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。     

微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究

为探明微润灌溉线源入渗水分运移规律,通过室内土箱试验对微润灌溉土壤水分分布进行研究,分析土壤质地和土壤密度对湿润体特性的影响。结果表明:微润灌溉湿润体是以微润带为轴心的柱状体,黏壤土为近似圆柱体,砂土湿润体横剖面为"倒梨"形,黏壤土R:X:H(R为水平运移距离,X为垂直向上运移距离,H为垂直向下运移距离)平均为1.00:0.90:0.99,砂土为1.00:0.81:0.95。湿润锋水平和垂直(向上和向下)运移距离均与灌水时间呈显著的幂函数关系,土壤密度和质地是影响湿润体特性的主要因素;微润带流量小,单位长度流量不超过210 mL/(m.h),可适应土壤含水率变化自动调整,累计入渗量与灌水时间呈线性关系;湿润体内含水率以微润管带为轴心呈同心圆面分布,大部分土壤含水率介于田间持水量的80%～90%之间,微润灌溉均匀度高,达95.62%。因此,微润灌溉技术节水效果显著,适宜旱区作物用水需求。     

垄上线源滴灌湿润体特性研究

在米脂县盂岔试验基地进行大田试验,研究了同一灌水量、不同流量条件下,垄上线源滴灌湿润体特征值的变化规律及滴灌结束后的水分再分布规律.试验结果表明:在线源交汇人渗情况下,滴头处和交汇面处垂直入渗距离与入渗时间均满足良好的幂函数关系.在灌水量为9L的情况下.湿润体沿滴灌管布置方向剖面上的土壤含水率等值线大致以15cm深度为分界线,上层呈现以滴头为中心的椭圆状,而下层则相对平缓.滴灌停止后24h时的湿润体较为稳定,其特征值可以作为线源滴灌灌水量设计的依据,同一灌水量条件下,滴头流量对滴灌停止后24h的湿润体特征值影响并不大.     

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。     

涌泉根灌湿润体特征值变化规律研究

在米脂山地微灌枣树示范基地进行原状土涌泉根灌人渗试验,研究了不同流量、不同灌水历时条件下涌泉根灌湿润体特征值的变化规律.结果表明:湿润体的水平扩散半径、向上人渗距离、向下人渗深度随流量的增大而增大,且均与入渗时间有显著的幂函数关系;在相同流量情况下,向上人渗最快.水平扩散次之,向下人渗最慢;湿润体体积受灌水量和流量的影响;在不同流量条件下,湿润体体积与灌水量间,湿润体水平扩散半径、垂直扩散距离与灌水量间均存在极显著的幂函数关系;针对五年生枣树根系分布特征,确定了枣树适宜灌水时间和灌水量.     

涌泉根灌不同浓度肥液入渗特性及土壤湿润体模型研究

为了研究涌泉根灌肥液入渗特性及湿润体水氮运移的变化规律,在陕北米脂山地微灌枣树示范基地原状土上进行了涌泉根灌肥液入渗试验。结果表明:累积入渗量与入渗时间之间符合Kostiakov幂函数关系(R20.9,P0.01);涌泉根灌入渗能力与增渗效果均随肥液浓度增大而增大;水平湿润锋与竖直湿润锋运移距离均随肥液浓度增大而增大,且均与入渗时间呈显著的幂函数关系,水平方向和竖直方向的湿润锋运移距离的拟合值与实测值的相对误差在–3.84%～5.20%以内。肥液浓度的不同对于湿润体大小略有影响。提出了涌泉根灌肥液入渗湿润体内土壤含水率和NH_4~+-N浓度分布的数学模型,即在一定浓度范围内,单位含水率的变化可引起的肥液浓度变化,且模型的计算精度较高(模拟值与实测值相对误差在10%以内),并符合湿润体内土壤含水率和NH_4~+-N分布规律,可对不同位置处土壤含水率及NH_4~+-N含量进行估算。水分分布情况对肥液浓度条件敏感性较低,NH_4~+-N分布情况对肥液浓度条件敏感性较高。研究可为涌泉根灌水肥高效利用提供参考。     

