初始含水率对土壤垂直线源入渗特征的影响

为解决现有渗灌系统在深根系植物应用中存在的问题,该文设计了一种垂直线源灌水器,并通过室内土箱试验研究了不同初始含水率条件下砂黄土和塿土的垂直线源入渗特征。结果表明：Philip入渗公式的形式能够较好地描述2种土壤的三维入渗过程;入渗时间一定时,砂黄土和塿土的累积入渗量均与初始含水率之间呈二次函数递减关系;2种土壤入渗的最大径向距离、最大垂向距离、宽深比均与初始含水率之间呈二次函数抛物线关系;2种土壤相比,偏砂性的砂黄土累积入渗量在低初始含水率下较塿土大,但随着初始含水率的增加其减小速度较塿土快,偏黏重的塿土入渗临界初始含水率较砂黄土大,但其入渗范围较砂黄土小。这些结果可为不同土壤条件下的垂直线源灌水技术发展提供参考。     

土壤层状质地对小流量地下滴灌灌水器特性的影响

以均质壤土（L）、均质砂土（S）、上砂下壤（SL）和壤土中有砂土夹层（LSL）4种土壤质地结构为对象,利用室内土箱试验,研究了土壤质地及其层状结构对灌水器流量的影响,估算了灌水器出口正压值。试验选用10 m水头压力下额定流量为1.1 L/h的地下滴灌专用灌水器。土壤为层状结构时,上层土壤厚度为20 cm,砂土夹层的厚度为10 cm。L、S、SL试验的灌水器埋深为15 cm;为了探讨灌水器埋深与土壤质地变化相对位置对灌水器性能的影响,LSL的灌水器埋深设计为15、25和35 cm。试验采用的工作压力为2、3、6和10 m水头。结果表明：灌水开始后,出口正压的迅速增大致使灌水器流量迅速减少,而后逐渐趋于稳定。灌水器流量随时间的变化可近似用幂函数表示。灌水器在土壤中的流量比在空气中的自由出流流量有所减小,灌水器自由出流流量越小,减小幅度越大。土壤层状质地对灌水器流量影响明显,一定压力下,灌水器在层状土壤中的流量小于在均质土壤中的流量,尤其当灌水器位于LSL的砂土夹层中时,流量比在均质壤土中减少13%,比自由出流流量减少20%。利用试验结果建立了地下滴灌灌水器流量与土壤饱和导水率、层状土壤结构、灌水器工作压力的经验关系,对各影响因子的敏感性分析结果表明,对地下滴灌灌水器流量影响最明显的是灌水器工作压力,其次是层状土壤结构,饱和导水率的影响较小。     

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。     

辽西褐土区沟灌侵蚀影响因素研究

通过辽西褐土区田间沟灌试验,研究不同灌水流量、垄沟长度与土壤初始含水率对沟灌侵蚀的影响,基于灌溉径流推进过程,运用水量平衡法计算土壤入渗参数。结果表明:研究区域土壤入渗参数K和α值分别平均为0.002 09与0.785 1;相对干燥土壤入渗速率初始值较高,入渗速率随灌水历时下降迅速;随灌水流量增加,径流量与侵蚀量均明显增加;垄沟越长,径流量与侵蚀量越低,沟长与径流量呈指数关系;初始含水率较低时,虽土壤颗粒易受径流剥蚀,但垄沟末端沉积现象明显,土壤颗粒输移距离较短,径流量与侵蚀量较低;灌水流量为0.5~1.0L/s时,单次灌溉引起的侵蚀量为7.46~391.46t/km2。     

