微润灌溉土壤湿润体运移模型研究

为探明微润灌溉土壤入渗湿润体运移的变化规律,采用室内土箱模拟的方法,以粘壤土为例,选取不同土壤容重、初始含水率、管带埋深和压力水头等4个因素进行试验,研究这些因素对微润灌土壤入渗湿润锋随时间运移关系的影响。结果表明:在相同入渗时间内,湿润锋运移距离随土壤容重的增大而减小,随土壤初始含水率和压力水头的增大而增大,但不同管带埋深对湿润锋运移无显著影响;湿润锋垂直和水平方向运移距离与时间的1/2次方呈线性函数关系,以此为基础建立了包括土壤容重、初始含水率和压力水头的综合预测模型,用建立的综合模型对微润灌土壤入渗湿润锋运移距离进行预测,并对预测值与试验值进行比较,结果表明综合模型的预测精度较高。     

竖管地下灌溉粉质壤土入渗湿润体的试验研究

竖管灌水器是一种在低压（0.6～2.0 m）状况下对作物进行根部地下灌溉的新型灌水技术的核心部件。为了研究该灌水器在不同影响因素不同组合情况下湿润体特征参数值的变化,为竖管灌水器的进一步研究提供借鉴。试验采用正交试验设计安排了9组试验对压力水头、土壤初始含水率、竖管灌水器的竖管直径和土壤容重（每个因素取3个水平）4个因素进行了室内试验研究。入渗试验7 h之后获得的结果表明:湿润体的湿润半径大小排序为Y_负≥X≥Y_正,湿润体的含水率分布在水平方向呈现为圆形扩散,而竖直方向呈现为椭圆形扩散,表明重力对水分入渗有一定的影响。竖管地下灌溉湿润体平均含水率变化范围为7.5%～33.3%,能够更好地满足不同作物的需水要求。     

多因素影响下竖管地下灌溉入渗特性分析

为了研究压力水头、竖管直径、土壤初始含水率、土壤容重和入渗时间等5个因素对竖管地下灌溉入渗特性的影响。采用正交试验设计共安排了10组试验（9组试验,1组验证试验）,利用竖管地下灌溉室内试验装置测定7 h内累积入渗量,构建累积入渗量与5个因素之间的量化关系式,量化关系式相关系数为0.98,决定系数大于0.99,表明该式可客观反映各因素与累积入渗量之间的关系。累积入渗量与压力水头、竖管直径和入渗时间呈显著性正相关,与土壤初始含水率和容重呈负相关。根据这一量化关系式得到入渗流量的表达式,入渗流量开始较大,为1.93～5.92 L/h,逐渐减小,经过5～6 h后趋于稳定,稳定入渗流量为0.08～0.25 L/h;用敏感性分析和相关系数分析各因素对入渗流量的影响,结果表明：压力水头是影响流量的主要因素,其次为竖管直径、容重和初始含水率;入渗流量与压力水头和竖管直径呈极显著性正相关,与土壤初始含水率、土壤容重和入渗时间呈负相关。这一结果对进一步研究竖管地下灌溉管网系统水力特性和技术要素具有重要意义。     

