蓄水坑灌下果園土壤水-熱-氧三維分布數(shù)值模擬

蘇媛媛，郭向紅,2*，胡飛鵬，孫西歡，馬娟娟，鄭利劍，雷 濤

蓄水坑灌下果園土壤水-熱-氧三維分布數(shù)值模擬

蘇媛媛1，郭向紅1,2*，胡飛鵬1，孫西歡1，馬娟娟1，鄭利劍1，雷 濤1

（1.太原理工大學(xué)，太原 030024；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

【目的】構(gòu)建蓄水坑灌條件下的土壤水-熱-氧三維分布耦合模型，探究蓄水坑灌對(duì)土壤水、熱、氧分布的影響，揭示蓄水坑灌下的土壤水、熱、氧空間分布特征。【方法】基于土壤水分運(yùn)動(dòng)方程，土壤熱量傳輸方程和土壤氧傳輸方程，建立蓄水坑灌下的土壤水-熱-氧三維耦合模型，利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值求解，采用田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，基于驗(yàn)證后的模型模擬增設(shè)蓄水坑和灌水對(duì)果園土壤水、熱、氧分布狀況的影響。【結(jié)果】三維耦合模型具有較高的精度，模型模擬土壤含水率、土壤溫度和土壤氧濃度的分別為0.036 7、1.609 9和0.013 8。增設(shè)蓄水坑后，坑壁土壤水、熱、氧狀況發(fā)生較大改變；隨著時(shí)間的推移，蓄水坑周圍的土壤含水率降低，土壤含氧量升高，坑壁與地表土壤溫度呈相同的變化規(guī)律，均隨著氣溫的降低而降低。蓄水坑灌水后，水分通過坑壁滲入土壤，形成以坑底為中心的橢球狀含水率高值區(qū)和土壤溫度、含氧量低值區(qū)，三者分布隨著時(shí)間推移趨于均勻，但灌水對(duì)土壤溫度的影響時(shí)間遠(yuǎn)低于對(duì)土壤含水率和含氧量的影響時(shí)間。灌水對(duì)土壤氧濃度影響較小，氧濃度在地表和坑壁處較高；距地表和坑壁處越遠(yuǎn)，土壤氧濃度越低?！窘Y(jié)論】蓄水坑增大了坑壁處的土壤水、熱、氧交換界面，坑壁處土壤水、熱、氧狀況受蒸發(fā)、降水、大氣溫度和氧濃度的影響，與地表具有相似的變化；蓄水坑灌下的土壤水、熱、氧狀況更有利于作物根系的生長(zhǎng)。

