渠道土壤含水率的时空变化及渗漏模拟研究

【目的】探明渠道土壤含水率的时空变化及不同水深条件下渠道渗漏规律。【方法】采用恒水位静水试验,试验设置8个入渗水头,分析渠道土壤含水率的时空变化规律及不同水深、质地条件下渠道的累积入渗量及入渗速率的变化规律。基于田间层状土壤条件下开展的渠道渗漏试验,建立了二维空间上饱和-非饱和有压水头的土壤水分入渗模型,采用HYDRUS-2D软件对试验渠道及均质粉土、粉壤土的渠道进行模拟。【结果】①当土壤剖面存在分层界面时,临界面对水分入渗具有缓阻作用,分层界面底部达到饱和含水率的时间相应增长。到达一定时间后,缓阻现象消失,水分通过分层界面后,入渗呈线性均匀的变化。②利用HYDRUS-2D软件对试验渠道的水分入渗速率及累积入渗量进行模拟,经实测数据验证,试验模拟效果较好,用于渠道渗漏评价入渗速率和累积入渗量是可行的。随着渠道水深的增大,入渗速率增大,累积入渗量的变化越大。渠道水深与土壤水势梯度正相关,因而与渗漏通量正相关。③渠道土质越黏重,土粒间孔隙就越小,水流渗漏的阻力越大,水力传导度越小,土壤持水能力越大,渠道的渗漏损失越小。【结论】HYDRUS-2D软件可较好的模拟复杂条件下渠道渗漏规律,土壤的层状性对水分入渗具有缓阻现象,灌区改造优选黏性土壤可减小土壤水分入渗。     

负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。     

生物炭添加对淡灰钙土水分入渗过程的影响

【目的】改善和提高银川平原土壤蓄水保肥能力和土地生产力。【方法】以银川淡灰钙土为研究对象,采用室内一维垂直定水头法,选取5种生物炭添加比例0%(CK)、2%(B1)、3%(B2)、5%(B3)和6%(B4),研究了湿润锋进程、入渗速率、累积入渗量,比较了Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型和通用经验模型对含生物炭土壤水分入渗过程的适用性。【结果】B1、B2、B3和B4处理的初始入渗速率比CK分别减小5%、12%、32%和38%,稳定入渗速率减小30%、39%、44%和48%,即随生物炭量增加土壤水分入渗速率呈逐渐减小的趋势;入渗历时120 min时,B1、B2、B3和B4处理的湿润锋进程比CK分别减少14%、31%、39%和40%,累积入渗量分别减少13%、24%、36%和42%,即随着生物炭量的增加,其对土壤湿润锋进程、累积入渗量抑制作用越强;4种入渗模型中Horton模型最适宜模拟研究区不同生物炭量条件下土壤水分入渗过程。【结论】生物炭添加可以改善淡灰钙土水分损失快、持水性能差的情况,显著提高淡灰钙土保水能力。     

一维土壤入渗特性数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论基础,利用Richards模型模拟不同实验处理下的一维垂直入渗过程,采用SWMS-1D软件对模型求解,用试验资料对模拟的累积入渗量与湿润锋运移距离结果进行了对比验证,二者基本吻合。对模拟结果分析得出,土壤质地和容重对一维垂直入渗累积入渗量、入渗速率和湿润锋运移距离影响较大,土壤初始含水率和入渗水头对其影响较小;并分别建立了不同土壤质地下的累积入渗量、入渗速率和湿润锋运移距离与入渗历时单参数幂函数计算式。     

