膜孔灌多向交汇入渗减渗特性和数学模型研究

利用自行研制的试验装置进行了膜孔入渗模拟试验。根据试验资料，分析了膜孔多向交汇入渗规律，研究了膜孔交汇入渗相对于膜孔自由入渗的减渗特性，建立了膜孔多向交汇入渗的三阶段入渗模型和减渗量模型，分析了膜孔交汇入渗参数随入渗阶段的变化规律，提出了膜孔交汇入渗减渗率的概念，并推导得到了膜孔多向交汇入渗减渗率的计算公式。在此基础上，建立了膜孔多向交汇入渗减渗率与入渗时间的幂函数关系，并根据试验实测资料进行了验证。     

红壤多点源滴灌不同间距条件下湿润锋推移特性研究

为了研究红壤多点源滴灌不同间距条件下湿润锋的推移特性,在江西省赣州市寻乌县澄江镇赣南脐橙种植示范基地进行双点源滴灌入渗试验,双点源滴灌滴头间距分别为20 cm、40 cm和60 cm,对湿润锋运移情况、交汇时间、交汇面积进行研究试验。数据表明:水平湿润锋最大运移距离和垂向湿润锋最大运移距离与灌水历时之间有着紧密的多项式关系。还发现双点源滴灌入渗条件下交汇作用、滴头流量、滴头间距对湿润锋运移特性均有一定的影响。滴头间距对水平和垂向湿润锋扩散速率影响不大,但双点源滴灌交汇入渗条件下的水平湿润锋交汇面积与水平湿润锋总面积的百分比随着滴头间距的增大先增长再减小。并且增大滴头流量、灌水历时及保持双点源滴头间距为20～40 cm均能有效改善土壤湿润体的均匀性和有利于湿润锋运移。     

沟灌交汇入渗模型建立与验证

以往对于沟灌入渗研究多是基于自由入渗,而对沟灌交汇入渗的研究较少,沟灌交汇入渗试验因受较多因素影响,相对复杂。为了更加方便地研究沟灌交汇入渗规律,以土壤水动力学原理为基础,研究了沟灌交汇入渗下土壤水分运动规律,建立了沟灌交汇入渗的二维入渗模型。并通过试验对模型进行了检验,以中壤土为例,试验验证了累积入渗量和湿润锋运移位置的合理性,模型计算与试验结果吻合较好,表明所建立的模型是可靠的。这为进一步研究沟灌交汇入渗规律打下了基础。     

非充分供水条件下滴灌人渗特征研究

为了推求点源入渗条件下垂直湿润锋的运移规律,根据非饱和土壤水分运动的达西定律及其相应的假定,研究了点源入渗情况下,垂直湿润锋运移距离与入渗率和累计入渗量的关系,以及湿润锋随入渗时间的变化规律.结果表明:入渗率与湿润锋倒数问存在明显的线性关系;累计入渗量与湿润锋呈线性关系;湿润锋与时间存在明显的多项式关系.     

非充分供水条件下滴灌入渗特征研究

为了推求点源入渗条件下垂直湿润锋的运移规律,根据非饱和土壤水分运动的达西定律及其相应的假定,研究了点源入渗情况下,垂直湿润锋运移距离与入渗率和累计入渗量的关系,以及湿润锋随入渗时间的变化规律。结果表明:入渗率与湿润锋倒数间存在明显的线性关系;累计入渗量与湿润锋呈线性关系;湿润锋与时间存在明显的多项式关系。     

双点源滴灌交汇区水盐运移规律试验研究

通过模拟大田滴灌的双点源试验,探求了沙壤土土质下,不同滴头流量、滴头间距对水平湿润锋和交汇锋以及电导率的影响。结果表明：随着入渗时间的增加,交汇锋和水平湿润锋运移距离都在增加;当其他条件一定时,流量越大或者间距越小,湿润锋和交汇锋运移的速率越大,土壤湿润体越均匀;相同间距情况下在0-20 cm深度内大流量的交汇区电导率小,在20-40 cm深度内小流量的电导率大;在相同流量情况下0-10 cm深度内滴头间距大的交汇区电导率大,在10-40 cm深度内滴头间距小的电导率大。     

