土壤水運動機理及數(shù)值模擬研究進展

土壤水運動機理及數(shù)值模擬研究進展

土壤水是指土壤從地面延伸到地下水面（潛水面）的土壤層（即非飽和帶水的土壤）的水，也被稱為土壤中的養(yǎng)分和水分。在JacobBear所著的《DynamicsofFluidsinPorousMedia》即《多孔介質(zhì)流體動力學》一書中,將非飽和帶(有譯稱為充氣帶、包氣帶)又區(qū)分為三個亞帶即土壤水帶、中間帶(或稱滲水帶)和毛細管帶。我國學術(shù)界習慣地將土壤水研究包括了整個非飽和帶。從學科領(lǐng)域,土壤水可視為土壤學的一個分支,但它又與多個學科與多個應用領(lǐng)域有著密不可分的關(guān)系。土壤水是聯(lián)系地表水與地下水的紐帶,在水資源的形成、轉(zhuǎn)化與消耗過程中,它是不可缺少的成分。國際地圈生物圈計劃(IGBP)強調(diào)界面過程研究,力圖把全球物理氣候總循環(huán)模型(GCMs)與全球水循環(huán)模型耦合,土壤水亦是其中組成部分;灌溉或降雨均需轉(zhuǎn)化成土壤水才能被作物(含生態(tài)環(huán)境中各種植被)所吸收,因此土壤是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)——農(nóng)業(yè)中各種種植業(yè)賴以生存的基礎(chǔ);水文學中最重要的組成內(nèi)容——產(chǎn)匯流理論,亦取決于下墊面的土壤水狀況;作為當今國內(nèi)、國際熱門話題的環(huán)境保護問題,涉及到化肥、農(nóng)藥、重金屬等對土壤與地下水污染,無一不與土壤水狀況發(fā)生關(guān)系;此外土壤水還與自然地理、植物生理等學科研究有一定聯(lián)系。由于土壤水的特殊地位,隨著科學技術(shù)發(fā)展,土壤水的研究在近20年來發(fā)展迅速。雖然土壤水研究在理論上和應用上均有重要作用,但由于問題的復雜性,在相當長的時期內(nèi),只能處于定性的描述或用各種經(jīng)驗的方法處理生產(chǎn)實踐中不斷遇到的土壤水問題。自從1907年白金漢(Buckingham)提出毛管勢理論,1931年理查茲(Richards)導出非飽和流方程,數(shù)學物理方法被逐步引入了土壤水的研究,使該領(lǐng)域的研究有了長足的進步,逐步由靜止走向動態(tài)、定性描述走向定量、經(jīng)驗走向機理。從國際潮流上用能態(tài)觀點研究土壤水逐步地取代以形態(tài)學觀點與方法(以蘇聯(lián)A.A.羅戴為代表)研究的趨勢?！锻寥浪芬粫?SoilWater由D.R.Nielsen等編著),較系統(tǒng)地介紹了用水勢觀點研究土壤水。《土壤和水》《土壤物理學的應用》,《土壤水動力學的計算模擬》等在70～80年代陸續(xù)發(fā)表,90年代有《土壤水文學》專著問世,將土壤水研究逐步發(fā)展成較獨立的學科分支。我國50年代以來,土壤水探討主要圍繞著農(nóng)業(yè)發(fā)展(對作物或產(chǎn)量探討)和土壤普查等,研究工作較少。但以蘇聯(lián)羅戴為代表的形態(tài)學觀點于此時系統(tǒng)地介紹到我國,對我國土壤水分研究有重要影響,客觀地起到積極作用。70年代末期,隨著我國改革開放,各種學術(shù)流派得以百花齊放,最具有代表性的是在第一次全國土壤物理學術(shù)講座會(1977年12月杭州),土壤水分的能量觀點首次被介紹到國內(nèi),使人耳目一新。80年代開始,我國科技工作者在吸收國際學術(shù)界各種有益的學術(shù)觀點基礎(chǔ)上,相繼開展了土壤水的理論與試驗研究,學術(shù)空氣十分活躍,國際、國內(nèi)交流也日益增多。