硅藻土微孔陶瓷灌水器制备工艺优化

为解决现有微孔陶瓷灌水器制备成本较高、产品性能低下,不利于大面积推广和应用的问题,该文以黏土、硅藻土和硫酸钙为主要原料,探索一种微孔陶瓷灌水器的低成本制备工艺。分析了硅藻土掺量和烧结温度2个因素对微孔陶瓷线收缩率、开口孔隙率、维式硬度、渗透系数和微孔陶瓷灌水器流量的影响规律。以线收缩率、维氏硬度、开口孔隙率、渗透系数和流量为指标,优选出微孔陶瓷灌水器的最佳制备工艺。结果表明:硅藻土掺量增加,或烧结温度降低,会使得微孔陶瓷的线收缩率和维氏硬度降低,开口孔隙率和渗透系数增大,进而使得微孔陶瓷灌水器的流量增大。综合比较,1 075℃烧结的硅藻土掺量质量分数为15%的微孔陶瓷灌水器,线收缩率为4.9%、开口孔隙率为26.3%、维氏硬度为448 MPa,在10 k Pa的工作压力下流量为1.64 L/h,兼备良好的力学性能和水力性能,是制备微孔陶瓷灌水器的最佳工艺。该研究为微孔陶瓷灌水器的制备和性能优化提供了参考。     

地下滴灌灌水器水力性能试验研究

地下滴灌与地表滴灌的最大差异在于地下滴灌的灌水器出水口被土壤包围，其出流受到土壤的限制。在室内将灌水器埋入土槽中，模拟研究了灌水器类型、自由出流时的流量、工作压力、土壤初始含水率等因素，对地下滴灌条件下灌水器水力性能的影响。试验结果表明：灌水器埋入土壤后，流量是其自由出流时流量的1/2～1/4。方差分析表明，影响地下滴灌灌水器水力性能的主要因素是自由出流时的水力特性和土壤特性。针对测试土壤，建立了地下滴灌灌水器流量计算的修正关系式。     

滴灌施肥条件下土壤水分和速效钾的分布规律

以速效钾(K2O)含量为112mgL-1的营养液在塿土上进行大田滴灌施肥试验,研究不同滴头流量(2,4,6Lh-1)和灌水施肥量(8,16,24L)条件下水分和速效钾在塿土中的运移、分布情况。结果表明:灌水施肥量为8L时,随滴头流量增大,滴头周围地表积水区半径增大,水分径向运移距离增大、竖向入渗水量减小;随滴头流量增大,速效钾在土壤中的径向运移距离变化不明显,竖向运移距离有减小趋势,距滴头径向30cm范围0～10cm土层土壤速效钾含量增大。滴头流量为2Lh-1时,随灌水施肥量增大,水分和速效钾在土壤中径向和竖向的运移距离增大,径向增大幅度较竖向明显,距滴头径向30cm范围0～30cm土层土壤速效钾含量增大。     

微孔混凝土灌水器形状及其尺寸对流量的影响

为揭示微孔混凝土灌水器形状及参数对流量的影响,提高微孔混凝土灌水器选用的合理性,该文以砂子、水泥、硅溶胶为原料,采用干压结合雾化加湿法制备开口孔隙率为20.3%~20.5%的微孔混凝土圆片和圆管试样,然后将2种试样组装成灌水器,研究微孔混凝土灌水器的形状及参数对流量的影响。结果表明:片状灌水器的流量随圆片直径增加而增大,随圆片厚度增加而减小,片状灌水器的单位面积流量只取决于圆片厚度,与圆片直径无关,当水头为3 m时,随着圆片厚度由5 mm增至20 mm,片状灌水器的单位面积流量由40.5 m L/(h·cm~2)降至25.7 m L/(h·cm~2);管状灌水器流量随圆管长度和直径增加逐渐增大,管状灌水器的单位面积流量随圆管厚度增加而减小,随圆管直径增加逐渐增大。该研究为微孔混凝土灌水器的科学应用提供了理论依据。     