肥液浓度对涌泉根灌条件下湿润体的影响

通过大田灌水试验,分析了不同肥液浓度条件下涌泉根灌湿润体的特点。结果表明:自由入渗湿润锋运移距离随入渗时间和肥液浓度的变化符合幂函数关系,湿润体体积随肥液浓度的增大而增大,入渗前期土壤入渗率较大,入渗后期湿润体基本达到稳定状态,不同肥液浓度的湿润体体积差异减小。     

单点膜孔入渗特性的试验研究

膜孔入渗是指在覆膜灌溉中，水通过膜孔渗入土壤的过程。作者对陕北榆林壤土进行了5种膜孔直径的单点膜孔入渗室内试验，观测并分析了累计入渗量、湿润深度及表面湿润半径随入渗历时的变化规律。结果表明：①单点膜孔的累积入渗量变化过程符合Kostiakov模型；②相对入渗参数(单点膜孔入渗参数与垂直一维入渗参数之比值)与膜孔直径具有显著的相关关系；③单点膜孔的湿润深度小于垂直一维入渗的湿润深度，并且相对湿润深度(单点膜孔的湿润深度与垂直一维入渗的湿润深度之比值)与膜孔直径具有显著的相关关系；④单点膜孔入渗的表面湿润半径与入渗历时符合幂函数关系，并与膜孔直径存在着显著的相关关系；⑤在相同入渗历时的情况下，与垂直一维入渗相比，膜孔入渗的湿润土体平均含水率较小。     

非饱和土中黏粒含量对水分迁移规律的影响研究

为了研究土体在非饱和状态下土壤水分的运移规律,通过室内试验,利用马氏瓶供水,研究土壤水分在不同黏粒含量的非饱和土中入渗特征。该试验对水分入渗特征研究包括两方面:一方面是研究不同黏粒含量土壤结构条件下水分随入渗时间的变化,另一方面是同一时间段内黏粒含量与表征水分入渗的相关参数的关系。结果表明:(1)Philip土壤水分垂直入渗公式在半无限均质土壤及初始含水率分布不均匀、无薄层积水条件下仍适用;(2)试验揭示了水分受黏粒含量的影响在灌溉模型中的累积入渗量、吸渗率与稳定入渗率、湿润锋及湿润锋速和在同一截面处随时间的变化规律及在土壤各截面处的发展趋势。     

基于水势差驱动出流机制的微润灌水分运动模型构建及模拟

为研究微润灌土壤水分入渗特征和不同影响因素对其影响规律,基于微润管出流机理,采用HYDRUS-2D软件构建了微润灌土壤水分运动模型。利用室内试验实测数据验证了模型的准确性,参数敏感性分析表明模型模拟结果对微润管的形状和水力特征参数敏感度较低。不同情境模型模拟结果表明:微润灌下水分主要集中在管附近;土壤质地越黏重,微润灌湿润范围和湿润锋运移速率越小,湿润体水分分布等值线图越接近于同心圆;工作压力水头越高,湿润范围和湿润锋运移速率越大,且管附近土壤饱和度越高,但200 cm工作压力水头下土壤不易达到饱和;微润管埋深显著影响湿润体的位置和湿润锋到达上下边界的时间,但在湿润锋到达边界之前,其对微润管出流量和湿润锋运移速率影响不大。本研究可为微润灌系统设计管理优化和该技术的进一步推广应用提供参考。     

膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究

通过大量膜孔单向交汇入渗试验资料,分析了膜孔单向交汇入渗湿润体特性的主要影响因素,研究了膜孔直径、间距、土壤容重、土壤质地和土壤初始含水率对膜孔单向交汇入渗的影响,结果表明各因素对膜孔单向交汇入渗湿润体特性均有明显的影响。这些研究成果为进一步研究膜孔单向交汇入渗规律和膜孔灌技术奠定了基础。     

