负压灌溉技术原理及其试验研究

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1、中国农业大学博士学位论文负压灌溉技术原理及其试验研究姓名：江培福申请学位级别：博士专业：农业水土工程指导教师：雷廷武20060601摘要水资源短缺已成为人们备受关注的全球性问题，并将成为经济和社会发展的制约因素。因此，寻求高效的节水灌溉方式对于提高水资源利用效率具有非常重要的理论和实践意义。为有效地调控和利用水．土一作物关系进行农业生产，及解决岩质边坡的生态恢复、屋顶绿化等工程项目中的灌溉问题。本文提出了一种新型的负压灌溉技术。理论分析了负压灌溉系统的基本工作原理；设计相关试验，研究了不同因素对负压灌溉系统的影响：并提山了相应的测量田间持水量的方法。研究取得了如下结果和创新

2、。从土壤水的能量分析，当负压作用水头保持在一定范围内时，负压灌溉在理论上是可行的。其基本工作原理是，由于田间蒸散消耗土壤水分使得土壤水势降低，土壤基质吸力将水分从高程低于灌水器的水源中主动“吸入”土壤；土壤水吸力导致的灌水器内外水势差为负压灌溉的驱动力，无需提水加压设备。实际系统由灌水器、水源以及连接两者的输水管组成。由于系统在负压下工作，灌水器必须具有“透水不透气”的特性，如此构成了低于大气压的系统中的水可以进入土壤而空气不会进入系统的条件。负压作用水头越大，系统出水效率越高；受真空吸上高度限制，其理论最小值约为-lO．33m，但试验结果表明负压作用水头适用范围最好控制在

3、一1m～Om。粘壤土入渗和湿润速度均明显大于砂壤土，这是由于基质势相同时，粘粒含量高的土壤具有更大的非饱和导水率和更大的过水断面。纤维灌水器较陶土灌水器出水效率高，与纤维灌水器孔隙结构尺寸比陶土灌水器更能与土壤紧密结合、较好地保证了灌水器和土壤间空隙的连通性有关。薄层土壤水分运动为平面非饱和流，可简化为柱坐标下沿半径方向的一维水分运动模型。试验结果表明负压作用水头越大、灌溉土壤粘性越重，负压灌溉系统的入渗和湿润速度均越大；而土壤初始含水率越大，系统的入渗速度越小，湿润速度却越大。盆栽试验从实践上验证了负压灌溉系统的可行性。同时，也体现了负压灌溉系统的一些特殊优点，如无需提水

4、加压设施、系统无需人工管理自行工作、自我调控功能等。本文还提出了一种利用负压灌溉原理测量田间持水量的新方法，分析了其基本原理，并选取五种土壤进行初步验证试验。该方法利用土壤基质势将水主动“吸入”土壤，使士样含水量达到毛管所能吸持的最大含水量而无重力水，即田间持水量，其测量过程为土壤水分特征曲线的吸湿过程。试验结果表明该方法测田间持水量是可行的，并与威尔科克斯法相比，其测量值略小，这主要是由土壤本身特性决定的滞后作用所引起的。与传统测量方法相比，负压法具有更适合测量质地不是很粗的土壤、测量时间短、测量结果更接近局部灌溉下实际情况等优点。在水资源短缺日趋严重的今天，无论是负压灌

5、溉新技术，还是利用负压原理测量田间持水量的新方法，都将具有广阔的利用前景和实用价值。关键词：负压灌溉，纤维，陶土，灌水器，田间持水量significanceinimprovingwateruseefficiency．Toeffectivelyregulateandmakeuseofsoil—plantwaterrelationsforagriculturalproduction，toprovideirrigationtothevegetativecoversofrock-cutsalongroadsidesandgardensonbuildingroofs，anewirri

6、gationmethod，theNegativelyPressurizedIrrigation(NPI)wasadvancedbasedonthepn’ncipleofsoilwaterdynamics．AseriesofexperimentswereconductedtoquantifytheeffectsofvariousfactorontheferformencesoftheNPIsystem．AnewmethodassociatedwiththisNPIforrapiddeterminationoffieldcapacityWasalsoadvancedinthis

7、study．Themainresultsincludethefollowing．Itisknown，fromthesoilwaterenergy,thatwhenwaterismaintainedatacertainlevelofnegativepressure，N'PIispossible．Itworksasthefollows．Withloweredsoilwaterpotentialcausedbyevapoptraspiration，soilmatricsuctioncouldactivelyabsorbw