1 磷动力学模型118

7.5.2 钾动力学模型118

7.6 本章小结119

第8章 EU-ROTATE_N决策支持系统的发展和实例验证120

8.1 引言120

8.2 EU-ROTATE_N决策支持系统水模块的改进120

8.2.1 实际入渗量或蒸发量计算121

8.2.2 实际蒸腾量计算121

8.2.3 IRE方法122

8.3 实例验证122

8.3.1 实例说明122

8.3.2 模型验证124

8.4 SMCR_N模型129

8.5 实例验证130

8.5.1 实验介绍130

8.5.2 输入数据130

8.5.3 结果及讨论133

8.6 本章小结139

参考文献140

图1.1 农业活动中氮污染过程示意图5

图2.1 欧洲范围内粗砂（a）和细砂（b）的代表性土壤水分特征曲线22

图2.2 欧洲范围内粗砂（a）和细砂（b）的导水率含水率和扩散系数含水率关系曲线23

图2.3 降雨或灌溉时入渗率随时间关系曲线27

图2.4 降雨或灌溉时含水率的分布和分区的示意图27

图2.5 根系吸水率土壤负压响应函数示意图29

图2.6 美国制土壤质地分类31

图3.1 砂壤土土柱蒸发试验中蒸发系数与干土层厚度关系曲线38

图3.2 砂壤土土柱蒸发试验中干土层厚度随时间变化过程38

图3.3 地下水埋深一定时，不同蒸发强度下的土壤负压分布43

图3.4 地下水埋深一定时，入渗和蒸发条件下，土壤剖面上含水率分布44

图4.1 Green Ampt入渗模型示意图50

图4.2 改进的Green Ampt模型示意图51

图4.3 数值实验土体的初始含水率54

图4.4 累积入渗量随时间变化图55

图1.5 径流量随时间变化图55

图4.6 湿润锋位置随时间变化图56

图4.7 实际入渗速率随时间变化图56

图4.8 设计工况下H随时间变化曲线图59

图4.9 壤砂土入渗响应模拟结果60

图4.10 砂壤土入渗响应模拟结果60

图4.11 壤土入渗响应模拟结果61

图4.12 粘土入渗响应模拟结果61

图5.1 荷兰Bouwing试验农场1984年天气数据图72

图5.2 Bouwing实验农场的0～40cm和40～100cm的土壤含水率与lg|h|的实验点及模拟曲线72

图5.3 实例中10个时段有限元方法模拟结果与实验数据在含水率分布上的数据对比75

图5.4 实例中三个不同阶段标准化的根长密度实验点与模拟结果的对比图75

图5.5 实例中模拟的实际蒸发量与蒸腾量随时间变化曲线图76

图6.1 裸地条件下改进的IRE土壤水动力学模型示意图80

图6.2 实例1中不同计算方法壤砂土和粘壤土的实际入渗速率84

图6.3 实例1中不同计算方法壤砂土和粘壤土的实际累积入渗量85

图6.4 实例1中不同计算方法壤砂土和粘壤土不同深度处含水率对比图86

图6.5 实例2不同计算方法得到的蒸发速率对比图（a）粗砂（b）细砂88

图6.6 设计算例下不同计算方法模拟上层土—粗土含水率分布图91

图6.7 设计算例下不同计算方法模拟上层土—粗土每日蒸发量和累积蒸发量91

图6.8 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等土含水率分布图92

图6.9 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等土每日蒸发量和累积蒸发量93

图6.10 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等细土含水率分布图93

图6.11 设计算例下不同计算方法模拟上层土—中等细土每日蒸发量和累积蒸发量94

图6.12 设计算例下不同计算方法模拟上层土—细土含水率分布图94

图6.13 设计算例下不同计算方法模拟上层土—细土每日蒸发量和累积蒸发量95

图6.14 设计算例下不同计算方法模拟上层土 极细土含水率分布图95

图6.15 设计算例下不同计算方法模拟上层土—极细土每日蒸发量和累积蒸发量96

图6.16 FEM方法模拟100天后5种土体的累积蒸发量96

图6.17 FEM方法模拟100天后5种土体总含水量变化量97

图6.18 FEM方法模拟100天后5种土体总含水量变化率97

图6.19 FEM方法模拟的5种土体总水量随时间变化图98

图6.20 IRE方法模拟的5种土体总水量随时间变化图98

图7.1 EU-ROTATE_N模型流程图（主要模块）102

图7.2 EU-ROTATE_N模型水模块流程图106

图7.3 NRCS径流量计算模型流程图109

图7.4 N_ABLE模型计算流程图114

图7.5 Daisy模型组成示意图116

图7.6 Daisy模型中碳流（二氧化碳）示意图116

图7.7 NPK综合动力学模型流程图117

图8.1 荷兰PAGV试验农场1984年天气数据图123

图8.2 PAGV实验农场的0～25cm,25～40cm和40～100cm土壤含水率与lg|h|的实验点及模拟曲线124

图8.3 实例中六个不同深度处模拟结果与实验数据在含水率上的数据对比126

图8.4 实例中土壤含水率实测值与模拟值对比图126

图8.5 实例中三个不同阶段标准化的根长密度实验点与模拟结果的对比图127

图8.6 实例中作物干重模拟值与实测值对比图128

图8.7 实例中含氮量模拟结果128

图8.8 华威大学国际园艺研究所1970年天气数据图131

