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。     

涌泉根灌土壤湿润体运移模型

为了探明涌泉根灌土壤入渗湿润体运移的变化规律,以黏壤土为例,在室内选取不同土壤容重、初始含水率、灌水器套筒透水部长度和埋深等4个因素进行试验,研究这些因素对涌泉根灌土壤入渗湿润锋随时间运移关系的影响．结果表明：土壤入渗湿润锋运移速率随土壤容重的增大而减小,随土壤初始含水率的增大而增大,随套筒透水部管长的增长而增大,但不同埋深对灌水器湿润锋的推进速度无显著影响,涌泉根灌土壤入渗湿润体随时间的运移符合幂指数关系,幂指数在水平和垂直向分别为032和02．以此为基础分别建立了湿润锋在水平和垂直向运移距离的预测模型,并建立了包括土壤容重、初始含水率和灌水器套筒透水部长度的综合预测模型．用建立的综合模型对涌泉根灌土壤入渗湿润锋运移距离进行预测,并对预测值与试验值进行了比较后得出,综合模型的预测精度较高．     

基于圆筒入渗仪的田间膜孔灌土壤入渗参数研究

了解膜孔灌形成的土壤湿润体尺寸对于设计经济高效的灌溉系统至关重要。采用HYDRUS-2D/3D数值模拟方法,研究土壤容重和膜孔直径对12种质地土壤入渗特性的影响。基于180组数值模拟结果,对湿润体运移模型的参数进行了优化。采用田间圆筒入渗仪试验和室内土箱试验(文献资料)对模型的可靠性进行评价。结果表明：湿润半径和湿润深度均随膜孔直径和灌溉时间的增大而增大,而随土壤容重的增大而减小;两者与稳渗率和灌溉时间呈幂函数关系,建立一种适用于不同土壤质地类型的湿润体运移模型;对于特定土壤质地,稳渗率与土壤容重和膜孔直径之间具有良好的幂函数关系,幂函数指数分别为-6.3和1.1,幂函数系数只需1组圆筒入渗仪田间试验即可推求。所建模型计算值与12组试验实测值一致性较好,均方根误差接近于0(介于0.020～0.170 cm之间),纳什效率系数趋近于1(介于0.995～0.999之间),实现了膜孔灌湿润体尺寸模型在田间的实际应用,试验设计简单,方便管理人员进行快速的现场评估。     

不同配套产品对涌泉根灌土壤湿润体特性影响

为了研究不同配套产品对涌泉根灌土壤入渗湿润体特性的影响,以黏壤土为例,采用PVC和PP棉2种材料,分别制作长度为10,15,20,25和30 cm的5个涌泉根灌配套套筒进行试验,分析涌泉根灌不同配套产品土壤入渗湿润锋随时间的运移关系.结果表明:2种材料的土壤表面水平湿润半径与时间的自然对数呈线性关系,表层土壤开始出现湿润的时间与套筒长度无关;2种材料的土壤最大水平湿润半径和湿润深度随套筒长度的增大而增大,并与时间呈幂函数关系,其中,PVC材料的水平和垂直向的幂指数分别为0.38和0.17;PP棉材料的水平向幂指数为0.40,垂直向幂指数随管长的增大而减小,并与管长呈线性关系.研究还建立了由表面水平湿润半径反演最大水平湿润半径和湿润深度的预测模型.经验证,模型预测精度较高.研究结果可为涌泉根灌不同配套产品的系统设计、田间布设间距和宽度等参数的确定提供参考.     

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。     

地下水浅埋下层状土壤波涌畦灌间歇入渗模型研究

为进一步揭示地下水浅埋下的层状土波涌畦灌间歇入渗机制,通过试验资料分析与理论研究,建立了波涌灌间歇入渗条件下的层状土Brook-Corey和Green-Ampt（BC-GA）改进入渗模型,推导出层状土间歇入渗湿润锋面水吸力与湿润锋运移深度的函数关系,确定了含砂层内部土壤饱和导水率、进气吸力是层状土间歇入渗运移距离变化的主要影响参数。周期数增大,上层土壤饱和导水率减小,饱和含水率减小,进气吸力增大,夹砂层内部仅进气吸力随周期数增加而增大。根据BC-GA模型计算不同埋深的含砂层土壤间歇入渗特性及湿润锋运移特性,对比分析指出,周期数增加,相同含砂层埋深下的累积入渗量减小,湿润锋运移距离增大;含砂层埋深增加,相同供水周期的累积入渗量增大,湿润锋增大;供水周期达到最大时,含砂层埋深对累积入渗量和湿润锋运移距离影响减小。     

垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律及其模型适用性研究

为了提高垂直线源灌的水分利用效率,探明垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,通过模拟试验,研究了垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,比较了三种常规入渗模型的适用性。结果表明,随着线源直径的增加,入渗率和累积入渗量均增大;三种模型均能模拟不同线源直径下的入渗规律,其中Kostiakov入渗公式和Philip入渗模型较精确,Horton(变形)入渗公式更适合于入渗中期和后期的模拟;得出不同线源直径3种入渗模型的经验公式。该研究结果可为垂直线源灌技术推广应用提供理论依据。     

