考虑水头损失的管道灌溉分水口轮灌分组优化模型

【目的】优化灌溉系统中分水口轮灌分组的灌溉制度,在满足流量要求的条件下节约电能。【方法】提出了在考虑水头损失时不同分水口状态与管道进口压力的关系模型,该模型利用分水口开关0,1状态作为自变量,从管道末端起利用推导的递推公式求出管道进水口的等效水头损失系数。依据该模型,在定流量分组轮灌优化中得到为使分组轮灌功率最小的目标函数。利用遗传算法对上述问题进行了优化求解,并给出了编码方案。【结果】在分水口等间隔布置时,轮灌分组按轮灌分组数等间隔安排所需功率最小,优化后的水头损失系数可以减小到没有优化前的0.772倍。【结论】本研究模型不仅适用于恒定流量的组合优化,也可应用于不同分水口的所需水量不同的随机灌溉以及恒压供水的优化中。     

水流冲击多段滞留气团的三维数值模拟

针对水气两相瞬变现象,充分考虑了水体弹性、气体可压缩性、水-气交界面的动态运动以及多段气团间相互作用,采用三维CFD方法对起伏管道内含多段滞留气团的水气两相作用进行建模和模拟,选择Standard k-ε湍流模型进行模拟研究,将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行对比分析,并通过水气两相分布图展现动态变化过程.结果表明:与一维模型相比,三维CFD模型能够更为准确地模拟起伏管道内瞬变压力波动,并且能够清楚描述水气掺混、耦合的动态变化.水流冲击初始两段滞留气团压力波动曲线显示,多气团间的瞬变压力并非同步变化,可能呈现多气团峰值压力交替出现的情况,这与初始气团长度密切相关.水气交界面自由变化,阻断水体长度时刻发生变化,当水体运动到管道弯曲处时会产生新的阻断水体,将气团分成若干部分.     

滴灌下生物质改良材料对盐渍土水盐氮运移的调控效应

为探究生物质改良材料对滴灌盐渍土水、盐、肥运移过程的调控效应，采用土箱模拟试验，研究了水肥一体化滴灌条件下，生物炭和腐殖酸两种改良材料对盐渍土水、盐、氮运移和再分布过程及其时空分布特征的影响规律。结果表明：在滴灌条件下，盐渍土壤水盐的时空动态变化表现出明显的水分入渗驱动的盐分运移过程和蒸发扩散驱动的水盐再分布过程；铵态氮含量在时间上表现出先增大、后减小的变化趋势，在空间上的运移再分布特征较弱；硝态氮含量初始时空分布表现出与水盐相似的运移特征，受铵态氮硝化作用的多重影响，后期空间分布与铵态氮空间分布相似；生物炭通过提高土壤饱和导水率，增大了入渗阶段土壤水、盐、氮的运移速率和分布范围；腐殖酸通过提高土壤田间持水率增大了再分布过程土壤水、盐、氮的分布范围和强度，同时其对尿素的水解和硝化过程表现出更强的抑制效果。应用生物质改良材料在改变土壤物理性状进而调控滴灌土壤水盐运移的同时，还影响土壤氮素转化运移过程及其分布，这为水肥一体化滴灌盐渍农田的节水、控盐、减肥治理提供了理论基础。     

Compatibility of root growth and tuber production of potato cultivars with dynamic and static water‐saving irrigation managements

The important root characteristics of root length density (RLD) and root mass density (RMD) generally differ among irrigation managements and potato cultivars. The objective of this study was to investigate the RLD and RMD variations and their functional relationships with gross potato tuber yield for two commercial potato cultivars, Agria and Sante, under different irrigation strategies. Full irrigation and water‐saving irrigation strategies, deficit and partial root drying irrigations, were applied statically (S) and dynamically (D) based on daily crop evapotranspiration. Results showed that SPRD had significantly greater RLD (3.64 cm/cm³) and RMD (132.7 μg/cm³) than other irrigation treatments. Between the potato cultivars, Agria had significantly larger values of RLD (3.50 cm/cm³) and RMD (138.7 μg/cm³) than Sante. The functional relationship between the root growth characteristics and tuber yield showed that under water‐saving irrigations, Agria increased root mass at the expense of gross tuber yield but Sante increased root mass to maintain larger gross tuber yields. However, Agria produced more roots and gross tuber yield than Sante, and it is concluded that Agria is a more drought‐tolerant potato cultivar, which is recommended for tuber production in regions where water might be scarce. It was shown that larger root production in potatoes was associated with improved tolerance to water stress.     