层状土壤质地对地下滴灌水氮分布的影响

以均质砂土（S）、均质壤土（L）和上砂下壤层状土壤（SL）为对象,采用室内土箱试验,研究了土壤质地及其层状结构和地下滴灌灌水器流量对水分、硝态氮和铵态氮分布的影响。结果表明,SL层状土壤中,砂-壤界面增加了水分的横向扩散而限制了水分的垂向运动,致使界面下部形成水分和硝态氮积聚区。土壤硝态氮分布还受肥料溶液浓度和土壤初始硝态氮浓度影响,对试验采用的土壤初始硝态氮浓度较低而肥料溶液硝态氮浓度较高的情况而言,灌水器周围的硝态氮浓度与肥料溶液的硝态氮浓度相近,随着离开灌水器距离的增加,土壤硝态氮浓度减小。灌水器周围的土壤含水率和硝态氮浓度随灌水器流量的增大而增大。施肥灌溉使灌水器周围5～10 cm范围内的铵态氮浓度出现峰值,而土壤质地和灌水器流量对铵态氮浓度分布没有明显影响。因此地下滴灌水氮管理措施的制定应综合考虑土壤质地及其结构、初始土壤水氮状况、灌水器埋深及流量、灌水量、肥液浓度等因素。     

土壤含水率对季节性冻土入渗特性影响的试验研究

基于季节性冻融期不同土壤含水率条件下的冬小麦田单点入渗试验,讨论了土壤含水率对冻融土壤水分入渗能力和入渗率的影响以及不同冻融阶段土壤入渗特性的变化。结果表明季节性冻融期土壤含水率对冻融土壤入渗特性的影响显著。土壤入渗能力随土壤含水率的升高而减小;冻融土壤累积入渗量随土壤含水率的变化符合幂函数规律;高土壤含水率导致的水力传导度减小是冻土入渗能力降低的主要原因。研究结果对于季节性冻土分布区农田冬春灌溉、确定合理灌水技术参数及水资源合理利用提供了参考。     

微咸水加肥灌溉下陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器的抗堵塞性能

为探求微孔陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下抗堵塞性能的差异及堵塞机理,本研究选择了微咸水(A1)、肥水(A2)、微咸水加肥(A3)3种不同水质,分析管间式微孔陶瓷灌水器和6种常用的迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下的平均相对流量变化规律,并用X射线衍射仪测定堵塞物质组成成分,用场发射扫描电镜观测堵塞物质表面微观形貌及动态生长过程。结果表明：各灌水器的流量随着灌溉运行时间的推移均发生不同程度的下降,其中A1处理下陶瓷灌水器的流量下降最慢,表现出优于迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,A2、A3处理下陶瓷灌水器的平均相对流量下降速度先慢后快,试验结束时平均相对流量降幅最大,抗堵塞性能较差;A1处理下堵塞物质的主要成分是CaCO3,A2、A3处理下堵塞物质的主要成分是(NH4)2SO4;A1处理下各灌水器堵塞物表面微观形貌的生长过程为晶体颗粒不断团聚,A2、A3处理下堵塞物的动态生长过程为絮状物不断黏合成板块状或膜状。陶瓷灌水器堵塞发生在内壁上,堵塞物未进入到灌水器内部微孔中,随着堵塞物质增多且变得紧密复杂逐渐覆盖了内壁上的孔隙导致堵塞;迷宫流道灌水器是由于堵塞物质在流道内沉积导致过水断面减小,从而造成堵塞。研究结果可为陶瓷灌水器的应用及改进提供参考。     

土壤质地和灌水器材料对负压灌溉出水流量及土壤水运移的影响

负压灌溉法是一种新近提出的节水灌溉技术，灌溉时供水水头为“负值”，即灌溉水源高程低于灌水器高程。不同材料灌水器和土壤质地是影响灌溉系统出水流量及土壤水运移的重要因素。该文研究了在高程差H为-0.5 m情况下两种灌水器及两种质地土壤对两者的影响。结果表明：灌水器相同时，累计入渗量、水平和垂直最大湿润距离随时间呈幂函数关系变化；在历时相同时黏壤土较砂壤土大；湿润体近似为六分之一的竖直椭球体，但黏壤土水平与垂直最大湿润距离之比大于砂壤土。土壤质地相同时，纤维灌水器较陶土灌水器出水流量高。试验结果进一步证明了负压灌溉的可行性，并为确定负压灌溉系统应用范围及规划设计过程中灌水器选择提供了依据。     

