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。     

地下灌竖管灌水器湿润体时空变化规律

研究地下竖管灌水器的土壤湿润体特性时空变化规律及影响因素,对进一步研究竖管地下灌溉技术要素,并将这一节水灌溉技术用于实际具有重要意义。该文基于室内竖管灌水器入渗试验,研究了土壤物理特性参数(土壤初始含水率和土壤容重)、竖管灌水器工作压力水头和灌水器技术参数(竖管管径)对土壤湿润体空间分布的影响。根据试验数据,构建了在不同方向上竖管灌水器工作压力水头、土壤初始含水率、土壤容重、竖管灌水器直径和竖管灌水器埋深等因素与湿润体时空变化特征值的量化关系,其决定系数均在0.85以上。按标准化回归系数分析得湿润锋运移距离与压力水头、初始含水率、竖管直径及竖管埋深呈正相关,与土壤容重呈负相关。湿润锋在各个方向的运移距离由大到小依次为:向下、水平和向上。根据不同方向湿润锋运移距离和各影响因素的量化关系,建立了不同方向湿润锋运移速率和各影响因素的量化关系,这一关系表明:在入渗初期,各个方向的湿润锋运移速率较大,随着入渗时间的延续,其值逐渐减小,在200 min左右,开始逐步趋于稳定。     

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。     

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。     

设计流量和土壤质地对微孔陶瓷灌水器入渗特性的影响

为探明微孔陶瓷灌水器土壤中入渗流量变化的原因,明确微孔陶瓷灌水器的出流原理,该研究基于土桶模拟试验,研究3种设计流量(0.72、1.87和4.40 L/h)的微孔陶瓷灌水器下2种土壤(黄绵土、塿土)的渗流特性。结果表明,使用不同灌水器灌溉后,短时间内入渗流量均迅速减小,而后缓慢减小趋于稳定。设计流量与土壤质地均影响灌水器的出流。灌水器周围土壤水势的变化是造成入渗流量变化的直接原因,土壤含水率的变化是入渗流量变化的根本原因。在没有淹没出流的情况下,土壤含水率越高,入渗流量越小。设计流量为1.87 L/h灌水器应用于塿土中,当土壤含水率由13%增大至40%时,入渗流量由1.4 L/h下降至0.3 L/h左右。灌水器周围土壤含水率对入渗流量具有反馈调节作用。采用微孔陶瓷灌水器作为灌溉系统的核心部件,在内部水头适宜(微压或零压)的情况下,通过灌水器入渗流量与土壤含水率的耦合作用,可实现土壤水分的自动调控,达到主动灌溉的目的。该文可为微孔陶瓷灌水器的推广应用提供参考。     

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。     

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。     

土壤有机质含量对土壤入渗能力及参数影响的试验研究

基于土壤质地为壤土的大田水分入渗试验，分析了有机质含量对大田土壤水分入渗能力和考斯加科夫入渗模型参数的影响。研究表明：土壤有机质对大田土壤入渗能力和入渗模型参数的影响都比较明显，土壤累积入渗量随着土壤有机质含量的增加而增大；入渗模型参数k和α值随土壤有机质含量的增加而减小。研究结果对于土壤入渗能力预测模型的建立和地面灌水技术参数的优化具有一定价值。     

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。     

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。     

PVC管地下滴灌系统在温室番茄灌溉中的应用研究

针对温室节水灌溉需求，用PVC管制成了简易地下滴灌管。通过无作物小区灌水试验和番茄栽培试验的方法，对该PVC管滴灌系统的出水性能和应用效果进行了研究。所用硬质PVC管规格为外径20.4 mm，内径17.9 mm，每米质量0.1 kg；在管壁上打孔制成直径1 mm、4个为一组的出水孔，出水孔沿PVC管延长方向排列，组内两出水孔中心点距离20 mm，组间中心点距离300 mm。这一滴灌系统专为温室灌溉设计，长度同温室垄长6 m。滴灌管埋于地下30 cm，出水孔上覆盖过滤层。结果表明，灌水时供水压力大于15 kPa、控制灌水下限土壤水吸力设定为30 kPa，该PVC管滴灌系统出水均匀度可达到既定标准。与普通地下渗灌管相比，这一滴灌系统埋设简便，灌水速度快，节水增产效果明显。     

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。     

蓄水坑灌条件下变水头作用的垂直一维土壤入渗参数试验研究

蓄水坑灌法是针对中国北方山丘区存在着干旱和水土流失这两个突出问题而提出的一种适用于果林灌溉的新方法.蓄水坑灌条件下的土壤入渗是在变水头作用下进行的.该文通过室内试验,对垂直土柱在不同水头作用下的土壤入渗参数进行研究,结果表明入渗水头对入渗系数有较为显著的影响,入渗系数随入渗水头的变化呈现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势;入渗水头对入渗指数也有一定的影响,但其变化范围较小.这一研究成果对蓄水坑灌条件下的变水头入渗及土壤水分运动特性的进一步研究具有重要价值.     

蓄水坑灌条件下变水头作用的垂直一维土壤入渗参数试验研究

蓄水坑灌法是针对中国北方山丘区存在着干旱和水土流失这两个突出问题而提出的一种适用于果林灌溉的新方法。蓄水坑灌条件下的土壤入渗是在变水头作用下进行的。该文通过室内试验，对垂直土柱在不同水头作用下的土壤入渗参数进行研究，结果表明入渗水头对入渗系数有较为显著的影响，入渗系数随入渗水头的变化呈现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势；入渗水头对入渗指数也有一定的影响，但其变化范围较小。这一研究成果对蓄水坑灌条件下的变水头入渗及土壤水分运动特性的进一步研究具有重要价值。