基于HYDRUS-3D的涌泉根灌土壤入渗数值模拟

针对涌泉根灌流量大且出流边界为柱状,与传统滴灌、渗灌等存在很大差异的问题,依据非饱和土壤水动力学理论,并结合涌泉根灌条件下土壤水分运动特征,建立了具有柱状出流边界的入渗模型,利用HYDRUS-3D对模型进行求解,所建模型通过土壤剖面含水率随时间变化的实测值与模拟值的对比进行验证.结果表明:模拟值与实测值的相对误差在10%以内,两者具有较好的一致性,数值模拟结果可为涌泉根灌系统的合理设计及运行提供理论依据.通过数值模拟方法研究了流量、套管开孔长度对土壤含水率的影响,发现流量越大,水分运移速率越大,随着时间推移流量所引起的差异减小;灌水量相同时,灌水结束后土壤湿润体范围随流量增大略有减小;开孔区长度增加对湿润体形状、大小没有显著影响,但对土壤湿润体内水分分布状况影响较大.

涌泉根灌技术研究与应用

提出了一种新型涌泉根灌灌水方法,研究设计了一种灌水器,实现了直接将灌溉水输送到植物根系部位的研究目标,研制的涌泉根灌灌水器流态指数小于0.5,属紊流范畴.为了测得不同节水灌溉方式的应用效果,在陕北山地5年生枣树实施了管灌、滴灌和涌泉根灌等工程38.67hm2,对3种不同灌水方法的经济效益作了分析.结果表明,与不灌溉相比,管灌、滴灌和涌泉根灌的净增收入分别为4707.70,8446.00和10926.00元/hm2;管灌、滴灌和涌泉根灌每方灌溉水产值分别为1.90,11.30和14.60元/m3.涌泉根灌与滴灌相比,年成本降低2030元/hm2,净收入增加2480元/hm2,每方灌溉水产值提高3.30元/m3;涌泉根灌与管灌相比,年成本降低743.30元/hm2,净收入增加6218.30元/hm2,每方灌溉水产值提高12.70元/m3.不同节水灌溉方式均使得枣园净收入大幅度提高,尤其是涌泉根灌方式,净增值率高达235.0%.建议在山地经济林果中大面积推广应用涌泉根灌技术.

涌泉根灌肥液入渗水氮运移特性研究

为了提高涌泉根灌模式下水肥利用率,减少氮肥流失与深层渗漏,通过涌泉根灌肥液入渗田间试验,研究了不同肥液质量浓度涌泉根灌入渗湿润体及其水氮运移特性,揭示了涌泉根灌土壤入渗量和湿润锋运移距离随肥液质量浓度的变化关系;建立了不同肥液质量浓度涌泉根灌入渗量和湿润锋运移经验模型;分析了入渗湿润深度范围内肥液质量浓度分别对土壤NO-3-N和NH+4-N含量分布特性的影响。结果表明:肥液质量浓度增大,单位面积累计入渗量随入渗时间增加而增大,并且入渗量和湿润锋运移距离均与入渗时间呈极显著幂函数关系,决定系数分别达到0.98和0.96,均大于临界相关系数rα(0.605 5);入渗再分布阶段,肥液质量浓度41.7 g/L能更好地保证枣树根系水分的吸收,而不同肥液质量浓度对土壤氮素转化率影响有所不同,硝态氮转化率基本不明显,而肥液质量浓度为33.3 g/L时铵态氮转化率最高。

土壤容重对涌泉根灌土壤水氮运移特性的影响

在室内通过人工配置不同水平土壤容重(1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm^3),用土箱进行水肥入渗模拟试验,研究土壤容重对累积入渗量、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮运移的影响,建立以土壤容重和入渗时间为自变量,累积入渗量和各向湿润锋运移距离为因变量的经验模型。结果表明:土壤容重对累积入渗量、各向湿润锋运移距离及湿润体内水分和氮素的分布、转化均具有较为显著的影响。随着土壤容重的减小,累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体内水分、铵态氮及硝态氮含量均呈增大趋势。入渗系数K随着土壤容重的增大而减小,入渗指数α随着土壤容重的增大而增大;在同一时刻,湿润体内铵态氮和硝态氮含量的平均值、变化量及转化率均随着土壤容重的增大而增大。距离灌水器越近,铵态氮、硝态氮含量越高;湿润体内铵态氮分布主要集中在灌水器附近,随着再分布进行,湿润体内铵态氮含量、转化率逐渐减小,转化量逐渐增加。灌水结束、再分布3、5、10、15、20 d条件下,以灌水结束时刻为基准,铵态氮含量降幅依次为2.34%、11.41%、34.22%、59.06%和73.75%。湿润体内硝态氮分布区域与水分分布相似,随着再分布进行,湿润体内硝态氮含量、转化量逐渐增大,再分布15 d达到最大值;而转化率呈现出先增大后减小的趋势,再分布10 d转化率达到最大值。灌水结束、再分布3、5、10、15、20 d条件下,以灌水结束时刻为基准,湿润体内硝态氮含量依次增加0.76%、60.12%、156.95%、204.68%和180.51%。土壤容重对涌泉根灌土壤水分和氮素运移、分布及其转化的影响均较为显著。