這20年是我國關(guān)于土壤水研究發(fā)展最快的時期,除了一批譯著的出現(xiàn),扎根于國內(nèi)的有關(guān)土壤水(或以土壤水分運動為其重要內(nèi)容的)專著或著作陸續(xù)問世,例如雷志棟、楊詩秀等所撰寫的《土壤水動力學》(1988年);張蔚榛等人所著的《地下水與土壤水動力學》(1996年);康紹忠、劉曉明、熊遠章等所著《土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸理論及其應用》(1994年);李韻珠、李保國編著的《土壤溶質(zhì)運移》(1998年);楊邦杰等所著《土壤水熱運動模型及其應用》(1997年);荊恩春等著《土壤水分通量法實驗研究》(1994年)都反映了我國學者近10多年來研究成果的豐碩。全國性土壤物理學術(shù)討論會至今已開了6次,各次會上涉及土壤水分研究的論文約占土壤物理學論文的40%～60%,土壤水分始終是土壤物理學科中最為活躍的一個領(lǐng)域。概括我國土壤水研究近20年的發(fā)展(1978～1999年),我們已從向國際上先進科學學習的過程中脫穎而出,顯示出一定的實力,成為參與國際上共同推動該學科前進的一支力量,研究的特點亦從單學科走向?qū)W科交叉;從均質(zhì)走向非均質(zhì),從點的研究走向面(或區(qū)域)的研究,從理論研究推進到應用研究;以下著重以土壤水運動研究與土壤水研究的應用兩方面說明其進展。1土壤水運動的研究方法能夠定量地研究土壤水分運動狀況正是能態(tài)學觀點優(yōu)于形態(tài)學觀點之處。1931年里查茲(A.Richards)導出非飽和流基本方程?θ/?t=?[K(θ)?Ψ](1)?θ/?t=?[Κ(θ)?Ψ](1)式中θ為土壤含水率;Ψ為土水勢;Κ為非飽和導水率。?為哈密頓算子?；痉匠痰囊痪S、二維、三維以及在柱座標、球座標的表達式均可導出?；痉匠躺锌呻S著應用的需要,改寫成以基質(zhì)勢Ψm,含水率θ,位置座標(X或Z)或參變量(u或v)為因變量的表達式。當水分與溶質(zhì)運移相結(jié)合時,可以導出溶質(zhì)運移基本方程的表達式,如?(θC+c)/?t=?/?z[Dsh(Vθ)?c/?z]??(qc)/?z+Sc(2)?(θC+c)/?t=?/?z[Dsh(Vθ)?c/?z]-?(qc)/?z+Sc(2)即是其中的一種,國內(nèi)外學者根據(jù)對物理模型的基本假定尚有多種表達式。土壤中熱流基本方程可描述為Cv(?T/?t)=?[Kh?T](3)Cv(?Τ/?t)=?[Κh?Τ](3)式中T為溫度;Cv、Kh,分別為熱容量與熱導率。當水分運動的研究擴展為水熱運移的研究時,出現(xiàn)了土壤水熱耦合遷移的各種基本方程的表達式,它既可研究常溫條件下水熱問題,也可以研究負溫條件下即凍結(jié)條件下水熱耦合遷移問題,亦即把水的相變問題考慮在內(nèi)(需增加相變方程)。如前述及,土壤水研究從單一學科走向多學科的交叉也體現(xiàn)在SPAC(Soil-Plant-AtmosphereContinuum)系統(tǒng)的研究。SPAC理論從80年代初介紹到國內(nèi),把土壤-植物-大氣看作一連續(xù)體,用統(tǒng)一的能量指標——水勢將不同介質(zhì)之間相互關(guān)系看作整體中內(nèi)部關(guān)系,使土壤水和作物及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)研究成為可能,為農(nóng)田水循環(huán)等研究開辟了一個廣闊的天地。我國學者在SPAC研究方面也作了大量工作,例如,劉昌明等關(guān)于SPAC系統(tǒng)的蒸散發(fā)計算,康紹忠等關(guān)于SPAC水分傳輸?shù)挠嬎銠C模擬等。隨著物理模型的概括導出了本質(zhì)上一樣、形式上有所差別的各種方程,近年更把SPAC模擬擴展到地下水,提出了GSPAC的模擬。除了理查茲方程,更精確地描述則是用多孔介質(zhì)中多相流運動的基本方程,最常見的有兩相流運動方程(k/Φμn)?[krw(?ρw?ρwg?z)]=?Sw/?t(k/Φμn)?[krn(?ρn?ρng?z)]=?Sn/?t(4)(k/Φμn)?[krw(?ρw-ρwg?z)]=?Sw/?t(k/Φμn)?[krn(?ρn-ρng?z)]=?Sn/?t(4)可用以研究油在土壤中的污染等。土壤水的保持與再分配,作為土壤水運動的特例均可得以研究,不再單獨討論?