蓄水坑灌；水-熱-氧耦合；COMSOL；數(shù)值模擬

0 引 言

【研究意義】水、肥、氣、熱是保障土壤肥力和作物生長(zhǎng)的重要因素。適宜的根際氧濃度可以改善根區(qū)土壤環(huán)境[1]，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高作物光合速率和產(chǎn)量[2]，改善作物品質(zhì)[3]?！狙芯窟M(jìn)展】以往研究對(duì)于土壤水、熱、肥的關(guān)注度遠(yuǎn)高于對(duì)土壤氧濃度的關(guān)注。在農(nóng)業(yè)節(jié)水的基礎(chǔ)上，研究者針對(duì)水、肥、熱開展了大量研究，通過灌溉、肥料改良、覆膜等措施調(diào)節(jié)農(nóng)田水、肥、熱環(huán)境。對(duì)于土壤氧濃度，以往研究主要基于試驗(yàn)手段探究了不同灌溉方式[4]和不同增氧方式（如鉆孔增氧、化學(xué)增氧、加氣增氧）對(duì)土壤氧濃度、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[1,3,5]。灌溉會(huì)對(duì)土壤水、肥、氣、熱環(huán)境造成一定影響[4]。蓄水坑灌作為一種節(jié)水灌溉新方法，通過在樹冠以下1/2處的圓周上均勻布設(shè)蓄水坑，能夠達(dá)到蓄滯水分的目的，同時(shí)在田間利用管道或溝道對(duì)蓄水坑進(jìn)行灌水，使水分由坑壁滲入周圍土壤，達(dá)到中深層立體灌溉的效果[4]。蓄水坑的布設(shè)增加了土壤與大氣的交換界面，改變了中深層土壤的水、熱、氧環(huán)境，在蓄水坑中灌水會(huì)進(jìn)一步影響土壤中的水、熱、氧環(huán)境。目前，相關(guān)學(xué)者針對(duì)蓄水坑灌下的土壤水熱狀況建立了蓄水坑灌下的土壤水熱運(yùn)動(dòng)機(jī)理模型[6-7]，分析了田間復(fù)雜條件下和凍融期蓄水坑灌下土壤的水熱運(yùn)動(dòng)狀況，為蓄水坑灌的研究提供了理論支撐。然而，以往研究對(duì)蓄水坑灌下土壤氧濃度的研究主要停留在試驗(yàn)研究階段，且局限于空間分布特征分析[4]。與試驗(yàn)研究相比，數(shù)值模擬可以突破時(shí)空局限性，定量分析土壤水、熱、氧的空間分布特征。在土壤水熱方面，研究者先后構(gòu)建了一維、二維、三維的土壤水熱耦合模型，如HYDRUS模型[8]，考慮的因素也逐漸全面。任榮[9]在考慮根系吸水、溫差作用的條件下建立了非等溫一、二、三維土壤水熱耦合模型。然而，以往對(duì)土壤氧運(yùn)移模型的研究較少，且建立的氧運(yùn)移模型多是一維和二維[10-11]，少有三維模型的建立。COMSOL是一款基于偏微分方程的多物理場(chǎng)有限元分析軟件，研究者可自由定義并耦合任意數(shù)量的偏微分方程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理場(chǎng)的耦合建模。由于強(qiáng)大的可用性和極高的自由度，COMSOL軟件在研究濕熱傳遞[12]、水鹽運(yùn)移[13]和熱空氣流動(dòng)[14]等方面被廣泛運(yùn)用。

【切入點(diǎn)】目前，蓄水坑灌下的土壤水-熱-氧耦合模型的構(gòu)建尚屬空白，且蓄水坑灌下的土壤水、熱、氧分布是一個(gè)典型的三維問題，不能簡(jiǎn)化為一維或者二維問題。鑒于此，構(gòu)建蓄水坑灌下的土壤水-熱-氧三維耦合模型對(duì)于研究蓄水坑的布置和蓄水坑灌對(duì)土壤水、熱、氧的影響至關(guān)重要。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究旨在建立適用于蓄水坑灌條件下的土壤水-熱-氧三維耦合運(yùn)移模型，探究增設(shè)蓄水坑和灌水對(duì)土壤含水率、土壤溫度、含氧量和土壤氧濃度的影響，揭示蓄水坑灌條件下的土壤水-熱-氧空間分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所進(jìn)行，該地位于太谷縣西南部，氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為9.8 ℃，平均海拔高度為781.9 m，年平均降水量為460 mm，無霜期為175 d。試驗(yàn)區(qū)土壤類型以粉（砂）壤土為主，灌溉水源為地下水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)測(cè)定

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試果樹為矮砧密植紅富士蘋果樹，株行距2 m×4 m。為探究增設(shè)蓄水坑和蓄水坑灌下灌水過程對(duì)土壤水、熱、氧的影響，對(duì)蓄水坑布置前后和蓄水坑灌灌水前后的土壤水、熱、氧狀況進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)于2020年7月14—24日進(jìn)行，在7月14日，在未設(shè)蓄水坑的區(qū)域測(cè)定土壤含水率和土壤氧濃度，然后以果樹為中心，在距離果樹75 cm處開挖4個(gè)直徑為30 cm的蓄水坑，并使蓄水坑均勻地分布在果樹周圍，每個(gè)坑深度為40 cm，坑底均采用不透水處理。7月16日再次進(jìn)行水、氧分布測(cè)定，并灌水113 L，灌水后分別于7月17、24日進(jìn)行土壤含水率和土壤氧濃度的測(cè)定。

