掺砂对土壤水分入渗和蒸发影响的室内试验

通过掺砂调控农田土壤水分入渗和蒸发,对新疆干旱绿洲农田抑盐、保水及合理的掺砂制度制定具有重要意义。该研究以不同的掺砂率为影响因子进行土柱模拟试验,设置了4个掺砂率水平,分别是0（对照）、25%、50%、75%。结果表明：不同掺砂率条件下湿润锋和累积入渗量与入渗历时有显著地乘幂关系,影响顺序为75%＞50%＞25%＞0,且在掺砂率≥25%影响幅度较大;不同掺砂处理对土壤水分蒸发过程同样也有显著地影响,随着掺砂率的增加,土壤蒸发显著减弱,随着掺砂率的增加,抑制土壤蒸发越强,且在掺砂率≥75%时有较大幅度影响。土壤在连续20 d蒸发过程中,各个处理的土壤累积蒸发量随时间的关系和Rose经验公式拟合度高; 不同掺砂处理能显著提高土壤掺砂层以下的土壤含水率,随着掺砂率的增加而增加,其中掺砂75%时最高。     

层状夹砂土柱室内积水入渗试验及模拟

为了研究夹砂层对入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响,进行了室内层状夹砂土柱一维薄层积水入渗试验和相应情况下均质土柱的对照试验。结果表明,当湿润锋到达夹砂层上界面后,层状夹砂土柱的入渗过程与均质土入渗表现出明显不同。在湿润峰穿过夹砂层上界面时入渗率有较大波动,且最终进入稳渗阶段,其稳渗率明显小于同时刻均质土柱入渗率;当湿润锋穿过夹砂层后,夹砂层内的土壤含水率明显小于其饱和含水率。根据试验和分析,建立了针对层状夹砂土入渗的S-Green-Ampt模型,该模型可以较准确地反映层状夹砂土柱积水入渗的机     

Time dependence of contact angle and its relation to repellency persistence in hydrophobized sand

Soil water repellency is a transient soil property varying with soil–water contact time. The purpose of the present study was to determine the time dependence of the sessile drop contact angle and its relation to repellency persistence estimated using the water drop penetration time (WDPT) test with hydrophobized sand. The contact angle decreased exponentially and almost reached apparent equilibrium after 20 min of soil–water contact time. Time dependence of the contact angle can mainly be attributed to the adsorption of water molecules onto low-energy hydrophobic organic matter surfaces. Contact angles initially greater than 90° decreased to less than 90° within about 40 s. However, the WDPT of these samples was longer than 3600 s. The WDPT responded to the initial contact angle, but not to the contact angle decreased with soil–water contact time. This was considered to be caused by differences in the surface free energy between the surface and the lower layers. Repellency persistence, or the WDPT, can be considered to be the time taken to increase the surface free energy to overcome water repellency, not only on the surface in contact with the droplet, but also in the adjacent layers below the surface.     

河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响

采用室内土柱模拟试验,研究不同掺沙量对土壤入渗特征与水盐运移的影响。共设置了CK（不掺沙）、S1（掺沙2%）、S2（掺沙4%）、…、S15（掺沙30%）16个试验处理,测定不同处理试验期间土壤含水率和含盐量的变化。结果表明：1）随着土壤表层掺沙量的增加,土壤的累积入渗量与湿润峰运移速度都呈逐渐增加的趋势;当掺沙比例为18%～24%时,土壤稳定入渗速率在0.065～0.091 mm/min之间;掺沙比例为26%～30%时,土壤稳定入渗速率大于0.1 mm/min,土壤持水能力较低。2）不同处理在7、11、15 d的土壤平均含水率差异显著（P<0.05）,适当增大掺沙量可以有效促进土壤水分向下运移,掺沙比例过大会降低土壤的持水能力。3）当掺沙比例小于24%时,不同处理7 d的土壤含盐量差异显著（P<0.05）;S9～S12处理在20 d时30 cm土层的土壤含盐量相比不掺沙的处理降低90%以上,能够同时保证土壤的脱盐能力和持水能力。4）Kostiakov模型能够很好地在本研究中对土壤水分入渗过程进行模拟。该研究结果可为表层土壤掺沙改良河套灌区重度盐碱地提供理论支持。     

