基于HYDRUS-3D模型的微润灌溉土壤水分入渗模拟

掌握土壤水分入渗规律对于合理制定灌溉方案、设置灌溉参数和改进灌溉技术有重要意义。为探究微润灌溉条件下土壤水分入渗规律,利用HYDRUS-3D有限元模型对微润灌溉下土壤水分入渗进行了数值模拟,讨论了初始压力水头和土壤质地对土壤水分入渗的影响。数值模拟结果显示：在土壤水分入渗的垂直剖面上湿润体以微润管为中心呈同心圆状向外扩散,扩散速率与初始压力水头呈正相关。模拟试验周期为36h,分3个时间段进行土壤水分扩散速率的计算,0~5h内土壤水分平均入渗速率为1.85cm/h,6~15h内的平均入渗速率为0.79cm/h,16~36h内的平均水分入渗速率为0.59cm/h。土壤含水率最大值出现在微润管周围,向外围呈减小趋势。相同时间内土壤湿润峰运移距离随初始压力水头的增大而增大,微润灌溉下水分入渗速率在3种质地的土壤（砂壤土、壤土、粘壤土）中依次增大,并测得在压力水头为-180cm时整个模拟周期中3种质地土壤的平均水分扩散速率分别为：0.69、0.53、0.46cm/h。研究表明,土壤含水率和水分扩散速率随压力水头的增大而增大,随土壤黏粒含量的增大而减小。     

微润灌溉条件下土壤质地对水分入渗的影响

为探究微润灌溉条件下水分在不同质地土壤中的入渗情况,分别选取黏壤土和黏土2种质地土壤,土壤体积质量均为1.35 g/cm3,压力水头为2 m,测定累计入渗量、湿润锋及土壤含水率3个指标。结果表明,水分累计入渗量与土壤含黏粒量为负相关关系;湿润锋是以微润管为中心的近似圆形,水平运移距离与垂直向下运移距离均大于垂直向上运移距离;湿润锋运移距离与时间的关系近似为幂函数关系;土壤含黏粒量越高,水分在土壤中的入渗速率越慢,湿润体的范围越小;同一取样点的土壤含水率随含黏粒量的增加而降低,经计算,微润灌溉的灌水均匀性符合要求。试验结论为微润灌溉系统的参数设计提供了理论参考。     

压力水头对微润灌溉土壤水分运移试验研究

为了探明微润灌溉湿润体特性,采用黏性土壤和3个水头(1.5,2.0,2.5 m)进行试验,分析微润管的入渗速率、累计入渗量、湿润体体积及湿润体含水率分布特征,同时探讨了含沙量为1.0 g/L的水质在3种水头压力下的堵塞问题.研究表明:土壤累积入渗量与压力水头呈正相关,与时间呈负相关;粒径为0.061~0.100 mm的浑水试验中,试验初期3个不同水头下的流量相差较小,24 h后流量相差逐渐增大,压力水头增大对微润带的堵塞情况有改善作用;微润灌溉湿润体形状近似圆柱状,湿润锋行进半径与压力水头呈正相关,建立了压力水头与湿润体体积的预测模型;不同压力水头下各方向的湿润锋扩散指数都约为0.42;湿润体体内含水率呈同心圆分布,随半径增大而减小,靠近微润管壁2 mm处含水率最大,土壤水分移动主要动力为压力水头和土壤势能之差.研究结果可为微润灌溉提供科学的理论依据和理论基础.     

埋深与压力对微润灌湿润体水分运移的影响

为探明微润灌土壤湿润体特性,设置5个不同埋深,6个不同压力水头,通过室内土箱试验研究了微润灌土壤水分运动规律。结果表明：压力水头是决定微润灌流量的重要因素;微润带埋深显著影响土壤湿润体的形状,湿润锋水平运移距离与宽深比γ均随埋深的增大而减小,垂直运移距离随埋深的增大而略微增大;土壤累计入渗量与埋深呈负相关关系;累计入渗量随灌水时间的变化过程符合Kostiakov入渗模型,建立了不同埋深累计入渗量预测模型,并用实测值进行了验证,实测值与预测值具有较高的相关性;土壤湿润均匀系数与埋深呈正相关,粘壤土微润灌最适埋深为15~20 cm。     

