微润灌条件下微润管入渗特性试验研究

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AbstractMicroirrigationisanewtypeofhighefficientirrigationtechnology,itusesemiDe哪eablemembraneasirrigationwaterpipe，irrigationwaterslowlYreleaSed1mothecroprootzonesoilbytheburiedwayanduptakedbycrop·Duet0mlcr01mgatlonisonel(indofnewwatersavingirrigationtechnology，thecurrentdomestlcand±orelgnresearchesonmicroembellishirrigationisrelativelyless·OnthebasisofsYstemlcconclusionandstudytheresearchachievementsindomesticandforelgnrelatedtomicroirrigation，thispaperhasconductedsomepreliminaryexperimentresearchaboutmicroembellishtube．ThemainresearchcontentisdividedintothefollowmgseVemlasDects：Toanalysiswaterpercolatingcapacitychangeofmicroembellishtubeunderdifferemwaterheadofunitlenl加throughtheindoortest，andanalYzethechangeotwaterpercolatingcapacitywithchangelengthofmicroembellishtube·’I’hroughtheindoortestanalysisthedevelopmentofthemoistsoilbodyandthesh印eofwettlngbodVintheconditionsofdifferentmicropipeburieddepthanddifierentsoil,锄danalysisthechangesofthesizeofthewettingfrontandsoilmoisturecontent1na儿directions．Basedonthele撇ingandfamiliarHYDRUS一2Dsoftware,usmgthesofh^，盯etonumericalsimulatethesoilwaterinfiltrationatconditionofmlcroembellishin'igation，andcomparingthesimulatedvaluesandmeasuredValues·Wecangetthefollowingmainconclusionsthr。u曲a11alysis．，1、MicroembellishpipeunitlengthperunittimewaterpercolatingcapacityandcumulativewaterpercolatingcapacityhaveonelinearrelationshiPwithwaterhead,microembellishpipeunitlengthperunittimewaterpercolatingcapacitYwill1nc∞asesWiththeincreaseofwaterhead．Underdifferentwaterhead，microembeltishtubepermeterwaterpercolatingcapacityhasinverselyproportionarelationshipwiththedistanceofwaterinlet，microembellishtubewaterpercolatingcapacitypermeterdecreaseswiththeincreaseofmicroembellishtube’slength·Unitlengthmlcroembellishtubec啪ulativeinfiltrationratedecreasedwiththeincreaseofburieddeptnatthesameirrigatetime．UnitlengthmicroembellishtubecumulatiVeinfiltratlonratewiththeincreaseoftimeisalinearequation．II西酊竺m；引‰khm诎蚵叫的盯=枷锄小e卿眦衙k椭㈨啦咿mn缸．。，似耻鲒h∞mm出劲。盯m infiltrationtime．Thedistanceofwettingfronttransportinalldirectionsmeethavebeenfunctionrelationshipwithtime．nledistanceOfsandyloamwettingfrontisgreaterthanthedistanceofloamwettingfrontinfiltration，anddifferencevalueinverticaldownwarddirectionisbiggest．W文bodypartiesupeachpointbetweensoilmoisturecontentanddistancefromthecenterofmicroembellishtubeaccordswithquadraticfunction，soilmoisturecontentdecreas谢mtheincreaseofdistance．31UsingtheHydrus-2Dcallbettersimulatethemicroembellishtheprocessinthesoil．Keywords：Microembellishirrigation；Microembellishtube；Infiltration；既fbody；Soilmoisturecontent；Hydrus-2DIII 目录目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．IAbstract⋯．．．．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．．II目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．i第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1我国水资源现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2节水灌溉的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．3一种新型的地下渗灌一微润灌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3．1国内外渗灌的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．3．2微润灌溉的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51．3．3微润灌溉的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．4国内外地下渗灌的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．5本文研究思路及研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7第二章材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1供试土样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2供试微润管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．3试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．122．3．1微润管在空气中渗水测定试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．3．2微润管在土壤中入渗试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．4试验方法和测定内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．132．4．1微润管在空气中渗水的试验方法和测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．4．2微润管在土壤中渗水的试验方法和测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14第三章试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．153．1微润管在空气中的水分渗水情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．153．1．1水头的变化对微润管的渗水量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．1．2同水头下每米微润管渗水量与微润管进水口距离的关系⋯⋯⋯一163．1．3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．2不同微润管埋深对其累计入渗量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．2．1砂壤土中不同微润管埋深对其入渗量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2．2中壤土中不同微润管埋深对其入渗量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．2．3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．3不同的微润管埋深对湿润锋运移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一273．3．