微咸水灌溉下粉垄耕作土壤水盐运移特性

【目的】明确微咸水灌溉条件下粉垄耕作土壤水分入渗规律及水盐运移特征。【方法】基于室内土箱试验,分析3种微咸水矿化度(0g/L(S1)、3g/L(S2)和5g/L(S3))和2种耕作(粉垄耕作(FL)和传统翻耕(FG))条件下的土壤水分入渗特征和水盐运移规律。【结果】水分平均入渗速率和垂直湿润锋推进速率随着微咸水矿化度的升高呈先增大后减小的变化趋势,水平湿润锋运移速度随着微咸水矿化度的升高而持续增加。FL处理下的土壤水分入渗速率、湿润锋推进速率相比FG处理有明显提升。Kostiakov模型可较好地拟合2种耕作措施下的土壤累积入渗量与入渗时间之间的关系(R²>0.99)。灌溉后20 d,FL处理下的土壤含水率均小于相同微咸水矿化度下的FG处理;同一耕作措施下,土壤含水率随着微咸水矿化度的升高而增加。【结论】微咸水灌溉与粉垄耕作对土壤水分入渗、土壤湿润锋运移和土壤水盐再分布具有改善作用。与灌溉前相比,灌溉后20 d,FL处理下的土壤平均脱盐率为42.95%～55.98%,而FG处理下的土壤平均脱盐率为32.34%～43.29%。随着矿化度的增加,FL处理下的平均土...     

覆砂下微咸水盐度和SAR对水盐入渗及分布的影响

为探讨覆砂条件下灌溉水盐度及钠吸附比对土壤水分入渗过程及水盐分布的影响规律,通过室内土柱模拟试验,研究了灌溉水盐度(EC为0,1.0,2.5,5.0,7.5 dS/m,SAR为5.8(mmol/L)^0.5)和钠吸附比(SAR为 3.9,7.0,12.7,22.7(mmol/L)^0.5,EC为2.5 dS/m)对土壤累积湿润锋和入渗量以及水盐分布的影响.结果表明,随灌溉水盐度的增加,累积湿润锋呈增加趋势,而累积入渗量呈减少趋势.与去离子水相比,7.5 dS/m处理的累积湿润锋较蒸馏水增加了7.0%,而土壤平均含水率降低了36.0%.累积湿润锋和入渗量随灌溉水钠吸附比增加先增大后减小,土壤含水率受灌溉水钠吸附比的影响较小.土壤含盐量随灌溉水盐度增加而呈幂函数增加,但与钠吸附比无明显关系.灌溉水的钠吸附比提高了土壤pH值.     

磁场强度对磁化水入渗和土壤水盐运移特征的影响

为探明不同磁场强度对磁化水土壤水盐运移规律的影响,揭示磁化水淋盐增效机理,进行了室内一维垂直土柱入渗试验,研究了0、0. 1、0. 2、0. 3、0. 5 T磁场强度磁化水对土壤水盐运移特征的影响。结果表明:经磁化处理后,土壤水分入渗速率与湿润锋运移速率均有所降低,而上层土壤湿润体水分含量增加;随着磁场强度的增加,累积入渗量呈现先减后增的变化趋势,在磁场强度为0. 3 T时,累积入渗量减少幅度最大。磁场强度对磁化水土壤入渗参数具有显著影响,入渗模型吸渗率和饱和导水率与磁场强度之间存在较好的二次多项式关系,在磁场强度为0. 28 T时,吸渗率和饱和导水率均达到最小值。磁化水入渗能够提高水分在上层土壤中的滞留时间,提高上层土壤含水率,降低深层土壤水分入渗量;经磁化处理后,单位水体盐分淋洗量增加,脱盐率和脱盐强度显著提高,在磁场强度为0. 3 T时磁化水盐分淋洗效果最好。研究表明,磁场强度显著影响磁化水入渗和土壤水盐运移特征。     

不同地下水埋深土壤水分入渗规律研究

【目的】分析农田土水势的分布对作物的生长状况和农田水分循环的影响。【方法】采用观测室内层状长土柱(土柱长L=335 cm)在上边界条件为薄层积水、下边界控制不同地下水埋深时的水分入渗及蒸发过程的试验,分析了不同地下水埋深时土水势与零通量面的变化特征。【结果】入渗率随时间总的变化趋势是减小,入渗率随时间的变化一般经历3个阶段:迅速减小、缓慢减小和稳定阶段;累积入渗量随时间增加,与时间呈幂拟合关系;入渗初始阶段湿润锋运移速率较快,之后随着时间的推移,湿润锋运移速率逐渐减小,至某一时间后趋于稳定。【结论】湿润锋运移距离与时间的平方根呈线性关系     

