祁连山区不同尺寸双环入渗仪对比试验

设计7组不同内外径的双环入渗仪,在位于祁连山区的黑河上游平坦草地开展多次野外土壤入渗试验,对比分析双环入渗仪内外环尺寸对土壤入渗率和饱和导水率的影响。结果表明,双环入渗仪内径相同时,外径越大则稳定入渗率和饱和导水率越小;外径相同时,内径越小则稳定入渗率和饱和导水率越小。初始入渗率与双环入渗仪尺寸关系不显著,但稳定入渗率和饱和导水率与入渗仪缓冲指数呈显著负相关。综合考虑安装简便,用水条件,试验可靠等多方面因素,推荐山区使用内径20cm,外径40cm的双环入渗仪。     

双环入渗仪的缓冲指标对测定土壤饱和导水率的影响

双环入渗仪在测定田间土壤饱和导水率时被广泛采用。本文采用不同直径的双环入渗仪(内环直径分别为20 cm、40 cm、80 cm和120 cm)和不同的内外环直径比,即不同的缓冲指标(0.2、0.33、0.5和0.71),进行了16组定水头积水入渗试验,研究了双环入渗仪缓冲指标对土壤饱和导水率测定的影响。结果表明:内环直径较小的入渗仪,其累积入渗过程曲线的分布较分散;随着入渗环直径逐渐增大,分散范围逐渐缩小。另外,随着缓冲指标的逐渐增大,测定的土壤饱和导水率并没有明显的增大或减小趋势,但内环直径20 cm的入渗仪测定的土壤饱和导水率的波动最大,而80 cm和120 cm内径的双环入渗仪测定的土壤饱和导水率最稳定,并且始终非常接近。因此,相对于双环入渗仪内环大小或土壤非均质性的影响,双环入渗仪的缓冲指标对于土壤饱和导水率测定的影响要小。     

双环直径对土壤入渗速率的影响

双环法是测定土壤入渗速率最为广泛最为经典的方法,但双环直径可能影响土壤入渗速率测定结果,因其为地表积水有压入渗,在坡地上测定时,因整平地表时会产生很大扰动,从而产生测定误差。研究设计5组不同直径的双环入渗试验,分析双环直径对土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、累计入渗量的影响。结果表明:当双环内环直径分别为15,20,25,30cm时,初始入渗速率分别是常规内环直径为35cm双环的88.3%,110.8%,119.9%,100.7%,稳定入渗率分别是54%,73%,85%,89%。对不同时刻入渗速率进行T值检验发现,用内环直径为20,25,30cm双环测定的入渗过程与常用内径为35cm的双环测定土壤入渗过程无显著差异。考虑地表扰动因素、试验需水量等多因素的影响,可用内环直径20cm、外环直径为35cm的双环替代目前常规内环直径为35cm,外环直径为50cm的双环,用于坡地土壤入渗速率测定,可以减少地表扰动,从而准确测定土壤入渗率,又能节约用水量。     

圆盘入渗仪法测定不同利用方式土壤渗透性试验研究

介绍了一种田间定量测定土壤渗透性的新方法——圆盘入渗仪法。应用该法和双环法对黄土丘陵区土壤不同利用方式(果园、农地、灌木、草地、林地)下的土壤渗透性进行了对比研究，并对比分析了该方法的优缺点。结果表明：在该试验条件下，不同利用方式下土壤的孔性及渗透性有明显差别。土壤有效孔径以灌木地最大，为农地的5.7倍，果园的3.5倍；其次为林地和草地，为农地的4倍多，果园的2.5倍多。果园的最初入渗率最大，是林地的3倍，草地的5倍。稳定入渗率大小顺序为：果园>农地>灌木>草地>林地。灌木地的导水率是农地的1.5倍，是林地的3倍多；草地和果园的土壤导水率是农地的1.2倍，是林地的2.8倍。两种方法测定的入渗率结果具有显著的线性相关性。说明圆盘入渗仪法适合于黄土丘陵区各种利用类型土壤的入渗测定。     

盘式入渗仪法测定喀斯特洼地土壤透水性研究

研究土壤水入渗有助于了解喀斯特地区表层岩溶带对降水资源的调蓄作用。该文利用盘式负压入渗仪(盘径d=20 cm,负压h0=-20 mm)研究了桂西北喀斯特洼地典型剖面各层次土壤透水性。结果表明:各层土壤透水性能差异较大,具有随土层深度增加而减小的趋势,但菜地50-80 cm层大于20-50 cm层;菜地剖面0-10 cm层土壤近似饱和导水率(1.85×10-3cm/s)是20-50 cm层的5.2倍,玉米地剖面0-16 cm层土壤近似饱和导水率(2.21×10-3cm/s)是55-70 cm层的3.1倍;土壤比重、初始含水率同土壤入渗性能关系密切,与近似饱和导水率的相关系数分别为-0.676*和-0.841**。     

