序論：在您撰寫土壤水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究時(shí)，參考他人的優(yōu)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(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。

1背景

土壤水動(dòng)力學(xué)是以土壤中水分的能態(tài)為基礎(chǔ)，研究非飽和土壤中水、溶質(zhì)和熱量運(yùn)移問題的學(xué)科[1]，在農(nóng)業(yè)工程、水利工程及環(huán)境工程等專業(yè)的教學(xué)體系中發(fā)揮著重要作用。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以深入了解土壤的物理結(jié)構(gòu)特性以及水分在土壤中的動(dòng)態(tài)特性，從而為農(nóng)業(yè)水資源高效利用、流域生態(tài)化建設(shè)、水土資源優(yōu)化配制等打下認(rèn)知基礎(chǔ)[2]。土壤水動(dòng)力學(xué)的理論教學(xué)中是以多孔介質(zhì)內(nèi)水分運(yùn)動(dòng)過程解析為核心的，其幾何形態(tài)假設(shè)及解析計(jì)算對(duì)學(xué)生的空間想象力要求較高。因此，需借助室外實(shí)地觀測或室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)，來幫助學(xué)生直觀、動(dòng)態(tài)地了解水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)過程。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以土壤擴(kuò)散率和導(dǎo)水率的測定以及飽和/非飽和狀態(tài)下土壤水分運(yùn)移過程的觀測為主，實(shí)驗(yàn)裝置以透明有機(jī)玻璃土柱為核心，通過馬氏瓶對(duì)土柱的恒壓供水，實(shí)現(xiàn)對(duì)水分運(yùn)動(dòng)過程的模擬，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。然而，在土壤的裝填過程中，在土壤與有機(jī)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(yōu)先流，導(dǎo)致入滲過程中土柱外側(cè)的濕潤鋒不能切實(shí)反映土體內(nèi)水分的推進(jìn)過程。此外，土柱實(shí)驗(yàn)側(cè)重于觀測馬氏瓶內(nèi)的輸出水量以及土柱內(nèi)觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，學(xué)生只能由此得到入滲速率隨土壤含水率變化的淺顯結(jié)論，并不能充分認(rèn)識(shí)水分在多孔介質(zhì)中運(yùn)移的內(nèi)在機(jī)理。土壤水動(dòng)力學(xué)中的基礎(chǔ)原理和求解邏輯是建立在長期大量實(shí)驗(yàn)觀測和嚴(yán)密數(shù)學(xué)物理方法之上的。但由于課時(shí)安排有限以及基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備問題，大部分學(xué)生難以體會(huì)學(xué)科內(nèi)的基本假設(shè)以及相關(guān)解析解的存在緣由，使得教學(xué)效果不及預(yù)期[3]。當(dāng)前，隨著數(shù)值模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的快速發(fā)展，以求解土壤水分運(yùn)動(dòng)過程為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬軟件已在不同時(shí)空尺度下水分運(yùn)移的研究中得到充分運(yùn)用。該類軟件憑借可操作性強(qiáng)、可視化程度高、運(yùn)行成本低等顯著優(yōu)勢，極大地促進(jìn)了土壤改良、農(nóng)業(yè)灌溉、水資源調(diào)配、生態(tài)修復(fù)等科研或應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展[4]，而將相關(guān)模型運(yùn)用于土壤水動(dòng)力學(xué)教學(xué)則有待探索[5]。為此，本文將能夠動(dòng)態(tài)反饋土壤水分運(yùn)動(dòng)過程的HYDRUS數(shù)值模擬軟件用于土壤水動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以期達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

2HYDRUS數(shù)值模型對(duì)土壤水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

HYDRUS數(shù)值模擬軟件可用于多孔介質(zhì)中水分、熱量、溶質(zhì)運(yùn)移的動(dòng)態(tài)過程及質(zhì)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(dòng)態(tài)模擬方面，該模型從質(zhì)量守恒角度出發(fā)求解有關(guān)水分運(yùn)動(dòng)的控制方程，使用Galerkin線性有限元方法來劃分模擬域內(nèi)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非飽和土壤水力特性在流動(dòng)域內(nèi)空間變異性的描述[6]。此外，通過對(duì)不同區(qū)域的離散單元進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置，HYDRUS可模擬土體內(nèi)部存在的各向異性及非均質(zhì)性，深入揭示多孔介質(zhì)內(nèi)流體的運(yùn)移機(jī)制，適合于水分入滲狀態(tài)下土壤內(nèi)的水勢變化、含水率波動(dòng)、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(dòng)態(tài)地向?qū)W生展示土壤水分的運(yùn)移過程，從而實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的直觀對(duì)比。同時(shí)，該模型軟件在家用電腦上也能流暢運(yùn)行，可滿足學(xué)生課后對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的自我探索，進(jìn)而豐富教學(xué)形式，節(jié)省實(shí)驗(yàn)耗材，降低時(shí)間成本。HYDRUS軟件在模擬多孔介質(zhì)中的水分運(yùn)動(dòng)方面具有輸入界面友好、適用范圍廣、可視性強(qiáng)等優(yōu)勢，能夠契合教育部在《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中倡導(dǎo)的“堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念”[8]。HYDRUS模擬軟件可與理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合（見圖2），理論教學(xué)傳授的背景知識(shí)可以在模型的構(gòu)建及運(yùn)行過程中找到對(duì)應(yīng)關(guān)系，有助于理論框架和知識(shí)體系的構(gòu)建；實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)可對(duì)HYDRUS軟件設(shè)定的土壤特征參數(shù)及邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而有助于開展多情景下的實(shí)踐運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及獨(dú)立思考能力。