注射灌土壤水分运移分布特性试验研究

通过室内注射灌水分入渗试验,研究了注射灌土壤水分运移分布特性。研究表明:注射灌的累积入渗量随时间延长而增大,与时间呈幂函数关系;注射灌土壤湿润锋为圆心在出水口下方的半圆形,湿润锋运移速度随时间延长变缓,过两出水口中心连线中点竖直切面的运移速度在初期小于过两出水口中心的竖直切面,随着时间延长运移速度相接近;在出水口下方,土壤水分向下运移范围较大,土壤含水量较大,变化较小,而在出水口上方,土壤水分向下运移范围较小,土壤含水量较小,变化较大。以上研究可以为进一步补充注射灌理论技术提供基础。     

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。     

间接地下滴灌条件下 红黏土水分入渗特性试验研究

植物护坡效果与根系在土壤中的空间造型和分布(即根系构型)密切相关,研究不同土壤初始含水率和滴头流量对红黏土内水分运移的影响规律,对合理匹配土壤湿润体与植物根系分布情况,准确调控植物根系构型,提高植物边坡固土能力具有重要意义。采用室内试验的方法,在间接地下滴灌的条件下,观测土壤初始含水率和滴头流量对土壤湿润体特征值、湿润锋运移速度和含水率分布情况的影响。试验研究发现湿润锋运移的形状近似椭圆形,而湿润体的形状则近似为椭球体。随着土壤初始含水率的增加,湿润体水平方向对称轴不断下移,水分趋于垂直向下运移,随时间呈对数函数变化。在相同的滴灌量条件下,流量较小的湿润体的范围稍大于流量较大的湿润体范围,但湿润锋的半径均随时间呈幂函数变化。滴灌初期,同一时刻湿润锋运移速度随滴头流量的增大而增大,但随滴灌时间的延长,这一现象逐渐减弱。滴头流量大时,水分向水平方向运移的趋势明显,而滴头流量小时,水分向垂直方向运移的趋势更优。不同滴头流量和土壤初始含水率会形成不同形状和大小的湿润体,也会导致湿润体含水量分布不同。在调控所需的植物根系构型时,可通过控制滴头流量和土壤初始含水率来控制植物根系分布情况,提高植物根系固土的能力。     

地表滴灌条件下土壤湿润体运移量化表征

基于非饱和土壤水分运动的Richards方程,采用HYDRUS-2D/3D模拟软件对11种典型土质(美国制土壤质地分类系统)中滴灌湿润体的运动过程进行了数值模拟。结果表明,湿润体平均含水率的增量与滴灌流量正相关,与饱和导水率负相关;湿润体垂向迁移距离与滴头流量、饱和导水率和时间呈幂函数关系;湿润体径向迁移距离可用滴头流量、平均含水率的增量、垂向迁移距离和时间来定量表征。据此建立了描述不同土质中湿润体动态变化规律的经验公式,通过与数值模拟结果、文献试验数据等进行对比,表明此经验公式对不同土质中湿润体运移规律的预测效果较好,可为农业生产中地表滴灌设计提供简便实用的计算工具。     

原状土滴灌条件下水分再分布过程研究

在米脂山地微灌枣树示范基地进行原状土的滴灌入渗试验,研究了不同流量、不同灌水历时条件下,水分再分布过程湿润体特征值的变化规律及水分分布规律。试验结果表明,灌溉结束48 h后土壤水分运动达到暂时的平衡,此后土壤含水率变化很小,湿润峰几乎不再扩展;再分布后湿润体体积与灌水量间也存在良好的线性关系;土壤含水率的最大值不在地表而在地表以下10 cm左右深度处;建立了预测湿润体特征值和湿润体体积的经验模型。     

水温对滴灌土壤水分入渗特性的影响

为了解水温对滴灌土壤水分入渗特性的影响,通过室内滴灌入渗模拟试验,研究了滴灌条件下西安粉壤土在不同水温(4,20,30,40 ℃)时的水分入渗特性．结果表明:水平和垂直湿润锋运移距离均随着入渗时间的延长而增大,相同入渗历时,入渗水温越高,滴头流量越大,入渗的水量越多,湿润锋运移距离越大;分别建立了滴灌条件下不同温度水分入渗时水平和垂直湿润锋运移距离与入渗时间和水温的关系模型,其相关系数均大于097．湿润体的平均含水量与入渗水温和时间密切相关,入渗水温越高,土体平均含水量越小;含水率等值线随着到滴头距离由近到远而从疏到密分布,离滴头越近,土壤含水率越高;随着入渗水温的不断升高,入渗到同一深度所需时间逐渐减小,对土层温度的影响越大,在入渗400 min内以土面至土面以下15 cm深度范围内的土温变化更为突出．结论可为更合理发展滴灌技术提供参考依据．     

Soil-dependent wetting from trickle emitters: implications for system design and management

