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1、分类号： TV93 单位代码： 10335 密 级： 学 号：10412051 博 士 学 位 论 文 博 士 学 位 论 文 中文论文题目：中文论文题目：基于 SPAC 系统的土壤水动力学模型研究基于 SPAC 系统的土壤水动力学模型研究 英文论文题目：英文论文题目： Study on the Soil Hydrodynamics Model for the Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) System 申请人姓名： 杨 德 军 指导教师： 张 土 乔 教授 合作导师： Zhang Kefeng 博士 Greenwood D J 教授 专业名称：
2、 市政工程 研究方向： 土壤水动力学 所在学院： 建筑工程学院 论文提交日期 论文提交日期 2009 年 4 月 致 谢 致 谢致 谢 本论文是在导师张土乔教授、 Zhang Kefeng博士和Greenwood D J教授的热情关心和精心 指导下完成的。即将完稿之际，回顾五年直博生涯，我每一步的成长和进步都倾注着三位导 师深深的关爱和殷切的期望。五年直博期间，导师张土乔教授深厚的学术造诣、严谨的治学 态度、一丝不苟的工作态度以及开阔的社会视野，令我永生难忘；他不仅为我提供了良好的 科研条件， 还给予了我无微不至的关心与指导， 让我感激不尽。 在英国留学期间， 导师Zhang Kefeng和G
3、reenwood D J为人师表的高尚品格、积极进取的人生态度以及深厚的学术造诣， 使我彻底折服， 并在生活和学习研究上给予了我无微不至的关怀和帮助。 我很庆幸同时得到 了三位导师的培养与帮助， 他们不仅指导我走进了科研大门， 而且给予我很多做人与做事的 启发。这，将使我终生获益！在此，谨向三位导师及全家致以最诚挚的感谢和深深的敬意， 祝您们身体健康，阖家欢乐！师生之情，铭刻在心，伴我一生！ 本文在研究和写作过程中， 参考了大量国内外专家学者的重要著作和文献资料， 尤其是 使用了Dr J Neeteson 和Prof. Ian G Burns， 及华威大学国际园艺中心的实验数据验证模型 （见
4、相关章节），在此谨向全部参考文献的著(作)者表示诚挚的感谢！本课题研究得到了教育部 新世纪优秀人才支持计划(批准号:NCET-04-0525)和国家留学基金管理委员会建设高水平大 学公派研究生项目（录取文号：留金出（2007）3020号）的资助，在此一并致谢！ 在五年直博期间，我还有幸得到了很多老师、同学和朋友的帮助，在我论文写作过程中 给予了指导和启发，藉此机会，向他们表示衷心的感谢。感谢毛根海研究员、孙志林教授、 俞亚南教授、王紫雯教授、刘国华教授、蒋建群教授、唐晓武教授、张仪萍副教授、邵卫云 副教授、柳景青副教授、俞亭超副教授、张燕副教授、杨玉龙老师、俞洪良高工等给予的指 导与帮助。感谢
5、师兄(姐、弟)吴小刚、卓敏、张永华、尹则高、陈磊、许刚、王直民、马健、 黄亚东、李涛、邵煜、蔡钦、杨俊涛、王鸿翔、陈勇民、吴众华、蒋承杰、张航基、李寻、 谢家华、郭帅、宋瑞平、沈承、喻志洁、周永潮、方磊、虞介泽、郭诗文、刘思远等博士后、 博士(生)、硕士(生)在学术上的探讨给予我的启发，同门之谊，永生难忘；感谢浙江大学建 工学院和英国华威大学各位老师在学习和生活， 特别是联合培养博士研究生事宜上提供的指 导和帮助；感谢建工学院2004级秋博班的同学；感谢英国华威大学留学期间认识的老师、朋 友和同事， 是你们无私的帮助和友情伴我度过了愉快而又充实的留学生活； 感谢寝室好友许 贤博士生、贾官伟博士
6、生和陈海达博士生；感谢朋友何丹一直以来的支持与鼓励。 感谢各位论文评审专家与答辩委员会老师们辛勤的指导工作！ 最后， 衷心感谢献我的父母和家人， 他们浓浓的爱和亲情伴随我走完了这漫长的求学之 路，我的每一点成绩的取得，都与他们的无私奉献分不开。 向所有关心过、支持过、帮助过我的师长、同学、朋友们表示感谢！ 杨德军 二零零九年四月於求是园 I 浙江大学博士学位论文 基于基于SPAC系统的土壤水动力学模型研究系统的土壤水动力学模型研究 摘 要 摘 要 开展对土壤-作物-大气系统 （简称SPAC系统） 土壤水动力学和水肥优化使用 决策支持系统的研究，可以提高水资源尤其是农业用水效率，降低农作物成本，
7、 提高农药和化肥的利用率， 有效地缓解过量农药和化肥进入地表或地下水体导致 的环境污染问题。本文采取了理论分析、数值模拟和算例验证相结合的方法对以 下几个问题进行研究和探讨。 1通过引入生长折减系数等理论，完善了过量施肥导致土壤中过量氮存在、 产生的负渗透压抑制作物生长的理论，进一步发展了 EU-ROTATE_N 模型。实 例验证表明：新研发的模块相对较合理，能够对多种作物在施肥条件下作物干重 和作物上部(除须根)的含氮量进行一定的模拟，并能有效地反映过量施肥导致土 壤负渗透压的影响效果。 2.通过引入相关的根系生长动力学模型、根长密度分布函数以及蒸发和蒸腾 计算模型等理论， 与二维有限元程序
8、 SWMS_2D 相耦合， 发展了模拟 SPAC 系统 的土壤水动力学有限元模型。实例验证表明：降雨对土层含水率分布的影响随着 深度的增加而减小；蒸腾量和蒸发量的模拟结果较为可靠；根长密度分布具有一 定的阶段性。 3.通过改进上下边界条件，发展了裸地条件下土壤水动力学 IRE 模型(即积 分型的 Richards 方程解法)。 降雨数值试验结果表明： 新模型的模拟结果介于 FEM 和 Green Ampt 模型模拟结果之间，更符合实际情况；蒸发试验结果表明：模拟 结果与实验数据基本吻合， 克服了 FEM 模型不稳定等不足； 现场试验结果表明： 累积入渗量、累积蒸发量和下边界累积排水量的模拟结果