不同微润管埋深土壤水分入渗特性及对小白菜根系生长的影响

为探明微润灌条件下微润管不同埋深对土壤水分入渗及作物根系生长的影响,分别开展了室内土箱入渗试验和室外大棚小白菜种植试验,设置了3个不同埋深处理:T1(埋深10 cm)、T2(埋深15 cm)、T3(埋深20 cm),室内入渗试验考察不同微润管埋深对土壤水分累计入渗量、土壤湿润锋运移的影响,室外试验考察不同微润管埋深对小白菜主根长、主根直径、根体积、大于2 mm的一级侧根数等根系指标的影响。室内试验结果表明:3个处理单位长度微润管的累计入渗量都随着时间延长呈线性增加趋势,T2入渗速率最大,T3最小,T1、T2分别比T3大43.48%、67.55%;各埋深处理水平方向上的湿润锋向右运移规律和向左相同,T1、T2扩散速率要远大于T3,且T1T2;在湿润锋向上运移到达地表之前,各埋深处理湿润锋垂直向上和向下运移规律基本相同,重力作用影响不明显,扩散速率均为T1T2T3;湿润锋形状变化过程方面,T1由上下方向长度较大的椭圆逐渐过渡到水平方向长度较大的椭圆,T2为上下方向长度大于水平方向长度的椭圆,T3先为水平方向长度大于上下方向长度的椭圆,然后逐渐过渡到上下方向长度大于水平方向长度的椭圆。室外大棚试验结果表明:除主根长指标外,其余根系指标微润管各埋深处理均好于地面漫灌,且微润管埋深15cm时对小白菜根系发育最有利。研究成果可以为相关生产实践提供支持。     

覆膜方式对沟灌水分入渗影响

通过室内沟灌不同覆膜方式水分入渗试验,分析了相同水平湿润距离下覆膜方式对水分运移分布影响,结果表明：(1)相同入渗时间下不同覆膜方式的累积入渗量大小顺序为不覆膜、沟坡覆膜、沟底覆膜、沟底覆膜+1/2上部沟坡覆膜;(2)入渗初期,相同水平湿润距离下,垂直湿润锋运移距离大小顺序与累积入渗量大小顺序相同;(3)入渗结束时,不同覆膜方式的土壤含水量等值线近似半圆形,不覆膜和沟坡覆膜的土壤含水量等值线分布明显比其他覆膜方式密集,土壤含水量则明显变小。总之,本研究可以为确定合理沟灌方式提供理论依据。     

重塑非饱和黄土浸水入渗规律的模型试验研究

为了研究非饱和黄土的浸水入渗规律,开展了重塑黄土的浸水入渗模型试验,分析了浸水过程中不同位置的体积含水率变化及湿润锋面发展过程,研究了入渗水分在水平和径向的发展变化规律,并通过考虑空气压力的Green-Ampt模型计算得到不同时间的入渗深度,与实测值进行对比分析。研究表明:不同测点的体积含水率变化趋势基本一致,都会经历稳定-快速增长-到达峰值-快速减小-再次增长-维持稳定6个阶段;浸水入渗过程受入渗深度、渗流路径、沿程黏滞阻力和空气压力的共同影响,入渗深度越深、距离中心轴位置越远、湿润锋发展越滞后,入渗速率越小。深度从0 cm增加至100 cm时,入渗速率从14.93 cm/h减小至1.67 cm/h。对不同位置的竖向入渗速率与入渗深度的关系进行拟合发现:竖向入渗速率与入渗深度呈二次方关系,且拟合度达到0.9以上;径向水分运移是该深度水分径向扩散和上部水分竖向入渗综合作用的结果,故相比于竖向入渗较快;模型计算结果中湿润锋面发展趋势与实测竖向入渗情况一致,但入渗后期的入渗深度计算值比实测偏大。研究结果可为黄土地基浸水入渗研究提供参考。     

膜缝沟灌技术要素试验研究

试验选择了膜缝宽度、土壤初始含水率、土壤密度及水深四个因素,通过四因素-三水平的正交试验设计方案,采用极差分析方法,以入渗速率和水平与垂向湿润锋推进距离的比值为评价指标,得出了适宜室内试验条件下膜缝沟灌较为合理的技术要素组合,即当初始含水率为9%、土壤密度为1.45g/cm3时,最优膜缝宽度为5 cm,最佳水深为12 cm。这对提高田间水利用率和灌溉水利用率,有一定的理论和实践意义。     