；痉匠痰那蠼獾靡嬗谟嬎慵夹g(shù)和模擬技術(shù)的發(fā)展。由于描述土壤水運動機理的基本方程的復雜性(非線性、高階偏微分方程),解析求解是十分困難的,即使是最簡單的定解條件,還需要在各種簡化條件下運用較復雜的數(shù)學推導求解,為土壤水定量研究帶來很大的困難。但隨著計算機的普及以及計算技術(shù)的發(fā)展,各種相當復雜的實際問題均可通過數(shù)學模擬方法定量求解。求解非飽和土壤水流的數(shù)值方法主要為有限差分法(FDM)和有限單元法(FEM)。國內(nèi)已由此發(fā)展了很多計算技術(shù),例如:任理把有限解析法(FAM)引入求解非飽和流問題;朱學愚、謝春紅發(fā)展了非飽和流動問題的SUPG有限元數(shù)值法;由于溶質(zhì)運移中對流項在數(shù)值計算中容易產(chǎn)生數(shù)值彌散問題,左強、馮紹元等采用了特征-有限元法(CFE法),二階迎風隱式差分法(QUD法),改進交替方向有限元法等,較有效地處理了數(shù)值彌散或振蕩。用數(shù)值模擬方法求解的精度主要取決于土壤水分物理參數(shù)。對于水分運動的關(guān)鍵參數(shù)為比水容量(即水分特征曲線斜率的倒數(shù),可用dθ/dΨm表示,θ為體積含水率,Ψm為土壤水基質(zhì)勢),非飽和導水率K(θ)(或K(Ψm)),非飽和擴散率(D(θ))。若進行溶質(zhì)運移計算需要重要的水動力彌散系數(shù)Dsh(θ,V),若進行水熱模擬計算,同樣需相應的參數(shù)。因此,在國內(nèi)外土壤水的研究中,首先涉及參數(shù)的研究。近20年來對其測定方法做過許多探討,但至今未有十分成熟而又統(tǒng)一的方法,這不能不對土壤水的研究與進展產(chǎn)生不利的影響。1989年11月在美國加州召開了一次關(guān)于土壤水力性質(zhì)評估的國際會議,會后由M.Th.VanGenuchten教授等主編了論文集。該次會議主要討論了用間接方法估計非飽和土壤水力特性。VanGenuchten教授等人提出的估算方法頗流行,他用下列表達式表示水分特征曲線:θ=θr+(θs?θr)/[1+(ah)n]1?1/n(5)θ=θr+(θs-θr)/[1+(ah)n]1-1/n(5)式中θ、θs、θr分別為含水率、飽和含水率、殘余含水率;h為土壤基質(zhì)勢;a和n為非線性回歸系數(shù)。然后用Mualem的統(tǒng)計模型可導出非飽和導水率的計算公式如下:K(h)=Ks{1?(ah)n?1[1+(ah)n]1/(n?1)}2/[1+(ah)n](n?1)/2n(6)Κ(h)=Κs{1-(ah)n-1[1+(ah)n]1/(n-1)}2/[1+(ah)n](n-1)/2n(6)簡稱VG模型。VanGenuchten曲線θ(Ψ)亦用冪函數(shù)形式表達θ=θfsθ=P1P2/(P2+|Ψ|P3)+P4Ψ≥0Ψ＜0(7)θ=θfsΨ≥0θ=Ρ1Ρ2/(Ρ2+|Ψ|Ρ3)+Ρ4Ψ＜0(7)式中θfs為飽和含水率;P1、P2、P3、P4為擬合參數(shù);P4相當于殘留含水率;P1,P2之和為θfs。國內(nèi)已有學者將常見土壤的θ(Ψ)及K(Ψ)概化為各種土壤水分參數(shù)的概化值供使用。近年來我國學者已不再停留在室內(nèi)試驗階段,對現(xiàn)場測定參數(shù)亦作了一定的研究,有了一定的進展。土壤水運動機理研究由均質(zhì)走向非均質(zhì)體現(xiàn)在對優(yōu)先流的研究。優(yōu)先流是近年來研究土壤水運動所提出的術(shù)語,因為水分和污染物在非飽和土壤中的遷移是目前土壤水和地下水研究的重要課題,多年來一直用一維數(shù)學模型估算,尚未能預示其污染的威脅,但若考慮土壤中優(yōu)先途徑存在,則研究成果需重新估計。優(yōu)先流目前通常分為三類,即大孔隙流、指流、漏斗流。①大孔隙流由土壤的非均質(zhì)性引起,田間土壤中大孔隙結(jié)構(gòu)通常由土壤裂縫、根系通道和蟲洞等組成。