For trickle irrigation systems to deliver improved water- and nutrient-use efficiency, distance between emitters and emitter flow rates must be matched to the soil's wetting characteristics and the amount and timing of water to be supplied to the crop. Broad soil texture ranges (e.g. sand, loam, clay) are usually the only information related to soil wetting used in trickle system designs. In this study, dimensions of wetted soil were calculated from hydraulic properties of 29 soils covering a wide range of textures and soil hydraulic properties to assess the impact of soil texture and/or type on soil wetting patterns. The soils came from two groups that differed in the extent to which hydraulic properties depended on soil texture. Vertical and radial distances to the wetting front from both surface and buried emitters were calculated for conditions commonly associated with daily irrigation applications in a widely spaced row crop (sugarcane) and horticultural crops. In the first group of soils, which had least expression of field structure, the wetted volume became more spherical (i.e. the wetted radius increased relative to the depth of wetting below the emitter) with increasing clay content, as is commonly accepted. However, in the second group of soils in which field structure was preserved, there was no such relationship between wetted dimensions and texture. For example, five soils with the same texture had as great a variation in wetting pattern, as did all 11 soils in the first group, indicating the considerable impact of field structure on wetting patterns. The implications of the results for system design and management were illustrated by comparing current recommendations for trickle irrigation systems in coastal northeastern Australia with the calculated wetted dimensions. The results suggest that (1) emitter spacings recommended for sugarcane are generally too large to allow complete wetting between emitters, and (2) the depth of wetting may be greater than the active root zone for both sugarcane and small crops in many soils, resulting in losses of water and chemicals below the root zone. We conclude that texture is an unreliable predictor of wetting and there is no basis for adopting different dripper spacing in soils of different textures in the absence of site-specific information on soil wetting. Such information is crucial for the design of efficient trickle irrigation systems.Communicated by J. Annandale     

土壤水力参数对点源入渗湿润体形状的影响

为探究点源积水入渗的运移机理,以达西定律和质量守恒原理为基础,利用HYDRUS软件对点源积水入渗过程进行数值模拟分析与验证,分析点源积水入渗条件下土壤水平湿润锋与垂直湿润锋的比值(湿润锋比)和土壤水力参数(进气吸力、形状系数以及饱和导水率)之间的关系,并基于土壤饱和扩散率建立水平湿润锋运移模型。结果表明:细质土壤(进气吸力大于11 cm)的湿润体形状近似为以积水中心为椭圆心、以垂直湿润锋和水平湿润锋为长半轴和短半轴的椭圆体,而粗质土壤(进气吸力小于8.7 cm)湿润体的椭圆心位于积水中心下方,从而导致短半轴大于水平湿润锋、长半轴小于垂直湿润锋;细质土壤的湿润锋比随时间变化较小,可近似为常数,土壤湿润锋比与形状系数和饱和导水率之间无显著的函数关系,但与进气吸力呈线性递增关系,决定系数R^2为0.999;湿润锋运移过程可以采用入渗时间的幂函数进行拟合,且幂函数系数和指数可以分别用土壤饱和扩散率的一次多项式和二次多项式进行估计,经验证得到的模型在误差允许范围内具有较好的效果。本研究可为分析点源积水水盐运移等问题提供机理性依据,也为我国北方干旱半干旱地区合理规划设计滴灌系统、提高农业灌溉用水效率提供科学依据。     

大田滴灌条件下土壤水分运移规律的试验研究

研究了大田滴灌条件下,不同灌水量、不同滴头流量以及不同的土壤剖面容重条件下水分在土壤中的迁移规律。结果表明:在大田滴灌条件下,地表沿滴头土壤湿润锋基本呈圆形分布,在一定灌水量和滴灌流量条件下,土壤垂直湿润锋明显地大于水平湿润锋,且随着灌水量的增加呈线性关系;在同一灌水量下,随着滴头流量的增大,湿润体水平扩散半径(r)和竖直入渗深度(h)也相应变大;在不同灌水量下,湿润体水平和竖直湿润速度随着时间的增大都逐渐变小;随着剖面土壤容重的增加,水平湿润锋的迁移加快,水平湿润锋随时间的变化呈显著的幂函数关系;随着灌水量的增加,不同剖面容重下的土壤水平湿润锋速率的增加逐渐变小,而垂直湿润锋则呈变大的趋势。     

涌泉根灌在黄土坡地的水分运移规律试验

为了了解涌泉根灌这项微灌技术灌水后的水分运移情况,在野外黄土坡地利用剖面法对涌泉根灌在不同孔径、孔深条件下土壤水分运移规律进行了研究.结果表明,在不同孔径、孔深处理下,湿润体水平扩散半径、向上入渗距离和向下入渗深度有不同的影响,且均与时间有显著的幂函数关系;涌泉根灌停止后24 h内的土壤湿润体水平及竖直方向扩散相对变化超过了47%,湿润体平均含水量相对降低了30%;24 h后的扩散较小,平均含水量下降较小.涌泉根灌停止后24 h时的湿润体特征值可作为涌泉根灌系统设计的依据;推荐涌泉根灌适宜的孔洞深度为30~40 cm,孔径为φ6 cm.研究结果可为涌泉根灌技术的实际应用提供理论参考.