矿化度对微润灌土壤入渗特性的影响

采用室内土箱模拟试验的方式,研究了5种矿化度条件下微润灌土壤水分的入渗特性。试验结果表明:矿化度对湿润体形状影响小,微润灌湿润体横剖面呈近似圆形;矿化度对湿润体体积影响较大,矿化水湿润体体积大于清水的湿润体体积。当矿化度为3 g/L时,微润灌湿润体湿润锋运移速率最大,湿润锋运移速率与时间呈幂函数关系。矿化水可增加微润灌的累计入渗量,但累计入渗量与矿化度之间不是单调关系,当矿化度为3 g/L时,累计入渗量达到最大,土壤平均含水率也最大。     

涌泉根灌土壤湿润体特性试验

为了进一步探明涌泉根灌土壤湿润体特性的变化规律,通过在陕北山地枣树微灌示范基地进行的大田涌泉根灌入渗试验,研究了不同流量条件下涌泉根灌土壤湿润锋运移距离和水分分布的变化规律,结果表明：湿润体水平扩散半径、向上入渗距离、向下入渗深度等随灌水器流量的增大而增大,且均与入渗时间之间呈显著的幂函数关系,其相关系数均高于0.97.提出了涌泉根灌土壤湿润锋运移距离计算式,经试验验证：湿润锋运移距离预测值和实测值的相对误差均小于5%.在上述研究的基础上,建立了涌泉根灌湿润体内土壤平均含水量的计算式,经试验验证：灌后土壤平均含水量预测值和实测值相对误差均小于8%.根据农田灌水的实际需要,假定在涌泉根灌垂向入渗深度与所设定的计划湿润层相等的条件下,建立了涌泉根灌水平扩散半径与计划湿润层之间的计算式,试验结果表明：水平扩散半径计算值与实测值误差小于10%.     

涌泉根灌土壤湿润体特性试验

为了进一步探明涌泉根灌土壤湿润体特性的变化规律,通过在陕北山地枣树微灌示范基地进行的大田涌泉根灌入渗试验,研究了不同流量条件下涌泉根灌土壤湿润锋运移距离和水分分布的变化规律,结果表明：湿润体水平扩散半径、向上入渗距离、向下入渗深度等随灌水器流量的增大而增大,且均与入渗时间之间呈显著的幂函数关系,其相关系数均高于0.97.提出了涌泉根灌土壤湿润锋运移距离计算式,经试验验证：湿润锋运移距离预测值和实测值的相对误差均小于5%.在上述研究的基础上,建立了涌泉根灌湿润体内土壤平均含水量的计算式,经试验验证：灌后土壤平均含水量预测值和实测值相对误差均小于8%.根据农田灌水的实际需要,假定在涌泉根灌垂向入渗深度与所设定的计划湿润层相等的条件下,建立了涌泉根灌水平扩散半径与计划湿润层之间的计算式,试验结果表明：水平扩散半径计算值与实测值误差小于10%.     

初始含水率对涌泉根灌土壤渗透特征的影响

为探索初始土壤含水率对涌泉根灌过程中湿润锋运移和土壤水分分布的影响,合理确定灌水技术参数,配置了5种不同初始土壤含水率,采用室内土箱模拟试验方法,研究了土壤初始含水率对涌泉根灌均质土壤水分扩散的影响.结果表明：涌泉根灌条件下,初始含水率对湿润体形状的影响不大,对其大小有明显影响;土壤表面湿润时间与初始含水率呈递减关系,土壤表面湿润半径、湿润体水平与垂直距离的增长速度均随着土壤初始含水率的增大而增大;土壤初始含水率越大湿润体内水分分布越均匀;试验拟合的根据土壤初始含水率计算地表湿润半径、最大湿润体水平半径与垂直深度的经验公式,计算值和实测值之间误差较小,整体误差分别为0.63%,0.4%,0.83%和0.59%,0.12%,0.73%,可用经验公式推算涌泉根灌土壤水分渗透参数,作为涌泉根灌系统设计依据.     