入渗水头对盐碱土水盐运移影响的试验研究

通过室内盐碱土垂直入渗水盐模拟试验,分析了不同水头作用下湿润峰、累积入渗量、土壤含水量、电导率及Cl-浓度的变化特征。研究结果表明,不同水头条件下湿润峰和累积入渗量与入渗历时有显著的乘幂关系,影响顺序为10 cm>5.0 cm>2.5 cm;在脱盐区不同入渗水头土柱剖面的土壤含水量、电导率及Cl-浓度分布基本一致,而在盐分累积区,随着入渗水头的增加积盐深度减小,无论是入渗结束时还是再分布15 h,不同入渗水头脱盐效果有明显差异,表现为2.5 cm>5.0 cm>10 cm;随着入渗水头的增大,脱盐区深度略有增加,入渗结束时装土容重1.35、1.45 g/cm3的入渗脱盐深度与湿润峰的比分别为0.682和0.690,再分布条件下的比分别为0.619和0.632,在不同入渗水头作用下,再分布过程土壤的水盐运移比入渗过程缓慢。     

初始含水率对斥水黏壤土入渗特性的影响

为了探究初始含水率对斥水土壤入渗过程的影响规律,通过室内二维土箱的滴灌模拟试验,设置6个初始含水率水平(4.78%,7.28%,9.97%,13.64%,16.07%,19.02%),研究了初始含水率对湿润锋运移距离、宽深比、累积入渗量、入渗速率和土壤水分分布的影响,并评价了不同入渗模型的适用性.结果表明:随着初始含水率的提高,湿润锋运移相同深度所需时间呈逐渐减小趋势,两者较好满足幂函数关系,湿润锋宽深比逐渐减小;累积入渗量变化趋势为先减小后增大;入渗速率整体趋势为逐渐减小,其中斥水程度峰值含水率附近的处理出现入渗速率短暂提高的现象;Kostiakov模型能够较好反映斥水黏壤土的入渗规律,且斥水程度越大,模型拟合精度越低;随着斥水程度增加,土壤水分逐渐向湿润体垂向中间区域集中,并出现过度饱和现象.该研究可为斥水土壤的入渗理论奠定一定的基础.     

保水剂混施厚度对土壤水分垂直入渗特性的影响

通过室内混施保水剂水分入渗试验,研究了保水剂混施厚度对土壤水分垂直入渗特性的影响。结果表明,混施保水剂不同程度上减小了土壤水分入渗率、累积入渗量和湿润锋运移距离。保水剂混施厚度越大,对入渗率的抑制程度越大,累积入渗量和湿润锋运移距离越小。随着入渗时间的延长,土壤水分入渗率逐渐减小,累积入渗量和湿润锋运移距离却逐渐增大。...     

积水入渗下不同矿化度水对红壤水盐运移特征的影响

【目的】探讨积水入渗条件下矿化度对酸性红壤水盐运移特征的影响,为我国南方非常规水合理利用提供参考。【方法】采取土柱入渗试验,以蒸馏水灌溉(CK)为对照,探究不同矿化度水(1、2、3、5、10 g/L)入渗下南方红壤水分动态运移、水盐分布及土壤pH值变化,并量化矿化度与入渗模型参数关系。【结果】与CK相比,1～10g/L处理抑制红壤水分入渗,同一时刻累积入渗量表现为CK1 g/L处理5 g/L处理2 g/L处理3 g/L处理10 g/L处理。5 g/L处理持水能力显著高于其他处理(p0.05),单位时间湿润锋运移距离小于CK和1、2 g/L处理。Kostiakov公式较Philip方程能更精确描述1～3 g/L处理红壤累积入渗量随时间变化,矿化度大于3 g/L时则相反。红壤累积入渗量与湿润锋运移距离符合线性关系,红壤持水能力、入渗模型参数与矿化度关系均满足三次多项式(R20.95,RMSE0.06)。1～5 g/L处理可使5～25 cm土壤平均含水率增加0.09%～4.61%,各处理土壤EC值和Na~+、Cl~-质量分数随深度增加呈减小趋势,矿化度对25～40cm范围土壤盐分的影响小于上层土壤。与CK相比,1～5g/L处理加剧红壤酸化,10 g/L处理则增加土壤pH值。【结论】矿化度对土壤酸化和分散作用程度不同是造成红壤水盐运移特征差异的原因,南方红壤区非常规水安全利用需综合考虑矿化度作用下土壤水盐、酸碱环境变化。     