图8.9 华威大学国际园艺研究所1971年天气数据图131

图8.10 华威大学国际园艺研究所1972年天气数据图132

图8.11 华威大学国际园艺研究所1973年天气数据图132

图8.12 华威大学国际园艺研究所1974年天气数据图132

图8.13 华威大学国际园艺研究所1975年天气数据图133

图8.14 蚕豆—1972在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）133

图8.15 胡萝卜—1970在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）134

图8.16 韭—1971在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）134

图8.17 洋葱—1973在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）134

图8.18 豌豆—1971在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）135

图8.19 土豆—1972在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）135

图8.20 萝卜—1971在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）135

图8.21 糖用甜菜-1974在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）136

图8.22 夏季白菜—1970在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）136

图8.23 芜菁—1972在不同的氮肥条件（kg/ha）下：作物干重（t/ha）实测值与模拟值对比图（1）；作物（除须根）含氮率（％）实测值与模拟值对比图（2）136

图8.24 作物（除须根）含氮率（％）模拟值与实测值对比图136

图8.25 作物干重模拟值与实测值对比图138

图8.26 不同作物上部（除须根外）含氮率（％）的关系图138

表1.1 2007年中国各水资源一级区水资源量（亿立方米）2

表1.2 2007年中国各水资源一级区用水量（亿立方米）2

表1.3 2008年中国各水资源一级区水资源量（亿立方米）3

表1.4 2008年中国各水资源一级区用水量（亿立方米）3

表1.5 2008年中国七大水系水质类别及主要污染指标6

表1.6 2009年中国七大水系水质类别及主要污染指标6

表1.7 2010年中国七大水系水质类别及主要污染指标6

表1.8 2010年重点湖库水质类别7

表1.9 2010年重点大型淡水湖泊水质状况7

表1.10 2010年城市内湖水质评价结果7

表1.11 2010年大型水库水质评价结果7

表2.1 常用的土壤水分特征曲线方程20

表2.2 各种土壤的滞后影响统计表21

表2.3 国际制土壤质地分类30

表2.4 卡庆斯基制土壤质地分类（简明方案）31

表2.5 中国土壤质地分类标准32

表2.6 不同质地的七壤平均有效水容量33

表4.1 数值实验5组土体的水力特征参数54

表4.2 数值实验5组土体的入渗速率57

表4.3 土体的水力特征参数和初始含水率58

表4.4 设计工况的参数值58

表4.5 Parlange模型参数计算值59

表4.6 模拟结束时土体在设计工况下湿润锋位置62

表5.1 SWMS_2D模型程序组成67

表5.2 源文件INPUT2.FOR不同子程序所对应读入的输入文件和输入块68

表5.3 源文件OUTPUT2.FOR中不同子程序所对应的输出文件69

表5.4 四种作物的Lnrd（Zr）的拟合参数71

表5.5 Bouwing实验农场基本数据71

表5.6 Bouwing实验农场的土壤水力参数值73

表6.1 不同土层区间的平均土壤水模拟值与有限元结果的相对百分比误差81

表6.2 模拟结束时刻模拟土体水量平衡表81

表6.3 实例1的土壤参数83

表6.4 Yanful和Choo使用土壤水分特性曲线获得粗砂的相关参数87

表6.5 Yanful和Choo使用土壤水分特性曲线获得细砂的相关参数87

表6.6 实例2中土体性质及参数87

表6.7 实例2两种计算模型得到的平均蒸发速率及累积蒸发量89

表6.8 算例中5种土的初始含水率90

表6.9 欧洲典型土的物理定义90

表6.10 欧洲地区常见5种典型土的水力参数90

表6.11 100cm的研究土体上层土—粗土总含水量（cm）随时间变化表91

表6.12 100cm的研究土体上层土—中等土总含水量（cm）随时间变化表92

表6.13 100cm的研究土体上层土—中等细土总含水量（cm）随时间变化表93

表6.14 100cm的研究土体上层土细土总含水量（cm）随时间变化表94

表6.1 5 100cm的研究土体上层土——极细土总含水量（cm）随时间变化表95

表7.1 不同水文土壤类别的饱和导水率的范围值110

表7.2 不同条件下二类径流量曲线值CN2110

表8.1 PAGV实验农场基本数据122

表8.2 实例中不同时期0～100cm土层中含氮率实测值123

表8.3 实例中水位变化表123

表8.4 PAGV实验农场的土壤水力参数值124

表8.5 1970—1975年实验详细信息130