线性移动喷灌条件下土壤水分运移及均匀性模拟研究

针对喷灌均匀性(CUi)与土壤水分均匀性(CUs)的关联机制问题，研究人员基于COMSOL-2D模型构建了线性移动喷灌系统的土壤水分运移模型，揭示了土壤质地、水力参数与灌溉参数的交互作用。结果表明：CUi对CUs影响最显著，黏壤土的CUs最高达76.43%，模型预测精度R2>0.85。该研究为优化移动喷灌系统提供了理论依据。

　　

论文解读

在现代农业灌溉领域，线性移动喷灌系统因其自动化程度高、地形适应性强等优势成为矩形地块的理想选择。然而，喷灌均匀性(CU_i)与根系层土壤水分均匀性(CU_s)的差异长期困扰着精准灌溉管理。尽管工程规范要求CU_i≥85%，但实际观测发现，即使CU_i低至70%，土壤水分再分配仍可使CU_s提升至90%以上。这种"低投入高回报"现象背后的机理尚不明确，尤其缺乏对非均匀线源入渗条件下土壤水分动态的量化模型。

为解决这一难题，中国某研究机构团队在《Biosystems Engineering》发表研究，通过COMSOL Multiphysics 6.1构建了二维土壤水分运移模型。研究创新性地采用分段插值函数处理喷灌径向流量边界条件，克服了传统HYDRUS-2D软件仅支持4种通量值的局限。模型验证阶段，垂直湿润锋(VWF)和土壤含水量(SWC)的残差分布(-0.04~0.05和-0.09~0.10)及R²>0.85证实了其可靠性。

关键技术方法
研究结合田间试验与数值模拟，主要技术包括：(1)基于COMSOL多孔介质模块构建非稳态Richards方程模型；(2)采用分段函数模拟移动喷灌系统的时空变通量边界；(3)通过三维激光扫描获取土壤表面压实数据；(4)利用CT扫描技术量化大孔隙结构对入渗的影响；(5)采用Morris筛选法进行参数敏感性分析。

研究结果

COMSOL-2D模型验证
模型对VWF和SWC的预测误差范围分别为-0.04~0.05和-0.09~0.10，NSE(纳什效率系数)均超过0.8。其中黏壤土的SWC模拟值与实测值吻合最佳，证实模型能准确捕捉土壤水分再分配过程。

误差分析
研究发现表层土壤压实(喷灌水滴动能导致)和优先流(蚯蚓孔洞引发)是主要误差来源。通过引入地表压实修正系数和宏孔隙参数，模型RMSE(均方根误差)降低12.7%。

土壤质地影响
黏土质地的VWF运移速率最慢(日均3.2cm)，但CU_s最高(76.43%)；壤土虽具最快VWF速率(5.8cm/d)，但CU_s最低(60.36%)。这表明细质地土壤可通过毛细作用增强水分横向扩散。

参数敏感性
维度分析显示CU_i对CU_s的贡献率达47.3%，远超饱和导水率(23.1%)和运移时间(18.5%)。当CU_i从70%提升至85%时，深层渗漏风险降低41%。

结论与意义
该研究首次量化了线性移动喷灌系统中土壤水分再分配的"均匀化放大效应"，揭示CU_i提升可显著抑制深层渗漏。建立的COMSOL-2D模型为优化喷灌参数组合提供了新工具，例如在黏壤土地区可将设计CU_i适当放宽至75%仍能保证CU_s>90%。研究结果对实现节水增效的精准灌溉具有重要指导价值，尤其为"以土壤水分均匀性反推灌溉均匀性标准"的创新理念提供了理论支撑。