3HYDRUS在土壤水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

采用HYDRUS軟件的二維模式，對(duì)沿水分入滲方向的實(shí)驗(yàn)土柱剖面進(jìn)行模擬域構(gòu)建。由于模擬的是室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)，不考慮溫度變化造成的熱傳遞，并忽略土壤表面的蒸發(fā)。供試土壤根據(jù)其顆粒級(jí)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(nèi)置的Rosetta程序推求對(duì)應(yīng)的土壤水分特征參數(shù)。采用vanGenuchten模型計(jì)算土壤變飽和狀態(tài)下的水分傳導(dǎo)，由于實(shí)驗(yàn)為單向濕潤過程，不考慮土壤干濕循環(huán)下土壤水分特征曲線的滯后效應(yīng)。土壤的初始體積含水率為8%，容重為1.5g/cm3。實(shí)驗(yàn)土柱的土體長度為50cm，高度為10cm，土柱的供水側(cè)設(shè)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(cè)設(shè)置為滲流邊界。土體外圍的有機(jī)玻璃不具備透水性，因此將二維剖面的上下兩側(cè)設(shè)為零通量邊界。采用軟件的FE-Mesh模塊將有限元?jiǎng)澐譃檫呴L0.5cm的三角形，并在邊界位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提升計(jì)算精度。在不同位置（水平間距5cm）的網(wǎng)格點(diǎn)上設(shè)置觀測點(diǎn)，記錄不同時(shí)段對(duì)應(yīng)的含水率及水勢，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕潤鋒推進(jìn)速率的觀測。所構(gòu)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(guān)系曲線，可用于分析不同質(zhì)地土壤的持水能力和土壤水分的有效性，在水文學(xué)、土壤學(xué)等領(lǐng)域的科研與應(yīng)用中具有關(guān)鍵性的作用[9]。在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件下，將研究內(nèi)容設(shè)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(jīng)驗(yàn)曲線描述[10]。該過程需要學(xué)生定時(shí)定點(diǎn)地觀測水土勢與含水率的變化，并通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)二者的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行擬合[11]。實(shí)驗(yàn)周期長且連續(xù)性要求高，不利于與理論教學(xué)課時(shí)安排相匹配。HYDRUS軟件通過內(nèi)置的求解模塊，可根據(jù)輸入的土壤水分特征參數(shù)，擬合出供試土壤對(duì)應(yīng)的水分特征曲線（見圖4），在提升教學(xué)效率的同時(shí)可為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)性的參照。所得結(jié)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(zhǔn)確地反映三類土壤在從飽和狀態(tài)逐漸失水的過程中，土壤水吸力的變化程度呈現(xiàn)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(jīng)歷相同的入滲時(shí)間后，透水性能最強(qiáng)的壤砂土濕潤帶的擴(kuò)張程度最大，砂壤土次之，粘壤土最低，這與流場分布圖呈現(xiàn)的水分運(yùn)移速度一致。三類土壤含水率飽和區(qū)（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(qū)的增加量低于入滲1h后對(duì)應(yīng)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(qū)與原始土壤之間存在明顯的含水率梯度變化區(qū)，且該區(qū)域的范圍大小呈現(xiàn)壤砂土>砂壤土>粘壤土的變化特性。土壤水分在運(yùn)動(dòng)過程中同時(shí)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(cè)端呈現(xiàn)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(diǎn)含水率的變化節(jié)點(diǎn)，可進(jìn)一步擬合出入滲過程對(duì)應(yīng)的濕潤鋒推進(jìn)過程線，以及不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濕潤鋒平均推進(jìn)速率（見圖6）。在模擬域規(guī)格相同的條件下，濕潤鋒推進(jìn)所消耗的時(shí)長表現(xiàn)為粘壤土>砂壤土>壤砂土，三類土壤的濕潤鋒平均推進(jìn)速率均呈現(xiàn)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(shí)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(jìn)速率呈現(xiàn)顯著下降的變化形式。當(dāng)形成一定規(guī)模的飽和區(qū)后，水分在飽和土壤中的運(yùn)移速率為固定的土壤飽和導(dǎo)水率，使得推進(jìn)過程逐漸趨于平緩。

4結(jié)語

本文針對(duì)土壤水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的周期長、處理方式有限、裝置邊界效應(yīng)明顯等不足，采用HYDRUS模擬軟件對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行了改進(jìn)。以土柱入滲實(shí)驗(yàn)為模擬范例，運(yùn)用HYDRUS軟件對(duì)不同質(zhì)地土壤在水平入滲狀態(tài)下的含水率及流場分布動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了二維數(shù)值仿真。結(jié)果表明，HYDRUS數(shù)值模擬技術(shù)能夠充分發(fā)揮其設(shè)計(jì)形式多樣化、輸出結(jié)果可視化的優(yōu)勢，細(xì)致地展示了水分在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散及積聚特征，并直觀地揭示了變飽和狀態(tài)下土壤中的水分運(yùn)移機(jī)理。此外，通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)多類實(shí)驗(yàn)情景，HYDRUS模擬軟件可以為相關(guān)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)提供參照和指導(dǎo)，在節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)有助于學(xué)生認(rèn)知能力和探索意識(shí)的提高，達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。今后在土壤水動(dòng)力學(xué)的教學(xué)優(yōu)化實(shí)踐中，應(yīng)將數(shù)值模擬軟件涉及到的基礎(chǔ)理論與課程教學(xué)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性匹配，以提升學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知深度。同時(shí)，應(yīng)在模擬情景中融入與行業(yè)發(fā)展相關(guān)的應(yīng)用案例[12]，進(jìn)而加強(qiáng)圍繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展而進(jìn)行人才培養(yǎng)的工作[13]。

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作者:陸培榕 羅紈 賈忠華 唐雙成 劉文龍 黃先北 單位:揚(yáng)州大學(xué)