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     

影响土壤入渗积水时间因素的试验

为了研究供水强度、土壤容重、初始含水率、土壤质地等因素对非充分供水入渗积水时间的影响,建立入渗积水时间与单一因素的数学关系,在室内进行了8种均质土壤的非充分供水入渗试验。结果表明：供水强度与入渗积水时间呈降幂函数关系,土壤容重、初始含水率、质地各因素与入渗积水时间呈对数函数关系。研究结果对于水土保持及水文学的径流研究有重要意义,对于指导喷灌系统的设计具有实际意义。     

大孔隙对土壤水分入渗特性影响的物理模拟试验

利用不同粒径砂石和大孔隙域模具模拟同一深度、不同有效面孔隙度,在特制试验装置中研究积水条件下大孔隙流的三维运移行为。结果表明：湿润峰平齐且稳定的转折时间和有效面孔隙度相关性较高;不同有效面孔隙度条件下累积入渗量符合Kostiakov模型但其参数是有效面孔隙度的函数;大孔隙的连通性在一定条件下对土壤水分的优先入渗起主导作用;大孔隙的存在导致大孔隙中心特征剖面湿润面积发生典型变化,给出了大孔隙中心特征剖面湿润面积增量的定量概念及其与有效面孔隙度之间的数学模型,并进行了验证,精度满足要求。     

影响冻融土壤水分入渗特性主要因素的试验研究

以冻融期间大田自然冻融土壤入渗试验为依据,分析讨论了影响冻融土壤水分入渗特性的主要因素。试验结果表明,冻融条件下,土壤水分入渗特性不仅受非冻结土壤基本理化特性（土壤结构、土壤质地、、土壤含水量等）的影响,还受冻融土壤的冻层厚度、冻层层位、冻层层数等特有因素的影响;在给定土壤质地条件下,土壤结构、土壤含水量、冻层厚度和冻层层位是其主导影响因素,冻层层数对土壤入渗能力也有一定影响。研究结果可为冻融土壤入渗特性的进一步研究奠定基础;可供季节性冻土区冬春灌溉参考。     

利用圆盘入渗仪测定不同土地利用类型土壤吸渗率

探讨利用圆盘入渗仪测定不同利用类型土壤吸渗率的适用性,该文选用盘径分别为10和20 cm的圆盘入渗仪对3种利用土壤(菜地、草地和茶园)在0、-3、-6、-9 cm 4个压力水头下的吸渗过程进行测定。研究以Vandervaere法为参考方法,对Philip法、Haverkamp三维吸渗法、Haverkamp三维吸渗改进法的适用性进行比较分析。结果表明:吸渗率的不同计算公式所适应的吸渗过程时间尺度不同,且Haverkamp三维吸渗法所得吸渗率值与参考方法最接近。盘径对吸渗率测定差异的影响不显著。除0 cm压力水头外,不同利用类型土壤吸渗率差异显著,且不同压力水头下测得3种土壤吸渗率大小排序不同。当压力水头为-9和-6 cm时,菜地吸渗率(0.0104和0.0119 cm/s0.5)显著高于茶园(0.0017和0.0025 cm/s0.5)(P0.05);当压力水头为-3 cm时,茶园吸渗率(0.0370 cm/s0.5)显著高于菜地和草地(0.0147和0.0132 cm/s0.5)(P0.05)。该研究可为南方丘陵区土壤水力参数的测定提供理论依据。     

东方红拖拉机自动转向控制器设计及试验

以东方红-X804拖拉机为试验平台,设计了基于双闭环控制方法的转向控制器,以提高农业机械导航的精度。首先阐述了系统整体结构及工作原理,使用角度传感器KMA199和角速率传感器ADIS16300分别测量转向角度、转向角速率,电控液压阀、换挡电磁阀和溢流阀作为执行单元实现自动转向。建立了数学模型,介绍了转向控制器的硬件电路实现,设计了CAN总线网络功能节点。结合拖拉机田间作业过程中系统非线性特性,提出了以角速度控制为内环、转向角度控制为外环的双闭环控制方法,给出了控制算法的推导过程,并使用Matlab工具箱进行系统辨识得到传递函数的参数。试验结果表明:ADIS16300角速度积分的角度值有较高准确度,平均误差为0.53°。方波信号的角度跟踪稳态时平均误差为0.40°,平均跟踪时间为1.3 s,角速率跟踪稳态时平均误差为1.25(°)/s,延时时间平均值为0.2 s;双闭环控制方法较好抑制了稳态时的震荡现象。     