负水头条件下入渗模型对于水分入渗规律适用性研究

通过室内土柱入渗实验,对比了不同负水头高度条件下的土壤入渗规律,并采用了三种入渗模型分析了土壤水分入渗特点。实验结果表明,累积吸渗量与时间呈良好的幂函数关系,湿润锋与时间平方根间呈良好的线性关系,并且负水头高度减小,累积入渗量逐渐减小,湿润锋的推进速度减慢。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov公式对入渗率与入渗时间的关系进行拟合,得出Kostiakov公式能更准确地描述出入渗率与时间关系。     

入渗水头及土壤体积质量对垄作沟灌土壤水分入渗和分布的影响

采用室内土箱模拟试验,对不同入渗水头高度、体积质量的垄沟内湿润锋运移特性、入渗速率、灌溉需水量及含水率分布进行了研究。结果表明,相同体积质量条件下,随着入渗水头高度的升高,相同入渗时间湿周长度,湿润锋水平侧渗距离,垂向入渗距离均逐渐增加;水平侧渗距离与垂向入渗距离比值逐渐增大,说明入渗水头越高,水平侧渗距离越远。入渗速率在入渗初期最快,随着时间延长,入渗速率逐渐减小,最后趋于稳定入渗;相同时刻,水头高度越高,入渗速率越快。相同水平侧渗距离条件下,低水头比高水头垂向入渗距离更深;入渗水头越高,土壤体积质量越大,灌溉需水量越少。     

土壤容重对一维垂直浑水肥液入渗水氮运移特性影响

为了揭示土壤容重对浑水肥液入渗水氮运移特性的影响,通过室内土柱试验,研究不同土壤容重(1.30,1.35,1.40,1.45 g/cm³)累积入渗量、湿润锋运移距离、土壤含水率分布规律以及土壤硝态氮运移特性,采用Philip入渗模型和电容充电经验模型对累积入渗量进行了拟合,建立了累积入渗量、湿润锋运移距离与土壤容重之间的关系.结果表明:在同一入渗时间下,浑水肥液累积入渗量随土壤容重的增大而减小;土壤容重越大,湿润体体积、湿润体内水分及硝态氮分布范围均越小.浑水肥液累积入渗量符合Philip入渗模型和电容充电经验模型;湿润锋运移距离与入渗时间呈显著幂函数关系;供水结束后土壤含水率及硝态氮含量均随着入渗深度的增加而减小;随着土壤水分再分布上层土壤硝态氮逐渐减小,下层逐渐增大,再分布2 d后硝态氮含量在湿润锋附近出现峰值,整个湿润体硝态氮含量分布趋于均匀.研究成果为进一步研究浑水肥液入渗氮素运移提供基础参考.     

远程智能控制滴灌土壤入渗多参数节水效果试验研究

基于使用远程智能控制系统,研究扬黄灌区土壤水分入渗试验,分析讨论了2种类型土壤,基于不同压力、埋深程度研究土壤水分入渗速度、湿润锋、时间等,并初步总结出不同外界条件下土壤入渗的变化规律,为保持水土、提高土壤水分生产力提供重要的科学依据。研究表明:压力、贴片式滴灌带的埋深程度对土壤累计入渗量和入渗速度的影响都比较明显。土壤累积入渗量随着压力水头的增加而增大,湿润运移距离位移不单单和环境有关系,压力对其的影响也很大。在越强的压力作用下,水的运送速度越快,这样土壤的入渗速度就越快。速度的增大也加快了各个方向的运移速率,从而达到在短时间内入渗大面积的土壤,增大了运移距离。实验结果显示,湿润锋能够在压力为0.2 MPa的情况下达到最大运移距离;埋深程度也同样影响着土壤累积入渗量和土壤的累计入渗速度,经试验测量埋深10 cm土壤入渗量最大,且地表不宜蒸发到。     