和田风沙土单滴头点源入渗特征研究

为探索滴头流量、土壤容重和初始含水率对和田风沙土水分入渗特性的影响机理,以和田风沙土为研究对象,开展室内单点源入渗试验。试验结果表明,湿润锋的运移距离与入渗时间存在很好的幂函数关系;在灌水总量相同条件下,滴头流量对湿润锋的水平运移距离影响不大,而在垂直方向上,小滴头流量更利于水分向深层运移;土壤干容重与湿润锋水平运移距离呈正相关关系,与垂直运移距离呈负相关关系;初始含水率对湿润体的发展有一定的影响,但不明显。在和田风沙土滴灌系统设计和管理中,若灌水总量确定后,应适当加大滴头流量,以免造成深层渗漏。     

微润交替灌溉下管埋深对土壤水分入渗的影响

为了探究微润交替灌溉条件下,地埋微润管合理埋设深度,采用室内土箱模拟试验,研究了当微润管铺设间距为30 cm,压力水头为150 cm,土壤容重为1.25 g/cm3,微润管埋深分别为15和20 cm时的土壤水分累计入渗量、土壤含水率、湿润锋运移距离等指标的变化,每组试验重复3次。结果表明:累计入渗量随时间线性递增,两微润管在埋深15 cm时的累计入渗量比埋深20 cm时的累计入渗量分别高11.33%、13.57%;埋深为15 cm时土壤含水率大于埋深为20 cm的土壤含水率;微润交替灌溉条件下,埋深15 cm时湿润锋运移距离大于埋深20 cm时湿润锋运移距离约0.5~2.9 cm,埋深对湿润锋运移有影响但不显著;湿润锋运移距离与时间的拟合结果为良好的幂函数关系,两者具有显著的相关性;埋深为15 cm时形成的湿润体截面积较埋深20 cm时大,且土体表层已经湿润。     

不同初始土壤含水率和滴头流量下滴灌土壤湿润体特征及其有效性评价

【目的】研究滴灌条件下土壤湿润体水分分布。【方法】开展单点源入渗试验,探究了不同初始土壤含水率和滴头流量对滴灌土壤湿润体特征及湿润体内含水率分布的影响。【结果】灌溉结束24 h后,湿润体内的含水率达到相对稳定的状态,湿润体体积基本保持稳定;随灌水及再分布时间增加,湿润体宽深比逐渐降低,再分布过程中,宽深比随初始含水率减小而增大,随滴灌流量减小而减小;各处理湿润体体积与入渗时间呈良好的线性函数关系,灌水结束24 h后,各处理实际湿润体积均已超出计划湿润体积;计划湿润体内含水率60%θFC～80%θFC区间占比随初始含水率增大而减小,随滴头流量的增大而增大,其余各区间占比变化规律与之相反,相同滴头流量下,50%θFC初始含水率处理超出计划湿润体的体积最少。【结论】再分布后的湿润体体积主要受灌水量的影响,可以选择较小的初始含水率及较大的滴头流量以提高湿润体内水分有效性。     

肥液浓度和生物质掺混量对微润灌溉入渗特性的影响

为了探明肥液质量浓度和生物质掺混质量比对微润灌溉土壤水分入渗特性的影响,采用室内土箱模拟试验的方法,设置3个肥液质量浓度水平(清水F₀:0 mg/L,低浓度F_L:200 mg/L,高浓度F_H:400 mg/L)和4个生物质掺混质量比水平(自然风干土B₀:0 g/kg,低掺混量B_L:15 g/kg,中掺混量B_M:30 g/kg,高掺混量B_H:45 g/kg),以发酵腐熟花生壳粉末为掺混生物质,研究微润灌溉的水分入渗速率、累积入渗量、湿润体体积以及湿润体质量含水率的分布特征.试验结果表明:肥液质量浓度和生物质掺混质量比对微润灌溉的初始入渗速率、稳定入渗速率、累积入渗量和湿润体质量含水率均值影响均具有统计学意义.与水平F₀B₀相比,增加肥液质量浓度和生物质掺混质量比可提高初始入渗速率13.02%~44.85%、稳定入渗速率13.50%~48.78%、累积入渗量5.65%~56.62%和湿润体质量含水率均值6.62%~30.09%;不同入渗时间内的累积入渗量符合Kostiakov模型;湿润体体积随肥液质量浓度和生物质掺混质量比增大而增大,且湿润体体积与入渗时间呈二次多项式关系;湿润体剖面面积和灌水均匀系数随肥液质量浓度和生物质掺混质量比增大而增大.     

