土壤水動力學實驗教學研究

序論：在您撰寫土壤水動力學實驗教學研究時，參考他人的優秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。

1背景

土壤水動力學是以土壤中水分的能態為基礎，研究非飽和土壤中水、溶質和熱量運移問題的學科[1]，在農業工程、水利工程及環境工程等專業的教學體系中發揮著重要作用。通過該課程的學習，學生可以深入了解土壤的物理結構特性以及水分在土壤中的動態特性，從而為農業水資源高效利用、流域生態化建設、水土資源優化配制等打下認知基礎[2]。土壤水動力學的理論教學中是以多孔介質內水分運動過程解析為核心的，其幾何形態假設及解析計算對學生的空間想象力要求較高。因此，需借助室外實地觀測或室內土柱實驗，來幫助學生直觀、動態地了解水分在土壤中的運動過程。室內實驗教學以土壤擴散率和導水率的測定以及飽和/非飽和狀態下土壤水分運移過程的觀測為主，實驗裝置以透明有機玻璃土柱為核心，通過馬氏瓶對土柱的恒壓供水，實現對水分運動過程的模擬，實驗裝置如圖1所示。然而，在土壤的裝填過程中，在土壤與有機玻璃的接觸面間以及檢測探針附近不可避免地存在一定的縫隙，易形成優先流，導致入滲過程中土柱外側的濕潤鋒不能切實反映土體內水分的推進過程。此外，土柱實驗側重于觀測馬氏瓶內的輸出水量以及土柱內觀測點的數據采集，學生只能由此得到入滲速率隨土壤含水率變化的淺顯結論，并不能充分認識水分在多孔介質中運移的內在機理。土壤水動力學中的基礎原理和求解邏輯是建立在長期大量實驗觀測和嚴密數學物理方法之上的。但由于課時安排有限以及基礎知識儲備問題，大部分學生難以體會學科內的基本假設以及相關解析解的存在緣由，使得教學效果不及預期[3]。當前，隨著數值模擬技術在計算機領域的快速發展，以求解土壤水分運動過程為基礎的數值模擬軟件已在不同時空尺度下水分運移的研究中得到充分運用。該類軟件憑借可操作性強、可視化程度高、運行成本低等顯著優勢，極大地促進了土壤改良、農業灌溉、水資源調配、生態修復等科研或應用領域的發展[4]，而將相關模型運用于土壤水動力學教學則有待探索[5]。為此，本文將能夠動態反饋土壤水分運動過程的HYDRUS數值模擬軟件用于土壤水動力學的實驗教學，以期達到提升教學質量的目的。

2HYDRUS數值模型對土壤水動力學實驗教學的改進

HYDRUS數值模擬軟件可用于多孔介質中水分、熱量、溶質運移的動態過程及質量平衡模擬，可綜合處理多類水流邊界，如變水頭邊界、大氣邊界、變通量邊界、滲漏邊界、自由排水邊界等。在土壤水分動態模擬方面，該模型從質量守恒角度出發求解有關水分運動的控制方程，使用Galerkin線性有限元方法來劃分模擬域內的土壤單元，并以線性縮放方式將土壤單元之間的水力特征值進行關聯，從而實現對非飽和土壤水力特性在流動域內空間變異性的描述[6]。此外，通過對不同區域的離散單元進行針對性設置，HYDRUS可模擬土體內部存在的各向異性及非均質性，深入揭示多孔介質內流體的運移機制，適合于水分入滲狀態下土壤內的水勢變化、含水率波動、水量平衡和流場趨勢等具體研究[7]。該模型可通過色階圖動態地向學生展示土壤水分的運移過程，從而實現與傳統實驗的直觀對比。同時，該模型軟件在家用電腦上也能流暢運行，可滿足學生課后對相關知識點的自我探索，進而豐富教學形式，節省實驗耗材，降低時間成本。HYDRUS軟件在模擬多孔介質中的水分運動方面具有輸入界面友好、適用范圍廣、可視性強等優勢，能夠契合教育部在《教育信息化2.0行動計劃》中倡導的“堅持信息技術與教育教學深度融合的核心理念”[8]。HYDRUS模擬軟件可與理論教學和實驗教學進行有機結合（見圖2），理論教學傳授的背景知識可以在模型的構建及運行過程中找到對應關系，有助于理論框架和知識體系的構建；實驗教學對應的觀測數據可對HYDRUS軟件設定的土壤特征參數及邊界條件進行驗證，進而有助于開展多情景下的實踐運用，培養學生的創新能力及獨立思考能力。