入渗水头对膜下小管岀流垄沟灌土壤水分运移影响

通过室内不同入渗水头的膜下小管岀流垄沟灌自由入渗试验,研究了入渗水头对土壤水分运移的影响。试验为3个不同入渗水头(3、4、5 cm)的膜下小管岀流垄沟灌和入渗水头为4 cm的膜下垄沟滴灌(CK),结果表明,在灌水期间,累积入渗量和湿润锋运移距离随着时间的延长而增加;相同入渗时间,随着入渗水头的增加,累积入渗量增加,湿润锋水平运移距离逐渐增大,而垂直运移距离逐渐减小;随着距垄沟中心距离的增加,土壤含水率减小,但土壤含水率的分布均匀度随着入渗水头的增加而增大。以上研究结果可为膜下小管岀流垄沟灌的推广使用提供依据。     

微咸水入渗水量对土壤水盐运移特征的影响

通过室内3g/L微咸水的入渗试验,分析了不同微咸水入渗水量对土壤剖面含水率、含盐量、脱盐效率和阳离子分布的影响。结果表明,利用3g/L的微咸水进行垂直一维积水入渗,入渗水量较小时,基质势是水分运动的主要动力,入渗量继续增大时,重力势逐渐取代基质势成为水分运动的主要动力;采用3g/L的微咸水入渗,可以使上层土壤脱盐,但使湿润锋处的含盐量急剧增加且达到最大值;湿润锋处含盐量与入渗水量符合指数函数关系,主根区的脱盐效率随着累积入渗量的增加而减小。在利用微咸水进行农田灌溉时,一方面要考虑盐分的淋洗效果,另一方面要兼顾脱盐效率,才能使土壤可持续利用。     

滴灌条件下斥水土壤水盐运移试验研究

通过室内滴灌入渗的三维水盐运移试验,分析了斥水和亲水土壤在相同滴头流量下的湿润锋变化规律,研究了轻微斥水土壤的湿润锋随时间变化规律、含水率的三维空间分布特征以及不同斥水度土壤中含盐量和Cl-浓度分布特点。结果表明,在相同的滴头流量(0.07mL/min)下,亲水土壤与轻微斥水土壤的水平、垂直湿润锋与入渗时间具有良好的幂函数关系;亲水土壤与轻微斥水的土壤含盐量与距滴头距离符合良好的二阶多项式关系;虽然定量结果不同,但总体上轻微斥水的土壤在入渗中仍与亲水土壤具有相似的水分、盐分分布特征。在轻微斥水的农田中,滴灌灌水技术仍可为作物创造有利的水盐环境。     

灌溉水浓度和供水水头对负压灌溉土壤水分运移的影响

试验研究了不同供水水头( h=0、- 0. 5、- 1.0、- 1.5 m) 和钠吸附比为30时不同盐分浓度（C=80、20、2meq/l）对负压灌溉土壤水分运移的影响。试验结果表明: 各处理的湿润锋开始时运移较快, 等时间线较稀疏, 随着灌溉时间增加, 运移变慢, 等时间线变密。湿润体都近似为椭球体。累计入渗量, 最大水平和最大垂直湿润距离都随时间的增加而增大, 入渗率随时间的增加而减小。H=0m时清水的湿润锋运移,累积入渗量,最大水平和最大垂直湿润距离及宽深比均大于咸水。H=0、-0.5m时浓度对累积入渗量,最大水平和最大垂直湿润距离及宽深比的影响较大,H=-1.0、-1.5m时的影响减小。H=-1.0m时基本没有影响。