基于土壤水分下限的宁夏枸杞滴灌灌溉制度试验研究

以宁杞7号枸杞为研究对象,在宁夏同心县开展2 a田间试验.设置4个关键控水期、3个控水水平共8个处理,研究枸杞不同生育期不同水分下限条件下根区土壤含水率、叶片光合生理指标、产量与品质变化;分析其耗水规律与水分利用效率,提出基于土壤水分下限的宁夏枸杞滴灌灌溉制度.结果表明:不同水分处理枸杞根区20~60 cm土层土壤含水率最大;叶片气孔导度随土壤下限升高而增大,高水分下限处理的蒸腾速率相对较大,叶片水分利用效率则相反;生育期耗水量随土壤水分下限升高而增大,2 a增幅分别为10.8%和12.8%,平均耗水量为386.6~463.2 mm,夏果期耗水量最大且差异具有统计学意义,是关键需水期.2 a均为处理S5的产量最大分别为2 208.15和2 571.30 kg/hm²,水分利用效率最高为0.39 kg/m³;水分处理对蛋白质含量影响差异不具有统计学意义,低土壤水分下限的枸杞多糖含量相对较高;全生育期分为6个灌水期,其中萌芽期灌水(春水)为375 m³/hm²;春梢生长期、花期、夏果期、秋果期的土壤质量含水率下限分别为50%θ_f(θ_f为田间持水率),65%θ_f,65%θ_f,55%θ_f,而上限为95%θ_f;休眠期冬灌量为450 m³/hm².     

Engineered-airlift pumps for aquaculture applications using multiphase flow analysis

Currently, very few aquaculture operations are employing airlift pump technology for water recirculation, aeration, and waste removal. This is likely due to the poor design and lower efficiency of traditional airlift design, the limited amount of research effort that has been invested in improving performance capabilities of air lift pumps and the general lack of awareness of the industry about the inherent advantages of airlift systems. A new efficient airlift pump is hydrodynamically designed by incorporating the Volume of Fluid (VOF) multi-phase model along with the K-ε turbulence model utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. The pump is designed to offer a substantial reduction in total energy usage as well as an improved quality of the culture products in order to make it attractive to aquaculture industry. In this study, both numerical and experimental investigations were carried out for airlift systems operating under two different submergence ratios of 50% and 90% in a lab setting using 2.54 cm diameter pumps. Also, the performance of a large-scale pumps of 10.16 cm diameters were also tested in an aquaculture raceway to determine its effect on the operation. The numerical results were found to be in agreement with the experiments within ±20% which is considered very reasonable for multiphase flow analysis. The present study was found to present a great tool for modelling the airlift pump performance, and potentially proposing new designs.     

含刚性沉水植物明渠水流结构的试验研究

【目的】得到含刚性沉水植物明渠的水流结构。【方法】采用粒子图像测速仪(PIV),用有机玻璃棒模拟刚性植物,在不同来水流量、植物密度条件下对明渠水流结构进行了试验研究。【结果】无植物时平均流速沿垂向呈对数分布规律,有植物时则呈现明显的分区分布特性。无植物时紊动强度值沿垂向变化不大,有植物时在植物顶端位置处紊动最剧烈。流量或植物密度越大,植物顶端位置的流速梯度就越大,植物层上方的流速最大值也越大。植物密度越大,植物顶端位置的紊动强度越大,植物密度对水流紊动强度由最大值减小到最小值的区域影响很大。【结论】刚性沉水植物的存在会改变水流结构,增强紊动掺混,增强流体质点交换和能量传递,且上述影响会随着流量或植物密度的增大而增强。     

