黄土高原重力式地下滴灌水分运动模型与分区参数研究

建立了重力式地下滴灌条件下的土壤水分运动模型,分析地下滴灌土壤水分入渗规律.对黄土高原不同分区的4种典型土壤、不同灌水技术要素条件下的地下滴灌土壤湿润体形态、滴孔处出流量及土壤土水势进行数值模拟得出:榆林紧砂土土壤导水率较大,向下渗漏过多,不适宜地下滴灌;安塞砂壤土、洛川中壤土、武功重壤土在相同灌水量下,供水压力与滴孔孔径对地下滴灌湿润体形态影响微弱,但对滴孔出流量有较大影响,因此在地下滴灌工程设计时,只需根据田块长度和渗水管损失设计孔径和供水压力,并采用较小供水压力,降低供水水池高度,减小工程量;对武功重壤土,孔径和供水压力较大时地下滴灌滴孔处土壤易饱和板结,宜采用较小的孔径和供水压力.     

滴灌条件下山区典型土壤水分运移规律分析

在广西山区选择沙土、壤土和黏土等3种典型土壤,并开展滴灌在这3种土壤条件下的土壤水分运移规律研究。试验结果表明:1在地埋黏土、壤土和沙土以及0.10 MPa工作压力条件下,滴灌管的单米流量为4.17、5.92和6.10 L/h,为地表自由出流的67.58%、95.05%和98.87%;2滴灌在黏土的水分运移形状基本为圆形,在沙土和壤土的湿润形状为上小下大的椭圆形;3同等条件下,水分在沙土的水平和垂直向下运移速率最大,壤土次之,黏土最小;4在土箱相同位置,黏土的土壤含水率最大,壤土次之,沙土最小;5根据滴灌的土壤水分运移规律,提出滴灌管在广西山区沙土、壤土和黏土的适宜埋深分别为10、15和20 cm;6滴灌应用在山区条播作物时,在黏土、壤土、沙土的适宜滴孔间距应为35、30和25 cm。     

滴灌条件下砂壤土水分运动规律研究

采用多通道土壤水分自动测定系统,对风干砂壤土在滴灌条件下的水分入渗和水分再分布过程进行了模拟测定试验。根据测定结果,分析了在滴灌条件下湿润峰的运移速率、特征点的土壤含水率变化过程、湿润体内土壤水分的分布以及停止灌水后湿润体内水分的再分布等土壤水分运动特征。揭示了在点源供水条件下,湿润体内土壤含水率的分布从中心向外逐渐减小,含水率剖面具有三角形形状特征。供水停止后土壤水分再分布过程中,土壤湿润峰面不断向外部推移,湿润层土壤含水量开始有所增加,后期湿润体内的土壤含水量普遍降低,高含水区逐渐下移,最后达到相对稳定。     

覆膜深度对滴灌土壤湿润区运移的影响

地膜覆盖对于滴灌土壤湿润区的形状和大小有很大的影响,灌水结束后,测得无膜和覆膜以及不同的覆膜深度的土壤湿润体是不同的。通过灌水试验,研究沙土和中壤土在相同的单滴头流量和灌水量,不同的地膜膜边的埋深条件下,膜边的埋深对于滴灌土壤湿润区的影响机理。试验过程中观测了土壤水平和垂直湿润锋随时间的运移和地膜覆盖以后,土壤水分的运动规律,同时和无膜的土壤湿润体进行对比。     

滴灌和微润灌条件下桂西北山区典型土壤水分运移规律分析

为了研究滴灌和微润灌在广西山区主要土壤的水分运移规律,在广西山区选择砂土、壤土和黏土等三种典型土壤,在室内建立并开展土壤水分运移规律试验。试验结果表明:1在地埋黏土、壤土和砂土以及0.10 MPa工作压力条件下,微润管的单米流量分别为0.24、0.31和0.43L/h,为地表出流量的67.6%~98.8%,滴灌管的单米流量为4.17、5.92和6.10L/h,为地表出流量的38.1%~68.2%;2在3种土壤中,滴灌和微润灌的水分运移形状初期为圆形,后期为椭圆形,但砂土的湿润范围最大、壤土次之、黏土最小;3在土箱相同位置,黏土的土壤含水率最大,壤土次之,砂土最小;4根据滴灌和微润灌的土壤水分运移规律,提出滴灌管和微润管在砂土、壤土的适宜埋深为20cm,在黏土的适宜埋深为10cm。     