Effects of bentonite on water infiltration in a loamy sand soil

Water loss as deep percolation is considerable in furrow irrigation in light soils due to the high infiltration rate. Application of soil conditioners such as bentonite reduces the infiltration rate and improves irrigation application efficiency (E_a) in these soils. The effects of bentonite application rates (BAR) of 0, 2, 4 and 6 g L^?1 on infiltration of a loamy sand soil were determined in a soil column in the laboratory. The exponent of the Kostiakov infiltration equation was not influenced by BAR. Maximum reduction in infiltration equation coefficient and final infiltration rate (i _f) occurred with 2 g bentonite L^?1 and this reduction was lower on increasing BAR from 2 to 4 and 4 to 6 g L^?1 compared with control. The effect of 2 g L^?1 BAR on infiltration and its effect on the design of furrow irrigation in a field with a loamy sand soil indicated that in the first irrigation after field ploughing and seed planting, longer furrow length, lower deep percolation and higher E_a are obtained.     

土壤介质特征对水分再分布过程中指流发育的影响

指流研究对农业水肥资源有效利用、环境和水资源污染防治等具有重要意义。为研究土壤介质特性对水分再分布过程中指流发育的影响,该文采用粗质石英砂和细质石英砂2种不同的土壤介质进行试验,探讨了土壤质地、土壤结构（包括均质土体、质地成层土体和湿度成层土体）、土壤初始含水率等土壤介质特征对水分再分布过程中指流发育的影响。通过分析试验结果可知,水分再分布过程中,土壤质地较粗时易于形成指流;增大土体初始含水率会抑制指流的形成和发展;湿润锋向下推移速度受土体初始含水率和指流发育情况的耦合影响;与均质土体相比,细质石英砂覆盖于粗质石英砂之上的层状结构土体中指流的形体更为明显,但其指流发育所需的时间相对较长;而由湿度不同构成的层状结构土体中指流发育进程较慢、程度较弱。研究表明,水分再分布过程中,土体介质的质地、结构和初始含水率等特性能够对指流现象的发生、发展产生重要影响。     

躺滴法测量干湿循环条件下土壤固-液接触角的滞后特性

接触角滞后是使土壤的土水特征曲线产生滞后现象的主要因素之一,而土水特征曲线的滞后特性是土壤干湿循环的显著特征。该文采用混合制样法制备不同接触角的土样,通过躺滴法对干湿循环过程中土体的固-液接触角随时间的变化关系进行测量,结果表明:随着土样表面固滴的蒸发,其固-液接触角是不断减小的,且初始接触角越大,固滴完全蒸发所用的时间越长,黏土接触角随时间变化关系曲线呈线性,而砂土的则表现出一定的非线性。不论土体的初始接触角多大,临近固滴蒸发结束,接触角都会变为0,且整个蒸发过程中固-液-气三相接触线不发生移动,固-液接触面积保持不变。试验结果证实了土壤脱湿过程把固-液接触角假设为0是合理的,并且可以断定接触角滞后特性也可能是非饱和土土水特征曲线在反复干湿循环下滞回圈不断减小的原因之一。     

打孔灌沙促进漫灌下盐碱土水分下渗提高脱盐效果

针对现有盐碱土改良措施工程量大,农业生产成本高等问题,提出打孔灌沙的盐碱土防治措施。该文以天津滨海盐碱土为研究对象,通过野外小区灌溉试验,研究在灌溉条件下打孔灌沙对盐碱土水盐运移规律的影响,旨在探索打孔灌沙减少盐碱地表层积盐的可行性。试验设计3种灌溉量(600、900和1 200 m~3/hm~2),3种打孔深度(5、10和15 cm)和3种打孔密度(30、60和90孔/m2),并以无打孔灌沙处理为对照组(CK)。结果表明:灌溉量影响盐碱土洗盐效果,在600~1 200 m~3/hm~2灌溉量处理下,灌溉量越大,表层土壤脱盐效果越好。同时,打孔灌沙能够促进水分下渗,提高脱盐效果,在1 200 m~3/hm~2灌溉量下,灌后25 d,打孔深度≥10 cm时较CK降低表层0~30 cm土壤水分8.7%~16.1%,提高脱盐总量50.7%~98.8%。打孔密度增加能够促进脱盐效果,但随打孔深度而不同。打孔深度≤10 cm时,30和60孔/m~2打孔密度处理间脱盐总量差异不显著(P0.05)。打孔深度为15 cm时,60和90孔/m~2打孔密度处理间脱盐总量差异不显著(P0.05)。考虑到过深的打孔深度处理会降低打孔灌沙效率、提高配套打孔灌沙机具的研发难度,结合试验区农艺规范,推荐10 cm打孔深度、30孔/m~2打孔密度作为合适的打孔灌沙处理方案,该研究可为滨海区盐碱土的开发利用提供新的思路和方法。     