1砂壤土中不同埋深对湿润锋运移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．273．3．2中壤土中不同埋深对湿润锋运移的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一313．3．3两种土壤情况下的湿润锋运移距离对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一353．3．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯373．4同种土壤中湿润体各方向上的土壤含水量的变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．373．4．1三个方向上的土壤含水量随距离的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯383．4．2三个方向上各点的土壤含水量随入渗时间的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯40 河北工程大学硕士学位论文3．4．3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯423．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42第四章HYDRUS．2D在微润灌中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一454．1Hydrus．2D软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．2利用Hydrus一2D进行模拟的步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．454．3Hydrus．2D软件模拟的结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l4．3．1Hydrus-2D模拟湿润体和湿润锋随入渗时间的发展情况⋯⋯⋯．514．3．2Hydrus-2D模拟湿润体的土壤含水量与距离的关系情况⋯⋯⋯．534．3．3Hydrus-2D模拟固定观测点的土壤含水量随入渗时间的变化关系564．4．本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一58第五章结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯595．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．595．2建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．60致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63作者简介及硕士学位期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67 第一章绪论1．1我国水资源现状绪论水资源作为最基础的自然资源，而且是生态环境的控制性因素；然而同时也是战略性经济资源，关系到人类生存和国家经济发展。随着世界经济的发展，水资源的消耗越来越大，水资源的匮乏成为制约经济发展的重要因素。我国是一个水资源大国，水资源总量达到2．8万亿m3，排在世界第六位。虽然我国水资源总量不少，但是由于我国人口基数菲常大，人均水资源占有量仅为2400m3，不足世界平均水平的1／4，排到了世界第110位，是全球13个贫水国家之一⋯。据预测，到2030年我国人口总量将达到16亿，而人均水资源占有量却将大大减少，约为1760m3，逼近用水紧张国家的1700m3水平，到那时，我国将成为世界公认的水资源紧缺国家【2J。然而我国水资源的地区分布却不均匀，南方地区多北方地区少，东部地区多西部地区少，相差非常悬殊，与人口、耕地以及矿产和经济的分布存在不相匹配的现象。根据1993年资料统计，北方五片(淮河、黄河、海河、内陆河和松辽河片)人口数量约占我国总人口数量的46．5％，耕地面积约占全国的65．3％，GDP总额占全国的45．2％，水资源总量却只占全国的19％；南方四片(长江、珠江、东南诸河、西南诸河片)人口数量约占我国人口总数的53．5％，耕地面积约占全国的34．7％，GDP总额约占全国的54．8％，而水资源总量为全国水资源总量的81％。北方五片区域的人均水资源占有量非常少，仅为1127m3，仅占南方四片区域的人均占有量的1／3左右13J。水资源的时空分布不均不仅会造成频繁的水旱灾害，而且加大了地表水资源的利用的难度，同时加剧缺水地区的用水困难⋯。我国降水量在年内分配也非常不均匀，降水量主要集中在汛期。长江以南区域的河流汛期为4—7月，汛期径流量占年径流总量60％，华北地区的河流汛期为6—9月，而汛期径流量占年径流总量达到80％以上。洪水径流量占了我国水资源总量的2／3。降雨量年内分布不均导致我国水资源的浪费，加剧了水资源的匮乏。我国降水量在年际之间的变化也非常大，北方地区最大年降水量和最小年降水量差距巨大，达到是3．8倍，而南方地区比较均匀，最大年降水量大约是最小年降水量的2．4倍，南北方都会出现连续枯水年和连续丰水年的状况【3J。降水量和径流量的年内高度集中以及年际变化巨大，导致了我国水旱灾害频繁发生，造成了农业生产的不稳定，加剧了水资源供需之间的矛盾。水资源的日益匮乏造成了我国水资源供需之问之问矛盾的突出。2001年缺水 河北工程大学硕士学位论文总量约为360亿m3，2010年缺水总量约为1140亿m3。据专家预测到2030年中国将缺水2300亿m3，2050年缺水3710亿m3【41。供需矛盾将更加突出。我国水资源的另一个问题是水资源污染导致水质下降、水功能减退。主要原因是上个世纪80年代以来，随着城镇化和工业化的迅速发展，生活污水和工业废水的排放量迅速增长，使得水资源水质日益恶化。1980年水利部对总长约9．2万km的河长进行了水质评价，水质受到严重污染的河段约占21％。1991年水质评价的评价河长约为9．9万km，污染河长占评价河长的46．5％，较之1980年，十年内污染河长增加了一倍多。到1999年的水质评价，评价河长11．3万km，受污染的河段占评价河长37．6％，略有下降，但总体上升【3J。水质污染加剧了水资源供需紧张，造成了资源的浪费。每年都有很多污水用于农业灌溉，使得农田受到污染，粮食减产，据估计每年由此造成的经济损失430亿元。农业是用水大户，世界平均农业用水量占供水量的60％”J。我国不仅是一个农业大国，还是一个灌溉大国，2001年灌溉面积高达5483万km2，居世界第一位。目前我国年总用水量约为5600亿m3，年灌溉用水约为3800亿m3，占年总用水量的2／3左右，大大高于世界平均水平。据估测，到2030年，我国人口将达到高峰期，我国农业灌溉用水量也将大幅增加，达到4200亿m3，而全国总用水量也会增加至8000亿．9500亿m3，逼近我国可利用水量的极值16J。1．2节水灌溉的发展随着水资源供给和需求之间的矛盾日益DHJ10，且逐渐全球化，世界各国都在发展高效节水农业，很多发达国家都把农业可持续发展作为一种战略措施【_71。提高作物的水分生产效率和灌溉水的利用率以及水资源再生利用率已经成了发达国家在生产实践中的主要研究方向。就世界范围来说，不同的国家有不同的缺水状况和不同分类经济水平，这就决定了不同国家的农业节水发展模式的不同。以在经济欠发达国家，比如埃及、印度、巴基斯坦等，由于其经济水平和节水水平相对落后，地面灌溉技术和渠道防渗技术成了主要的农业节水方式。而节水技术发的国家，如美国、以色列、日本等发达国家，农业节水主要采取高标准化的固化渠道和管道输水、喷灌、微灌和改良的地面灌溉等技术为主，并与生物节水技术、降水资源高效利用技术、及现代化用水系统技术相结合的模式【8J。发达国家的农业节水分为以下三个发展阶段。首先，将农田进行科学规划，采用高标准的固化渠道和管道将灌溉用水输送到田间，将输水过程中的水量损最 第一章绪论大限度的降低；其次，全面性的推广滴灌、喷灌技术以及改良后的地面灌溉技术，将农田水分损失降至最低，提高农作物的水分利用率；最后，将现代农艺技术及生物技术加入到农作物品种的培育中，将水分利用率高的农作物进行大规模的推广和种植。近年来，以推广滴灌、喷灌技术和改良后的地面灌溉技术为代表的节水灌溉技术越来越受到人们的重视。广义上的节水灌溉技术所包含的内容十分宽泛，包括工程、技术、农业、管理等多方面措施。狭义的节水灌溉技术措施一般可分为如下三类：1)降低输水过程中水量损失通过加强渠道的管理和采取渠道防渗等措施，能大大减少在输水过程中的水量损失。国内外的实践经验表明，通过采取防范措施后，至少可以使渠道渗透损失减少50％。2)提高用水管理水平各国专家通过研究认为，在不投入大量资金对现有的灌溉工程进行大的改造时，提高灌溉管理水平可以取得良好的节水效果，同时还能减少灌溉用水的浪费。3)采用节水型灌水方法和技术采用节水型灌水方法和技术能提高灌水均匀程度，降低田间水量的损失。主要的节水型灌水方法包括以下三类：a、地面灌溉，即直接引水进入灌水沟、格田或者畦田，水在地面流动或者蓄存过程中渗入土壤，被植物根部吸收利用。沟灌、畦灌、漫灌、格田灌都属于地面灌溉。地面灌溉水利用率较低；b、喷灌、滴灌，即把水加压通过管道输送到田问，再通过喷头或者滴头向作物喷水或者直接滴入作物根部。这项技术在20世纪60年代在一些国家得到广泛应用，以以色列和美国等节水发达国家为代表。喷灌比地面灌溉节水30％．50％，滴灌比喷灌更节水；C、地下灌溉，即通过地下管道或者沟道把水输送到土壤，从地下湿润根系活动层的土壤。这种方法可以避免对土壤结构的破坏和减少土壤表面的水分蒸发，是一种新型的灌水方法，节水效率高，目前使用面积较小pJ。我国目前有19．5亿亩耕地面积，其中8．38亿亩为有效灌溉面积，仅占全国总耕地面积的43％左右，大于一半的耕地面积处于完全没有灌溉设施的状态。而在有效灌溉面积中，大约2／3还在使用落后的传统灌溉方法12J。在有效灌溉面积中，绝大部分仅仅进行了低标准的节水改造，几乎没有采用喷灌、滴灌等先进节水措施。而在美国，喷灌、滴灌面积占到其有效灌溉面积的54％。以色列的有效灌溉面积已经基本覆盖了喷灌和微灌，其中微灌占了50％。由此可见，与发达国家对比，我国的节水灌溉水平还存在很大的差距，但是从另一方面来说，我国的节水灌溉存在巨大的发展潜力和空间。 河北工程大学硕士学位论文1．3一种新型的地下渗灌一微润灌1．3．1国内外渗灌的发展随着科学技术的发展，灌溉技术在不断的发展。由于地下灌溉有避免地表水量蒸发、降低水量损失、方便管理、延长使用寿命等优势，所以国内外的研究方向不断由地面灌溉向地下灌溉发展(也称渗灌)。