1.2.2 數(shù)據(jù)測(cè)定

1）土壤含水率：采用TDR儀對(duì)土壤體積含水率進(jìn)行測(cè)定，取樣點(diǎn)1～6的布置如圖1（a）所示。自土面垂直向下每隔20 cm進(jìn)行取樣測(cè)定，取樣深度縱向達(dá)100 cm。

2）土壤氧濃度：采用OXYTEM土壤氧測(cè)定儀測(cè)定土壤氧濃度（土壤氧氣占土壤空氣體積的比例，單位為cm3/cm3或%），測(cè)點(diǎn)1～6的布置如圖1（a）所示。引入土壤含氧量來表征土壤氧氣在土體中的絕對(duì)量，計(jì)算方法如式（1）所示：

3）土壤溫度：采用土壤溫度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定，觀測(cè)期間每30 min記錄1次數(shù)據(jù)。溫度測(cè)點(diǎn)7～11和探頭布置如圖1（b）所示。

4）氣象資料：氣象資料從試驗(yàn)地的ADCON無線自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站收集，主要為降水量和大氣溫度。

圖1 土壤水、熱、氧測(cè)點(diǎn)布置

2 蓄水坑灌土壤水-熱-氧三維耦合模型

考慮蓄水坑灌下土壤水、熱、氧分布的對(duì)稱性，在距果樹75 cm位置處布設(shè)蓄水坑，坑半徑為15 cm，深度為40 cm。

2.1 控制方程

蓄水坑灌下的土壤水-熱-氧耦合模型由土壤水分運(yùn)動(dòng)方程、土壤熱量傳輸方程和土壤氧傳輸方程構(gòu)成，其中土壤水分運(yùn)動(dòng)方程和土壤熱量傳輸方程采用Su等[7]建立的蓄水坑灌下土壤水熱耦合模型，土壤氧傳輸方程在忽略根系和微生物的呼吸作用下，將Ouyang等[11]建立的一維土壤氧傳輸方程拓展為三維土壤氧傳輸方程：

2.2 定解條件

土壤水分運(yùn)動(dòng)和熱量傳輸?shù)亩ń鈼l件與文獻(xiàn)[11]一致。土壤氧傳輸方程的初始條件為實(shí)測(cè)初始土壤剖面的氧分布。

2.3 模型參數(shù)

2.4 仿真實(shí)現(xiàn)

考慮到蓄水坑灌下的土壤水-熱-氧三維耦合模型的復(fù)雜性，利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合建模。土壤水分運(yùn)動(dòng)建模使用“理查茲方程”接口，同時(shí)添加全局方程模擬入滲過程中坑內(nèi)水量的變化；土壤熱量傳輸建模使用“多孔介質(zhì)傳熱”接口；土壤氧傳輸建模使用“對(duì)流-擴(kuò)散方程”接口，并根據(jù)土壤氧傳輸方程進(jìn)行修改。在COMSOL中構(gòu)建幾何模型，并進(jìn)行“較細(xì)化”網(wǎng)格剖分，針對(duì)坑內(nèi)和地表邊界進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，輸入模型參數(shù)并定義定解條件，最后進(jìn)行模型計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

選取2號(hào)和5號(hào)2個(gè)土壤含水率和氧濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，7號(hào)和9號(hào)2個(gè)土壤溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，取灌水后1 d和8 d的土壤含水率、溫度和氧濃度的模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。除2號(hào)點(diǎn)位灌水后1 d土壤含水率模擬值較實(shí)測(cè)值偏大外，其他各點(diǎn)位上的土壤含水率、氧濃度和溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合情況較好。

圖2 不同時(shí)間和剖面土壤含水率、溫度和氧濃度的實(shí)測(cè)值與模擬值擬合情況

為了進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，采用均方根誤差、平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差對(duì)模型的模擬精度進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。選取各測(cè)點(diǎn)灌水前、后1 d和8 d（7月16、17、24日）的土壤含水率、溫度和氧濃度進(jìn)行精度計(jì)算，結(jié)果如表1所示。蓄水坑灌條件下的土壤水-熱-氧三維耦合模型在模擬土壤含水率、溫度和氧濃度方面具有較高的精度，均低于15%，可用于蓄水坑灌果園土壤水、熱、氧的分布模擬。