基于主成分分析和Copula函数的灌溉水利用系数影响因素研究

以新疆生产建设兵团第十二师中型灌区为研究对象，采用首尾法测算2018年和2019年4个样点灌区的灌溉水利用系数，在采用主成分分析法对指标体系降维处理的基础上，用Copula函数构建PCA-Copula评价分析方法，对灌溉水利用系数各影响因素的影响程度和影响规律进行计算分析。结果表明：两年测算数据表明，4个样点灌区灌溉水利用系数都在0.63以上，且最大值达到0.668，分别高于同期全疆、全国平均水平5.05%、10.15%；主成分分析得出，渠道衬砌率（0.944）、滴灌灌溉面积比（0.746）、作物需水量（0.635）、实际灌溉面积（0.734）等都具有超过60%的正贡献率，而葡萄种植比（-0.586）和灌区毛灌溉用水量（-0.645）等具有超过58%的负贡献率。利用PCA-Copula分析评估方法得出，作物种植比例和节水灌溉工程状况对十二师中型灌区灌溉水有效利用系数影响显著（P<0.05），其中葡萄净灌溉定额和灌区毛灌溉用水量对灌溉水有效利用系数的影响极其显著（P<0.01），相关系数分别为0.875、0.742，同时利用Spearman等级相关系数检验法和线型回归来检验PCA-Copula评价法与熵值法的密切程度，检验结果其相关系数分别为 0.87（P＜0.05）和0. 52（P＜0.001），表明PCA-Copula评价方法适用于研究灌溉水利用系数影响因素。     

黄土丘陵区坡面薄层水流动力学特性及其对土壤侵蚀的影响

为奠定基于运动力学参数构建土壤侵蚀模型的理论基础,通过不同降雨强度(25、50和75 mm/h)、不同坡长(1、5、10、15和20 m)下径流小区内人工模拟降雨试验,对不同处理下坡面薄层水动力学特性进行分析,并对水动力学参数与土壤侵蚀之间的关系进行初步探讨。结果表明:当坡度一定时,坡面平均流速主要受坡长及单宽流量影响,降雨强度通过影响单宽流量的大小间接影响坡面平均流速;在试验设计范围内,当坡长1 m时,整体上呈"层流-急流态",当坡长为1 m时,整体上呈"层流-缓流态";当降雨强度一定时,雷诺数随着坡长的增加线性增加,佛汝德数随着坡长的增加以幂函数形式增加;降雨强度对坡面流有明显的"增阻"效应;坡面阻力系数随着坡长的增加呈幂函数减小趋势;坡面平均土壤侵蚀率与单宽流量间呈一元线性趋势增加,与水流平均流速间呈指数函数增加,与雷诺数间呈二次函数增加。     

亏缺灌溉对南疆棉花生长和水分利用的影响

针对南疆地区水资源短缺、作物水分利用效率低等问题,以棉花为试验材料进行田间小区试验,在棉花现蕾期、开花期以及结铃期分别设置3个亏缺灌溉水平(W₁:50%ET_c,W₂:65%ET_c,W₃:80%ET_c,ET_c为作物蒸发蒸腾量),以全生育期100%ET_c灌溉处理为对照(CK),研究膜下滴灌条件下,不同生育期亏缺灌溉对棉花生长、产量、氮素吸收和水分利用效率的影响.结果表明:现蕾期亏水对棉花株高、叶面积指数、地上干物质生长、氮素吸收和产量有不同程度的抑制效应,但复水后补偿效应显著,其中轻度亏水(W₃)在籽棉产量减少3.48%的条件下,WUE高达1.57 kg/m³,显著高于CK的1.48 kg/m³;开花期亏水,棉花的各项生长指标均有显著降低,复水后补偿效应不显著,不利于棉花生长发育;结铃期亏水对棉花地上干物质累积、氮素吸收和产量均有显著的抑制效应,但在W₂和W₃水平下,WUE均达1.51 kg/m³.综合考虑在保证棉花产量的同时达到节水增产的目的,可在棉花蕾期进行80%ET_c灌水,其他生育阶段实施充分灌溉,来控制营养生长,促进生殖生长,获得更高的水分利用效率.