宁夏银北地区盐渍土水盐运移数值模拟研究

【摘要】宁夏银北地区存在大量的盐渍化土壤,具有分布广、面积大的特点,导致可进行生产生活的土地资源极为有限,因此严重的制约了当地的经济发展。本文以该地区的碱化盐渍土为研究对象,将数值模拟方法与室内外实验相结合,深入探讨了宁夏银北地区春夏季该类盐渍土水盐运移规律,为碱化盐渍土的防治及利用提供一定的理论依据。室外试验区位于宁夏银川市贺兰县南梁台子铁西村,选择24个监测点利用时域反射仪(TDR)测量各监测点不同深度处的土壤含水率和含盐量。实验结果显示,在无作物条件下,水平断面的土壤含水率在20cm处波动频繁,最大值出现在8月下旬至9月上旬,且随着深度的增加,土壤含水率是逐渐增加的但波动趋于平缓；而水平断面20cm处土壤盐分含量的变化幅度较大,最高值出现在8月底、最低值出现在6月初。8月、9月的土壤盐分逐渐堆积在25cm处,随着深度的增加含盐量逐渐减小,直至趋于稳定。在有作物条件下,土壤的含盐量在整个监测期比无作物条件下的低,水平断面的土壤含盐量在0-40cmm处是逐渐增加的,且在同层断面上的盐分浓度波动平缓。室内试验则主要对试验区盐渍土的水分运动参数和溶质运动参数进行测定。首先,使用15bar压力膜仪测定土壤水分曲线的试验参数,并对该参数进行模型拟合。通过前期实验发现,Gardner模型在常规初值条件下进行拟合易发生数值弥散或计算不收敛的现象,本文尝试性地采用线性回归估算初值以取代常规初值,结果显示此法可有效的提高数值结果与实测值的吻合性。其次,通过水平入渗试验测得了土壤的扩散率及弥散系数的相关试验参数,参数的趋势线以幂指数形式表示,进而得到土壤的导水率值。文章在获得相关参数的基础上,继而对盐渍土中的水、盐在土壤中的运移规律进行了数值模拟。鉴于土壤水盐运移模型属于对流扩散方程,文章采用有限体积法用于该离散非线性方程。通过三个数学算例的验证,结果显示模拟值无论与实测值还是精确解相对比,均表现出良好的吻合性,且能够有效的避免数值振荡和数值偏移的现象发生,以上结果说明有限体积法用于模拟土壤水盐运移是可行的。此外,文章归纳总结了采用有限体积法离散二维土壤水盐运移方程的计算网格离散系数表,并利用Matlab软件将模型与室内外试验的相关参数相结合,模拟论证了研究区纵断面土壤水盐的运移过程,结果表明模拟值与实测值吻合较好。结合以上实际测量的结果和数值模拟的结果,本文对该地区盐渍土纵断面水、盐运移规律进行综合分析,得到以下结论：利用有限体积法求解土壤水盐运移方程在精准度、稳定性及适应性等方面经过验证是可行的。受地下水埋深的影响,模拟土壤水分在监测期的断面形态是呈现西低东高的。通过数学模拟曲线表明7、8月份表层土含盐量极低,9月则急剧增加。积盐层出现在距离地表25cm处的浅土层区,极易对农作物及其他植被的生长造成影响。土壤水盐模拟值受边界条件的影响较大,当出现非透水边界时,在接近该边界处易发生水分集聚和盐分堆积现象。
【作者】赵文娟；
【导师】李春光；
【作者基本信息】宁夏大学，水利水电工程，2014，博士
【关键词】有限体积法；盐渍土；水盐；数值模拟；宁夏银北；

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