地下灌溉技术中的地下滴灌发展比较成熟。早在20世纪初期，美国就在地下滴灌方面进行研究探讨，由于受当时的技术水平的限制，并没有得到明显成果。二次世界大战以后，随着塑料工艺的成熟以及PVC管、聚乙烯管的出现，地下滴灌得到很大的发展，美国、以色列、德国等国家的地下滴灌取得了显著地效果【l01。20世纪80年代以后，随着水资源供需的日益紧张，人们对渗灌的兴趣再次高涨。在1984年，美国聚乙烯和橡胶等材料制成了一种全新的多孔渗灌管，这种渗灌管管壁有许多微小的透水孔，它质地很柔软，使用寿命可达10—15年。微孔的渗水压力为0．1-0．2MPa，渗水流量可达1．5m3／h／m。但是这种渗灌管在渗水一段时间后，渗水管周围的土壤含水量便达到饱和含水量。此后，大量研究放在了渗灌管周围土壤毛细管力上面，研究表明土壤毛细管力对渗灌管渗水量有很大的影响【11】。八十年代以来，世界各地分别对地下渗灌在农作物节水效果进行了试验。美国利用地下渗灌对小麦、玉米、棉花等农作物的节水效果进行了可行性研究，节水效果良好【l引。法国研制的渗灌管称月TURORZX管，是一种由低密度PE在成型剂和发泡剂的混合作用下挤压出来的。这种渗灌管内壁有很多个类似泡状的微孔，有多种管径，管径为13ram多用于农业上，原因是其管壁比较厚，大约为2-3mm。这种渗灌管有埋入地下和铺设地表两种使用方法，在供水系统供水的情况下，管壁上的泡状微孔会渗出或者喷出细小的水流，供水系统运行压力和泡状微孔的大小决定了渗灌管渗水量的大小【11|。包括全部自动化系统在内，每公顷需要的投资大约为8．55万元，而这种渗灌管的使用寿命非常长，可达10年以上。目前，在法国的经济作物以及日光温室等方面，这种新型的渗灌管得到了非常普遍的使用111|。除了美国和法国，很多国家包括以色列、澳大利亚、日本、意大利、中东等国也广泛的研究了地下渗灌研制和应用。上个80年代初期，我国的地下水渗灌技术开始应用，主要应用于果树栽培【l⋯。1983年，山西水科所在祁县将地下渗灌应用于12hm2的果树灌溉；原水电部水科院于1983年在河北迁安建成上百亩板栗地下渗灌田；九五期间，由中国水科院建设的13．3hm2地下渗灌实验区在北京昌平区落成等【1引。1993年河北省石家庄市将引进日本渗灌设备应用于蔬菜和果园，得到了很好的节水增产的效果。1995年沈4 第一章绪论阳泓侬应用技术研究所通过学习美国的经验，启动了微孔渗灌管研制工作。研制成功以后就将说研制的微孔渗灌管用于蕃茄、甜瓜、绿菜花、草莓、黄瓜等作物，取得了良好的节水增产效果，并得到了农户的一致好评。1993年，河北省开始引进美国的渗灌管，并在日光温室内进行了田间节水试验，效果良好。很多科研单位开始研究渗灌技术并尝试推广，我国的地下渗灌技术研究已经很成熟。但地下渗灌存在渗水不均、渗空易堵塞等问题，其广泛推广应用受到了很大的限制。1．3．2微润灌溉的原理由深圳市微润灌溉技术有限公司研制生产的半透膜渗灌管(该公司将使用这种设备给作物供水的灌溉技术称为微润灌溉)则克服了地下渗灌的缺陷。微润灌溉利用半透膜技术原理，使微润管的供水过程与农作物的吸水过程在时间上达到一致。微润管是由半透膜为材料制成的一种圆形软管。这种微润管不像微孔渗灌管那样管壁上右固定孔距的孔，而是由非常多微孔。孔的密度大于10万个／cm2，微孔的孔径非常小，达到纳米级，具有半透膜特性。微润管管壁上的孔的大小只有水分子能够通过，而像土壤、沙粒等大粒径颗粒则无法通过。当微润管管内充满水且具有一定压力时，水分子就会通过微润管管壁上的微孔流向管外，流向管外的水分通过埋在土壤毛细管力将水分进一步向土壤外侧运移，使微润管周围土壤达到湿润状态，被农作物吸收从而起到灌溉作用。微润管既是输水管同时也是给水器，整个管壁都是出水点，将微润管埋进土壤后，微润管周围的土壤就开始慢慢湿润湿。随着时间的延长，微润管所渗的水分会慢慢向微润管四周扩散，最后会形成一个以微润管为圆心的，沿着微润管埋设方向伸展的不规则圆柱形润湿体，如图1．1、图1．2所示：避k-，啊’鹋一赵’’’√一蛐’捞一斜／捞一蕊?，，。。蟊弱Z分院刃觑渤，||f，，册I‘劢，|m，，行霸鼢，，，，÷够黪黎黪黧麓鬻蓠妻．：豫!j；j：■j0图l-1润湿体剖面示意图Fig．1—1TheschematicdiagramofweRingbodyprofile 河北工程大学硕士学位论文图1-2微润灌溉示意图Fig．1-2TheschematicdiagramofMicroembellishirrigation而润湿体的大小是可调的。为了达到充分节水效果，当农作物的根系比较小时，可以通过减小工作水头来减小润湿体大小。随农作物的生长，根系会逐渐变大，此时可以增大工作水头以增大润湿体直径，使湿润体的总体积增大到能够完全包住农作物的根系，以满足农作物的需水。微润灌溉的另一个特点是是，它能使土壤水分达到最佳的水／气状态，并且可以长时间保持使这一状态，使农作物在其全生命周期内都能处在最佳灌溉条件下生长。1．3．3微润灌溉的特点微润灌溉具有以下特点：1)使连续灌溉在农业生产中得以实现；2)避免水分浪费，灌水率高；3)运行过程动力消耗小。1．4国内外地下渗灌的研究进展由于微润管是由半透膜材料制作而成，使得微润灌溉成功地解决了管壁出水孔堵塞这一国际性难题，使节水效果达到了一个新的高度。但微润灌作为一种新型的地下渗灌，国内外对其研究比较少，土壤入渗、水分运移及数值模拟方面的研究比较缺乏，在地下滴灌方面研究比较广泛。目前国内研究学者公开发表的论文中：张思聪(1985)在渗灌条件下对轻壤土(干容重为1．49／cm3)的入渗进行了试验分析，求解了二维土壤水分运动方程，并用模拟结果研究了土壤含水量、土壤容重以及管径对水分运动过程的影响n41；吕谋超等(1996)做了线源供水条件下地下滴灌室内模拟试验，试验结果表明，土壤的湿润体剖面是以供水点为中心、向四周近似圆形扩散，水分运动速度在水平、 第一章绪论向上和向下三个方向上各不相同，向下最大，水平次之，向上最小。认为湿润峰距离与入渗时间的关系采用3次多项式的拟合程度最好；温美丽(2001)对不同质地土壤在渗灌条件下的水分入渗特征进行了初步研究，研究结果表明随着容重减小，土壤中的累积入渗量和各方向上湿润锋的移动距离均右明显的增加。随着管径增大，土壤中的累积入渗量和各方向上湿润锋移动距离也显著增加。微润管累积入渗量与入渗时间符合幂函数关系，湿润锋在各方向上的移动距离与入渗时间开方符合多项式关系曙1：李红(2005)在地下滴灌条件下对土壤水分运动进行了试验研究及数值模拟，对地下滴灌在灌水过程中的土壤水分运动和灌水停止后的土壤水分运动分别进行了室外试验，并运用VG模型对土壤的有关水分运动参数进行了描述，利用Hyudrs一2D对试验进行模拟，并对模拟值与实测值进行了分析¨引。李娟(2007)对重力式地下滴灌点源入渗特征进行了数值模拟，研究了多种土壤在不同容重条件下重力式地下滴灌的入渗规律，建立了相应的土壤水分运动模型，并将试验结果与数值模拟结果进行了验证n引。王超(2011)通过试验研究了地下滴灌条件下土壤水分运移规律，通过室内土壤地下电源入渗试验，分析了粘壤土地下点源入渗不同因素对土壤湿润锋运移、湿润体形状以及土壤含水率的影响n6l。1．5本文研究思路及研究的内容由于微润灌是一种新型的地下滴灌，国内外对其灌水特性指标方面的研究比较缺失。在熟悉前人己做过关于地下渗灌方面的研究和阅读大量文献后，本人想通过试验了解半透膜渗灌管在不同水头下的单位渗水量变化，及半透膜渗灌管在不同质地土壤中的水分入渗的一般规律，并了解水头、埋深等因素对土壤入渗的湿润体的影响，从而为半透膜渗灌管灌溉技术工程设计参数的确定提供参考。本文包括以下几个方面的主要研究内容：1)通过室内试验分析半透膜渗灌管在不同水头下单位长度的渗水量变化，并分析渗水量随着渗灌管管长的变化。2)通过室内试验分析不同渗灌管埋深以及不同土壤情况下土壤湿润体的发展，并分析湿润体的形状、各个方向湿润锋的大小及土壤含水量的分布情况。3)通过学习和掌握HYDRUS．2D软件，利用该软件模拟微润灌条件下土壤水分的入渗，并将所得到的模拟值与试验得到的实测值进行分析和对比。 河北工程大学硕士学位论文8 第二章材料与方法试验主要分为两大部分：第一部分为室内测定半透膜渗灌管在空气中的渗水量变化及在1m、2m、2．5m三种水头下单位长度的渗水量变化，并分析每米半透膜渗灌管渗水量随着其与渗灌管进水口距离的变化；第二部分为试验场测定半透膜渗灌管在两种土壤下，1．5m水头下的水分渗透的情况，主要测定湿润体的大小及含水量变化，并测定不同埋深对半透膜渗灌管渗水的影响。2．1供试土样试验于2013年9月至2014年2月在河北邯郸水电学院试验场内进行。该试验场位于东经114。03’～40’，北纬36。20’"-'44’，属于属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候区。供试土壤分为两种，均取白邯郸南郊。经自然风干，通过2mm的筛后备用。通过实验测定其土壤物理特性参数，包括土壤质地划分、初始土壤含水量、相对田问持水量、容重等。1)质地分类目前，我国常采用的土壤质地分类标准，是根据卡庆斯基制的物理性砂粒和物理性粘粒而划分的。在实际土壤质地分类中有以下几个步骤：根据土壤的物理性砂粒(大于0．01ram)和物理性粘粒(小于0．01mm)的含量，确定土壤的基本质地名称一沙土、壤土、粘土。再把质地进行详细分类，将土粒粒级细分为6组：石砾(卜3mm)、砂粒(0．05一lmm)、粗粉粒(0．0卜．0．05mm)、中粉粒(0．005—0．01mm)、细粉粒(O．001—0．005mm)、黏粒(小于0．001ram)，分别冠以为砾质、砂质、粗粉质、中粉质、细粉质、黏质名称。按石块含量进行石质的补充分类，即根据粒级大于3mm的颗粒含量(10％)多少分为非石质、轻石质、中石质、重石质四级。土壤质地划分标准见表2一l。表2—1土壤质地划分标准Table1．2Thestandardofsoiltenure物理性沙粒含量(％)>9080．90物理性粘粒含量(％)<1010—2070—8020—30955．7030—4540—5545．60<40>60 河北工程大学硕士学位论文经筛分，本试验使用的两种土壤的物理性粘粒的含量分别为17％和35％，为砂壤土和中壤土。2)初始含水量测定目前，测定含水量方法有很多，包括烘干法、酒精燃烧法、y射线法、中子法、TDR法、FDR法、电阻法和称重法等。烘干法是目前国际上仍在沿用的标准方法，此方法的优点是简便、数据重复性好，不足是烘干至恒重需要较长时间，不能及时得到结果。本实验采用烘干法。本次试验进行了三次平行测定，取其算术平均值。试验结果如表2—2和表2—3所示。表2—2砂壤土初始含水量测定表Table2—2Themeasurementtableofsandyloaminitialmoisturecontent1．125．681．229．281—328．