地下滴灌影响要素及其敏感性分析

地下滴灌是一项具有广阔应用前景的高效节水灌溉技术之一。为分析不同影响因素对地下滴灌滴头流量的影响机制,以PLASSIM滴头、和平滴头2种滴头为研究对象,利用有机玻璃桶(直径40cm,高40cm)内埋设滴头(表层20cm下)系统分析了滴头工作压力(60,100,150,200,250,300,370kPa)、土壤初始含水量(12%,18%)及土壤容重(1.25,1.40g/cm~3)对地下滴灌滴头流量的影响及其敏感性。结果表明:工作压力是地下滴灌滴头流量的主要影响因素,且随工作压力增大,滴头流量增大;土壤初始含水率和容重对供试的滴头流量均起制约作用,其中对轻砂土的制约作用更为明显;土壤质地对各影响因素的敏感性存在差异,其中轻砂土最敏感,粉壤土居中,轻粘土最弱。PLASSIM滴头、和平滴头的敏感性指标均随工作压力、土壤初始含水率、容重的增加而降低。通过系统分析多种土壤物理特性对地下滴灌滴头流量的影响及其敏感性分析,将为设计经济、高效而又节水的地下滴灌系统,制定合理的地下滴灌制度提供理论依据。     

基于线性源法与图像处理的土壤饱和导水率快速测量方法

土壤饱和导水率是计算土壤剖面水通量以及设计灌溉和排水系统的重要参数,其测量准确与否直接影响各类水文和水动力学模型的预测精度。然而,现有土壤饱和导水率测定方法费时费力,给土壤水动力学研究工作带来了诸多不便。为此,该研究提出了一种基于线性源入流法与手机图像处理相结合的土壤饱和导水率快速测量方法。该方法首先利用手机拍照获取图像记录充分供水条件下线性水流在土壤表面扩散的过程,图像经处理后计算出土壤表面湿润面积及其随时间的变化关系,然后根据线性源入流法估算的土壤稳态入渗率来测得土壤饱和导水率,并与传统的定水头标准法测得的饱和导水率进行对比。结果表明：图像经畸变校正与二值化处理之后计算出栓皮栎林区土壤、油松林区土壤和砂壤土表面湿润面积与时间具有较好的幂指数关系,决定系数R2分别为0.994、0.995和0.998;在此基础上,采用线性源入流法测量栓皮栎林区土壤、油松林区土壤和砂壤土的稳态入渗率（即土壤饱和导水率）分别为23.40±1.21、23.86±1.83和22.99±2.26 mm/h,同时使用定水头标准法测量三种土样得到的饱和导水率分别为24.41±1.53、24.26±0.37和23.81±0.10 mm/h,与定水头标准法相比,该研究提出的土壤饱和导水率测量方法的相对误差分别为4.14%、1.64%和3.42%。可见,该研究提出的测定方法较为合理、简便、准确,可为获取土壤饱和导水率提供一种新的测量手段,后续研究会将该方法用于野外环境下土壤饱和导水率的原位测定,并验证该方法的准确性。     

考虑滴头堵塞位置的灌水均匀系数模型优化

为准确评价堵塞对滴灌工程灌水均匀性的影响,从确定采样点布置方式入手,利用HYDRUS-2D模拟不同堵塞情况下的土壤水分状况,首先分析灌水均匀性与土壤水分分布均匀性之间的关系,然后以土壤水分分布均匀系数为依据,在考虑滴头堵塞位置的基础上对灌水均匀系数模型进行优化,最后通过温室灌溉试验进行验证。结果表明,取样点布置方式对土壤水分分布均匀系数影响显著,适宜的取样间距和深度分别为60 cm及地表下20 cm。土壤水分分布均匀系数与不同灌水均匀系数之间存在良好的线性关系,且随着堵塞滴头数量的增加,堵塞滴头位置分布情况对土壤水分分布均匀性的影响增大。小区灌溉试验结果表明,当堵塞滴头数量较多时,土壤水分分布均匀系数与考虑滴头堵塞位置的优化灌水均匀系数具有较高的相关性,优于原指标,可较好反映由堵塞滴头位置改变引起的土壤水分分布均匀性变化,故在评价滴灌系统灌水均匀性时宜使用优化均匀系数。     

