双层地下灌溉系统中含渗透性聚合物膜的土壤湿润前沿的实验评估与数值模拟

《Irrigation and Drainage》：Experimental Evaluation and Numerical Simulation of the Soil Wetting Front in a Double-Layer Subsurface Irrigation System With a Permeable Polymer Membrane

本研究通过实验室数据和HYDRUS-2D模拟，评估了双层渗透性聚合物膜灌溉系统中不同膜覆盖度（100%、50%、25%）对湿润前沿分布的影响。结果表明，膜覆盖度增加可显著扩大湿润宽度，其中100%覆盖时效果最佳，且HYDRUS-2D模型能可靠模拟土壤湿度动态（NRMSE≈10%），为提高地下灌溉效率提供依据。

　　

摘要

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由于水资源短缺，提高灌溉效率至关重要，尤其是在农业领域。为此，地下灌溉作为一种有前景的解决方案正在得到发展。本研究通过实验室数据和HYDRUS-2D数值模拟，评估了双层系统中含透水聚合物膜的湿润前沿分布情况。实验中分别设置了100%、50%和25%的膜覆盖率，并在50厘米立方的物理模型及Mariotte瓶上进行测试以控制水分泄漏。结果表明，膜的孔隙率会增大湿润范围；例如，100%覆盖率的膜具有最宽的湿润前沿分布。2小时后，不同膜覆盖率下的水分含量相当，但100%膜覆盖率的系统在水平和垂直方向上的扩散效果最佳。此外，通过将模拟得到的湿润前沿分布与HYDRUS-2D模型的结果及实际测量数据进行对比，验证了该模型的准确性（宽度与深度估计的均方根误差NRMSE约为10%）。这些发现表明，完全覆盖膜是提高地下灌溉效率的有效策略，并说明HYDRUS-2D模型能够可靠地模拟各种土壤和灌溉条件下的水分动态。

总结

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由于水资源短缺，提高灌溉效率尤为重要，尤其是在农业领域。为此，地下灌溉技术被视为一种有前景的解决方案。本研究利用实验室数据和HYDRUS-2D数值模拟方法，分析了含透水聚合物膜的双层系统的湿润前沿分布情况。实验中设置了100%、50%和25%的膜覆盖率。实验在50厘米立方的物理模型及Mariotte瓶中进行，以控制水分泄漏。结果表明，膜的孔隙率会增大湿润范围；100%覆盖率的膜具有最宽的湿润前沿分布。2小时后，各膜覆盖率下的水分含量基本相当，但100%覆盖率的系统在水平和垂直方向上的扩散效果最佳。通过将模拟结果与实际测量数据进行对比，验证了模型的准确性（宽度与深度估计的均方根误差NRMSE约为10%）。这些结果证实，完全覆盖膜是提高地下灌溉效率的有效方法，并表明HYDRUS-2D模型能准确模拟不同土壤和灌溉条件下的水分动态。