9625．0228．3328．04表2-3中壤土初始含水量测定表Table2-3Themeasurementtableofloaminitialmoisturecontent供试土壤的初始含水量分别为7．95％和10．00％。3)相对田间持水量的测定土壤田间持水量是指当水饱和的土体中的重力水完全排除后，毛管所保持的水量，是确定灌溉定额和排水量的依据。测定土壤田间持水量可在室内进行也可在田间进行。田间测定采用围框法，室内测定分为环刀法和压力膜(板)法。本次供试土壤的相对田间持水量采用环刀法。经过测定砂壤土田间持水量为18．30％，中壤土田间持水量为22．40％。4)土壤容重的测定土壤容重是指土壤在未遭到破坏的自然情况下，单位容积土壤的干重(以g／cm3表示)，土壤容重也是非常重要的土壤物理性质。测定土壤容重的方法也有很多，如环刀法、蜡封法、填砂法、r射线法等。常5975819765269O0如舯躬&n¨231746，●^，l■l 第二章材料与方法用的是环刀法，本法操作简单，结果比较准确，能反映田间的实际情况。本次试验采用环刀法进行测定。对待试土壤进行三次平行测定，并取其算术平均值。试验结果如表2—4和表2—5所示。表2—4砂壤土容重测定表Table2-4ThemeasurementtableofsandyloamdensityA254．40248．2099．60148．60100．001．49B253．70246，6099．51147．09100．001．47C255．60250．00101．09148．91100．001．49综上所述，土壤物理特性参数见表2-6。表2—6试验土壤物理特性参数表1．482．2供试微润管本试验使用的供水管为深圳市微润灌溉技术有限公司研制生产的半透膜渗灌管，也称微润管。微润管是由半透膜为材料制成的一种圆形软管。这种微润管不像微孔渗灌管那样管壁上右固定孔距的孔，而是由非常多微孔。孔的密度大于10万个／cm2，微孔的孔径非常小，达到纳米级，具有半透膜特性。微润管管壁上的孔的大小只有水分子能够通过，而像土壤、沙粒等大粒径颗粒则无法通过。本实验为白色微润管，微润管直径为20mm。 河北工程大学硕士学位论文2．3试验装置2．3．1微润管在空气中渗水测定试验装置试验系统由供水系统和渗水收集系统两部分组成。供水系统由马氏瓶和微润管组成。马氏瓶主要不仅能作为水源，还能提供恒定水头。马氏瓶和微润管之间用橡胶软管连接，止水夹作为水源开关，用止水夹夹住软管即可停止供水。渗水收集系统主要是由渗水收集管和烧杯组成。渗水收集管为白色UPVC管，每根长lm，套在微润管上面，一段用胶密封，另一端设一缺口，缺口下放烧杯收集水量。装置如图2-1所示。图2-1空气中渗水测定试验装置示意图Fig．2—1Determinationofwaterpenetrationtestdeviceschematicdiagramintheair2．3．2微润管在土壤中入渗试验装置试验系统由供水系统和土箱两部分组成。供水系统由马氏瓶和微润管组成。马氏瓶主要不仅能作为水源，还能提供恒定水头。马氏瓶和微润管之间用橡胶软管连接，止水夹作为水源开关，用止水夹夹住软管即可停止供水。土箱由有机玻璃板制成，有机玻璃厚度为lOmm，箱体大小为lOOcmX80cmX80cm(长×宽×高)。土箱一侧面打有直径25mm的圆孔，圆孔中心距离土箱上边沿20cm，距离左右侧边沿为40cm。微润管长lOOcm，进口端用橡胶软管与水源连接，出口端从孔中伸出，用堵头堵上。在孔的纵横二维方向上贴上坐标纸，以便观察湿润锋的变化。试验过程中，通过马氏瓶的高度调节水头压力，本实验采用1．5m恒定水头，lOcm、15cm、20cm三种渗灌埋深进行试验。试验装置如图2—2所示。 第二章材料与方法图2-2土壤中入渗测定试验装置示意图(单位cm)Fig．2—2Determinationofthesoilinfiltrationtestdevice2．4试验方法和测定内容2．4．1微润管在空气中渗水的试验方法和测定试验时，先用调节支持微润管的支架，使其大致水平，再用水平仪调平，是微润管完全水平。再通过调节马氏瓶的位置调节水头h。本试验设1m、2m、2．5m三个水头。马氏瓶上有刻度，一段时间的下降的刻度差乘以马氏瓶底面积即为微润管总渗水量。微润管长8m，设8个渗水收集管和八个烧杯收集渗水。每隔一段时间用量筒量取烧杯中的水量，即为每米微润管的渗水量。微润管进行调水平和烧杯放置等准备工作完成后，先打开止水夹，待微润管中充满水，此时马氏瓶中下水的气泡稳定，记下此时的时间和马氏瓶的刻度。待一段时间后，收集各烧杯中的渗水，用lOOml量筒读取各烧杯中的渗水量，即为这段时间各管的渗水量。本次试验选择不同水头和每米管长距进水口的距离为主要影响因素。分别测定在lm、2m、2．5m水头下8m微润管渗水总量值，及每个水头下每米的渗水量。通过测定微润管单位时间渗水量来比较水头对微润管渗水量的影响，以及测定微润管每米管长距离入水口的变化对微润管渗水量的影响。 河北工程大学硕士学位论文2．4．2微润管在土壤中渗水的试验方法和测定试验开始前，需对供试土壤的初始土壤含水率和容重进行测定。然后按照测定的土壤容重分层填装土箱，每层厚度5cm，层问打毛，压实。填至预留孔洞时，将微润管放入。放入微润管前应先将管充满水，以免埋管时微润管被土压扁。放入管后再往上填土，填至需要的埋深。调节好水头，记下马氏瓶的刻度，然后打开止水夹，开始试验。试验过程中，每隔半天记录马氏瓶的水位下降刻度，并观察湿润锋的变化。每隔2天挖开一个剖面，用土钻定点选取土样，采用烘干法测定各样点的土壤含水率。每个样点取三个土样，取其平均值为此样点的土壤含水率。取样分布图如图2—3。微润样点图2—3取样分布图Fig．2—3Thesamplingdistribution本次试验选择不同土壤和不同埋深为主要影响因素。测定不同土壤下微润管的渗水量、湿润锋及湿润体的区别和不同埋深对微润管渗水量、湿润锋、湿润体的影响。种类分为两种：砂壤土，中壤土。三种埋深为lOcm、15cm、20cm。水头为恒定水头1．5m。具体分析以下几种情况：1、同种土壤，不同埋深情况下湿润体的发展情况，湿润锋的变化情况；2、同种埋深，不同土壤情况下湿润体的发展情况，湿润锋的变化情况；3、同种土壤情况下，湿润体水平、垂直向上、垂直向下三个方向上各点的土壤含水量情况。 第三章试验结果分析3．1微润管在空气中的水分渗水情况分析3．1．1水头的变化对微润管的渗水量的影响1)单位长度微润管单位时间渗水量的变化对各组数据进行平均计算，得到每米水头下单位长度微润管单位时间的渗水量，如表3—1所示。表3-1不同水头下的平均单位长度单位时间渗水量Table3—1waterpercolatingcapacityofaverageunitlengthandperunittimeunderdifferentwaterhead由表中数据可知，随着水头的增大，微润管单位长度单位时间渗水量也增加。为分析其变化规律，将数据制成散点图，如图3一l所示。删Ⅲ|1*热仨=|兰．蕃耋惑{业趟将0O．511．522．53水头／Ⅲ图3．1平均单位长度单位时间渗水量与水头的关系Fig．3—1Therelationshipofaverageunitlengthperunittimewaterpercolatingcapacityandthehead对图3一l进行拟合，拟合结果为：y=57．814x一6．8929∞∞加∞∞∞如∞0 河北工程大学硕士学位论文分析发现，拟合结果很好，微润管单位长度单位时间的渗水量与水头成一元线性关系。随着水头的增大，微润管单位长度单位时间渗水量也增加。2)单位长度微润管累计渗水量随时间的变化以1m水头为例，对数据进行分析，得到结果如图3-2示01234567时间／h图3-2位长度微润管累计渗水量与时间的关系Fig．3—2Therelationshipofunitlengthmicroembellishtubeaccumulatedwaterpercolatingcapacityandtime对图3—2行拟合，拟合结果为：y=52．600x+2．0667R2=O．9998分析发现，单位长度微润管累计渗水量与时间成一元线性关系，拟合效果非常好。随着时问的递增，单位长度微润管单累计渗水量也随之增加。单位长度微润管单位时间渗水量基本上一样。3．1．2同水头下每米微润管渗水量与微润管进水口距离的关系为了分析微润管渗水量随着管长的变化，设计了本次试验。在同一水头下，每米每米的收集水量，通过测量水量的变化分析每米微润管渗水量与微润管进水口距离的关系，为这一水头下的微润管的合适长度提供参考。本次试验微润管管长8m，每次收集8个数据，分为一组。分为1m、2m、3m三种水头进行重复试验。具体试验分析如下。1)1m水头下每米微润管渗水量与微润管进水VI距离的关系1m水头下进行了多次重复试验，每隔1h收集一次水量。从中选取6组数据进行分析。数据如表3—2示。16O0O0％∞沥加屿加5毫＼唧*蝰拳哦她罂暴越半逍廿 第三章试验结果分析表3-2lm水头下每米微润管渗水量统计表Table3-2Thestatisticaltableofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityunderonemeterwaterhead由表3—2数据可知，随着微润管管长的增加，其渗水量逐渐减小。以第一组为例，第一米微润管每小时渗水量为65mi，而末端(第八米)每小时渗水量为40ml，减小了约30％。原因是微润管内管壁存在水流摩擦阻力，随着微润管距离增长，水头压力逐渐减小，从而导致微润管渗水量逐渐减小。微润管每米管长渗水量与其和进水口距离成反比关系，逐渐递减。将数据制成散点图，如图3—3一a，3—3一b所不。名＼嘲篙嫒*常80『‘75}70÷46距离进水口距离／m一第一组r'l第二组▲第三组图3—3一a每米微润管渗水量与进水121距离的关系图Fig。3·3一aTherelationalgraphofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance％∞弱册钙∞％∞ 河北工程大学硕士学位论文02组46810距离进水口距离／m图3．3．a每米微润管渗水量与进水口距离的关系图Fig．3-3-aTherelationalgraphofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance由图3—3一a和3—3一b可知，微润管每米渗水量与进水口距离成反比关系，随着微润管管长的增长逐渐减小。为分析其关系式，对每米渗水量与距离进水口距离进行拟合，拟合分别采取对数函数(表3—3)，乘幂函数(表3—4)，线性函数(表3—5)这三种函数。