紫色土典型三角形均质剖面入渗模拟研究

通过室内特制的土壤水分入渗试验装置,分别设置正、倒直角三角形单一质地土壤剖面,探讨紫色土的不规则剖面均质土壤入渗特性。参考Green-Ampt模式思路,建立了紫色土典型三角形均质剖面入渗模型。试验结果显示:粗质地的湿润锋随时间推进速度快于细质地;同一质地,正直角三角形剖面铅直面湿润锋随时间推进速度快于倒直角三角形剖面,但入渗速率小于倒直角三角形剖面;入渗前期,正三角形剖面的斜面湿润锋随时间推进速度快于倒直角三角形剖面,随入渗继续,反而逐渐慢于倒直角三角形剖面。各剖面入渗的湿润锋、入渗速率与时间均呈极显著幂函数关系。建立的紫色土典型三角形均质剖面入渗模型经实测值验证,模拟值与实测值具有非常好的一致性,且可与经验模型相互转换,模型参数也具有一定的物理意义。     

入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布的影响

为了研究入渗水头对注射灌土壤水分运移及分布特性的影响,通过室内注射灌入渗模拟试验,测定了不同入渗水头下注射灌的累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤剖面的含水率。研究表明:注射灌的累积入渗量与时间呈幂函数关系,入渗水头越大,相同入渗时间的累积入渗量越大。土壤湿润锋近似为圆心在出水口偏下的半圆形,湿润锋随时间延长运移速度变缓。在出水口下方土壤湿润范围比出水口上方大,土壤含水率也较大。入渗水头越大,相同入渗时间的土壤湿润范围越大,相同位置的土壤含水率越高。本研究结果丰富了注射灌理论,为入渗水头的选择提供参考。     

积水动边界条件下滴灌土壤水分入渗研究（Ⅰ） ——室内试验

为更好地指导滴灌工程实践,针对滴灌土壤表面积水的现象,系统研究了滴灌积水动边界条件下土壤水分入渗规律。通过室内试验,专门对积水条件下不同滴灌流量的滴灌湿润体、土壤水分入渗湿润锋和地表积水范围进行了试验分析,结果表明：积水动边界条件下,滴灌湿润体在灌水后很长一段时间内表现为一平卧的半椭球体。无论是水平湿润锋、垂直湿润锋以及湿润比,还是地表积水范围,都与入渗时间符合较好的幂函数关系。另外,无论滴头流量大小,湿润比随着灌水历时的增加都逐渐变小,但均大于1。滴头流量对地表积水范围的影响很大,地表积水稳定范围及其达到稳定的时间都随滴头流量的增加而增大。同时,地表积水稳定范围与滴头流量也能符合较好的幂函数关系     

Soil Surface Roughness Effects on Infiltration Process of a Cultivated Slopes on the Loess Plateau of China

Infiltration is the only way water enters soil on the cultivated slopes of the China’s Loess Plateau, so infiltration plays an important role in conserving soil moisture. The objective of this study was to investigate how a soil wetting front created by simulated rainfall migrated in soil with different types of surface roughness. The three types of soil surface treatments studied included surfaces of smooth, medium rough and rough soil. The results showed that, 1) compared with a smooth surface texture, medium rough and rough surface textures have a higher infiltration capacity; 2) the infiltration rate gradually decreases as the wetting front deepens and the rate tends stabilize over time. This change could be described by a logarithmic function; 3) at the early stage of rainfall, the wetting front of medium rough and rough surface textures varied greatly, while the variability of the wetting front decreases markedly after the infiltration rate stabilizes; 4) with increasing depth of the wetting front, the similarity between the wetting front and soil surface profile decreased significantly for the medium rough and rough surface textures. These results indicate that the process of infiltration on cultivated slopes on the Loess Plateau changed from a non-uniform pattern to a uniform pattern as time passed during a rainfall event. Overall, soils with rougher soil surfaces experienced a larger effect of roughness on the process of infiltration.     

点源入渗土壤水分运动规律实验研究

由不同质地土壤的点源入渗实验，得出了在不同滴头流量情况下，实际滴灌可以形成两种入渗边界，边界一是非充分供水点源入渗边界；边界二为变边界积水点源入渗边界。本文对两种边界条件特点及其滴头流量、灌水时间、湿润锋、含水量分布等之间的关系进行了分析，认为湿润比可以作为确定滴灌灌水参数的指标之一，对于实验滴灌的适宜湿润比以小于1.0为宜。