地下滴灌土壤水分运动室内试验研究

通过室内试验,对地下滴灌土壤水分分布进行了直接观察分析。试验发现滴灌管壁的导水作用将对土壤水分分布也产生一定影响;地下滴灌3个方向上的湿润锋运移也均近似为时间平方根的线性函数;另外,滴头埋于地下后,其出流量将会受到周围土壤密实度的影响等。这些初步结论将对实际田间的地下滴灌技术的规划设计有一定参考应用价值。     

垂直线源入渗土壤水分分布特性模拟

基于非饱和土壤水动力学理论,利用Hydrus-2D软件分析了垂直线源入渗条件下的土壤水分分布特征。通过试验对比验证,反推出试验土壤的水力参数。结果表明,Hydrus-2D软件可用于垂直线源入渗土壤水分分布特征的模拟,且精度较好。对不同灌水技术要素条件下的垂直线源入渗土壤水分分布特征进行模拟研究,结果表明,垂直线源入渗条件下,不同质地土壤的湿润体形状差别不大,大小有明显的差别：砂壤土和粘壤土的水平湿润半径分别是砂土的0.59和0.24,垂直湿润深度分别是砂土的0.42和0.31;在不同线源埋深情况下,土壤湿润体的形状和大小差别不大,湿润体的位置有显著的差别,当埋深增加5cm,砂土、砂壤土、粘壤土的垂直湿润深度分别增加6%、11.5%、16%;线源长度和直径对土壤水分分布影响较大,其中线源长度主要影响垂直湿润深度,线源直径主要影响水平湿润半径;初始含水率高时,相同断面处的含水率增大;在相同入渗时段内,湿润锋水平运移距离和垂直运移距离随土壤初始含水率的增大而增大。     

灌溉量及滴灌管埋深对无膜地下滴灌棉花产量的影响

通过设置灌溉量和滴灌管埋深的二因素三水平田间小区试验,研究灌溉量和滴灌管埋深对无膜地下滴灌棉花产量的影响,以明确在无膜条件下地下滴灌棉田灌溉量和滴灌管埋深的最优指标。结果表明,无膜灌溉量为4 200m3/hm2,滴灌管埋深5cm时,产量最高,为最佳无膜覆盖滴灌量和滴灌管埋深设置,当灌溉量较低时,滴灌管要深埋,反之,则要浅埋。仅从经济效益来看棉花种植采用地膜覆盖更好,但无膜覆盖具有较好的社会效益和生态效益。     

玉米地下滴灌适宜的毛管铺设参数及灌水定额研究

通过土箱试验,研究不同土壤质地条件下毛管铺设参数(滴头流量、埋深)和灌水定额对地下滴灌湿润半径(滴头到最远湿润边缘的距离)的影响规律,结合内蒙古中部地区玉米常见的种植行距,分析在不同土壤条件下玉米地下滴灌适宜的毛管铺设参数和灌水定额。结果表明:按显著性水平0.05检验,土壤质地和灌水定额均对土壤湿润半径影响显著,而滴头流量和埋深对湿润半径影响不显著。玉米地下滴灌适宜的毛管埋深为25～35 cm,宜采用少量多次的灌溉方式,黏壤土和壤土适宜的灌水定额约为22.5 mm,毛管铺设间距黏壤土为90～100 cm、壤土为90～110 cm;沙壤土适宜的灌水定额15.0～22.5 mm,毛管铺设间距90 cm左右。     

低压重力渗灌系统渗灌的特性

为合理设计温室内低压节水灌溉系统,探讨低压重力渗灌时的渗灌特性,设置以土壤初始含水量、土壤初始容重、供水高度和渗灌管埋深为主要调控因子,通过试验模拟分析低压重力灌溉条件下渗灌管的渗流规律及土壤水分的入渗特性。试验结果表明：渗灌管出流量与时间符合幂函数,渗水速率与时间符合三次方程;渗灌条件不同,灌后土壤湿润区以及湿润区土壤含水量的分布显著不同;渗灌湿润区水分分布受供水高度、土壤初始含水量、土壤初始容重及渗灌管埋深等因素的影响;通过显著性分析,4个单因素对渗灌管出流量影响程度由大到小依次为供水高度、土壤初始含水量、土壤初始容重及渗灌管埋深,且除埋管深度外,其他三因素交互作用显著。     

