农业面源污染日益突出,灌溉施肥是引起我国农业面源污染的主要途径之一。系统开展撒施与液施氮肥下畦灌施肥田间试验与数值模拟研究,可为改进和提高我国使用的畦灌施肥系统性能提供技术支撑,对实现节水节肥、减轻农业面源污染具有重要理论意义和应用价值。本论文以硫酸铵为施用氮肥,开展了不同施肥方式下畦灌水氮时空分布特征分析及施肥性能评价研究。基于混合数值解法求解全水动力学畦灌模型的模拟结果,构建了畦灌撒施地表水流溶质运移模型;基于标量有限体积法构建了畦灌液施地表水流溶质运移耦合模型。提出了非均匀撒施的概念,构造了撒施非均匀系数,利用构建的模型,分析了撒施非均匀系数和液施时机对畦灌施肥性能的影响,提出了适宜的畦灌撒施与液施技术要素优化组合方案,为冬小麦畦灌施肥技术改进与提高提供了科学参考依据。本研究取得的主要创新点和结论如下:1.在畦灌施肥水氮时空分布特征分析与施肥性能试验评价方面,首次开展了均匀撒施与全程液施硫酸铵下畦灌施肥对比试验。分析结果表明,液施下灌后1d 土壤氮素沿畦长分布均匀性可得到明显改善,撒施下则更为不均;全程液施与均匀撒施在施氮分布均匀性、施氮储存率和施氮满足率之间存在显著性差异,全程液施是比较适宜的畦灌施肥方式。2.在畦灌水流运动模型数值解法方面,针对全水动力学畦灌模型控制方程中各项具有不同的数理特征,分别采用有限差分法、有限体积法和有限单元法进行数值解算,提出了混合数值解法。基于典型畦灌试验观测值,通过与目前常用的Roe有限体积法的解算结果相比,混合数值解法表现出更优的数值计算稳定性、收敛性和模拟精度,且在相同度量环境下计算效率提高了 2倍左右。3.在畦灌撒施水流溶质运移模拟方面,以全水动力学畦灌模型获得的模拟结果作为已知和边界条件,借助湍流流速分布律和不可压缩流体力学连续性方程,重构了沿畦长及垂向非均布流速场。在利用该非均布流速场构造湍流扩散系数基础上,构建了畦灌撒施地表水流溶质运移模型。验证结果表明,模拟与实测的铵态氮浓度值之间平均相对误差为5.91～11.92%,溶质质量平衡误差小于0.5%,构建的畦灌撒施模型具备较好的模拟精度。4.在畦灌液施水流溶质运移耦合模拟方面,通过区分对流波与重力波分属不同的物理过程,重新表达了地表水流溶质运移耦合方程,提出了具备标量耗散特征的标量有限体积法。验证结果表明,标量有限体积法模拟的铵态氮浓度变化过程与实测值之间的平均相对误差仅为2.69%～3.88%,Roe矢量有限体积法的模拟结果与实测值之间的平均相对误差则为3.23%～11.16%,且前者计算效率比后者提高了约2.5倍。5.在不同撒施非均匀性下畦灌撒施性能模拟评价与优化设计方面,定义了撒施非均匀系数,利用构建的模型开展了数值模拟分析。结果表明,存在最佳撒施非均匀系数及施肥性能指标极优值。最佳撒施非均匀系数下,小、中、大流量下畦面微地形满足Sd≤3.6、4.0cm、4.5cm时,不同畦长与土壤质地组合的施氮分布均匀性和施氮储存率均能达到75%以上。6.在不同液施时机下畦灌液施性能模拟评价与优化设计方面,利用构建的模型开展了不同畦灌液施技术要素组合下数值试验。结果表明,不同畦面微地形Sd和土壤质地组合下,小、中、大入畦单宽流量下短畦的最佳液施时机均为全程,中、长畦的最佳液施时机都为全程、全程和后半程。最佳液施时机下,小、中、大流量下畦面微地形Sd≤3.5、3.7cm和4.3cm时,不同畦长和土壤质地组合的施氮分布均匀性和施氮储存率均能达到75%。