耕作及种植方式对土壤入渗参数和畦灌水流运动的影响

为探明耕作和种植方式对土壤入渗参数及畦灌水流运动的影响规律,试验设置了4个处理(深松+旋耕+等行距、深松+旋耕+三密一稀、旋耕+等行距、旋耕+三密一稀旋耕+三密一稀),每个处理中设3种不同畦田规格(畦长30、35、40 m,畦宽均为2 m),越冬和拔节期分别进行灌水,实测了入渗量、水深、水流推进时间等,基于采用Kostiakov入渗公式计算的土壤入渗参数和WinSRFR4.1软件优化法求解的入渗参数,研究不同处理下入渗参数变异对畦灌水流运动的影响。结果表明:1)田间试验实测值和基于WinSRFR4.1软件优化模拟值间入渗系数和入渗指数相对误差最大值分别为1.24%和1.57%,表明采用2种方法确定不同耕作和种植方式下土壤参数均可行;2)耕作和种植方式的不同会对土壤入渗参数产生较大影响,前者影响更大。3)越冬期和拔节期灌水时入渗系数变异系数最高分别为0.34和0.22,入渗指数变异系数最高分别为0.14和0.13。2次灌水期间相同处理入渗参数也发生了时间变异性,处理深松+旋耕+等行距和深松+旋耕+三密一稀的入渗系数和入渗指数均发生中等变异性,处理旋耕+等行距和旋耕+三密一稀发生弱变异性。4)在土壤入渗参数的变异性影响下,2次灌水过程中,不同处理水流运动时间均发生了变异性。5)基于土壤入渗参数变异性,确定了2次灌水不同耕作及种植方式冬小麦畦灌条件下土壤入渗系数和入渗指数。研究结果可为畦灌系统设计和管理评价提供理论依据和技术支撑。     

砂层在黄土中发生指流条件的试验研究

根据层状结构土壤在积水入渗过程中存在发生指流的现象,该文针对黄土地区"垆盖砂"的土壤条件,在室内以西安黄土为主体,对6种不同粒径的砂质双层结构土壤进行积水入渗试验,以观测研究发生指流的现象、机理与条件.研究表明:决定砂质双层结构能否发生指流现象的重要因素,一是入渗水流进入砂层后的稳渗率;二是表征砂层物理特性的饱和导水率;并以二者的比值做为判断发生指流现象的一个重要量化指标.根据试验分析,可将该比值＜0.02作为砂层发生指流现象的临界值.该指标也表明,当进入砂层的稳渗率小于砂层饱和导水率1/50时,即可发生明显的指流现象.     

微灌石英砂过滤器反冲洗数值模拟验证与流场分析

微灌石英砂滤层的反冲洗,是实现滤料再生的有效途径,为了对反冲洗过程流场进行分析,并确定合理的反冲洗速度。该文建立了石英砂过滤器几何模型并进行了网格划分,采用Eulerian模型作为石英砂滤层反冲洗数值模拟模型,分别对石英砂当量粒径为1.06、1.2和1.5 mm的3种滤层的反冲洗过程进行了瞬态模拟,并将滤层整体压降和整体密度的模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,整体压降的最大模拟误差为7.03%,整体密度的最大模拟误差为1.93%,说明数值模拟准确可信。在此基础上,分析了石英砂滤层反冲洗过程压降的波动规律、压降均值和压降标准偏差随反冲洗速度的变化趋势;并分析了滤层密度的分布规律、密度均值和密度标准偏差随反冲洗速度的变化趋势。根据压降波动的稳定性,结合滤层密度分布的稳定性,确定了石英砂滤层反冲洗强度的合理范围,3种滤层分别为0.0149~0.0212、0.0146~0.0218和0.0191~0.0261 m/s。该研究为石英砂滤层反冲洗过程的机理研究提供了参考,为砂过滤器反冲洗性能参数的确定提供了依据。     