均质土微润灌湿润体模型构建及验证

为探明微润灌土壤湿润体运移的影响因素和变化规律,设置了56种微润灌情景（8种土壤质地、3种土壤基质势和10种微润管比流量的不同组合）,利用HYDRUS-2D软件,模拟研究土壤饱和导水率、土壤基质势和微润管比流量对微润灌土壤湿润体的影响。综合考虑单位长度总渗水量、土壤饱和导水率、土壤基质势和微润管比流量等影响因素,基于量纲分析方法,建立了一种均质土微润灌湿润体尺寸估算模型,并利用数值模拟结果,定量获取了所建模型的待定参数,最后,采用试验资料评价了估算模型的可靠性。结果表明,土壤饱和导水率、土壤基质势和微润管比流量对微润灌土壤湿润体形状影响较小,且在湿润锋未到达地表前,湿润体形状均为以线源为轴线的近似\     

滴灌湿润体交汇情况下土壤水分运移特征的研究

以室内试验为基础，测定了重壤土、中壤土、砂壤土在不同滴头流量、不同灌水量下的滴灌交汇土壤水分入渗运动过程。研究结果显示了滴头流量、灌水量和土壤质地对交汇入渗湿润体形状的影响规律。滴灌入渗交汇界面的湿润锋水平和垂直距离与入渗时间之间符合良好的线性关系，湿润锋水平和垂直速度随着交汇时间的延长而增大。随着距滴头距离的增加，滴灌交汇入渗湿润体内的土壤含水率降低，湿润锋交汇界面处的土壤含水率一般均大于同等土壤深度的含水率。研究结果对滴灌系统设计理论具有一定的指导作用。     

土壤初始含水率对膜孔灌湿润体特征的影响

为了研究膜孔灌中土壤初始含水率对湿润体特征及累积入渗量的影响,首先通过室内试验验证HYDRUS模拟西安粉壤土膜孔灌湿润体形状以及含水率分布的可靠性,然后基于HYDRUS模型模拟在不同初始含水率条件下膜孔灌湿润体的变化过程。结果表明:基于HYDRUS模型模拟的累积入渗量和湿润锋运移距离与室内试验结果的R~2均接近1,标准偏差绝对值均小于10%,拟合良好,表明HYDRUS模型模拟入渗过程的可靠性。膜孔灌湿润锋形状可采用椭圆方程表示。当初始含水率较小(不大于0.1 cm~3/cm~3)时,湿润体半径的含水率分布可采用椭圆方程表示;从膜孔中心到湿润锋表面,随着初始含水率的增大,湿润体内的含水率梯度减小,湿润体半径的含水率分布曲线由椭圆曲线逐渐转变为平缓曲线。基于湿润体含水率分布规律建立了考虑初始含水率的累积入渗量模型,累积入渗量与湿润体半径的三次方呈正比,湿润体半径可表示为湿润锋水平运移距离和垂向运移距离的几何平均值;对于不同的膜孔半径(1～5cm),模型计算累积入渗量与HYDRUS模拟值的R~2为0.99,标准偏差绝对值小于10%;对于粉土、粉壤土和壤土,当初始体积含水率不大于0.25 cm~3/cm~3算累积入渗量与HYDRUS模拟值的R~2为0.99,标准偏差绝对值小于10%,结果表明该模型对不同土壤质地和膜孔半径的适用性良好;该模型在计算作物灌水需求量方面优于Kostiacov模型等传统的经验模型。该研究揭示了不同初始含水率下的膜孔灌湿润体特征,并建立了累积入渗量模型,可为膜孔灌灌溉水量的计算提供参考依据。     