②指流多是細顆粒土位于粗顆粒土之上的兩層土壤中容易產(chǎn)生,但在均質(zhì)土壤中濕潤鋒不穩(wěn)定性亦會引起,即指水分和污染物沿柱狀流動的途徑(其形同手指而得稱)。③漏斗流也是由土壤的非均質(zhì)性引起的,通常指細土壤剖面中有一個或幾個粗土斜夾層,當非飽和流到達斜層時,水流沿斜層的表面傾斜流動至下端,則以漏斗流的形式向下流動。目前,對優(yōu)先流已有一些理論研究和實驗成果,包括運用“水分視覺技術(shù)”,即在二維土樣背面裝均勻光源,前面一架攝像機將穿過土樣光線錄在錄像帶上,借助于計算機圖象處理方法分析錄象帶上圖象即可得含水量。也可用X射線測定二維指流。亦有運用地面滲透雷達測繪層狀土及土壤夾層狀況用計算機軟件處理和分析,在理論上亦推導出一些模型,但總的說來優(yōu)先流的機理仍在探索階段。作為土壤水機理研究的深入,70年代開始受到國際學術(shù)界普遍重視的土壤特性空間變異性的研究,80年代初在國內(nèi)受到了關(guān)注,并開展了研究,這說明國內(nèi)學者重視將土壤水理論應用于實踐,已在思考應用中的實際問題。由于描述土壤水分運動方程及參數(shù)雖可表達土壤性質(zhì)各向異性,但多是表達為“點”狀況。由“點”到“面”,由“面”到區(qū)域是不同尺度的問題。所謂空間變異性指的是空間分布上的非均一性(在已按某種條件劃分為“均勻”基礎(chǔ)上仍存在的)。土壤的物理參數(shù)(各種粒徑組成、干容重、水分特征曲線、非飽和導水率等),土壤中各種狀態(tài)變量(含水率,基質(zhì)勢等)也都存在著變異性。從實用角度,人們主要關(guān)心的是狀態(tài)變量的宏觀特征與其隨時間的變化規(guī)律。在尋求解決辦法時,主要用兩種途徑:一是處理確定性數(shù)學模型的參數(shù),由此研究參數(shù)的空間變異規(guī)律性;另一途徑是把確定性模型和隨機模型結(jié)合起來,即近期新發(fā)展的“標定”(Scaling)理論與方法。處理空間變異性問題除可用經(jīng)典統(tǒng)計分析外,近年來國際上將地學統(tǒng)計學方法引入本領(lǐng)域。亦得到國內(nèi)研究者們響應,即研究各種土壤特性的空間結(jié)構(gòu),包括在河北、山東、山西、內(nèi)蒙、新疆等地田間實測含水率,基質(zhì)勢以及各種土壤物理特性的自相關(guān)性,空間分布的半方差,并將成果用于最優(yōu)內(nèi)插。標定理論與方法引入后,國內(nèi)的同行有將其用于水文模型,例如研究入滲量的空間分布,入滲公式的標定等。與本問題相聯(lián)系的是把不確定模型與隨機模擬引入土壤水研究領(lǐng)域,國內(nèi)一些青年研究者在這方面作了有益的探索。例如,非均質(zhì)土壤中二維非飽和土壤水分運動的隨機分析;田間根系層儲水量動態(tài)變化概念性隨機模型的建立并成功地求解,已能夠?qū)μ镩g根系層儲水量給出隨機動態(tài)的模擬結(jié)果。2土壤水研究(1)我國智能土壤水分檢測儀器的現(xiàn)狀雖然作為經(jīng)典的方法即取土烘干法仍是可取的,但近20年來,國內(nèi)開展了較大量的測定土壤水分的方法和儀器的研制。首先是中國科學院南京土壤研究所研制的張力計有小批量生產(chǎn),隨后很多單位能自制張力計供使用,并有各種改進,多用于研究灌溉節(jié)水或控制環(huán)境等方面。隨著中子水分儀技術(shù)傳入我國,江蘇農(nóng)業(yè)科學研究院原子能研究所研究的鈹源中子水分儀已在國內(nèi)形成商品。隨后核工業(yè)部所屬的北京核子儀器公司出品的CNC503DR智能中子水分儀,均有計算機存貯、顯示、打印等功能。但總體說來,質(zhì)量水平仍稍遜于國際產(chǎn)品。國內(nèi)還在努力地研制各種傳感器,用電阻式、電容式或相應原理做成傳感器,并配以單板機等將訊號自動采集,但目前仍沒有十分成功且商品化的產(chǎn)品。近幾年,用時域反射儀(TimeDomainReflectory簡稱TDR)逐漸進入中國市場,該儀器在80年代還不成熟,但經(jīng)改進后,進入90年代在國際上已很普遍,探頭亦多樣化,由直插式發(fā)展為橫插式,便于長期田間水分監(jiān)測,且可自動監(jiān)測。