表3-3微润管每米渗水量与距离进水口的距离的对数函数拟合参数Table3-3Thelogarithmicfunctionfittingparametersofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance组数abR2表3—4微润管每米渗水量与距离进水口的距离的乘幂函数拟合参数Table3-4Thehavebeenfunctionfittingparametersofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance组数abR218鲫两加％∞弱∞钙如踮如_[暑涌唧农燃蔷 第三章试验结果分析表3—5微润管每米渗水量与距离进水El的距离的线性函数拟合参数Table3．5Thelinearfunctionfittingparametersofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance组数abR2通过采用这三种函数的拟合可以发现，使用对数函数的拟合效果最好，相关度达到0．88以上，其次是线性函数和乘幂函数的拟合，相关度分别为0．84和0．83。故lm水头下，微润管每米渗水量与距离进水口的距离的函数关系可用对数函数进行拟合，拟合关系式为y：aLn(X)+b(3．1)式中，y为每米微润管每小时渗水量，ml；X为这段微润管与进水口的距离，m；a，b为拟合参数，见表3-3。2)2m水头下每米微润管渗水量与微润管进水口距离的关系2m水头下进行了多组重复试验，每隔0．5h收集一次水量，并对其进行整理，从中选取6组数据进行分析。数据如表3-6所示。表3-62m水头下每米微润管渗水量统计表Table3-6Thestatisticaltableofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityundertwometerwaterhead由表3一卜6中数据可知，随着微润管管长的增加，其渗水量逐渐减小。以第一组为例，第一米微润管每小时渗水量为67ml，而末端每小时渗水量为41ml，减小了约38．8％。原因是微润管内管壁存在水流摩擦阻力，随着微润管距离增长，水头压力逐渐减小，从而导致微润管渗水量逐渐减小。微润管每米管长渗水量与其和进水口距离成反比关系，逐渐递减。将数据制成散点图，如图3—4所示。 河北工程大学硕士学位论文O246810距离进水口距离／m图3-4．a每米微润管渗水量与进水口距离的关系图Fig．3．4一aTherelationalgraphofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance×·警-■×●一lit一×●×第四组一第五组·第六组46810距离进水口距离／m图3—4一b每米微润管渗水量与进水口距离的关系图Fig．3．4．bTherelationalgraphofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance由图3—4可知，微润管每米渗水量与进水口距离同样成反比关系，随着微润管管长的增长逐渐减小。通过采用这三种函数的拟合可以发现，三种函数的拟合效果都较好。分析拟20踟佰加％∞弱的加跖∞毫＼删*辫兴坩踟％绚嘶∞弱的钙如踮∞ 第三章试验结果分析合结果发现，使用对数函数的拟合效果最好。故2m水头下，微润管每米渗水量与距离进水口的距离的函数关系也用对数函数进行拟合。3)2．5m水头下每米微润管渗水量与微润管进水口距离的关系2．5m水头下进行了多组重复试验，每隔0．25h收集一次水量，对其进行整理，从中选取6组数据进行分析。数据如表3—7所示。表3—72．5m水头下每米微润管渗水量统计表Table3-7Thestatisticaltableofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityunder2．5meterwaterhead由表3—7中数据可知，随着微润管管长的增加，其渗水量逐渐减小。以第一组为例，第一米微润管每小时渗水量为49ml，而末端每小时渗水量为37mi，减小了约24．5％。微润管每米管长渗水量与其和进水口距离成反比关系，逐渐递减。将数据制成散点图，如图3—5所示。磊蓁增15r10。’一—————P1____·1。。。。046距离进水口距离／m◆第一组0第二组▲第三组图3—5一a每米微润管渗水量与进水口距离的关系图Fig．3-5一aTherelationalgraphofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance∞砸舳钙们弧∞筋加 河北工程大学硕士学位论文46810距离进水口距离／m图bFig．b图3-5．b每米微润管渗水量与进水口距离的关系图Fig．3-5一bTherelationalgraphofpermetermicroembellishtubewaterpercolatingcapacityandwaterinletdistance由图3-5可知，微润管每米渗水量与进水口距离也成反比关系，随着微润管管长的增长逐渐减小，可知其规律一样。为分析其关系式，对每米渗水量与距离进水口距离进行拟合，拟合同样分别采取对数函数、乘幂函数、线性函数这三种函数。通过采用这三种函数的拟合可以发现，三种函数的拟合效果都很好。对比拟合结果，使用对数函数的拟合效果最好，相关度达到0．9243以上，其次是线性函数和乘幂函数的拟合，相关度分别为0．8979和0．8825。故2．5m水头下，微润管每米渗水量与距离进水口的距离的函数关系可用对数函数进行拟合。3．1．3小结1)微润管单位长度单位时间的渗水量与水头成一元线性关系，随着水头的增大，微润管单位长度单位时问渗水量也增加。工作水头对微润灌流量有显著的影响，可知微润灌和其他的有压灌溉一样，流量的主要驱动力是工作水头大小u“。因而，压力水头对微润灌条件下土壤水分入渗的影响表现在以下两个方面：一是入渗界面的压力势会随着压力水头的变大而增大；二是土壤入渗界面承受的压力大小与压力水头大小呈正比，入渗界面压力的增大会导致土壤结构发生变化，进∞弱∞钙∞站∞弱加坫如 第三章试验结果分析而影响该区域的饱和导水率n8|。因此，可通过适当调节压力水头大小来调节微润灌湿润体体积的大小，当农作物根系较小时，降低工作压力水头以形成比较小的湿润体，以实现节水目的，随着农作物的生长，农作物的根系逐渐增大，可以通过增大压力水位来扩大湿润体的体积，使农作物根系一直处于湿润体范围内。2)单位长度微润管累计渗水量与时间成一元线性关系，随着时间的递增，单位长度微润管单累计渗水量也随之增加。单位长度微润管单位时间渗水量基本上一样，可知微润管的渗水量是一个和压力水头相关的恒量。3)不同水头下，微润管每米渗水量与进水口距离也成反比关系，随着微润管管长的增长逐渐减小。原因是微润管内管壁存在水流摩擦阻力，随着微润管距离增长，水头压力逐渐减小，从而导致微润管渗水量逐渐减小。微润管每米渗水量与距离进水口的距离的函数关系均可用对数函数进行拟合，拟合关系式为y=aLn(x)+b。3．2不同微润管埋深对其累计入渗量的影响水头为恒定1．5m，土壤分为砂壤土和轻壤土。在两种土壤中分别试验，埋深采取lOcm、15cm、20cm三种埋深。分别研究不同埋深对微润管单位长度累计入渗量的影响。经过试验，试验数据及分析结果如下。3．2．1砂壤土中不同微润管埋深对其入渗量的影响根据马氏瓶水位每天下降的刻度可以得到微润管此段时间内的入渗量，计算方法为马氏瓶下降的刻度乘以马氏瓶底面积即为微润管此段时间内的入渗量，从而可以得到单位长度微润管的入渗量和累计入渗量。将其记入表格，所得数据如表3—8。表3—8砂壤土中不同微润管埋深的单位长度累计入渗表Table3-8Thetableofdifferentmicroembellishtubeburieddepthperunitlengthcumulativeinfiltrationinsandyloam 河北工程大学硕士学位论文为分析数据的变化规律，将数据制成散点图如图3-6所示。12000．010000．08000．06000．04000．02000．00．0012345678910ll时间／天图3-2一I单位长度微润管累计渗水量与时间的关系Fig．3—2—1Therelationshipofunitlengthmicroembellishtubeaccumulatedwaterpercolatingcapacityandtime由表3—8和图3—6可知，埋深对单位长度微润管累计入渗量和入渗率具有明显的作用。在相同的灌溉时间内，单位长度微润管累计入渗量随着埋深的增大而减小心9|。在灌水1天后，埋深为lOam的单位长度微润管累计入渗量比埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量大l1．1％，埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量比埋深为20am的单位长度微润管累计入渗量大20．0％。在灌水2天后，埋深为lOcm的单位长度微润管累计入渗量比埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量大12．3％，埋深为15am的单位长度微润管累计入渗量比埋深为20am的单位长度微润管累计入渗量大34．2％。在灌水8天埋深为lOam的单位长度微润管累计入渗量比埋深为15am的单位长度微润管累计入渗量大22．1％，埋深为15am的单位长度微润管累计入渗量比埋深为20cm的单位长度微润管累计入渗量大38．0％。由表3—8可知，在灌水1天后，不同埋深10am、15am、20cm的流量分别为671．6ml／m／天、597．Oml／m／天、477．6ml／m／天。在灌水2天后，不同埋深10am、15am、20am的流量分别为944．Oml／m／天、828．3ml／m／天、544．8ml／m／天。在灌水8天后，不同埋深lOam、15cm、20cm的流量分别为1092．5ml／m／天、850．7ml／m／天、527．Oml／m／天。这充分说明微润管流量随着埋深的增大而减小，原因是随着微润管埋深增大，土壤压力对微润管的固持力也会增大，从而导致微润管的出流阻力增大，微润带流量则减小“9|。对散点图3—6进行拟合可以发现，单位长度微润管累计入渗量随着时间的增大而呈一次线性方程增大，拟合方程为{_[瘩＼咖缎<拳眯滟娶怒越半逍斟 第三章试验结果分析y：kx+b(3—2)式中，y为单位长度微润管累计入渗量，ml／m；x为累计时间，天；k，b为拟合参数，见表3-9。表3-9砂壤土单位长度微润管累计入渗量与时间关系的拟合系数表Table3-9Thefittingparametersofsandyloamunitlengthmicroembellishtuberelationshipbetweencumulativeinfiltrationamountandtime3．2．