灌水器流量对涌泉根灌土壤水氮运移的影响

为了提高涌泉根灌水肥一体化灌溉模式下水肥的利用效率,采用大田肥液入渗试验,探究了不同灌水器流量(4,6,8,10 L/h)条件下湿润锋运移、土壤水分及氮素分布的规律.结果表明:不同灌水器流量对湿润锋运移距离及湿润体内水分及氮素分布均具有较大影响,随着流量的增大,各向湿润锋运移距离均增大;灌水结束,湿润体内同一位置处的土壤含水率、铵态氮及硝态氮质量分数均伴随着灌水器流量的增大而增大,湿润体内水分分布相对越均匀;各向湿润锋运移距离均与入渗时间具有显著的幂函数关系,得到以湿润锋运移距离为因变量,入渗时间和流量为自变量的数学模型;灌水结束后随着入渗的继续进行,湿润体内水分及氮素进行再分配,再分布1 d,湿润体内水分分布更加均匀,达到田间持水量;再分布3 d,期间湿润体内水分及铵态氮量逐渐减小而硝态氮量增加.以上研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础.     

变温度-风速模拟条件下微润灌工况自适应调节机理

通过模拟光照、吹风改变蒸发强度,对比分析了4种蒸发条件(CK、光照(L)、吹风(W)、光照+吹风(LW))下微润灌入渗速率以及湿润体变化特征。结果表明,常温下微润灌累积入渗量与时间呈显著线性相关关系(决定系数R²>0.99),符合Philip入渗模型水平吸渗项入渗规律;微润管出流速率因多孔介质管壁穿透入渗、管周土壤水分入渗分别随时间呈现出初期骤增、线性减小的演变规律;改变上边界条件后各处理蒸发均显著增大,然而入渗速率只随温度增加而提高,吹风带走土表热量,入渗速率反而减小;光照期间,L、LW处理入渗速率分别增长56.56%、29.51%;撤去光照2 h后,LW处理蒸发强度不变,入渗速率骤降5.90%,揭示了微润灌对温度响应的敏感性远高于上边界蒸发。湿润锋运移距离与时间呈显著幂函数关系,温度提高后入渗速率增加促进了湿润锋运移,温差和重力势共同驱动下水分向背离热源方向移动,光照处理中湿润锋水平运移距离D_horiz、垂直向下运移距离D_down较预测值分别增长75.81%、99.30%。该研究揭示了源于辐射的地温变化在微润灌...     

双点源滴灌条件下土壤湿润锋运移规律研究

通过模拟试验,研究了不同滴头流量、灌水量和滴头间距下双点源滴灌水分交汇作用对湿润锋运动规律的影响,结果表明:在交汇界面,湿润锋水平和垂直入渗距离与入渗时间符合多项式关系,在未发生交汇的平面符合幂函数关系。相同条件下,交汇界面处的水分向外扩散距离与距滴灌点源相同距离处未发生交汇的水分扩散距离相比增加了30%,湿润锋前沿处的含水率比其增大了81%。在滴头流量为0.8 L/h、灌溉水量17.0 L条件下,双点源交汇入渗在结束灌水时湿润锋水平和垂直湿润距离分别为31.0 cm和33.3 cm,比单点源入渗分别大1.0 cm和1.3 cm。此外,通过试验发现,增大滴头流量、灌水量或缩小滴头间距均能有效改善土壤湿润体的均匀性。     

间歇和连续灌溉土壤水分运动的模拟研究

为探明间歇灌溉与连续灌溉过程中土壤水分运动和分布的异同,利用Hydrus-2D软件模拟了地下滴灌和微润灌灌水方式下土壤水分的运动状态。结果表明,在垂直距离滴灌带和微润带5cm处,湿润土壤含水率和水势均基本呈对称分布;灌水15.4h后,地下滴灌条件下垂直向下的土壤水分传输量大于垂直向上的,而微润灌条件下土壤含水率和水势仍呈对称分布;当灌水量相同时,微润灌的湿润面积略大于地下滴灌;地下滴灌饱和含水区域占湿润面积的比值为15.3%,大于微润灌饱和含水区域的占比(12.9%);微润灌湿润土壤水分分布均匀度达81%,大于地下滴灌。     