9、与 FEM 模拟结果基本 吻合；土壤含水率分布接近 FEM 的计算结果和实验数据，其主要差别出现在顶 层 6cm 的土体内。 4.由于外界条件的复杂性和土体性质的多样性，土体在一定外界条件下的响 应问题难以得到定量化描述。 通过对欧洲 5 种典型土体进行 100 天的蒸发数值试 验，在含水率分布和蒸发总量等数据上进行对比，探讨了欧洲 5 种典型土体的响 II 摘 要 III 应规律，为实际应用提供了一定的参考价值。 5.针对 EU-ROTATE_N 模型中以 CASCADE 方法为核心的水模块参数难确 定，预测结果不够准确等问题，通过引入裸地条件下改进的 IRE 模型，与现有的 EU-ROTA
10、TE_N 模型进行耦合，发展了有植被条件下土壤水动力学 IRE 模型，进 一步发展了 EU-ROTATE_N 决策支持系统，实例验证表明：不同深度处土壤含 水率随时间的变化与试验数据基本吻合，根长及根长密度模拟结果与实验值吻 合，蒸腾量和蒸发量的模拟结果较为可靠，土壤中含氮量模拟结果较吻合。 关键词：关键词： 土壤-作物-大气系统 （SPAC 系统） ， 土壤水动力学模型， 积分型的 Richards 方程解法，有限元，基于模型的决策支持系统，水肥使用 浙江大学博士学位论文 Study on the Soil Hydrodynamics Model for the Soil-Plant-Atm
11、osphere Continuum (SPAC) System ABSTRACT The study of soil hydrodynamics and the model-based decision support systems for optimizing resource use is of great importance. Optimum use of resource can enhance the use efficiency of water, pesticide and fertilizer in agriculture, reduce the crop producti
12、on cost, and minimize the environmental consequences. In this study, a systematic method was employed to develop such models for optimizing water and nitrogen fertilizer use in crop production. The main findings of the study are summarized as follows. 1. A growth reduction coefficient was introduced
13、 in the EU-Rotate_N model to consider the negative osmotic effect caused by excessive application of nitrogen fertilizer on crop growth. Results show that the newly-developed module works well. It gives overall good descriptions of crop dry weight (excluding fibrous roots) reduction by mineral N in
14、the soil over a range of crops. 2. By incorporating a recently developed root growth module, and an approach of estimating evapotranspiration into a two-dimensional finite element method model SWMS_2D for soil water movement, we developed a new model for water dynamics in the soil-plant-atmosphere c
15、ontinuum system. The model was validated against the measurements from field experiments. It was found that the root module was able to reproduce the root distribution patterns measured at intervals; the effect of rainfall on soil water content down the profile decreased with the depth, and the simu
16、lated soil evaporation and crop transpiration were reasonable. 3. We further developed an Integrated-Richards-Equation (IRE) based hydrodynamic model for bare soils by extending the conditions imposed on the top and lower boundaries. The application of the model to a case of rainfall infiltration revealed that the simulated results were between those by the FEM and by Green Ampt method. The mode