2中壤土中不同微润管埋深对其入渗量的影响试验方法和砂壤土情况下方法一样。根据马氏瓶水位每天下降的刻度可以得到微润管此段时间内的入渗量，计算方法为马氏瓶下降的刻度乘以马氏瓶底面积即为微润管此段时间内的入渗量，从而可以得到单位长度微润管的入渗量和累计入渗量。将其记入表格，所得数据如表3一lO。表3一10中壤土中不同微润管埋深的单位长度累计入渗表Table3—10Thetableofdifferentmicroembellishtubeburieddepthperunitlengthcumulativeinfiltrationinloam利用同样方法将数据制成散点图如图3—7所示。由表3—10和图3-7可知，其规律和砂壤土一样。埋深对单位长度微润管累计入渗量和入渗率具有明显的作用。在相同的灌溉时间内，单位长度微润管累计入渗量随着埋深的增大而减小n9|。在灌水0．7天后，埋深为lOcm的单位长度微润管累计入渗量比埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量大53．3％，埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量比埋深为20cm的单位长度微润管累计入渗量大29．2％。在灌水1．4天后，埋深为lOcm的单位长度微润管累计入渗量比埋深为15cm的单 河北工程大学硕士学位论文位长度微润管累计入渗量大33．3％，埋深为15am的单位长度微润管累计入渗量比埋深为20cm的单位长度微润管累计入渗量大31．1％。在灌水3。4天埋深为lOam的单位长度微润管累计入渗量比埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量大35．2％，埋深为15cm的单位长度微润管累计入渗量比埋深为20cm的单位长度微润管累计入渗量大22．0％。4时间／天10图3—7单位长度微润管累计渗水量与时间的关系Fig．3-7Therelationshipofunitlengthmicroembellishtubeaccumulatedwaterpercolatingcapacityandtime由表3—10可知，在灌水0．7天后，不同埋深lOam、15am、20cm的流量分别为639．6ml／m／天、298．5ml／m／天、211．3ml／m／天。在灌水1．4天后，不同埋深lOcm、15cm、20cm的流量分别为639．6ml／m／天、426．4ml／m／天、294．0ml／m／天。这充分说明微润管流量随着埋深的增大而减小。对散点图3-7进行拟合可以发现，单位长度微润管累计入渗量随着时问的增大而呈一次线性方程增大，拟合方程也为一元线性方程y=kx+b，式中，y为单位长度微润管累计入渗量，ml／m：x为累计时间，天；k，b为拟合参数，见表3—11。表3～1l砂壤土单位长度微润管累计入渗量与时间关系的拟合系数表Table3—1IThefittingparametersofsandyloamunitlengthmicroembellishtuberelationshipbetweencumulativeinfiltrationamountandtimey=kx+b埋深(cm)kbR20O0O0O0O0O0O05050505O5432lⅢ／IⅢ＼卿缎<拳哦拙婴挺越半堪斟 第三章试验结果分析3．2．3小结1)埋深对单位长度微润管累计入渗量和入渗率具有明显的作用。在相同的灌溉时问内，单位长度微润管累计入渗量随着埋深的增大而减小n9|。2)微润管流量随着埋深的增大而减小，原因是随着微润管埋深增大，土壤压力对微润管的固持力增大，从而导致微润管的出流阻力增大，微润带流量则减小[19]O3)单位长度微润管累计入渗量随着时间的增大而呈一次线性方程增大，拟合方程为一元线性方程y=kx+b。3．3不同的微润管埋深对湿润锋运移的影响湿润锋的运移分析主要分为水平x、垂直向上Y、垂直向下z三个方向上的湿润锋运移分析。本节主要分析不同的土壤下不同的微润管埋深下的湿润锋运移与时间的关系，并对两种土壤情况下的湿润锋运移进行对比。3．3．1砂壤土中不同埋深对湿润锋运移的影晌经过试验整理出数据如表3一12所示。表3—12不同埋深情况下湿润锋的运移数据表Table3—12Thedatatablesdifferentcasesofthewettingfrontdepthmigration表3—12-a、10em埋深情况下湿润锋运移数据表Table3—12一a、10cmdepthofwettingfronttransportdatasheet湿润锋向上入渗湿润锋水平入渗湿润锋向下入渗距离时间(天)距离(cm)距离(em)(cm)表3—12一b、15em埋深情况下湿润锋运移数据表Table3—12一b、15cmdepthofwettingfronttransportdatasheet 河北工程大学硕士学位论文表3—12一C、20cm埋深情况下湿润锋运移数据表Table3-12一c、20cmdepthofwettingfronttransportdatasheet有表3一12中数据可知：同一埋深情况下，湿润锋垂直向上方向上的入渗距离Y(t)基本上等于湿润锋水平方向上的入渗距离X(t)，而湿润锋垂直向下方向上的入渗距离Z(t)大于湿润锋水平方向上的入渗距离Y(t)，且随着入渗时间的增加湿润锋垂直向下方向的入渗距离z(t)越来越大幢0|。10cm埋深情况下，第1天湿润锋的距离比Y(t)：X(t)：Z(t)为l：1：1．13。第2天湿润锋的距离比Y(t)：X(t)：Z(t)为1：l：1．24。到第4天的时候垂直向上湿润锋已经大于10cm，所以往后垂直向上的湿润锋的入渗距离一直为10cm，第4天湿润锋的距离比Y(t)：X(t)：Z(t)为1：1．1：1．5。15cm埋深情况下，湿润锋距离比呈现同样的规律。第2天湿润锋的距离比Y(t)：x(t)：z(t)为1：1：1．26。第3天湿润锋的距离比Y(t)：X(t)：Z(t)为1：1：1．18。第4天湿润锋的距离比Y(t)：x(t)：Z(t)为1：1．04：1．28。到第10天的时候，垂直向上的湿润锋距离为15cm，开始冒出土表层，此时的湿润锋的距离比Y(t)：X(t)：Z(t)为l：l：1．33。由此可知，入渗刚开始时，入渗动力主要为土壤基势力吸力，三个方向上的运移距离大致相同。随着入渗时间的增加，垂直向下的湿润锋运移距离Z(t)比水平湿润锋运移距离X(t)大，可见此时重力势对湿润体湿润锋有很大的影响。因同一时刻垂直向上的湿润锋运移距离Y(t)与水平方向上的湿润锋运移距离X(t)大致相等，而垂直向下的湿润锋运移距离z(t)的增加速率大于水平方向的湿润锋运移距离x(t)的增加速率，湿润体形状的判别依据为湿润锋的宽深比Y，y为水平运移距离X(t)和垂直向下运移距离Z(t)的比值乜9|。入渗初期Y约等于1，此时湿润体形状大致为圆形。随着时间增加，Y值逐渐小于1，湿润体由圆形慢慢变为椭圆形。以10cm埋深的数据为例，Y(t)：X(t)：z(t)的比值由1：1：1．13增加到1：1：1．24，再到1：1．1：1．5，y值由0．88减小到0．81再到0．73。由此可知，微润管湿润体断面形状为微润管为中心的圆形，随着入渗时间的增加逐渐变为不规则的椭圆形。将表3—12中数据制成平滑线散点图如图3—8所示。 第三章试验结果分析E之艇1．12．1H骢<■足嚣罂舜20．015·。广10t0r5．oI+lOcm埋深斗15cm埋深+20cm埋深0．0L———————L-——————————————一024681012时间／天图3．8．a、湿润锋垂直向上入渗运移过程图Fig．3-8一aThewettingfrontmigrationprocessofverticalinfiltrationfigure目弋褪“H憩一<牛长墩罢鼎+10cm埋深+15cm埋深十20am埋深O24681012时间／天图3．8一b、湿润锋水平方向上运移过程图Fig．3—8一bThewettingfronthorizontalmigrationprocessdiagram昌≮褪衄H蝰’赠时间／天6810土lOcm埋深土15cm埋深土20cm埋深图3-9一a、湿润锋垂直向上入渗运移过程图Fig．3—9一aThewettingfrontmigrationprocessofverticalinfiltrationfigure3242086420 第三章试验结果分析旨＼键蓉憩<}姜嚣耍赙图3-9．b、湿润锋水平方向上运移过程图Fig．3—9-bThewettingfronthorizontalmigrationprocessdiagram时问／天壤土10cm埋深嚷土15cm埋深壤土20cm埋深图3-9一C、湿润锋垂直向下方向上运移过程图Fig．3—9一CThewettingfrontverticallydownwarddirectionmigrationprocessdiagram有图3—9可知，在相同灌水历时下，不同埋深情况下，各个方向上的湿润锋运移距离均随着时间的增加而增大。在灌水初期，三种埋深的湿润锋的扩散效率基本一致，随着时问的推移，扩散速率逐渐减小。对比三种埋深可以发现，在相同灌水历时下，埋深越大，对应的三个方向上的湿润锋运移距离也越大。单种埋深情况下，湿润锋个方向上的运移刚开始时速度比较快，随着入渗时问的增加，入渗速度逐渐降低。为了研究湿润锋各方向上的入渗距离与时间的关系，对10cm、15cm、20cm情况下各方向上的湿润锋入渗距离和入渗时问进行拟合，拟合同样采取乘幂函数(表3—12)，指数函数(表3-13)，对数函数(表3-14)这三种函数。64208642OIIlu＼砸鹫爨<正．叵嫩黑赠 河北工程大学硕士学位论文表3—12不同埋深下湿润锋各个方向上运移距离与时间的乘幂数函数拟合参数Table3—12Thehavebeenseveralfunctionfittingparametersofdifferentembeddeddepthofwettingfronttransportdistanceinalldirectionsandtime表3—13不同埋深下湿润锋各个方向上运移距离与时间的指数函数拟合参数Table3—13Theexponentialfunctionfittingparametersofdifferentembeddeddepthofwettingfronttransportdistanceinalldirectionsandtime表3—14不同埋深下湿润锋各个方向上运移距离与时间的对数函数拟合参数Table3—14Thelogarithmicfunctionfittingparametersofdifferentembeddeddepthofwettingfronttransportdistanceinalldirectionsandtime通过采用这三种函数的拟合结果可以发现，使用乘幂函数的拟合效果最好，拟合相关度能达到0．