自适应滴灌灌水器的水力性能试验

为检验自适应滴灌灌水器的流量自动调节效果,根据自适应滴灌灌水器的工作原理,利用负压吸气泵模拟土壤负压,进行了AD-1型自适应滴灌灌水器在流量补偿、流量自适应2种工作模式的流量均匀性、供水压力-流量关系、模拟土壤负压-流量关系等水力性能试验与研究,并分析了其适宜的工作压力。结果表明:AD-1型自适应滴灌灌水器增添的滴水状态控制结构,不仅保留了常规滴灌灌水器的流量补偿特点,还增添了感知土壤水分含量、智能化控制灌溉和流量自动调节的多重使用功效。在流量补偿模式下,灌水器在额定供水压力100kPa时的平均流量为14.71L/h,且流量均匀度高,流量偏差系数为9.79%;在流量自适应模式下,灌水器的流量均匀度基本不变,在供水压力30kPa和土壤负压最小值20kPa的共同作用时即可开始正常工作,并确定出最小、最大的适宜供水压力分别为30、50kPa。在适宜供水压力30～50kPa范围内,灌水器能根据土壤实际水分状况在0～11.22L/h之间实时、自动调节滴水流量,改变了常规灌水器被动出水的工作方式,真正实现作物、土壤的按需主动连续取水,明显地提高了节水灌溉设备的精准灌溉水平,既保证了作物正常生长的适宜土壤水分,又促进了灌溉系统应用模式向智能化、自动化方向的进一步发展。     

不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞特征

为确定硬水滴灌条件下影响灌水器堵塞的主要特征参数,研究6种灌水器在硬水滴灌条件下的平均相对流量和堵塞率的变化规律,通过有序回归方法分析影响灌水器堵塞的特征参数,灌水结束后解剖并观察灌水器内的堵塞情况。结果表明:硬水滴灌条件下6种灌水器的平均相对流量均发生了不同程度的下降,其中灌水器E1和E6因具有较大的过流截面尺寸而表现出了较好的抗堵塞性能;SPSS回归分析显示,显著影响灌水器的抗堵塞性能(P0.01)的特征参数为灌水器内过流截面宽W和深H中的最小者min(W,H),且灌水器发生堵塞所需要的时间与min(W,H)成正相关关系;解剖灌水器发现,堵塞主要发生在灌水器内具有min(W,H)的截面处。建议硬水滴灌时选择内部过流截面尺寸较大的灌水器,且灌水器内部应避免易引发固体颗粒沉积附着的截面形状和过流结构。     

滴灌流量对土壤水盐运移及再分布的作用规律研究

通过室内土箱模拟试验,对不同滴头流量处理的土壤水盐运移及再分布规律进行了研究,结果显示:两滴头交汇界面处的湿润锋依滴头流量不同而呈椭圆形或圆形;大滴头流量促进了水分的水平运动,水平扩散速率明显大于垂直入渗速率;随着滴头流量的减小,水平和垂直方向的入渗距离逐渐接近;土壤湿润体体积与总灌水量有关,而与滴头流量并无显著相关;根据湿润锋的运动,给出了试验用土大田建议滴头流量;滴灌结束后,水盐经历了一个非常重要的再分布过程,经过再分布,土壤水盐进一步向深层运移,促进了上层土壤的淡化,小滴头流量的淋盐效果明显好于大滴头流量;土壤盐分的运移在前3天的再分布中最为活跃;试验得出了保证作物生长需要和淋盐需要的每滴头灌溉水量,对实践具有一定的指导意义。