表1 性能評(píng)價(jià)

3.2 蓄水坑布置對(duì)土壤水-熱-氧的影響

為探究蓄水坑的布置對(duì)土壤含水率、溫度和氧濃度的影響，對(duì)增設(shè)蓄水坑后的土壤水、熱、氧分布狀況進(jìn)行模擬，并選取=0，=0.5 d和=1.5 d的水、熱、氧分布狀況進(jìn)行分析。

圖3為增設(shè)蓄水坑后，不同時(shí)刻的三維土壤含水率、溫度、含氧量和氧濃度的分布。未布置蓄水坑時(shí)（=0 d），土壤含水率隨土層深度的增加呈先減少后增大的趨勢(shì)。土壤溫度、含氧量和氧濃度在地表處達(dá)到最大，土壤溫度和氧濃度表現(xiàn)為距地表越遠(yuǎn)，值越低。蓄水坑開挖后，土壤水、熱、氧條件在蓄水坑周圍發(fā)生了明顯變化。土壤含水率在坑壁處降低，且隨著時(shí)間的推移，其降低范圍逐漸擴(kuò)大，在坑壁與地面的交界處（IEF），含水率變化速率最快，而坑底變化緩慢。土壤溫度在坑內(nèi)和地表呈相同的變化趨勢(shì)，且土壤溫度隨大氣溫度的降低而降低。在1.5 d時(shí)，地表和坑壁附近有較明顯的溫度低值區(qū)，厚度約為5 cm，其他區(qū)域土壤溫度分布同蓄水坑未開挖時(shí)相同。蓄水坑增設(shè)后，坑壁和地表處的土壤含氧量增大，隨著時(shí)間的推移，土壤含氧量呈上升趨勢(shì)，在3個(gè)模擬時(shí)刻，最大值分別為7.89×10-5、7.98×10-5、8.03×10-5g/cm3。蓄水坑增設(shè)后，坑壁處的土壤氧濃度增大，整體表現(xiàn)為距離地表和坑壁越遠(yuǎn)，土壤氧濃度越低，且隨時(shí)間的推移，氧濃度高值所在區(qū)域向下拓展。在模擬時(shí)間內(nèi)，蓄水坑的布設(shè)對(duì)土壤含氧量和土壤氧濃度的影響主要發(fā)生在地表以下0～70 cm土層。

3.3 蓄水坑灌水對(duì)土壤水-熱-氧的影響

為探究蓄水坑灌水對(duì)土壤含水率、溫度和土壤氧濃度的影響，在2 d時(shí)灌水113 L，并對(duì)灌水后的土壤水、熱、氧分布進(jìn)行模擬，選取灌水后0、4、12 h和3 d的水、熱、氧空間分布進(jìn)行模擬分析。

圖4為灌水后的土壤水分運(yùn)動(dòng)情況。灌水后，由于坑底的隔水處理，水分由坑壁進(jìn)行水平入滲，在灌水后4 h，土壤含水率逐漸形成以坑底為中心的橢球狀分布。距坑底越遠(yuǎn)，土壤含水率越低。隨著土壤水再分布的進(jìn)行，含水率最高值逐漸降低，4個(gè)模擬時(shí)刻的含水率最高值分別為0.52、0.43、0.35、0.28 cm3/cm3，含水率最低值逐漸升高，表明隨著土壤水的再分布，土壤含水率趨于均勻。灌水后3 d，土壤含水率最高值為0.28 cm3/cm3，而最低值為0.25 cm3/cm3。