9869以上，对数函数的拟合相关度次之，拟合相关度为0．9566以上，指数函数的拟合效果相对最差，相关度只有0．9522。所以中壤土不同埋深下湿润锋各个方向上运移距离与时间的关系和砂壤土一样可用乘幂函数进行拟合，拟合公式为Y(t)=at6b，X(t)=at4b，Z(t)=at^b式中：X(t)为湿润锋水平方向上的入渗距离，cm：Y(t)为湿润锋垂直向上方向上的入渗距离，cm；z(t)为湿润锋垂直向下方向上的入渗距离，CIII；t为入渗时间，天；a、b为拟合系数，见表3—12。34 第三章试验结果分析3．3．3两种土壤情况下的湿润锋运移距离对比分析将以上砂壤土和中壤土两种土壤的各方向上的湿润锋运移数据进行总结，可得图3-10。图3—10两种土壤下不同埋深下湿润锋运移过程对比图Fig．3—10Thecontrastfigureoftwokindsofsoilwettingfronttransportprocessunderdifferentburieddepth20厂18卜_16r14卜12卜_10卜8r6『_4卜2卜0。·__。一O246时间／天_卜中壤土10cm埋深小中壤土15am埋深十中壤土20cm埋深_卜砂壤土10cm埋深—卜砂壤土15cm埋深+砂壤土20cm埋深图3．10．a湿润锋垂直向上入渗运移过程对比图Fig．3—10一aThecontrastfigureofwettingfrontmigrationprocessofverticalinfiltrationfigure20181614121086420+中壤土10cm埋深+中壤土15am埋深+中壤土20cm埋深_卜砂壤土10cm埋深-*-砂壤土15cm埋深+砂壤土20cm埋深24681012时间／天图3．10．b、湿润锋水平方向上运移过程图Fig．3—10一bThecontrastfigureofweaingfronthorizontalmigrationprocessdiagram35Ⅲ。＼随罂骢<叫厘避婴赠m。＼耀魁蝰<}*避罂列 河北工程大学硕士学位论文吕o＼键g熟<卜匠擞婴赠2550246810时间／天壤土10cm埋深壤土15cm埋深壤土20cm埋深壤土10cm埋深壤土15cm埋深壤土20cm埋深12图3—10一C、湿润锋垂直向F方向上运移过程图Fig．3—10一CThecontrastfigureofwettingfrontverticallydownwarddirectionmigrationprocessdiagram分析图3-10可知，在同一入渗时刻和同一埋深情况下，砂壤土各方向上的湿润锋入渗距离均大于对应埋深的中壤土的对应各方向上的湿润锋入渗距离。以灌水时间为4天为例，在湿润锋垂直向上方向上：砂壤土10cm埋深的入渗距离为10．0cm，中壤土10cm埋深的入渗距离为6．5cm，差值为3．5cm；砂壤土15cm埋深的入渗距离为12．5cm，中壤土15cm埋深的入渗距离为7．5cm，差值为5cm；砂壤土20cm埋深的入渗距离为14cm，中壤土20cm埋深的入渗距离为9．5cm，差值为4．5cm。将三个方向上的数据分别进行对比结果见表3—15。表3一15两种土壤下各方向的湿润锋运移距离对比表Table3—15Thecontrasttableoftwokindsofsoilunderthedirectionofthewettingfronttransportdistance表3—15-a、两种土壤下垂直向上方向上的湿润锋运移距离对比表Table3—15-aThecontrasttableoftwokindsofsoilunderverticaldirectionofthewettingfronttransportdistance 第三章试验结果分析表3—15-b、两种土壤下水平方向上的湿润锋运移距离对比表Table3-15-bThecontrasttableoftwokindsofsoilunderhorizontaldirectionofthewettingfronttransportdistance表3—15-c、两种土壤下垂直向下方向上的湿润锋运移距离对比表Table3—15．cThecontrasttableoftwokindsofsoilunderverticallydownwarddirectionofthewettingfronttransportdistance由表可知，在4天时和同一埋深情况下，砂壤土各方向上的湿润锋入渗距离均大于对应埋深的中壤土的对应各方向上的湿润锋入渗距离，且差值最大是垂直向下方向上。3．3．4小结1)入渗刚开始时，三个方向上的运移距离大致相同。随着入渗时间的增加，重力势对湿润体湿润锋影响开始体现垂直向下的湿润锋运移距离z(t)逐渐增大。2)微润管湿润体断面形状为微润管为中心的圆形，随着入渗时间的增加逐渐变为不规则的椭圆形。3)在相同灌水历时下，不同埋深情况下，各个方向上的湿润锋运移距离均随着时间的增加而增大。湿润锋各个方向上运移距离与时间的关系用乘幂函数进行拟合，效果良好。4)在同一入渗时刻和同一埋深情况下，砂壤土各方向上的湿润锋入渗距离均大于对应埋深的中壤土的对应各方向上的湿润锋入渗距离，且垂直向下方向上差值最大。3．4同种土壤中湿润体各方向上的土壤含水量的变化分析对湿润体的要求有两点，一是大小必须满足包裹植物根系的要求，二是湿润 河北工程大学硕士学位论文体里面的含水量要满足植物根系的需水要求，即最大田间含水率要小于田间持水率，最小含水率应大于凋萎系数(郭园裕1995)。所以分析湿润体内部土壤含水量的分布及其变化规律是有必要的，能为微润灌的大田设计提供参考依据，确保农作物生育期内需水要求。3．4．1三个方向上的土壤含水量随距离的变化规律由试验可知，湿润体内部的垂直向上、水平、垂直向下三个方向上的土壤含水量随着其与微润管中心的距离的增大而减小。为了分析其具体的变化规律，取1．5m水头下砂壤土中，20cm埋深在渗水8天时三个方向上的数据进行分析。数据如表3一16所示。表3—16三个方向上各点土壤含水量表Table3-16Thetableofeachpointsoilmoisturecontentonthethreedirections将表3-16中数据制成平滑线散点图可得图3—11。图3．11各点土壤含水量与微润管中心距离关系图Fig．3．11Thediagramofeachpointofsoilwatercontentandmicroembellishtubecenterdistance由图可知，随着距离的增大，湿润体内部垂直N_L、水平方向、垂直向下三 第三章试验结果分析个方向上各点土壤含水量总体呈降低的趋势。在相同距离情况下，垂直向下方向上的含水量大于水平方向上的含水量，垂直向上方向上的含水率最小。各点的含水量具有一定的相关关系，经过拟合分析可知，各点土壤含水量与距微润管中心距离之问符合二次函数关系，其关系式如下：0X=Axl+BX+C0y=AY2+BY+C0z=AZ2+彪+C(3．4．1．c)式中：0x水平方向的含水率，Or垂直向上的含水率，0z垂直向下的含水率，％：X为距滴头水平距离，Y为距滴头竖直向上距离，Z为距滴头竖直向下距离，cm；A、B、C为拟合系数见表3-17。表3-17二次函数关系的拟合系数表Table3—17Thefittingcoefficienttableofquadraticfunctionrelation由表中相关度可知，采用二次函数拟合效果良好，相关度达0．9912以上。其它情况下三个方向上的土壤含水量随距离的变化规律和以上分析一样。为验证此规律，利用1．5m水头下中壤土中，15cm埋深在渗水9天时三个方向上的数据进行分析。数据如表3—18所示。表3—18三个方向上各点土壤含水量表Table3一l8Thetableofeachpointsoilmoisturecontentonthethreedirections将表3一18中数据制成平滑线散点图可得图3一12。 河北工程大学硕士学位论文长＼删苌≤伍磷刊上Ⅱi地02468101214据微润管中心距离／cm垂直向上水平方向垂直向下16图3．12各点土壤含水量与据微润管中心距离关系图Fig．3—12Thediagramofeachpointofsoilwatercontentandmicroembellishtubecenterdistance由图可知，三个方向上的土壤含水量随距离的变化规律和以上分析一样。随着距离的增大，湿润体内部垂直向上、水平方向、垂直向下三个方向上各点土壤含水量总体呈降低的趋势。在相同距离情况下，垂直向下方向上的含水量大于水平方向上的含水量，垂直向上方向上的含水率最小。各点的含水量具有一定的相关关系，经过拟合分析可知，各点土壤含水量与距微润管中心距离之间符合二次函数关系。拟合系数如下表所示。表3—19二次函数关系的拟合系数表Table3—19Thefittingcoefficienttableofquadraticfunctionrelation3．4．2三个方向上各点的土壤含水量随入渗时间的变化规律入渗刚开始时，各点的含水量应该为供试土壤的初始含水量。当湿润锋到达待测点时，待测点的湿润锋逐渐增大，随着入渗时间的增加，待测点达到土壤的饱和含水量并趋于稳定。由于实验条件的限制，此试验无法持续的跟踪测定待测点的土壤含水量，只选取其中的几个代表性的时间点进行测定。故只能得到待测点在湿润锋到达至到达土壤饱和含水量中的一段时间内的含水量。其持续以中壤 第三章试验结果分析土中1．5m水头15cm埋深情况下，垂直向上方向和水平方向及垂直向下三个方向上的4cm点的土壤含水量随入渗时间的变化为例，数据如表3—20所示。表3—20各方向上4cm点的土壤含水量表Table3—20Thesoilmoisturecontentofeach4cmpointineachdirection由表3-20中数据可知，三个方向上4cm点处的含水量随着入渗时间的增加而增加。为分析其变化规律，将其制成散点图如图3一13所示。-▲◆-▲-◆▲◆垂直向上方向上4cm点-水平方向上4am点▲垂直向下方向上4am点LL——————．，—j，———．．—．——————．————————————————————————————————。L——————————————————————．——————。。————————————一L————‘_——————————，．．．．．．．．．——j0246810入渗时间／天图3．13三个方向上4cm点的土壤含水量与入渗时间的关系图Fig．3—13Thefigureofeachpointsoilmoisturecontentonthethreedirections由图可知，三个方向上的4cm点的土壤含水量随着入渗时间的增加而增加。经过拟合可知，土壤含水量和入渗时间关系为一次线性函数关系，拟合曲线为式(3．4．2)。0：幻+b(3．4．2)式中：0为土壤含水量，％；t为入渗时间，天；k、b为拟合系数，见表3—20。