竖直微润灌土壤水分运动数值模拟与验证

为进一步认识微润灌土壤水分运动规律,进而指导微润灌工程设计,依据非饱和土壤水分运动理论,建立了竖直微润灌土壤水分运动模型,并用SWMS-2D软件进行求解。通过室内试验,对单位长度微润管入渗量、土壤湿润锋运移值和土壤剖面含水率等指标的模拟值进行分析验证。结果表明,模拟值与实测值一致性较好,所建模型能比较真实地反映竖直微润灌土壤水分运动的状况,利用SWMS-2D软件对竖直微润灌土壤水分运动进行模拟具有可行性。     

基于HYDRUS的微润灌溉线源入渗数值模拟

为探究微润灌溉在沙壤土中的入渗规律,以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立1.0、1.5、2.0 m三种水头下微润灌溉土壤水分运动的数学模型。利用HYDRUS(2D/3D)软件对模型进行求解,求解结果表明:微润灌溉入渗流量随水头的增大而增大;湿润体沿渗灌管呈圆柱形分布,相同灌水时间下,湿润体大小随水头的增大而增大,湿润锋运移速率在灌水48 h内迅速减小,之后逐渐趋于稳定;含水率等值线为以渗灌管为中心的同心圆,平均含水率随水头的增大而增大,灌水均匀度随水头的增大而减小。为了验证软件模拟的精确性,将田间试验结果与模型模拟值进行对比,结果表明:模拟值与实测值无显著性差异,两者具有较好的一致性,说明HYDRUS软件可用于模拟微润灌溉条件下土壤水分运动及设计地下线源入渗灌水策略。     

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。     

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。     

不同灌溉方式对土壤水分、棉花生长性状及产量的影响

为了探讨不同灌水方式对土壤水分、棉花生长性状及产量的影响,通过测坑试验,设定膜下滴灌、地下滴灌、微润灌3种灌溉方式,利用PR2测定土壤水分状况,并对棉花生长性状进行连续监测。结果表明,土壤湿润体大小关系为:膜下滴灌地下滴灌微润灌,其中微润灌较地下滴灌土壤湿润体水分分布更均匀;微润灌所形成的土壤湿润体对棉花株高、茎粗、叶面积指数的生长促进作用弱于膜下滴灌和地下滴灌;微润灌条件下棉花水分利用效率最高,其灌溉定额大幅减小的情况下,其产量仅降低了15.7%~17.7%,该灌溉方式有较大的节水潜力。     

保水剂用量对变水头水分入渗特性影响研究

通过层施保水剂变水头水分入渗试验,研究了保水剂层施用量对水分入渗特性的影响.结果表明:变水头条件下,层施不同保水剂用量的湿润锋运移距离和累计入渗量随着入渗时间的延长而增大,层施保水剂用量越大,湿润锋运移距离运移距离和累计入渗量越小,阻渗作用越强;保水剂大量吸水,保水剂施用范围附近土壤含水率明显增大,成为土壤储水的“水库”.     

基于Hydrus-2D的果树涌泉灌溉环沟技术要素优化研究

为探寻涌泉灌条件下,土壤水分运移规律与环沟内径、入沟流量、灌水量及土质的关系,确定果树涌泉灌的最优环沟参数.本研究利用Hydrus-2D/3D软件对果树涌泉灌进行建模,再利用模型对不同环沟内径、入沟流量、灌水量及土质组合下的240种情形进行数值模拟,分析探究了各种要素对土壤水分运移及湿润体分布的影响.结果表明,环沟内径增大,湿润体范围减小,高含水量区增大,湿润体形状逐渐趋于椭圆形;入沟流量增大,湿润体范围减小,高含水量区增大;同一灌水量下,土壤渗透性越强,保水性越弱,湿润体越大,高含水量区越小.各种情形下最优环沟内径为20cm,而入沟流量则需要根据灌水量和环沟内径做出相应调整.     