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。     

间接地下滴灌土壤湿润体特征参数

该文将恒定水头钻孔积水入渗求解土壤饱和导水率的稳态原理用于定量化求解间接地下滴灌技术中与任意导水装置尺寸相匹配的滴头流量,并以计算的技术参数为基础,研究了间接地下滴灌水分运移过程中的土壤湿润体特征参数。研究结果表明,用于描述恒定水头钻孔积水入渗法求解土壤饱和导水率的稳态模型能够较好地设计与不同类型土壤和导水装置尺寸相匹配的适宜滴头流量。间接地下滴灌灌水过程中,从零开始逐渐增大并趋于稳定的积水深度加速了水分在垂直方向的运移,缩小了横向湿润距离和垂向湿润距离之间的差异,但变化的积水深度对湿润锋在垂直方向向上和向下的运移速率影响不大,使湿润体形状表现为扁率不断减小的椭球体,且椭球体对称轴分布在靠近导水装置底部的位置。湿润锋最大湿润距离和湿润体体积是灌水时间的函数,湿润体内平均体积含水率增量与灌水时间关系不大,保持为一定值。湿润体体积和湿润体内平均体积含水率增量不仅与土壤类型有关,还与导水装置参数和滴头流量的不同组合有关。     

地下灌竖管灌水器直径压力对土壤水入渗特性的影响

研究竖管灌水器地下灌溉条件下,土壤质地、压力水头和竖管直径对土壤水分入渗特性的影响。选用粉质壤土和砂质壤土2种土壤,在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 m压力水头,以及竖管直径为4、8、12和16 mm条件下,测定5 h内土壤水分累计入渗量,并应用Philip公式对入渗过程进行拟合,计算入渗流量。结果表明,不同土壤质地下,累计入渗量均随压力水头增加而增加,但质地越重,累计入渗量越小,压力水头在入渗初期对累计入渗量影响较大,随入渗时间延长,其影响程度减弱。入渗流量开始较大,逐渐减小,入渗流量趋于稳定的时间过程较长。当压力水头为0.5~3 m,灌水器稳定入渗流量为0.53~1.25 L/h。土壤水分累计入渗量变化随竖管直径增大而减小,逐渐趋于稳定。基于竖管直径构建了累计入渗量估算模型,经验证,模型决定系数大于0.99,表明模型的可行性。研究可为竖管地下灌溉管网系统设计及应用提供参考。     

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P...     

多点源滴灌条件下土壤水分运动的数值模拟

为了摸清多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,为密植作物滴灌系统的合理设计提供依据,本文根据非饱和土壤水动力学理论和多点源滴灌条件下土壤水分运动特征,建立了多点源滴灌条件下土壤水分运动数学模型,利用商业化软件Hydrus对模型进行了求解。模拟结果与实测情况对照表明,模拟的入渗过程与实测的入渗过程基本吻合,均遵循点源入渗、湿润区交汇和最终形成湿润带的演变规律;模拟的交汇时间和入渗深度与实测的相比,偏差均在10%以内;在湿润锋交汇前,湿润区内部土壤含水率模拟值与实测值的差异较小,吻合较好,在湿润锋交汇后,湿润区上部土壤含水率的模拟值要比实测值小一些。总体而言,模拟结果还是能比较真实地反映多点源滴灌条件下的土壤水分运动规律,可为滴灌系统的合理设计及运行提供一定的理论依据。     

再生水灌溉对红壤水力特性的影响

再生水长时间灌溉是诱发土壤水力特性演变的关键因素之一。该文采用再生水原液(reclaimedwater,RW)以及再生水原液稀释2倍(RW-2)、4倍(RW-4)、6倍(RW-6)等4种不同浓度再生水水源,设置再生水连续灌溉与再生水-蒸馏水交替灌溉(ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6)2种灌溉模式,以蒸馏水连续灌溉(CK)为对照,持续对第四纪红壤进行干湿循环模拟灌溉,直到土壤入渗趋于稳定为止。采用压力膜仪法测定各灌溉处理后的土壤水分特征曲线,选择van Genuchten(VG)模型对其参数提取,分析了红壤水力特性的演变特征及其参数影响。结果表明:再生水灌溉显著影响了红壤的持水特性,促使红壤孔隙大小、数量及其分布发生演变,该变化规律与再生水水质浓度、灌溉模式关系密切。与CK相比,再生水连续灌溉模式RW、RW-2、RW-4、RW-6处理下,红壤有效水分别提高了5.4%、3.6%、14.6%、-8.1%;再生水-蒸馏水交替灌溉模式ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6处理下,红壤有效水分别降低了9.9%、23.3%、26.5%、16.9%。与CK相比,连续灌溉对红壤水力传导性无显著影响;而交替灌溉则影响显著,其土壤非饱和导水率、水分扩散度大体表现为CKARW-6■ARW-4ARWARW-2。再生水灌溉对VG模型参数θs'、θr'、α、n均有显著影响;再生水的pH值、电导率及钠吸附比均与红壤有效水存在显著的相关性。该研究结果对红壤地区再生水长期灌溉利用风险评估提供了一定理论基础和技术支撑。     