圖4 灌水后土壤含水率分布

圖5為灌水后的土壤溫度分布情況。灌水時(shí)，坑周圍出現(xiàn)了5 cm左右的溫度低值區(qū)。隨著時(shí)間的推移，溫度低值區(qū)向下移動(dòng)，在坑底形成橢球狀區(qū)域，低值區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，但土壤溫度最低值逐漸升高。灌水后12 h，橢球狀區(qū)域已消失，表明灌水對(duì)土壤溫度的影響在灌水后12 h時(shí)已幾乎消失，隨后地表和坑周圍區(qū)域的土壤溫度變化主要受大氣溫度的影響。這是因?yàn)楣喔人臏囟容^低，水的大量涌入導(dǎo)致坑壁和坑底土壤溫度迅速下降，而后隨著水分入滲的進(jìn)行，水溫的影響區(qū)域不斷擴(kuò)大。相比土壤含水率，灌水對(duì)土壤溫度影響的持續(xù)時(shí)間較短，一方面大氣溫度通過坑壁與土壤溫度不斷進(jìn)行熱交換，另一方面土壤中水分與土壤骨架不斷進(jìn)行熱交換，迅速達(dá)到熱平衡，因此灌水導(dǎo)致的土壤溫度變化很快消失，灌水對(duì)土壤溫度的影響時(shí)長(zhǎng)相比含水率更短。

圖5 灌水后土壤溫度空間分布

圖6為灌水后的土壤含氧量變化情況。灌水后土壤含氧量呈與土壤含水率相反的變化趨勢(shì)，即逐漸在坑底附近形成橢球狀的含氧量低值區(qū)，且越靠近坑底，含氧量越低。在灌水后12 h內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，土壤含氧量的低值區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，但土壤含氧量的最小值不斷增加，從灌水后4 h 的2.61×10-5g/cm3增加至灌水后12 h的5.04×10-5g/cm3。灌水后3 d，灌水對(duì)土壤含氧量的影響降至最低，坑壁附近4 cm左右的土壤含氧量升高。灌水后的土壤含氧量變化與土壤含水率變化趨勢(shì)相反，這是因?yàn)橥寥揽紫吨邪蜌怏w2部分，灌水過程中水分增加的同時(shí)會(huì)擠壓氣體空間，致使土壤含氧量降低，因此灌水后隨著水分入滲和含水率高值區(qū)的形成，土壤含氧量低值區(qū)也相應(yīng)形成。

(a) 灌水后0 h(b) 灌水后4 h(c) 灌水后12 h(d) 灌水后3 d

圖7為灌水后的土壤氧濃度變化情況。灌水時(shí)，地表和坑壁處氧濃度較高，其他區(qū)域的氧濃度隨著土層深度的增加而降低。灌水后，坑壁和地表土壤氧濃度較高，其他部分距地表和坑壁越遠(yuǎn)，土壤氧濃度越低。隨著時(shí)間的推移，土壤氧濃度分布變化不大，但氧濃度高值區(qū)略向下移動(dòng)。由此可見，灌水對(duì)土壤氧濃度分布的影響較小，這是由于灌水后雖然土壤含水率增大，土壤孔隙減小，含氧量降低，但蓄水坑放大了氣體的交換界面，大氣中的氧氣通過地表和坑壁與土壤氧氣不斷交換，地表和坑壁附近的土壤氧濃度逐漸升高，并不斷向深層土壤拓展。