土柱入渗性能自动检测装置研制与试验

为实现室内竖直土柱入渗性能的自动检测,研制了一种土柱入渗性能自动检测装置。该装置主要由传感器位置调节装置、土样盛放装置、供水装置、检测和控制模块、电源模块和上位机显示存储模块组成,采用压力应变式传感器检测入渗过程的累积入渗量,采用介电常数土壤水分传感器检测土壤含水率的变化,进而推断湿润锋的运移位置。基于这2种传感器,实现土柱入渗过程自动检测。采用水头为10 mm,容重为1.15、1.20和1.25 g/cm~3的红壤土进行室内土柱入渗试验,检验该装置的性能。结果表明:1)9个试验和18个检测位置,土壤水分传感器进出土柱成功率为100%,表明该装置运行可靠;2)与烘干法相比,土壤水分传感器检测得到土壤含水率的最大相对误差为-4.4%,检测结果比较准确;3)与人工观测湿润锋位置相比,土壤水分传感器推算出的湿润锋位置最大相对误差为-12.9%,说明土壤水分传感器检测湿润锋的运移效果比较明显;4)压力应变式传感器检测累积入渗量与人工实测得到的数据对比,最大相对误差为2.27%。该装置可作为土柱入渗自动检测试验平台。     

容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验

通过人工改变土壤颗粒级配,配制典型砂壤、中壤、黏壤,并设置不同容重水平,用土柱积水入渗模拟了土壤容重对其入渗能力的影响,为土壤改良和促进天然降水转化利用提供理论依据。结果表明,容重对土壤入渗能力有较大影响。试验土壤入渗能力随容重增大递减,3种典型土壤稳定入渗速率与容重均呈对数负相关,砂壤120 min累积入渗量与容重呈幂函数负相关,中壤、黏壤则呈线性负相关。考斯加科夫入渗模型中,表征初始入渗速率的参数随容重增大递减,表征入渗能力衰减速度的参数则随容重增大递增,说明土壤初始入渗能力随容重增大递减,入渗能力衰减速度随容重增大递增。     

稻田水分监测无线传感器网络优化设计与试验

传感器网络技术为大范围稻田水分信息采集提供了一种新技术手段。利用测量稻田水分含量和水层深度测量的无线传感器WFDMS,探讨了构建稻田水分传感器网络PMSN的关键技术：设计了大面积、大范围应用体系结构模型;提出了一种满足稻田水分采样频率和数据业务需求的低功耗传输控制协议LPTP-PMSN;开发了水分信息监测信息管理系统,实现了完整运行的稻田水分传感器网络整套系统。试验表明,PMSN网络在稻田中的可靠通信距离达60 m,在 3.6 V/2 100 mAh电池供电下,4 h周期采样试验中,在传输协议LPTP-PMSN控制下,传感器、簇首、基站、短信网关、计算机间能够协同工作,整个稻田水分传感器网络可以较可靠运行,节点生命期超过190 d。该研究可为农用信息监控无线传输网络的其他应用提供参考。     

农作物冠层结构参数自动测量系统设计与试验

农作物冠层的结构参数,如叶面积指数与平均叶倾角,是影响太阳辐射在农田内进行重新分配的重要参数。在农业工程中,以玉米与小麦为例,这些参数的测量以传统的手持仪器为主,需要消耗较大的人力和时间,难以被应用于大区域尺度、长时间序列结构参数获取。该文设计并实现了一种基于无线传感器网络技术的农作物结构参数自动测量系统。系统由冠层上、下部光强测量节点、数据汇聚节点以及数据无线传输的路由节点组成,通过测量不同太阳高度角下冠层透过率来求解冠层的结构参数。数值模拟结果与野外实测结果表明,该文所用的结构参数反演算法稳定,测量系统可以较好的探测一天之中不同太阳高度角下的植被冠层太阳辐射透过率,基于方向透过率计算得到的叶面积指数与LAI2000仪器测量结果有较好的相关性,平均叶倾角和理论分布模式计算结果基本一致。该系统可以应用于对大区域尺度上的农作物长时间序列连续观测,提高农作物结构参数测量的自动化程度。     

