非飽和土壤水流中的控制釋放耦合問題的有限元方法.pdf

1、隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人們大量使用化肥、農(nóng)藥來提高農(nóng)作物生產(chǎn)效率。據(jù)國家環(huán)保部門數(shù)據(jù)顯示,我國是世界上化肥、農(nóng)藥使用量最大的國家?；省⑥r(nóng)藥年施用量分別達(dá)4700萬噸和130萬噸,而其使用效率僅為30％。化肥和農(nóng)藥的長期大量施用導(dǎo)致耕地質(zhì)量不斷下降,并且流失的化肥和農(nóng)藥還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。與此同時,為了提高產(chǎn)量人們又需要施用更多功效更高的化肥、農(nóng)藥,由此產(chǎn)生惡性循環(huán)。久而久之,農(nóng)田的生物多樣性持續(xù)減少、生態(tài)穩(wěn)定性不斷降低、

2、糧食品質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)減勢。面對這種逐漸惡化的趨勢,科學(xué)家們經(jīng)過長期科學(xué)實(shí)踐,創(chuàng)建了一整套“綠色食品”的生產(chǎn)流程。這在一定程度上降低了化肥、農(nóng)藥所帶來的環(huán)境影響,但生產(chǎn)成本高、畝產(chǎn)量低的缺陷十分顯著。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)技術(shù)條件下,我們顯然不能大面積的使用該技術(shù),以此來滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)的需求。因此,提高化肥和農(nóng)藥的利用率已成為當(dāng)前亟需研究和解決的具有實(shí)際意義的重要課題。為了最大限度減少過度施用化肥、農(nóng)藥所造成的環(huán)境惡化,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)家們發(fā)明了藥物控

3、制釋放技術(shù)。所謂控制釋放技術(shù),即把溶質(zhì)裝在滲透材料制成的膠囊中,溶質(zhì)透過膠囊釋放并在土壤中擴(kuò)散開。這種方法既提高了溶質(zhì)的利用率又降低了環(huán)境破壞。
　　 溶質(zhì)控制釋放過程中,土壤水一直處于非飽和狀態(tài)。謝正輝,羅振東,李煥榮分別給出了非飽和土壤水流含水率、通量的誤差分析與數(shù)值模擬,其中羅振東利用混合元法模擬了其數(shù)值解,李煥榮利用廣義差分法模擬了其數(shù)值解。Friedman給出了釋放過程的一般公式及一維數(shù)值方法求解。程愛杰在假定流場穩(wěn)定

4、下討論了控制釋放-遷移完全耦合模型在三維空間形態(tài)下數(shù)值求解的有限元方法。佐春梅給出了三維空間飽和狀態(tài)時控制釋放-遷移-水流耦合模型的有限元方法。
　　 本文研究非飽和土壤水流耦合問題的溶質(zhì)控制釋放問題,分為四章:第一章,給出非飽和水流耦合問題中含水率與通量的關(guān)系式、溶質(zhì)運(yùn)移關(guān)系式及邊界條件的假設(shè)。
　　 第二章,采用Raviart-Thomas混合元方法求解含水率、通量方程,并對其進(jìn)行半離散與全離散格式,給出最優(yōu)化誤差分

5、析。
　　 第三章,采用Galerkin格式求解溶質(zhì)濃度方程,并對其行誤差分析并給出次最優(yōu)估計(jì)。在相同條件下,我們考慮到含水率隨時間變化相對濃度較小,進(jìn)而對溶質(zhì)濃度方程中的含水率與通量進(jìn)行線性插值。
　　 第四章,在假定周期性邊界條件的情況下,針對方程中擴(kuò)散部分系數(shù)偏小、對流項(xiàng)占主導(dǎo)的特點(diǎn),建立濃度的特征線修正-MMOC格式,并對其進(jìn)行理論分析。由于MMOC格式存在不守恒的特點(diǎn),引入擾動項(xiàng)δ=γhc→q/θ△tc,得到調(diào)