目前國內(nèi)尚沒有生產(chǎn)TDR產(chǎn)品,較之中子水分儀,TDR使用更為方便,精度亦高,是一種很有前途的測定土壤水分儀器,但儀器價格昂貴,較難推廣應用,目前國外已有其簡化產(chǎn)品例如單點式,但價錢仍高。除了測試儀器外,國內(nèi)還發(fā)展了多個室內(nèi)大型物理模擬設施(例如大型土柱、試驗槽)和現(xiàn)場試驗設施。地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所在室內(nèi)建設了大型物理模擬實驗裝置,在零通量面、土壤水勢測量技術(shù)方面作了很多研究。水利、土壤、農(nóng)業(yè)、地礦等部門修建的地中滲透儀(Lysimiter)用于研究潛水蒸發(fā)降雨入滲補給等規(guī)律,其本質(zhì)是研究非飽和帶水分運動。(2)土壤水的均衡地下水資源評價中地下水均衡仍是最基本方法,其要點是確定水均衡參數(shù),包括降雨入滲補給系數(shù)α=Pr/P(Pr為降雨補給地下水量;P為降雨量);潛水蒸發(fā)系數(shù)C=Eg/E0(Eg為潛水蒸發(fā)量;E0為水面蒸發(fā)量);給水度μ=△W/△H(地下水單位下降從土壤中排出的水量),這些水均衡參數(shù)的確定本質(zhì)上均是非飽和土壤水運動的結(jié)果。在水資源評價中另一重要應用是研究四水(地表水、地下水、土壤水與大氣水)轉(zhuǎn)化規(guī)律。當對土壤水認識很少時,流域水文模型或水分轉(zhuǎn)化均用黑箱子模型,即僅研究輸入項與輸出項關(guān)系,隨著土壤水研究的進展,各種模擬性模型與水動力模型得以發(fā)展。新型的流域水文模型,特別是分布式水文模型中,土壤水分運動模擬已成為其重要部分。(3)土壤水監(jiān)測與田間因勢而異的技術(shù)研究由于我國國民經(jīng)濟是以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ),我國又是水資源十分緊缺的國家,農(nóng)業(yè)中節(jié)水問題被提到很高的地位,圍繞著農(nóng)田土壤水分的轉(zhuǎn)化問題與農(nóng)田水分的有效利用開展了大量的研究。最常見的是各種農(nóng)田水均衡模式以及SPAC水分遷移的研究,土壤水都是其核心內(nèi)容之一。土壤水研究更為直接地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務則是研究如何充分發(fā)揮土壤水分的潛力,即作物產(chǎn)量與土壤水分關(guān)系,作物水分生產(chǎn)函數(shù)研究即是其成果。如何加強農(nóng)田水分的管理,使其發(fā)揮出充分效益亦是重要的內(nèi)容,由此國內(nèi)研究了各種墑情監(jiān)測與預報的模型。研究土壤空間變異性并用于田間土壤墑情監(jiān)測的合理取樣數(shù)目,田間墑情布點方法等也是直接為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務的。凍融條件下土壤水熱耦合運移被用于研究北京等地區(qū)實行的冬灌的作用,以及季節(jié)性凍土地區(qū)的鹽堿化控制。(4)優(yōu)先流研究的進展是國內(nèi)研究工作的創(chuàng)新發(fā)展,并在國內(nèi)國內(nèi)多包括生態(tài)環(huán)境在內(nèi)的環(huán)境問題日益引起國際國內(nèi)高度重視?；?、農(nóng)藥、除草劑等都屬于與溶質(zhì)有關(guān)的物質(zhì),這些物質(zhì)在土壤中運移狀況不僅與土壤水的流動有關(guān),而且與溶質(zhì)的性質(zhì)及隨水移動過程中所發(fā)生的物理、化學和生物化學過程有密切關(guān)系,它可包括根的吸收、土壤表面的揮發(fā)、降解(農(nóng)藥的水解及微生物的降解),硝化與反硝化、溶解與沉淀等等。主要研究進展是近三四十年,70年代開始,研究工作由實驗室走向田間