单环压力渗透仪两个积水深度程序的数值模拟及试验验证

The two-ponding depth （TPD） analysis procedure of single-ring infiltrometer data can yield invalid results, i.e., negative values of the field-saturated soil hydraulic conductivity or the matric flux potential, denoting failure of the two-level run. The objective of this study was to test the performance of the TPD procedure in analyzing the single-ring infiltrometer data of different types of soils. A field investigation carried out in western Sici]y, Italy, yielded higher failure rates （40%） in two clay loam soils than in a sandy loam soil （25%）. A similar result, i.e., fine-textured soils yielding higher failure rates than the coarse-textured one, was obtained using numerically simulated infiltration rates. Soil heterogeneity and reading errors were suggested to be factors determining invalid results in the field. With the numerical data, allowing a less generic definition of soil heterogeneity, invalid TPD results were occasionally obtained with the simultaneous occurrence of a high random variation （standard deviation ≥ 0.5） and a well developed structural correlation for saturated hydraulic conductivity （correlation length 〉 20 cm）. It was concluded that a larger number of replicated runs should be planned to characterize fine-textured soils, where the risk to obtain invalid results is relatively high. Large rings should be used since they appeared more appropriate than the small ones to capture and average soil heterogeneity. Numerical simulation appeared suitable for developing improved strategies of soil characterization for an area of interest, which should also take into account macropore effects.     

线源入渗仪布水器水力特性的理论分析与试验

布水器是土壤入渗线源测量方法的重要组成部分。该研究提出了一种线源布水器的新型材料与结构。布水器采用特殊的海绵材料制作。从理论上对理想布水器的材料要求进行了深入地分析。在此基础上,选用合适的海绵材料进行试验以确定布水带材料。采用离心机测量了所选用的海绵材料-103~-105 Pa范围内的水分特征曲线。这种材料中的含水量与水吸力之间具有很好的幂指数关系,相关性系数R2=0.948,在低水势时,含水量维持在很低的水平,当水势增加时含水量几乎维持不变。当水势超过一定值后,含水量随着水势的增加急剧增加。用水势连续的概念,分析了水在布水器和土壤界面运动的特征,说明试验中所选用的海绵在水力特征上是理想的布水器材料。给出了布水器的结构。用制作的布水器进行室内试验,地表湿润面积推进过程具有非常好的线性,验证了对布水带水力特性的分析以及试验得到的材料水动力学数据,说明了线源布水器的可行性。该研究将有助于土壤入渗线源测量方法的实际应用,也为相关的研究提供借鉴。     

前期土壤含水量对坡面产流产沙特性影响的模拟试验(简报)

为了研究黄土区降雨前期土壤含水量对不同土壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响,采用室内降雨模拟试验方法,探讨了前期土壤含水量从风干土状态至近饱和条件下塿土和砂黄土坡面降雨入渗、产流产沙的特征。研究结果表明：在雨强（80 mm/h）和坡度(10°)较大情况下,前期土壤含水量对塿土坡面产流时刻、入渗和产流过程影响不明显;砂黄土坡面产流时刻受前期土壤含水量影响显著,随着前期土壤含水量的增大先延长后缩短,其极差值达到28.91 min;前期土壤含水量在风干土～10%和15%～25%两段范围内,砂黄土坡面入渗产流规律差异十分显著。基于土壤水分累积入渗过程特征,塿土前期含水量可分成“三区”,砂黄土则可分成“两区”;利用前期土壤含水量与坡面土壤流失量的二次多项式关系,分别确定出塿土和砂黄土坡面土壤流失量最少的前期含水量值为11.25%和12.74%,为黄土区坡地水土管理提供理论依据。     

番茄种植地土壤水分传感器最佳埋设深度试验

土壤水分传感器测定土壤含水率从而指导灌溉,对于提高作物水分利用效率和产量都具有十分重要的意义。对番茄种植中产量与水分利用效率最佳的水分条件以及土壤水分传感器的最佳埋设位置进行了试验研究。结果表明,在开花坐果期土壤含水率下限控制在60%的田间持水率,结果盛期土壤含水率下限控制在75%的田间持水率是番茄生长的最优水分条件;同时,10-20cm土层土壤含水率能很好地代表计划湿润层内的平均土壤含水率(开花坐果期和盛果期R²分别达到0.95和0.85以上),把土壤水分传感器埋设于此土层深度比较合理。     

模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用

根据水稻需水规律实施适时适量的自动灌溉是节水节能、提高水稻产量和质量的重要方式,但水稻生长过程需要水层,使得水稻的自动灌溉实施非常困难。针对这一问题,该文通过水分传感器、测针分别获取田间含水率和水层深度作为水稻自动灌溉指标;并以田间含水率（或水层深度）及其变化率作为输入,灌溉时间为输出,建立模糊控制系统;驱动农用抽水泵,实现自动灌溉。仿真结果和初步试验表明系统自动控制过程稳定,与人工控制相比,在水稻分蘖期可节约水资源约10%,为水稻的适时适量自动灌溉提供了思路。