雨水集聚深层入渗系统土壤水分运移模拟研究

发布时间：2020-06-12 15:07

【摘要】：干旱缺水是制约黄土高原苹果产业可持续发展的主要瓶颈。严重的水分亏缺不仅影响果树的产量和品质,还会导致深层土壤干燥化,加剧该地区生态退化。因此,实现有限降雨的高效利用对旱作果园提质增效具有重要科学和现实意义。雨水集聚深层入渗系统(RWCI)正是针对旱作果园提出的兼具蓄水和保水优点的雨水资源就地拦蓄入渗技术,该技术已经在黄土高原山地果园得到了一定的应用,但是其水分调控机理尚不明确,且在最优设计深度研究较为薄弱。本研究将以该技术为研究对象,采用室内土箱模拟试验与HYDRUS-2D数值模型相结合的方法,研究典型RWCI系统土壤水分运移过程,提出针对不同树龄的系统最优设计深度;结合长期定位监测,探究RWCI系统土壤水分的时空分布与降雨入渗的关系,本论文以期为黄土高原旱地果园RWCI系统的合理设计和推广提供参考。该研究得出以下主要结论:(1)建立了RWCI系统数值模型,明确RWCI系统设计坑深和灌水量对土壤水分运移的影响。采用HYDRUS-2D模型建立RWCI系统土壤水分运动模型,通过室内土箱试验对数值模型进行了验证。湿润锋在垂直向与水平向及土壤含水率模拟值和实测值的RMSE、MAE和NE分别为1.900 cm、1.410 cm、0.984,1.632 cm、1.260 cm、0.944和0.047 cm~3cm~(-3)、0.016 cm~3cm~(-3),0.916。发现相同灌水量时,设计深度对水平向湿润锋运移影响较小,但随着设计深度增加,湿润锋在垂直向的运移和水平向存在明显差异;随着灌水量增大,湿润锋垂直向移速度大于水平向运移速度,且在垂直向与水平向的运移距离差异逐渐增大。(2)确定了不同苹果树龄条件下RWCI系统最优设计深度。通过根系比根长和模拟土壤水分的重合度指标得到不同树龄果树最优设计深度。当设计雨强为60 mm/h时,6龄、14龄和22龄果树对应的最优RWCI系统设计深度分别为50 cm、40 cm和85 cm;忽略表层重合度时,3种树龄最优设计深度分别为60 cm、70 cm和85 cm。当设计雨强为80 mm/h时,6龄、14龄和22龄果树对应的最优RWCI系统设计深度分别为50 cm、65 cm和75 cm,忽略表层重合度时,3种树龄最优设计深度分别为65 cm、65 cm、80cm。因此给出6龄果树最优设计深度范围为50~65 cm,14龄果树最优设计深度范围为40~70 cm,22龄果树最优设计深度范围为75~85 cm。(3)揭示RWCI系统蓄水保水规律。2016~2018年苹果树生育期不同阶段,鱼鳞坑(CK)与RWCI系统对土壤的蓄水保水效果存在显著差异。3个生育期内CK土壤含水率均低于RWCI处理,RWCI处理土壤水分的变化随着降雨上下波动。2016、2017和2018年RWCI40、RWCI60和RWCI80较CK处理在0-120 cm土层的土壤含水率平均分别高出4.99%、5.31%、4.60%,5.85%、6.10%、7.12%和4.46%、4.58%、5.24%。降雨前,CK处理剖面土壤含水率低于各RWCI;雨后第3天,各处理在垂直方向的运移速度趋于稳定,RWCI60剖面土层的含水率增加最为显著;各处理0-40 cm土层的含水率随着土壤蒸发蒸腾作用逐渐减小。土壤水分垂直分布表明,2016~2018年每个生育期内各处理垂向土壤含水率在0-120 cm土层变化波动较大,且在120-280 cm土层各RWCI处理土壤含水率呈现逐年增加趋势。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S152.7

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