竖管地表滴灌下风沙土稳定入渗率与湿润体估算模型

为了量化解决竖管地表滴灌过程中滴头流量与竖管结构参数(竖管直径和竖管埋深)、土壤湿润体与植物根系的匹配问题,该研究通过12组竖管内积水(2 cm水头)入渗试验(9组率定,3组验证),测定不同竖管直径(8.8、10.6、12.6、14.2 cm)和竖管埋深(15、20、25 cm)条件下风沙土累积入渗量变化过程,并采用Philip入渗模型拟合。结果表明:竖管直径一定时,稳渗率随埋深的增大而减小,竖管埋深一定时,稳渗率随管径的增大而增大,稳渗率与竖管直径和竖管埋深之间符合幂函数关系(决定系数R20.99),幂函数指数分别为2.01和-0.64。利用所建稳定入渗率估算式确定与竖管结构参数相匹配的滴头流量(保证竖管内无积水),设计9组竖管地表滴灌室内试验(7组率定,2组验证),观测不同滴头流量(0.9、1.2、1.5 L/h)、竖管直径(10.6、12.6、14.2 cm)和竖管埋深(15、20、25 cm)条件下风沙土湿润锋运移过程,并进行幂函数拟合,发现滴头流量对垂直向下湿润锋运移距离显著,滴头流量越大,垂直向下湿润锋运移距离越大,而水平方向和垂直向上湿润锋运移距离差异较小;在3个方向上湿润锋运移距离均随竖管直径的增大而减少;随竖管埋深增加,垂直向上和垂直向下湿润锋运移距离均有所减小,但水平方向湿润锋运移距离变化很小。确定了灌溉水到达竖管底孔所需时间计算式,在此基础上,构建了包括滴头流量、竖管直径、竖管埋深和灌水时间在内的竖管地表滴灌湿润体预测模型,验证所建模型的可靠性,平均绝对误差和均方根误差平均值分别为0.74和0.92 cm,纳什效率系数均大于0.91,说明预测效果良好。该研究所建稳定入渗率和湿润体预测模型对于竖管地表滴灌优化设计具有重要意义。     

水平微润灌湿润体HYDRUS-2D模拟及其影响因素分析

为探索土壤质地、初始含水率、压力水头和埋深对水平微润灌土壤湿润体特性的影响机理,利用试验数据验证了水平微润灌HYDRUS-2 D模拟结果的可靠性,模拟值与实测值非常吻合。在此基础上,模拟研究了3种土壤质地(砂壤土、壤土、粉壤土)以及壤土中不同初始含水率(0.085、0.106、0.130 cm~3/cm~3)、压力水头(0.6、1.2、1.8 m)和埋深(20、30、40 cm)条件下土壤湿润体动态变化规律。结果表明:土壤湿润锋运移距离皆符合垂直向下水平方向垂直向上的规律,湿润体在形状上差异不大,土壤含水率等值线均为近似"同心圆";土壤质地对湿润体特性有显著影响,土壤质地越黏重,湿润锋运移速率越慢,湿润体体积越小,土壤含水率等值线越密集,其"圆心"越靠近微润管,灌水结束时,壤土和砂壤土湿润体体积分别是粉壤土的1.3倍和2.5倍;在确定的土壤质地条件下,初始含水率和压力水头对湿润体特性有较大影响,湿润锋运移距离及湿润体体积均随土壤初始含水率、压力水头的增大而增大,初始含水率为0.106和0.130 cm~3/cm~3的湿润体体积分别是0.085 cm~3/cm~3的1.2倍和1.5倍,压力水头为1.2和1.8 m的湿润体体积分别是0.6 m的1.6倍和2.2倍;微润管埋深对湿润体分布位置有显著影响,埋深较浅时,湿润锋容易到达地表,埋深较深时,土壤湿润体随埋深下移而同步下移。     

沟灌入渗湿润体运移距离预测模型

为进一步探明沟灌入渗湿润体的影响因素和其运移规律,该文通过黏壤土和砂土的室内沟灌入渗试验,重点研究了土壤容重、沟中水深和土壤初始含水率对沟灌入渗湿润体的影响。通过分析,发现湿润锋垂直和水平方向运移距离与时间的1/2次方呈线性函数关系,建立了包含土壤容重、沟中水深、土壤初始含水率等因素的湿润峰运移距离预测模型,并对模型进行验证,结果表明模型精度较高,用其模拟沟灌入渗湿润峰运移距离是可行的。研究结果可为改进沟灌灌水技术提供参考。     