3HYDRUS在土壤水動力學實驗教學中的應用

采用HYDRUS軟件的二維模式，對沿水分入滲方向的實驗土柱剖面進行模擬域構建。由于模擬的是室內土柱實驗，不考慮溫度變化造成的熱傳遞，并忽略土壤表面的蒸發。供試土壤根據其顆粒級配分為粘壤土（砂粒含量33.7%；黏粒含量31.5%；粉粒含量34.8%）、砂壤土（砂粒含量56.9%；黏粒含量15.6%；粉粒含量27.5%）和壤砂土（砂粒含量77.5%；黏粒含量5.4%；粉粒含量17.1%）三類，并使用軟件內置的Rosetta程序推求對應的土壤水分特征參數。采用vanGenuchten模型計算土壤變飽和狀態下的水分傳導，由于實驗為單向濕潤過程，不考慮土壤干濕循環下土壤水分特征曲線的滯后效應。土壤的初始體積含水率為8%，容重為1.5g/cm3。實驗土柱的土體長度為50cm，高度為10cm，土柱的供水側設置為定水頭邊界，用于模擬馬氏瓶維持的30cm恒壓水頭，與空氣接觸的一側設置為滲流邊界。土體外圍的有機玻璃不具備透水性，因此將二維剖面的上下兩側設為零通量邊界。采用軟件的FE-Mesh模塊將有限元劃分為邊長0.5cm的三角形，并在邊界位置進行網格細化，提升計算精度。在不同位置（水平間距5cm）的網格點上設置觀測點，記錄不同時段對應的含水率及水勢，從而實現對濕潤鋒推進速率的觀測。所構建的模擬域如圖3所示。土壤水分特征曲線是土壤含水率與土壤水吸力的關系曲線，可用于分析不同質地土壤的持水能力和土壤水分的有效性，在水文學、土壤學等領域的科研與應用中具有關鍵性的作用[9]。在現場實驗條件下，將研究內容設定為模擬干燥土壤在定水頭供水下的下滲過程，獲得下滲能力與下滲過程的經驗曲線描述[10]。該過程需要學生定時定點地觀測水土勢與含水率的變化，并通過相關經驗公式對二者的動態關系進行擬合[11]。實驗周期長且連續性要求高，不利于與理論教學課時安排相匹配。HYDRUS軟件通過內置的求解模塊，可根據輸入的土壤水分特征參數，擬合出供試土壤對應的水分特征曲線（見圖4），在提升教學效率的同時可為后續實驗提供指導性的參照。所得結果能夠描述土壤水吸力隨土壤含水率增大而降低的變化過程，并能較為準確地反映三類土壤在從飽和狀態逐漸失水的過程中，土壤水吸力的變化程度呈現壤砂土>砂壤土>粘壤土的具體差異。

模擬所得的三類土壤在入滲開始后1h和2h的含水率及水分流場的分布如圖5所示。在經歷相同的入滲時間后，透水性能最強的壤砂土濕潤帶的擴張程度最大，砂壤土次之，粘壤土最低，這與流場分布圖呈現的水分運移速度一致。三類土壤含水率飽和區（從左至右顏色最深的部分）的顏色差異反映了土壤飽和含水率的不同，且三類土壤在入滲2h后飽和區的增加量低于入滲1h后對應的增加量。此外，在所有含水率分布圖中，水分在入滲過程中飽和區與原始土壤之間存在明顯的含水率梯度變化區，且該區域的范圍大小呈現壤砂土>砂壤土>粘壤土的變化特性。土壤水分在運動過程中同時受到水平向壓力勢及豎向重力勢的影響，因此，在流場分布圖中，水分與土壤接觸的右側端呈現自上而下逐漸增加的流速，且在土壤持水能力最弱的壤砂土中，豎向的流速差異最為明顯。通過記錄模擬域中不同觀測點含水率的變化節點，可進一步擬合出入滲過程對應的濕潤鋒推進過程線，以及不同時刻對應的濕潤鋒平均推進速率（見圖6）。在模擬域規格相同的條件下，濕潤鋒推進所消耗的時長表現為粘壤土>砂壤土>壤砂土，三類土壤的濕潤鋒平均推進速率均呈現先迅速下降后逐步放緩的變化特征。其原因是水分入滲開始時土壤的含水率較低，外部供水受土壤水吸力的影響較大，水分能夠迅速入滲并填充土壤中的孔隙，造成土壤水吸力減弱，最終使得濕潤鋒在前期的推進速率呈現顯著下降的變化形式。當形成一定規模的飽和區后，水分在飽和土壤中的運移速率為固定的土壤飽和導水率，使得推進過程逐漸趨于平緩。

4結語

本文針對土壤水動力學實驗教學存在的周期長、處理方式有限、裝置邊界效應明顯等不足，采用HYDRUS模擬軟件對教學方式進行了改進。以土柱入滲實驗為模擬范例，運用HYDRUS軟件對不同質地土壤在水平入滲狀態下的含水率及流場分布動態過程進行了二維數值仿真。結果表明，HYDRUS數值模擬技術能夠充分發揮其設計形式多樣化、輸出結果可視化的優勢，細致地展示了水分在多孔介質中的擴散及積聚特征，并直觀地揭示了變飽和狀態下土壤中的水分運移機理。此外，通過進一步設計多類實驗情景，HYDRUS模擬軟件可以為相關現場實驗提供參照和指導，在節省實驗成本的同時有助于學生認知能力和探索意識的提高，達到提升教學質量的目的。今后在土壤水動力學的教學優化實踐中，應將數值模擬軟件涉及到的基礎理論與課程教學進行關聯性匹配，以提升學生對知識點的認知深度。同時，應在模擬情景中融入與行業發展相關的應用案例[12]，進而加強圍繞產業發展而進行人才培養的工作[13]。

參考文獻(References)

[1]雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動力學[M].北京:清華大學出版社，1988.

[2]楊大文，叢振濤，尚松浩，等.從土壤水動力學到生態水文學的發展與展望[J].水利學報，2016,47(3):390–397.

[3]張惠昌.論理科應用性人才所需的數學基礎[J].高等理科教育，2002(2):36–39.

[4]胡建東，李林澤，IDERAWUMIAM，等.介電特性土壤水分測定方法研究進展[J].河南農業大學學報，2021,55(4):603–611,638.

[5]危嵩，楊燦明，劉漢樂，等.地下水數值模擬課程教學改革探索[J].科技資訊，2021,19(34):127–130.

作者:陸培榕 羅紈 賈忠華 唐雙成 劉文龍 黃先北 單位:揚州大學