Simulation of point source wetting pattern of subsurface drip irrigation

Laboratory experiments and calculations were carried out to analyze the effect of subsurface drip irrigation (SDI) design features on soil wetting patterns for a point source. Experimental and simulated soil wetting patterns, using the SWMS-2D (simulating water movement and solute transport in two-dimensional) Galerkin finite element model, were investigated to maximize the efficiency of water saving. The analysis addressed the influence of water pressure head, back pressure and emitter diameter on wetting patterns. Predictions of water content distributions in the soils made with SWMS-2D were found to be in good agreement with the observed data. Results showed that this model provides confidence that model predictions are not too sensitive to back-pressure effects.     

土壤质地对地下滴灌灌水器水力要素的影

为研究不同质地土壤中灌水器水力要素的变化规律及其差异,选取灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为因素,分别在粘土、壤土和砂土中采用混合水平均匀设计安排试验.试验结果表明,不同土壤中的灌水器出流规律一致:即当工作压力不变时,灌水器流量在灌水初期略大,而后减小并趋于恒定,这个变化过程仅1～2min;在相同压力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌小5%～20%,压力越大,二者越接近;灌水器流量随工作压力的增加而增大;土壤因素对灌水器流量有微弱的制约作用,使流量减小.相同条件下,土壤质地越轻,灌水器流量越大;但随着土壤容重和土壤初始含水率的增加,土壤质地越轻,流量减小程度越大.     

滴头流量和灌水量对滴灌土壤水分运动的影响

滴头流量和灌水量对于滴灌系统的设计具有非常重要的实际价值。通过室内试验,对不同土质、不同滴头流量情况下滴灌土壤水分运动进行了室内试验研究。结果表明,砂土条件下,滴灌湿润体呈现越来越"尖"的直立半椭球体,滴头流量的增大会使垂直湿润锋的运移更加显著。轻壤土条件下,滴灌湿润体基本上一直呈现为平卧的半椭球体,逐渐变成半球体。滴头流量的增大会使水平湿润锋的运移更加显著。在灌水量一定的情况下,滴头流量的增加在砂土条件下会加快水分在垂直方向的运移,在轻壤土条件下则会加快水分在水平方向的运移。     

无压地下灌溉新技术试验

对局部控水灌溉(无压地下灌溉)技术从理论上进行了分析，并给出了其土壤水分运动方程。在大田试验的基础上，研究分析了无压灌溉不同孔径孔口出水规律和根区局部湿润状况。试验结果表明：无压孔口出水规律与孔口孔径、地温和土壤含水量等因素有关；出水孔口孔径和初时土壤含水量对湿润锋推进速度影响较大，孔径和初时土壤含水量越大，湿润锋推进速越快；适宜的出水孔径沿管道长度方向出水均匀，5～35cm深度的土壤含水量变化无明显差异，能够满足作物需水和生理需水要求。     

多点源滴灌条件下土壤水分运移模拟试验研究

为了指导密植作物的滴灌系统合理设计,通过室内物理试验模拟了多点源滴灌条件下土壤水分运移过程,重点研究了不同滴头流量下交汇湿润体内的土壤水分时空动态分布规律．多点源滴灌条件下土壤水分运动遵循先点源入渗、再湿润锋交汇和最后形成湿润带的规律．灌水结束时,土壤水分分布呈现湿润体上部复杂、下部相对简单的特征．湿润体上部,在滴头下方存在土壤含水率相对较高的区域,2个滴头之间近地表处存在土壤含水率相对较低的区域;湿润体下部同一深度土层上的含水率有趋于一致的趋势．灌水结束后,由于土壤水分再分布,同一深度土层上含水率差异逐渐减小．灌水量相同条件下,灌水结束时,滴头流量小的入渗深度较大,湿润体内土壤平均含水率较低;灌水结束后,受土壤水分再分配的作用,不同滴头流量下入渗深度的差异较灌水结束时有所减小．     

Yield, water-use efficiencies and root distribution of soybean, chickpea and pumpkin under different subsurface drip irrigation depths and oxygation treatments in vertisols