(a) 灌水后0 h (b) 灌水后4 h (c) 灌水后12 h (d) 灌水后3 d

4 討 論

本研究基于土壤水分運(yùn)動(dòng)方程、土壤熱量傳輸方程和土壤氧傳輸方程，建立了蓄水坑灌條件下土壤水-熱-氧三維耦合模型，在此基礎(chǔ)上分析了增設(shè)蓄水坑和蓄水坑灌水對(duì)土壤水、熱、氧的影響。增設(shè)蓄水坑后，蓄水坑周圍土壤水、熱、氧發(fā)生明顯變化。土壤含水率在坑壁處隨著時(shí)間的推移逐漸降低，且降低范圍逐步擴(kuò)大；土壤溫度在地表和坑壁附近5 cm處變化明顯；土壤含氧量在坑壁處隨著時(shí)間推移逐漸升高；土壤氧濃度在地表和坑壁達(dá)到最大，距地表和坑壁越遠(yuǎn)，土壤氧濃度越低；隨著時(shí)間的推移，0～70 cm土層的土壤氧濃度整體升高。增設(shè)蓄水坑后，土壤水、熱、氧狀態(tài)發(fā)生變化的主要原因是蓄水坑增加了坑壁處的水、熱、氧交換界面[17]。土壤溫度變化與Su等[7]研究結(jié)果一致。宋長(zhǎng)春等[18]研究發(fā)現(xiàn)，濕地土壤溫度變化與氣溫變化呈極顯著的相關(guān)性，隨著土層深度的增加，相關(guān)程度減弱。增加蓄水坑后的土壤溫度變化與本研究相符，蓄水坑增加了熱量交換界面，但土壤溫度變化主要受氣溫影響，因此蓄水坑對(duì)土壤溫度的影響有限。蓄水坑灌水后，水分由坑壁滲入土壤，土壤含水率形成以坑底為中心的橢球狀分布，距坑底越遠(yuǎn)，土壤含水率越低。隨著時(shí)間的推移，含水率分布逐漸趨向均勻，這與Su等[7]研究結(jié)果一致。灌水后，土壤含水率在水平方向上呈橢球狀分布，這是因?yàn)榭拥赘羲嫉拇嬖谑沟盟执瓜蛉霛B被抑制，水平入滲占主導(dǎo)作用。張少文[4]對(duì)果樹細(xì)根生長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地表以下20～60 cm土層的果樹細(xì)根生長(zhǎng)最快，蓄水坑灌有助于驅(qū)使土壤水分向作物根區(qū)運(yùn)動(dòng)，提高根系吸水和水分利用效率。灌水后，受水溫的影響，土壤溫度在坑底附近形成橢球狀低值區(qū)，隨著時(shí)間的推移，坑底附近土壤溫度趨向均勻，在灌水后12 h低值區(qū)已消失，灌水對(duì)土壤溫度的影響時(shí)長(zhǎng)較土壤含水率更短，表明水熱傳輸過程主要以水分運(yùn)動(dòng)為主[12]。灌水后的土壤含氧量與土壤含水率變化呈相反趨勢(shì)，隨著水分的入滲，土壤含氧量形成以坑底為中心的橢球狀低值區(qū)，且距坑底越遠(yuǎn)，土壤含氧量越高。隨著時(shí)間的推移，土壤含氧量分布趨于均勻，表明土壤含氧量與土壤含水率具有顯著的負(fù)相關(guān)性，這與朱艷等[3]研究結(jié)果相同。灌水后，蓄水坑坑壁和地表土壤氧濃度較高，距地表和坑壁越遠(yuǎn)，土壤氧濃度越低。隨著時(shí)間的推移，土壤氧濃度分布變化不大，但氧濃度高值區(qū)向下延展。本研究對(duì)蓄水坑灌水后的土壤氧濃度分布的模擬結(jié)果與路明杰[17]的研究結(jié)果一致；后者研究表明，蓄水坑灌水后，土壤氧飽和度高值區(qū)域以蓄水坑為中心向四周遞減，在坑表面上呈“幾”字形分布，相比地面灌溉，蓄水坑灌更有利于氣體擴(kuò)散，對(duì)于根系的生長(zhǎng)更加有利。

本研究所建立的模型是在Su等[7]建立的蓄水坑灌條件下的土壤水、熱三維耦合模型和Ouyang等[11]建立的土壤氧一維傳輸模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展所得。相比目前的一維、二維土壤水-熱-氧耦合模型，本研究建立的模型可運(yùn)用于更加復(fù)雜的三維模擬，但模型中未考慮根系呼吸耗氧，這與田間實(shí)際情況存在一定差異，對(duì)短期土壤氧分布模擬影響不大，但會(huì)對(duì)長(zhǎng)期土壤氧分布模擬造成一定影響，因此在后續(xù)的研究中應(yīng)考慮根系呼吸耗氧。

5 結(jié) 論

1）基于土壤水分運(yùn)動(dòng)方程、土壤熱量傳輸方程和土壤氧傳輸方程建立了蓄水坑灌條件下的土壤水-熱-氧三維耦合模型，可用于模擬蓄水坑灌條件下的土壤水、熱、氧分布。