导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性的影响

为分析筒装料螺旋流管道水力输送的能耗问题,该研究以导流条安放角为主要控制变量,采用理论分析与模型试验相结合的方法,研究了不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性。结果表明：不同导流条安放角条件下,管道车间断面的轴向流速分布趋势基本相同,均呈现先由管壁向内扩散,再由管轴线向外扩散的分布特征,且管道车间各断面轴向流速值整体较大,最大值达到3 m/s。不同导流条安放角下车间断面的径向流速基本在−1～1 m/s之间波动,且径向流速值为0的区域相对较大;随着导流条安放角度的增加,管道车间断面的径向流速逐渐呈现120°旋转对称分布,且在0°、120°与240°极轴方向上径向流速值较小。相较于轴向和径向流速,周向流速受导流条安放角的影响最大,且周向流速强度随导流条安放角的增大而增大,最大值能达到1.5 m/s。同时随着导流条安放角的逐渐增大,沿圆周断面呈逆时针旋转的周向速度增加;同径向流速类似,随着导流条安放角的增加,管道车间断面的周向流速也逐渐呈现120°旋转对称分布,但在0°、120°与240°极轴方向上周向流速值反而较大。该研究不仅完善了管道螺旋流理论,而且可为筒装料管道水力输送技术的推广应用提供理论参考。     

微灌砂石过滤器滤帽水力性能试验及内部流场模拟

微灌用砂石过滤器中,集水滤帽是进行过滤过程集水和反冲洗过程散水的关键部件。为了获得滤帽内部流阻特性,改善砂石过滤器水损较大弊端,该研究对国内市场上常用的梯形集水滤帽进行了室内模型试验,测定了滤帽在不同过滤和反冲洗速度下的压降特性,并采用Fluent(15.0)软件对滤帽过滤和反冲洗过程中的流场分布特征进行了数值模拟,研究了滤帽内外的压降分布规律。结果表明：滤帽压降模拟结果和试验测试结果吻合性较好,相对误差3.54%～6.53%。随着滤速升高,滤帽产生的水头损失较滤层水损增长更为显著,反冲洗过程中的滤帽水损要大于过滤状态;通过对滤帽内部流场分析,滤帽水损主要产生于近滤缝区域和芯柱区域,均是由于过水流道突然缩小导致,在滤层滤速为0.030 m/s时,滤缝和芯柱进口处滤速分别为2.57和4.01 m/s。结合以上结果,设计了一种扁平球面滤帽结构,增加了滤缝面积,优化了芯柱结构,缩小了滤帽高宽比,通过数值模拟,表明扁平球面滤帽结构有助于改进过滤和反冲洗效果。研究结果可为滤帽选型和优化改进提供参考。     

基于颗粒模型的风积砂层降雨入渗深度计算及验证

为了研究沙漠干旱区降雨对砂层非饱和带水分的贡献,该文对风积砂层水分入渗过程中的水分存在形式和运移机理进行了理论和力学分析。通过以触点水为主要储水单元的立方布局颗粒模型推导出水分入渗过程中湿润深度的解析表达式,并进行验证。物理和力学分析表明,砂颗粒表面很难形成较厚的薄膜水,砂层非饱和带水分大部分以触点水的形式存在。模型计算结果表明,水分入渗的湿润深度与入渗水量和触点水湿润角有关。模型验证表明,水分入渗湿润深度的解析表达式在风积砂层入渗深度计算中具有一定的适用性,但触点水湿润角与砂颗粒粒径的函数关系还有待进一步研究当设定触点水湿润角为π/4时,比例常数为11.5。该研究可为干旱区农业规划提供依据。     