土壤初始含水率对浑水膜孔灌肥液自由入渗水氮运移特性影响

为了探究浑水膜孔灌肥液入渗在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(6.02%,7.40%,8.23%,10.08%和13.20%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分分布以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了浑水膜孔灌肥液入渗累积入渗量、各向湿润锋运移距离与土壤初始含水率之间的关系,提出了不同土壤初始含水率的累积入渗量以及各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布规律均受到土壤初始含水率的影响;同一入渗时刻,累积入渗量随土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出随时间增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮以及硝态氮分布范围越广;土壤初始含水率越大,入渗系数K值越小,入渗指数α越大。灌水结束时,湿润体内铵态氮绝大部分分布在湿润体半径r≤5cm范围内,而湿润体半径10cmr5cm范围的土壤铵态氮含量随土层深度的增加而降低,当湿润体半径r≥10cm时,铵态氮含量明显降低;硝态氮主要集中分布在由膜孔中心至半径为10cm范围内,水平方向和垂直方向硝态氮含量均随着膜孔中心距离的增加而降低,距离膜孔中心越近硝态氮含量越高;在同一位置处,铵态氮和硝态氮质量分数均随土壤初始含水率的增大而增大;随土壤水分再分布,湿润锋逐渐下移,湿润体内铵态氮逐渐向下运移且其含量呈现降低趋势;随时间继续运移,上层土壤硝态氮含量逐渐减小,下层新湿润体中硝态氮含量逐渐增加,整个湿润体内硝态氮含量分布趋于均匀。研究成果为进一步研究浑水膜孔灌肥液入渗氮素运移及转化奠定了基础。     

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。     

地下滴灌条件下砖红壤水分入渗特性试验研究

在实验室内模拟研究了地下滴灌条件下不同滴头流量、滴管埋深和土壤初始含水率对湿润锋运移的影响规律。结果表明：滴头流量对湿润锋水平运移的影响大于竖直方向,湿润体的成形主要受到滴头流量的控制;滴管埋深对湿润锋运移影响不大;湿润锋运移速率随土壤初始含水率的增加而增大,其中以水平方向上最为明显。     

初始含水率及容重影响下红壤水分入渗规律

运用室内模拟土柱试验,研究了初始含水率为7%,11%和15%这3个梯度及容重为1.2,1.3,1.4,1.5g/cm~3这4个梯度对均质红壤水分入渗规律的影响;根据Kostiakov模型和Philip模型对入渗过程进行拟合分析,得出入渗模型参数。试验结果表明:均质红壤水分入渗,入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系,Philip入渗模型较适用;随着时间的推进,土壤逐渐达到饱和,入渗率、湿润锋运移速率的变化也越来越小;入渗率与初始含水率成反比关系,初始含水率越高,入渗率越低;湿润锋运移速率随初始含水率增加而增大;土壤容重越大,入渗率越低,湿润锋运移越慢。     

肥液浓度对涌泉根灌土壤水氮运移特性的影响

为了提高涌泉根灌水肥的利用效率,采用室内土箱入渗试验,探究了不同肥液浓度(0,15,30,60g/L)条件下湿润锋运移、土壤水分及氮素分布的规律。结果表明:入渗相同时间时,随着肥液浓度的增大,湿润锋运移距离、湿润体内相同节点处的土壤含水率、铵态氮及硝态氮质量分数均增大;湿润锋运移距离与入渗时间具有显著的幂函数关系,其决定系数均达到0.99;随着肥液入渗再分布的进行,湿润体内含水率分布更加均匀,最大含水率位置下移,铵态氮量逐渐减小,再分布5d湿润体内硝态氮量达到最大值;硝态氮运移规律和水分相似,易随水分流失。该研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。     

竖管地表滴灌与普通地表滴灌土壤水分运移特性对比试验研究

为探究竖管地表滴灌和普通地表滴灌土壤水分运动规律及区别,在室外同步进行2种滴灌模式下风沙土入渗和蒸发试验,对比分析了土壤水分分布、蒸发规律和土壤湿润锋运移特性。结果表明:(1)灌水量为2 L,2种滴灌模式下,随着滴头流量的增大,湿润体体积和灌水均匀度逐渐减小,湿润体含水率平均值逐渐增大,当滴头流量一定,竖管地表滴灌的湿润体体积大于普通地表滴灌,而灌水均匀系数小于普通地表滴灌;(2)不同滴头流量处理(0.3,0.4,0.6 L/h)蒸发7天结束后,普通地表滴灌土壤蒸发量分别占灌水量的32.5%,35.0%和40.0%,而竖管地表滴灌土壤蒸发量仅占灌水量的22.5%,说明竖管地表滴灌对土壤蒸发有明显的抑制作用;(3)相同灌水量(2 L)时,普通地表滴灌水平和垂直湿润锋运移距离均随滴头流量的增大而略有减小,竖管地表滴灌垂直向下湿润锋运移规律与普通地表滴灌相同,而水平和垂直向上方向运移规律相反;随着时间的延长,普通地表滴灌与竖管地表滴灌水平和垂直方向湿润锋比值均呈不断减小趋势,最后趋于稳定;(4)构建了包括滴头流量和灌水时间在内的普通地表滴灌湿润锋运移距离经验公式,验证所建经验公式的可靠性,均方根误差介于0.24~0.27 cm,纳什效率系数均大于0.985。研究结果可为竖管地表滴灌技术应用提供理论参考。     