土壤点源入渗自动测量系统监测滴头下土壤湿润过程

土壤水运动过程是滴灌系统设计和运行管理的重要内容。该研究采用点源土壤入渗自动测量系统,利用计算机可控数码相机和图像识别技术测量滴灌地表湿润面积和土壤湿润体随时间的变化过程。采用正三棱形有机玻璃土箱,设计一系列点源滴灌室内试验,获得点源滴灌入渗过程随时间的变化过程。试验采用3个流量:2、4及8 L/h处理,每个处理设置了3个重复。用数码相机每4 min拍摄一次地表湿润面积,用于计算地表湿润面积随时间的变化过程。同时,在1、2、3、4、6、8、10、12、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180 min时刻,在贴在土箱侧面的透明胶片上,手工记录地表湿润面积和垂直湿润锋面随时间的变化过程。由测量系统根据记录的地表湿润面积随时间的变化过程自动计算得到土壤的入渗过程。通过入渗过程,计算得到滴头下地表土壤的湿润面积,由计算得到的土壤入渗率和计算得到土壤的湿润剖面,将计算结果与实测结果对比,检验测量的精度。结果表明,手工测量得到的地表湿润面积都略大于由土壤入渗自动测量系统计算得到的入渗率计算的地表湿润面积。由计算得到的入渗率预测的土壤入渗深度,略大于实测土壤入渗深度。计算得到前者的相对误差为2%~15%,后者的相对误差为1%~8%。说明土壤入渗自动测量系统,能够准确描述点源滴灌地表湿润过程及土壤入渗过程,并能预测不同流量下垂直入渗深度,测量方法可以为滴灌系统的设计提供相关参数。     

地下水埋深对膜下滴灌棉田水盐动态影响及土壤盐分累积特征

为了探究不同地下水埋深条件下膜下滴灌农田的水盐运移规律,于2012—2016年在新疆库尔勒绿洲,对采用膜下滴灌结合冬春灌压盐的棉田开展定位观测,在不同位置处150 cm深土壤剖面进行水盐监测,探究不同生育阶段地下水埋深与土壤水盐含量的关系。结果表明,膜下滴灌农田土壤水分呈反"S"型分布,土壤盐分呈"酒杯"状表聚型分布;试验期内地下水埋深从2~3 m增加到5~6 m,相应地苗期和非生育期返盐程度显著降低,收获期盐分含量下降;5a来土壤含盐量从6.5 g/kg下降到1 g/kg,土壤累积含盐量与地下水埋深呈负的指数关系;深层水分交换量表明土壤水和地下水间的联系明显减弱。建议将类似地区的地下水埋深控制在3.5 m左右,膜下滴灌结合冬春灌淋洗可有效抑制土壤层盐分累积,并可保证自然植被的生态需水。     

无压灌溉土壤湿润体含水率分布规律与模拟模型研究

该文通过室内试验,分析研究了无压灌溉土壤入渗率变化过程和土壤湿润体内含水率分布规律。试验结果表明：无压灌溉的累计入渗量与时间呈幂指数关系,土壤入渗率趋于零是无压灌溉过程结束的标志。同时,引进场的概念,结合土壤含水率试验数据,建立了无压灌溉土壤湿润体内含水率分布的理论模拟模型,并用实测值进行了验证。该模型简单、实用、精度高,实测值与预测值之间具有较高的相关性,相关系数达0.899以上。该研究结果对大田土壤水分调节和管理具有指导作用。