砂石覆盖粒径对土壤蒸发的影响

为研究不同粒径砂石覆盖对土壤蒸发过程的影响,进行模拟试验.试验以砂石粒径大小为因子,设3个粒径水平:0.5,2.5,4.5 cm,以裸土为对照.结果表明:地面砂石覆盖能够有效抑制土壤蒸发,在土壤含水率较高的阶段,抑制作用更加明显;砂石覆盖对蒸发的抑制作用与砂石粒径密切相关,在相同的覆盖厚度(5 cm)和同一含水率条件下,砂石覆盖的粒径越大,对蒸发的抑制能力越低;砂石覆盖能明显改变土壤蒸发过程,覆盖条件下的土壤蒸发与裸土相比不仅降低而且更加平稳;在41d的连续蒸发过程中,覆盖条件下的累计土壤蒸发量与时间呈近似线性关系,而裸土为对数关系.     

基于颗粒流理论的微灌砂滤层反冲洗过程砂粒速度场模拟

砂颗粒流在石英砂滤层反冲洗流场中的速度分布,对滤层流化状态的稳定性和反冲洗效果起决定性作用。为了对滤层反冲洗过程砂颗粒的速度场进行分析,并确定最佳反冲洗速度,该文以厚度为400 mm,粒径范围为1.0～1.18 mm的石英砂滤层为研究对象,基于颗粒流运动理论,采用Eulerian-Eulerian模型对滤层反冲洗过程砂粒的速度场进行3维动态模拟。为了验证模拟结果的准确性,作者开展了室内模型试验,并将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,滤层膨胀高度的最大模拟误差为9.8%,能够控制在10%以内,说明数值模拟结果是可信的。在此基础上,分析了反冲洗流化倍数为1.3、1.5、1.7和1.9时,滤层高度分别为15、25和35 cm 3个横截面上,在不同的反冲洗时间,砂粒的轴向速度沿横坐标的分布规律。根据砂粒在3个横截面上运动速度的大小和方向,判断砂滤层是否达到完全流化;根据砂粒在3个横截面上运动趋势是否一致,砂粒的上升区是否保持稳定,判断滤层流化状态是否稳定。结果显示,当反冲洗流化倍数不小于1.7时,滤层才能达到稳定的流化状态,从而达到比较理想的反冲洗效果,并得出滤层最佳反冲洗流化倍数为1.7。研究结论为砂过滤器的反冲洗研究提供了理论基础和技术支撑,为反冲洗性能参数的确定提供了参考。     

Simultaneous transport of surface salts and water through unsaturated soils during infiltration and redistribution

Abstract

Certain concepts regarding the simultaneous transport of surface ‐salts and water under transient unsaturated flow conditions vere verified for three soils using laboratory soil columns. Treatments included different water application rates (i.e., continuous ponding and controlled rates) and different initial soil water contents. Calcium chloride, spread on the soil surface to simulate a salt‐affected soil or broadcasting of a fertilizer (or other additive), was leached with chloride free water (0.01 N CaSO₄). Salt and water profiles were determined by destructive sampling at 2 cm depth intervals at two stages: (i) immediately following infiltration and (ii) after Batching infiltration plus redistribution time.

Immediately following infiltration as well as after matching infiltration and redistribution time, chloride was leached more efficiently and to relatively deeper depths with slower than with faster rates of water application only in sandy and sandy loam soils. The results, thus, show that slower rates of water application nay not increase leaching efficiency over faster rates in heavy‐textured and sodic soils with very poor permeability. Regardless of water application rate, initial soil water content, redistribution time and soil type, salt front (i.e., salt peak) did not coincide with the water front but lagged behind it by a few to several centimetres. That is to say that salt peak did not occur at a depth above which total soil water storage in the profile equalled cumulative infiltration. The higher the initial soil water content, the deeper and more complete was the displacement of chloride during infiltration for a given quantity of water applied at different rates. This trend was not modified during post‐irrigation period in sandy soil, but it was entirely reversed in sandy loam soil.     