2）蓄水坑增加了土壤水、熱、氧與大氣的交換界面。增設(shè)蓄水坑后，隨著時(shí)間的推移，坑壁處土壤含水率逐漸降低；坑內(nèi)和地表土壤溫度受氣溫的影響較大；增設(shè)蓄水坑使土壤含氧量升高，并在坑壁處升高明顯。

3）蓄水坑灌水后，土壤水形成以坑底為中心的橢球狀含水率高值區(qū)，隨著時(shí)間的推移，含水率的空間分布趨于均勻。蓄水坑灌水條件下的土壤溫度和含氧量變化與含水率變化呈相反的趨勢(shì)。蓄水坑灌水對(duì)土壤氧濃度的影響較小，土壤氧濃度在地表和坑壁處較高，距地表和坑壁越遠(yuǎn)，土壤氧濃度越低。

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Three-dimensional Numerical Simulation of Water, Heat and Oxygen Distribution in Soil in Orchard Irrigated by Water Storage Pit

SU Yuanyuan1, GUO Xianghong1,2*, HU Feipeng1, SUN Xihuan1, MA Juanjuan1, ZHENG Lijian1, LEI Tao1

(1. Taiyuan University of Technology, Taiyuan030024, China; 2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

【Objective】Water storage pit is a technology used in arid regions in northwestern China to collect rainwater for irrigation. In this paper, we studied the three-dimensional distribution of water, heat and oxygen in soil in an orchard under water storage pit irrigation using numerical simulation.【Method】Water flow was based on the Richard equation and heat transfer and oxygen diffusion in soil were modelled by convection - diffusion equations. These coupled equations were solved using the COMSOL – a Multiphysics software. The model was verified against data measured from a field, and the validated model was then used to analyze the effect of the water storage pit on distribution of water, heat and oxygen in soils in the proximity of the pit.【Result】The three-dimensional coupled model is accurate and can reproduce the measured spatiotemporal changes in soil water, temperature and oxygen, with thefor soil water, temperature and oxygen being 0.036 7, 1.609 9 and 0.013 8, respectively. The water storage pit changed the distribution of water, heat and oxygen in the pit wall greatly. As time elapsed, soil water content in the regions proximal to the pit decreased, while oxygen concentration increased. Temperatures in the pit and soil surface were mainly impacted by atmospheric temperature. Spatial water distribution was ellipsoidal around the pit. Soil water content was the highest in the proximity of the pit bottom, while oxygen concentration and temperature in this region were the lowest. The distribution of water, temperature and oxygen tended to uniformize as time elapsed, despite that temperature and oxygen are less sensitive to irrigation than soil water. Oxygen concentration decreased with the distance from the soil surface and pit wall.【Conclusion】Water storage pit irrigation increased the interface between soil and water, thereby affecting transport of water, heat and oxygen in the soil. Numerical simulations indicated that the dynamics of water, heat and oxygen in the soil was affected by evaporation, rainfall, atmospheric temperature, atmospheric oxygen concentration and other environmental factors.

water storage pit irrigation; water-heat-oxygen coupling; COMSOL; numerical simulation

蘇媛媛, 郭向紅, 胡飛鵬, 等. 蓄水坑灌下果園土壤水-熱-氧三維分布數(shù)值模擬[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(5): 67-74.

SU Yuanyuan, GUO Xianghong, HU Feipeng, et al. Three-dimensional Numerical Simulation of Water, Heat and Oxygen Distribution in Soil in Orchard Irrigated by Water Storage Pit[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 67-74.

1672 - 3317（2023）05 - 0067 - 08

S626.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022451

2022-08-13

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目（IWHR-SKL-202110）；山西省水利科學(xué)技術(shù)研究與推廣項(xiàng)目（2022GM012）

蘇媛媛（1997-），女。碩士研究生，主要從事土壤水動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: suyuanyuan0541@link.tyut.edu.cn

郭向紅（1979-），男。教授，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)、水土資源多過程模擬等方面研究。E-mail: guoxianghong@tyut.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