Most trickle irrigation in the world is surface drip yet subsurface drip irrigation (SDI) can substantially improve irrigation water use efficiency (IWUE) by minimizing evaporative loss and maximizing capture of in-season rainfall by the soil profile. However, SDI emitters are placed at depths, and in many soil types sustained wetting fronts are created that lead to hypoxia of the rhizosphere, which is detrimental to effective plant functioning. Oxygation (aerated irrigation water) can ameliorate hypoxia of SDI crops and realize the full benefit of SDI systems. Oxygation effects on yield, WUE and rooting patterns of soybean, chickpeas, and pumpkin in glasshouse and field trials with SDI at different emitter depths (5, 15, 25, and 35 cm) were evaluated. The effect of oxygation was prominent with increasing emitter depths due to the alleviation of hypoxia. The effect of oxygation on yield in the shallow-rooted crop vegetable soybean was greatest (+43%), and moderate on medium (chickpea +11%) and deep-rooted crops (pumpkin +15%). Oxygation invariably increased season-long WUE (WUE_sl) for fruit and biomass yield and instantaneous leaf transpiration rate. In general, the beneficial effects of oxygation at greater SDI depth on a heavy clay soil were mediated through greater root activity, as observed by general increase in root weight, root length density, and soil respiration in the trialed species. Our data show increased moisture content at depth with a lower soil oxygen concentration causing hypoxia. Oxygation offsets to a degree the negative effect of deep emitter placement on yield and WUE of SDI crops.     

基于分形理论的地下滴灌灌水器水力特性研究

为了研究滴头工作压力和土壤物理特性对地下滴灌灌水器流量的影响，采用分形理论分析各种级配土壤的分形特征；以土壤颗粒质量分形维数、灌水器工作压力、土壤容积密度、土壤初始含水率为试验因素，运用混合水平均匀设计方法进行试验。结果表明，粘粒含量大小是土壤分形维数的主要影响因素，土壤分形维数随着粘粒含量的增加而增大；PLASSIM公司地下滴灌灌水器流量随土壤分形维数的增大而减小，即土壤质地越细地下滴灌滴头流量就越小；通过试验所建立的包含有土壤分形维数因素的地下滴灌灌水器流量计算经验公式的普适性较高。     

Numerical simulations of water movement in a subsurface drip irrigation system under field and laboratory conditions using HYDRUS-2D

Due to the decreasing availability of water resources and the increasing competition for water between residential, industrial, and agricultural users, increasing irrigation efficiency, by methods like subsurface drip irrigation (SDI) systems, is a pressing concern for agricultural authorities. To properly manage SDI systems, and increase the efficiency of the water/fertilizer use while reducing water losses due to evaporation, the precise distribution of water around the emitters must be known. In this paper, the Windows-based computer software package HYDRUS-2D, which numerically simulates water, heat, and/or solute movement in two-dimensional, variably-saturated porous media, was used to evaluate the distribution of water around the emitter in a clay loam soil. The simulation results were compared with two sets of laboratory and field experiments involving SDI with emitters installed at different depths, and were evaluated using the root-mean-square-error (RMSE). The RMSE at different locations varied between 0.011 and 0.045 for volumetric water contents, and between 0.98 and 4.36 cm for wetting dimensions. Based on these values, it can be concluded that the correspondence between simulations and observations was very good.     

压砂条件下水分一维垂直入渗试验研究

为研究压砂对土壤水分垂直入渗规律的影响,选取沙土和壤土这2种土壤作为研究对象,采用土柱试验模拟压砂条件下沙土和壤土的水分入渗垂直运动的影响规律,并分别设置2种土壤无压砂处理的对照试验,分析压砂对2种土壤的水分入渗垂直运动的影响规律.结果表明:压砂提高了包含砂层在内的土壤入渗能力,但抑制了砂层下土壤的入渗性能;通过函数拟合得到了累积入渗量随入渗时间变化的经验方程式,拟合程度较高;压砂条件对土壤初渗速率有较大影响,压砂条件下的沙土的初渗速率为不压砂的1.67倍,壤土为2.37倍,压砂对壤土初渗速率影响更为明显;稳渗速率均较小,且压砂对2种土壤的稳渗速率无明显影响;压砂对2种土壤的湿润深度随累积入渗量的变化均起到抑制作用,且对壤土抑制作用更强,2种土壤去除砂层影响后土层的湿润锋深度与累积入渗量的关系均近似呈线性规律.