膜下滴灌条件下沟垄规格对水分运移过程影响研究

沟垄栽培措施为重要的农艺耕作方式，研究膜下滴灌条件下沟垄规格对土壤水分运移的影响有利于提高水分利用效率。通过室内土箱模拟试验，探究了沟底宽度等沟垄规格参数对土壤湿润体的形状及水分分布的影响，采用多元线性回归方程构建了湿润锋运移距离模型，模拟了试验工况下土壤水分输运过程，并验证了模型的预测效果，最后基于构建的运移距离模型确定了试验工况下3 a生枸杞栽培种植最优沟垄规格。研究结果表明：随着沟底宽度的增加，湿润体形状愈发扁平，湿润体中水分分布重心会随沟底宽度的增加而逐渐上移；土壤含水率等值线分布图与湿润体形状图大致相似，呈由密至疏分布格局；构建的湿润锋运移距离模型预测的水分运移距离与试验结果误差较小，模型精度较高；试验工况下，采用膜下滴灌技术的3 a生枸杞栽培种植最优沟底宽度为22.50～28.90 cm。     

脱硫石膏施用量对滨海盐碱土水分运移的影响

通过室内土柱试验,研究了5种脱硫石膏质量掺加比(0、5%、10%、15%和20%)对滨海盐碱土水分入渗能力的影响,结果表明:掺加不同比例石膏均可提高土壤入渗能力,较高的石膏掺加比对土壤湿润锋和累计入渗量的促进作用下降;5%石膏掺加比可明显促进盐碱土中水分运移;360 min时掺加5%脱硫石膏盐碱土的湿润锋运移深度是原状盐碱土的近2倍;湿润锋运移距离和时间呈幂函数关系,累计入渗量与时间的关系符合Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型;适量掺加脱硫石膏可提高土壤入渗能力,对改善滨海盐碱土中的水分运移状态效果显著。     

膜孔肥液多向交汇入渗湿润体特性 试验研究

通过室内膜孔肥液多向交汇入渗试验,研究了肥液入渗下湿润锋的运移特性,建立了湿润锋运移距离与入渗时间的经验模型。试验显示,交汇界面处的垂直湿润锋运移速率大于膜孔中心处垂直湿润锋运移速率;膜孔多向交汇入渗交汇界面的湿润锋形状近似于半椭圆型,并建立了湿润锋形状的纵剖面方程,研究了湿润体内土壤含水率的分布规律。研究成果可为进一步进行膜孔灌溉技术研究提供参考。     

倾角和压力对空气中微润管出流特性的影响

为探明倾角(微润管与水平面的夹角)和压力对空气中微润管出流特性的影响,确定微润管倾角和压力与比流量的关系,通过室内试验研究了不同铺设倾角(0°、30°、45°、60°、90°)及0°和90°倾角时不同压力水头条件下微润管的出流特性。结果表明:微润管出流规律符合达西定律,微润管比流量随压力水头的增大而增大,两者具有较好的线性关系;相同进水压力条件下,微润管比流量随倾角的增大而增大,与倾角正弦值呈线性关系,可将微润管倾角折算为等效水头;据此提出了包括倾角和压力的微润管比流量计算公式。研究成果为微润灌溉工程规划、设计提供基础依据。     

土壤容重对膜孔灌盐土水盐 运移分布影响

通过室内土壤膜孔灌盐土水分入渗试验,分析了土壤容重对膜孔灌盐土水盐运移分布的影响。结果表明：（1）土壤容重越大,相同入渗时间的累积入渗量越小,相同灌水量下土壤湿润范围越大;（2）入渗结束时,土壤含水量以膜孔为中心呈等值线分布,土壤容重越小,相同位置的土壤含水量越大;（3）膜孔灌对盐土有明显的淋洗作用,膜孔附近土壤盐分含量远低于本底值,湿润体边缘有较高盐分累积;（4）相同灌水量下,土壤容重越小,盐分淋洗范围越大。以上研究结果可以为盐土上膜孔灌合理灌溉提供参考依据。     