表3—20土壤含水量和入渗时间的拟合系数Table3—20ThefittingcoefficientofsoilmoisturecontentandinfiltrationtimekbR2垂直向上方向水平方向垂直向下方向0．50730．278l0．353818．383020．840019．04101．00000．99520．98824l∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞丝嬲毖扒加均心"坞坫96＼删*如醛叫《谁 河北工程大学硕士学位论文3．4．3小结1)随着距离的增大，湿润体内部垂直向上、水平方向、垂直向下三个方向上各点土壤含水量总体呈降低的趋势。在相同距离情况下，垂直向下方向上的含水量大于水平方向上的含水量，垂直向上方向上的含水率最小。各点土壤含水量与距微润管中心距离之间关系二次函数拟合，拟合效果良好。2)入渗刚开始时，各点的含水量应该为供试土壤的初始含水量。当湿润锋到达待测点时，待测点的湿润锋逐渐增大，随着入渗时间呈一次线性函数关系增加，待测点达到土壤的饱和含水量并趋于稳定。3．5本章小结1)单位长度微润管在空气中的单位时间渗水量与水头成一元线性关系，随着水头的增大，微润管单位长度单位时间渗水量也增加。微润灌和其他的有压灌溉类似，流量的主要驱动力是工作水头大小。2)单位长度微润管在空气中的累计渗水量与时间成一元线性关系，随着时问的递增，单位长度微润管累计渗水量也随之增加。单位长度微润管单位时间渗水量基本上一样，可知微润管的渗水量是一个和压力水头相关的恒量。3)不同水头下，微润管每米渗水量与进水口距离也成反比关系，随着微润管管长的增长逐渐减小。微润管每米渗水量与距离进水口的距离的函数关系均可用对数函数进行拟合，拟合关系式为y=aLn(X)+b。4)埋深对单位长度微润管累计入渗量和入渗率具有明显的作用。在相同的灌溉时间内，单位长度微润管累计入渗量随着埋深的增大而减小n9|。微润管流量随着埋深的增大而减小。5)单位长度微润管在土壤中的累计入渗量也随着时间的增大而呈一次线性方程增大，拟合方程为一元线性方程y=kx+b入渗刚开始时，入渗动力主要为土壤基势力吸力，三个方向上的运移距离大致相同。随着入渗时间的增加，重力势对湿润体湿润锋影响开始体现垂直向下的湿润锋运移距离Z(t)逐渐增大。因而微润管湿润体断面形状为微润管为中心的圆形，随着入渗时间的增加逐渐变为不规则的椭圆形。6)在相同灌水历时下，不同埋深情况下，各个方向上的湿润锋运移距离均随着时间的增加而增大。湿润锋各个方向上运移距离与时间的关系用乘幂函数进行拟合，效果良好。在同一入渗时刻和同一埋深情况下，砂壤土各方向上的湿润锋入渗距离均大于对应埋深的中壤土的对应各方向上的湿润锋入渗距离，且垂直向 第三章试验结果分析下方向上差值最大。7)随着距离的增大，湿润体内部垂直向上、水平方向、垂直向下三个方向上各点土壤含水量总体呈降低的趋势。在相同距离情况下，垂直向下方向上的含水量大于水平方向上的含水量，垂直向上方向上的含水率最小。各点土壤含水量与距微润管中心距离之间符合二次函数关系。入渗刚开始时，各点的含水量应该为供试土壤的初始含水量。当湿润锋到达待测点时，待测点的湿润锋逐渐增大，随着入渗时间呈一次线性函数关系增加，待测点达到土壤的饱和含水量并趋于稳定。43 河北工程大学硕士学位论文 第四章HYDRUS．2D在微润灌中的应用4．1Hydrus一2D软件简介HYDRUS2D是一个可用来模拟地下滴灌土壤水流及溶质二维运动的有限元计算机模型。该模型的水流状态为二维或轴对称三维等温饱和一非饱和达西水流，忽略空气对土壤水流运动的影响，水流控制方程采用修改过的Richards方程，即嵌入汇源项以考虑作物根系吸水。程序可以灵活处理各类水流边界，包括定水头和变水头边界、给定流量边界、渗水边界、自由排水边界、大气边界以及排水沟等。水流区域本身可以是不规则水流边界，甚至还可以由各向异性的非均质土壤组成。通过对水流区域进行不规则三角形网格剖分，控制方程采用伽辽金线状有限元法进行求解。无论饱和或非饱和条件，对时间的离散均采用隐式差分。采用迭代法将离散化后的非线性控制方程组线性化。HYDRUS一2D程序模块可以顺序嵌套调用，由以下七个基本模块组成：HYDRUS2D：主程序，定义系统的整个计算机环境。ProjectManager：该模块用来管理已建立的工程数据。GEOMETRY：该模块是一个可用鼠标或键盘图绘水流区域并输出的CAD程序，也可通过导入二进制文件的方式实现。MESHGEN2D：该模块用来将二维的水流区域离散成不规则的三角形网格。BOUNDARY：该模块用来让用户给定特定情况的初始和边界条件，以及取定观测点等。HYDRUS2：该模块是一个可用来模拟二维非饱和土壤水运动的FORTRAN程序。GRAPHICS：该模块用来将输出结果表示成图形。4．2利用Hydrus一2D进行模拟的步骤在了解并初步掌握Hydrus一2D的基础上，利用Hydrus一2D主要模拟三个方面的内容：1)湿润体和湿润锋随入渗时间的发展情况；2)湿润体垂直向上、水平、垂直向下三个方向上的土壤含水量与微润管中心距离的关系：45 河北工程大学硕士学位论文3)湿润体垂直向上、水平、垂直向下三个方向上固定测试点的土壤含水量随入渗时间的变化关系。下面以中壤土中1．5m水头下15cm埋深为例进行模拟分析。1)设置projectInformation(1)新建NewProject设置Name为“微润灌”，Description为“中壤土，l。5m水头15cm埋深”。然后单击下一步。如图4—1。(2)设置GeometryInformation将InitialWorkspace中的Max都改成100，其它采用默认参数，然后单击Next，如图4-2。图4-I图4-2Fig．4—1Fig．4—2(3)设置MainProcesses勾选“WaterFlow"选项，单击Next，如图4—3。(4)设置TimeInformation将TimeDiscretization中的FinalTime设置为9，其它的采用默认参数，然后单击Next，如图4—4。 第pq章HYDRUS．2D在微润灌中的应用幽4-3Fig．4-3(5)设置OutputInformation图4-4Fig．4—4将PrintTime中的count改成9，然后点击Update，为每天一组数据，其它的采用默认参数，然后单击Next，如图4—5(6)没置IterationCriteria勾选“InTheWaterContent”选项，其它的采用默认参数，然后单击Next，如图4-6图4．5Fig．4—5(7)设置Soi1HydraulicModel采用默认参数，如图4—7。(8)设置WaterFlowParameter图4．6Fig．4—6在Soi1中选择Loam，使用系统默认的参数，然后单击Next，如图4—8。47 河北T程人学颂I：学位论义图4—7图4．8Fig．4—7Fig．4—8(9)设置FE—MeshParameters采用默认参数，单击Next，再单击确定，如图4—9和图4—10。图4-9图4．10Fig．4-9Fig．4—102)设置DomainGeometry如图4—11，利用右侧的InsertObject画出所需模型，并沿上下左右是个垂直方向上画出四个观测点，如图4—12。图4—11Fig．4—113)设置PE—Mesh48图4一12Fig．4—12 第叫章HYDRUS．2D在微润灌中的应用此步骤为划分有限元网格，为使结果更精确，需重新定义边界点。单击下部的PE—Mesh，再单击InsertMeshRefinement，将边界点i殳置为80，微润管点设置为30，如图4—13。再单击GenerateFE—Mesh，生成有限元网格，如图4一14，单对iNr、xI，再单击确定。幽4-13l到4—14Fig．4-l3Fig．4—144)设置DomainProperties此步骤主要是设置观测点。双击ObservationNodes，选中所需要的观测点，然后单击右侧的Insert，即设置了所需的观测点，如图4—15。5)设置InitialConditions此步骤主要是设置土壤初始含水量。先选中所画模型，然后单击右侧的SetValues，将TopWaterContent设置为供试土壤的初始含水量0．08，如图4—16。图4—15图4—16Fig．4一15Fig．4一166)设置BoundaryConditions此步骤主要设置模型边界条件和微润管的渗水通量。如图4—17，将模型上边界设置为AtmosphericBoundary。将微润管边界设置为ConstantFlux，并将恒定流量设置为已测的0．9cm／day，单击确定。49鍪“]引—捌引刊刮刘熊甜誉签蘸～m#．=hrio=-h， },I．II：-E程人学顺l：学位论文图4．17Fig．4—177)程序运算点击Calculation，再单击下级菜单中的CalculationCurrentProject，程序丌始运算，如图4—18。运算完成后单击键盘enter键即完成运算。如图4—19，勾选右侧的F10WAnimation，可得到湿润体发展的动态效果。图4．18Fig．4-1850图4．19Fig．4—19 第pU章HYDRUS．2D在微润灌中的应用4．3Hydrus一2D软件模拟的结果分析4．3．1Hydrus一2D模拟湿润体和湿润锋随入渗时间的发展情况llydrus一2D软件可以模拟湿润体每天的发展情况和湿润锋的发展。图4-20至图4—24依次为湿润管入渗1天、2天、4天、7天、9天的湿润体入渗的发展图。图中右侧为湿润体的含水量图例。图4．20入渗第1天湿润体图唧Rezultz'faterConten．t■■■一■——■霉l滞囊镪誊#辩耕≈辨鬟，》黪舻qg黪黪9蜘。———一埘“0259mirt0100Tim*Ltyer扭垂i=亘!!‘．．f：℃?～磊≯⋯～⋯口F10wgaimationChartTool5团Crozx-SectionCh∞rt因BotmdexyLineChart酽1)izplayVdue=at1]odesFig．4—20Thefigureofthefirstdayinfiltrationmoistbody图4—2I入渗第2大湿洞体图VK睁·试哦·再th翻⋯；囊l—i豫25：l基苎越23”0l鬻誊．215l¨1。：叠≯0201l邈端8；l糕鐾黪；满l麓鍪鼗；淄l鎏登墼墼；i裂l零嬲嬲；：i“l1I；：高|”t,，i“n：：器|口r-。w*nimation|_Fig．4—2IThefigm‘eoftheseconddayinfiltrationmoistbody5渤纵垂暑撕叫研m嘞懈啪⋯m0 }elLr=程人学坝l：学位论文图4．22入渗第4天湿润体幽i兰厕i五了_——]iv*w·V*-。-·“t-n-t-⋯⋯—-⋯WaterCOrdent慧溪一辫l’jo20i囊擐荔嚣糍i．1Z攀鳓m吲mi“T1mehy*r0259D100Ch缸tTool￡盅■cr。ss-Secriot