Effect of subcritical hydrophobicity in a sandy soil on water infiltration and mobile water content

Recent research shows that most soils are more or less water repellent. Already subcritical water repellency may cause incomplete soil wetting and preferential flow. Both processes potentially reduce the residence time of water and solutes in the vadose zone, resulting in an enhanced risk of groundwater contamination. The objective of the present paper is, therefore, to evaluate the impact of reduced soil wettability on the soil water infiltration rate and to investigate the tendency towards preferential flow with the analysis of the immobile water content in the infiltration zone. In november 2002, a field experiment was done in a coniferous forest, 30 km N of Hannover, Germany. Soil hydrophobicity was quantified by measuring the contact angles. The hydraulic conductivity of the podsolic sandy soil was measured depth‐dependent with a double‐ring tension infiltrometer in three soil horizons. To quantify possible preferential‐flow effects, a LiBr‐Tracer was added to the infiltrating water to evaluate the mobile water‐content fraction after infiltration. Additionally, infiltration rates of water were compared with infiltration rates of ethanol which were determined after water infiltration at the same locations. Results show that the actual water repellency of field‐moist soil was mainly subcritical (contact angle <90°). Water infiltration rates were reduced due to subcritical repellency by a factor of 3–170 compared with ethanol infiltration rates (exclusion of wetting effects). This spatially variable infiltration behavior was not clearly reflected neither by the small‐scale contact‐angle measurements nor by the analysis of the average immobile soil water content in the infiltration zone. We conclude that this specific infiltration behavior of water caused by small‐scale wettability effects may temporarily reduce the local connectivity of water‐flow pathways.     

叶片包角对离心泵流动诱导振动噪声的影响

为研究叶片包角对离心泵流动诱导振动噪声的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片包角从115°分别改为110°、120°和125°。基于离心泵流动诱导振动噪声的试验测试系统,在离心泵闭式试验台上测量了不同叶片包角模型泵在不同流量下的振动和噪声信号并对其进行了处理和分析。试验结果表明:模型泵内部流动诱导的振动对泵体的影响最大,包角为125°时模型泵的振动强度相对较弱;随着叶片包角的增加,泵进口法兰测点a1和泵出口法兰测点a2处振动强度大致呈先增加后降低的趋势,泵体测点a3和泵脚测点a4处的振动强度无明显变化规律;在不同流量工况下,随着叶片包角的增加,模型泵噪声信号的轴频峰值呈先增加后减小的变化趋势,而叶频能量峰值变化较为复杂。该研究可为低振动低噪声离心泵的水力优化设计提供参考。     

柱塞式能量回收马达配流副锥度角的分析与试验

柱塞式能量回收马达是将液压马达与发电机一体化的新一代液压能量回收装置,缸体-配流轴组成的配流副是其关键摩擦副之一,配流副配合面锥度角的选择对马达的配流、承载和摩擦磨损特性有重要影响。该研究采用理论分析、数值模拟和试验测试的方法,探讨柱塞式能量回收马达配流副锥度角的最优值选择。首先根据配流副结构与尺寸,明确锥度角范围,然后以36°、39°、42°和45°共4个配流副锥度角为对象。分别从流场仿真、弱流固耦合和摩擦磨损试验3个方面,评价各锥度角配流副的柱塞腔油液压力与压力脉动、配流副部件应力与变形、配流副摩擦磨损等性能。结果发现配流副锥度角为42°和45°时,位于配流副上死点的柱塞腔内油液压力和压力波动较小,压力分别为4.66、4.62 MPa、压力波动幅度分别为3.307和3.246 MPa;在柱塞腔与高压油孔接通阶段,柱塞腔油液压力波动幅度分别为0.324、0.322 MPa;两种锥度角下的配流轴最大等效应力皆远小于其屈服强度;锥度角为42°缸体的最大等效应力占屈服强度比例较45°锥度角大0.74个百分点,最大变形量大0.251 μm;两种锥度角的配流副没有强度失效的风险,虽然有微量弹性变形,但对配流副的正常工作影响极小。相较于45°锥度角,42°锥度角摩擦副的平均摩擦系数小0.012,且波动小、稳定性好;上、下试件的磨损率分别小1.966×10-6和7.601×10-6 mm3/(N·mm)。所以42°锥度角有利于能量回收马达配流副的稳定工作及高效运转。研究结果可为柱塞式能量回收马达的设计提供参考。