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     

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。     

重塑非饱和黄土中水-气两相运移规律研究

黄土区水分入渗的实质是水、气两相运移共同作用。长时间强降水影响下,水分入渗更易在远离边坡的土层底部形成封闭条件,而在靠近边坡区域形成开放条件。为深入剖析黄土中水-气运移规律,分别在封闭和开放条件下进行了重塑土柱试验,并统计分析了土柱内实测的含水率和气压数据。结果表明:在开放和封闭条件下,湿润锋运移速度初始时最大;体积含水率均为先增大后减小,封闭条件下含水率减小后趋于稳定,而开放条件下含水率仍存在小幅波动;开放条件下气压差先增大后减小,最后在0附近振荡,而封闭条件下浅层气压差波动上升,深层气压差振荡后减小趋于稳定。因此,在滑坡治理过程中应同时考虑水、气两相共同的影响,制定更为全面、高效的防治措施。     

土壤水分特征曲线模型对数值模拟非饱和渗流的影响

土壤水分特征曲线直接影响非饱和渗流场压力水头和含水率的预测结果。Brooks-Corey模型和van Genuchten模型是目前运用最广泛的土壤水分特征曲线模型。本文给定三种不同质地土壤(粘土、砂土和砾石)的BC模型参数,根据Morel提出的BC模型与VG模型等价的参数关系计算出VG模型参数。采用上述两模型分别对这三种土壤进行了均质土柱的入渗过程模拟。两种模型的计算结果有一定差别。三种土壤土柱的VG模型湿润锋推进速度都比BC模型大。由于粘土的初始含水率接近饱和,BC模型和VG模型的渗流场差距最大。粘土土柱上表面压力水头的变化幅度BC模型小于VG模型,而含水率的变化幅度BC模型大于VG模型。砂土和砾石土柱上表面压力水头和含水率的变化幅度都为BC模型大于VG模型。砂土土柱BC模型和VG模型的渗流场差距随入渗时间的持续而加剧。     

预埋式注灌装置充水过程水力特性数值模拟

为了解预埋式注灌装置对土体局部冲刷的原因,采用k-epsilon Realizable湍流模型和VOF多相流模型相结合的方法对在进口压强P=13.8 kPa这一物理试验工况条件下预埋式注灌装置充水过程中的水气二相瞬态流动进行数值模拟,模拟结果表明:在该工况条件下,0～0.9 s时段预埋式注灌装置出水流道内的水流为瞬变流,出水流道内压强大小随时间产生剧烈波动。各监测点的瞬时压强均大于进口压强,最大压强值是进口压强的3.27倍。出水孔流量变化规律与压强随时间变化规律一致,压强峰值对应瞬时流量峰值,为充水过程结束后恒定流出流量的1.66倍。充水过程中出水流道内反复出现的极端压强使孔口出流流量瞬时陡增,造成出水孔周围的局部土体严重冲刷。研究成果可为优化预埋式注灌装置结构体型,减少出流对果树根区土体冲刷提供指导,对预埋式注灌装置在干旱区节水灌溉领域进一步推广提供技术支撑。     

土壤初始含水量对注射灌土壤水分运移分布 特性影响试验研究

通过室内不同土壤初始含水量的注射灌水分入渗试验,研究了土壤初始含水量对注射灌土壤水分运移分布特性影响。研究表明：注射灌的累积入渗量与时间呈幂函数关系,土壤初始含水量越大,相同入渗时间的累积入渗量越大。在出水口下方土壤水分湿润范围较大,土壤含水量也较大,而在出水口上方则相反。土壤初始含水量越大,土壤湿润范围越大,距离出水口相同距离的土壤含水量越大。以上研究可为进一步补充注射灌理论技术提供基础。