地下灌竖管灌水器直径压力对土壤水入渗特性的影响

研究竖管灌水器地下灌溉条件下,土壤质地、压力水头和竖管直径对土壤水分入渗特性的影响。选用粉质壤土和砂质壤土2种土壤,在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 m压力水头,以及竖管直径为4、8、12和16 mm条件下,测定5 h内土壤水分累计入渗量,并应用Philip公式对入渗过程进行拟合,计算入渗流量。结果表明,不同土壤质地下,累计入渗量均随压力水头增加而增加,但质地越重,累计入渗量越小,压力水头在入渗初期对累计入渗量影响较大,随入渗时间延长,其影响程度减弱。入渗流量开始较大,逐渐减小,入渗流量趋于稳定的时间过程较长。当压力水头为0.5~3 m,灌水器稳定入渗流量为0.53~1.25 L/h。土壤水分累计入渗量变化随竖管直径增大而减小,逐渐趋于稳定。基于竖管直径构建了累计入渗量估算模型,经验证,模型决定系数大于0.99,表明模型的可行性。研究可为竖管地下灌溉管网系统设计及应用提供参考。     

聚丙烯酰胺施用量、初始含水率和容重对土壤水分入渗特性的影响

  目的  聚丙烯酰胺（PAM）被认为是最有潜力的人工合成土壤改良剂。研究PAM对土壤水分入渗的影响,为黄土高原水土流失防治和土壤改良提供依据。  方法  通过室内模拟土柱试验,分析了PAM施用量、初始含水率和容重对一维垂直积水入渗的累积入渗量与湿润锋运移距离的影响,并通过多元回归分析得到各因子影响程度。  结果  （1）不同PAM施用量处理120 min累积入渗量和120 min湿润锋运移距离总体上呈减小趋势,减小程度与PAM施用量有关。（2）无论是否施用PAM,120 min累积入渗量随初始含水率和容重的增加均呈现不同幅度的减少,而120 min湿润锋运移距离随初始含水率和容重的增加分别表现为增大和减小的趋势。（3）各因子对120 min累积入渗量和120 min湿润锋运移距离的影响程度排序均为:容重 > PAM施用量 > 初始含水率。（4）建立了基于非线性回归方法的多元土壤水分入渗经验模型。  结论  PAM对于改良黄土高原地区旱作土壤的水分状况具有良好效果。     

含沙率对层状土浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为探究不同浑水含沙率对层状土入渗特性的影响,通过室内膜孔灌自由入渗试验,研究了以夹砂层位置为5~10cm的层状土条件下清水和不同含沙率的浑水(2%,5%,7%,9%)入渗的累积入渗量、湿润锋运移规律以及湿润体内土壤含水量分布情况,分别建立了层状土不同含沙率浑水膜孔灌入渗量、湿润锋运移距离与入渗时间之间的关系;提出了基于清水入渗的不同浑水含沙率单位膜孔面积累积入渗量模型。结果表明:不同浑水含沙率累积入渗量变化趋势一致,但含沙率越大,累积入渗量越小,浑水减渗作用越明显,对应入渗系数越小,入渗指数越大;湿润锋运移距离随含沙率的增大而减小,当水分入渗到壤—砂交界面时,湿润锋在垂向上出现明显停滞,仅在水平方向上随入渗时间不断推进;供水结束后不同浑水含沙率下土壤湿润体内水分主要集中砂层以上,土壤含水量随浑水含沙率的增大而减小。研究结果可为进一步研究层状土浑水膜孔灌灌溉技术提供理论参考。