裂隙影响下的微润灌水分运移和分布规律

为研究裂隙发育对微润灌水分运移和分布特征的影响规律,进行了室内土箱水分入渗试验.通过人造裂隙方式,设置不同裂隙间距(6,8 cm)和裂隙深度(5,10,15 cm)处理,同时以无裂隙处理(CK)为对照,测定了入渗过程中入渗量变化、湿润体形态演变和入渗结束时水分分布特征.结果表明：裂隙对微润灌水分入渗速率基本无影响,各处理之间累积入渗量随入渗时间变化趋势接近,最终累积入渗量差异不显著.裂隙改变湿润体形态演变和水分分布特征,湿润锋到达裂隙区域后,在裂隙毛管阻隔效应影响下,水分水平运动受到抑制,向上运动得到加强,最终导致湿润体上部呈近似矩形、下部呈近似椭圆,剖面水分分布呈指状特征.裂隙深度对湿润体规则度、湿润锋向上运移距离和灌后水分分布均匀度影响显著,而裂隙间距对其影响不显著.相比CK,裂隙深度15 cm时湿润体分散度约增加了34.5%,湿润锋最终向上运移距离约增加了12.9%,水分分布均匀度约降低27.5%.综合考虑,在微润灌实际应用过程中应控制田间裂隙深度发育,以降低其不利影响.     

微咸水微润灌溉下土壤水盐运移特性研究

为探明土壤水分和盐分在利用微咸水进行微润灌溉条件下的运移情况,采用室内土箱模拟试验方式,设置2.0、2.5、3.0、3.5、5.0 g/L 5种不同矿化度处理,以蒸馏水处理作对照,共入渗72 h。结果表明:入渗结束时在不同方向上的最大运移距离随矿化度增大呈先增大后减小趋势,在3.0 g/L处理下达到最大值,且微咸水处理的湿润锋运移距离均大于蒸馏水处理;将累积入渗量代入Kostiakov入渗公式,入渗系数随矿化度的增大呈先增大后减小趋势,入渗指数不断减小;土壤电导率以微润带为轴心向四周不断增大,在湿润锋处达到最大值,脱盐区与湿润体形状相关,呈圆环状分布;入渗结束后土壤剖面平均含盐量与蒸馏水处理之间无显著性差异,脱盐半径随矿化度的增大呈线性递减趋势;利用微润灌进行灌溉,土壤盐分存在表聚和底聚现象,且表层积盐更为严重。     

水平微润灌土壤水分运动数值模拟与验证

【目的】进一步认识微润灌土壤水分运动规律。【方法】以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了微润管水平铺设方式下的土壤水分运动数学模型,利用SWMS-2D软件进行求解,采用室内试验及已有文献资料,对单位长度微润管入渗量、土壤湿润锋运移值、土壤湿润体体积和土壤剖面含水率等指标的实测值与模拟值进行了分析验证。【结果】入渗初期(24 h内),单位长度微润管入渗量模拟值与实测值之间存在一定差异,平均相对误差为11.7%;入渗后期(24 h后),模拟结果与实测结果一致性良好,平均相对误差为4.7%。微润管水平埋设时,土壤湿润锋沿微润管呈圆柱形分布,各时段的模拟值与实测值基本一致,平均相对误差绝对值为7.38%;土壤湿润体体积模拟值与实测值随时间的增加拟合性越好;土壤含水率等值线为围绕微润管的"同心圆",随着湿润体半径的增大而减小,微润管壁处土壤含水率最大。【结论】所建模型能比较真实地反映水平微润灌土壤水分运动状况,所建模型及采用SWMS-2D软件进行求解是可行的,采用数值方法模拟水平微润灌土壤水分运动过程是可靠的。     

低压微润灌灌水均匀性及土壤水分分布特性

采用低压微润灌和滴灌进行西瓜灌溉对比试验,分析不同断面不同土层土壤水分分布特征及灌水均匀性。研究表明:滴灌土壤水分在垂直方向上分层明显,灌后土壤水分主要集中在0~40cm土层,水平方向上土壤含水率随着离滴头距离的增大逐渐降低;微润灌土壤水分在垂直方向上微润带下层土壤含水率大于上层土壤含水率;微润灌呈立体供水状态,微润带左右土壤水分分布特征相似,灌水均匀度较高;微润灌表层土壤形成干土层,起到覆膜作用,减少了表层土壤蒸发,提高了灌溉水利用系数;生育期内,微润灌短时间内各个土层土壤水分动态变化较小,减小了灌溉工作强度;微润灌0~30cm土层土壤含水率变异系数较小;表层土壤含水率变异系数微润灌及滴灌均较大;微润灌土壤主要湿润区在5~30cm土层,土壤水分在5cm和30cm土层相对均匀;滴灌土壤主要湿润区在0~50cm土层,土壤水分在10~40cm土层相对均匀。