涌泉根灌土壤湿润体运移模型

为了探明涌泉根灌土壤入渗湿润体运移的变化规律,以黏壤土为例,在室内选取不同土壤容重、初始含水率、灌水器套筒透水部长度和埋深等4个因素进行试验,研究这些因素对涌泉根灌土壤入渗湿润锋随时间运移关系的影响.结果表明:土壤入渗湿润锋运移速率随土壤容重的增大而减小,随土壤初始含水率的增大而增大,随套筒透水部管长的增长而增大,但不同埋深对灌水器湿润锋的推进速度无显著影响,涌泉根灌土壤入渗湿润体随时间的运移符合幂指数关系,幂指数在水平和垂直向分别为0.32和0.2.以此为基础分别建立了湿润锋在水平和垂直向运移距离的预测模型,并建立了包括土壤容重、初始含水率和灌水器套筒透水部长度的综合预测模型.用建立的综合模型对涌泉根灌土壤入渗湿润锋运移距离进行预测,并对预测值与试验值进行了比较后得出,综合模型的预测精度较高.

涌泉根灌对山地红枣产量与品质的影响

为探讨涌泉根灌灌水方式对红枣产量和品质的影响,采用8a生枣树,设涌泉根灌、滴灌、管灌3种方式和每株灌水20、80、160L3个灌水定额,测定了红枣的产量、可溶性糖、可溶性固形物及维生素C质量分数等品质指标。结果表明,涌泉根灌和滴灌在不影响红枣可溶性固形物、可溶性糖和含水率的情况下,灌水定额每株80L较20L、160L提高红枣维生素C质量分数。灌水定额每株80L时,涌泉根灌和滴灌较管灌显著提高红枣可溶性糖质量分数,但对其他品质指标无显著影响。灌水定额相同时,与管灌相比,涌泉根灌与滴灌显著提高红枣产量。在涌泉根灌和滴灌条件下,随灌水定额增加,初期产量增大,从每株80L到160L产量有降低趋势。表明涌泉根灌在不影响红枣品质的前提下,与滴灌的增产效果相近,是一种可行的灌水新技术。

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。

涌泉根灌土壤湿润体影响因素的试验研究

滴头流量、灌水量及埋深与土壤湿润体的关系是涌泉根灌设计的依据。通过室内土槽试验,研究了涌泉根灌的滴头流量、灌水量及滴头埋深对均质粘壤土湿润体变化的影响。结果表明:涌泉根灌土壤入渗湿润体在垂直向下距离和水平扩散距离均与灌水时间成幂函数关系,相关系数达到0.98以上;滴头流量和灌水器埋深对土壤入渗湿润体影响较大,而灌水量对土壤入渗湿润体无显著影响。

灌水器埋深对涌泉根灌土壤水氮运移特性的影响

为了提高涌泉根灌水肥的利用效率,采用大田入渗试验,探究了不同灌水器埋深条件下涌泉根灌土壤湿润锋运移、土壤水分及氮素分布的规律。结果表明,不同灌水器埋深对湿润锋运移距离以及扩散速率均具有较大的影响。随着灌水器埋深的增加,水平最大湿润峰和垂直湿润峰运移距离均呈递减趋势;湿润锋运移距离与入渗时间有显著的幂函数关系。灌水结束后,在灌水器处铵态氮及硝态氮量最高,距离灌水器越远,氮素量越低;随着再分布进行,铵态氮量逐渐升高,而硝态氮量逐渐降低。

肥液浓度对涌泉根灌土壤水氮运移特性的影响

为了提高涌泉根灌水肥的利用效率,采用室内土箱入渗试验,探究了不同肥液浓度(0,15,30,60g/L)条件下湿润锋运移、土壤水分及氮素分布的规律。结果表明:入渗相同时间时,随着肥液浓度的增大,湿润锋运移距离、湿润体内相同节点处的土壤含水率、铵态氮及硝态氮质量分数均增大;湿润锋运移距离与入渗时间具有显著的幂函数关系,其决定系数均达到0.99;随着肥液入渗再分布的进行,湿润体内含水率分布更加均匀,最大含水率位置下移,铵态氮量逐渐减小,再分布5d湿润体内硝态氮量达到最大值;硝态氮运移规律和水分相似,易随水分流失。该研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。

微纳米气泡水地下滴灌对紫花苜蓿土壤酶活性与根系脯氨酸的影响

为了探究微纳米气泡水地下滴灌条件下不同溶解氧质量浓度对紫花苜蓿土壤酶活性与根系脯氨酸的影响,采用田间试验方法,在地下滴灌灌溉定额相同的条件下设低(WA-1,1.8 mg·L^-1)、中(WA-2,5.0 mg·L^-1)、高(WA-3,8.2 mg·L^-1)3个微纳米气泡水溶氧量质量浓度水平和不加气常规灌溉处理(CK),研究了不同试验处理下紫花苜蓿根际土壤过氧化氢酶、脲酶活性以及根系特征和游离脯氨酸含量的变化。结果表明:微纳米气泡水地下滴灌能明显增加紫花苜蓿根区土壤过氧化氢酶和脲酶活性;在紫花苜蓿不同的生长期,随着微纳米气泡水溶解氧质量浓度的增加,土壤过氧化氢酶和脲酶活性呈增大的趋势;相同试验处理条件下,土壤过氧化氢酶和脲酶活性随着微纳米气泡水地下滴灌次数的增加呈先升后降的趋势;处理WA-3、WA-2、WA-1的土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性最大分别为20.28、19.19、16.92 ml·g^-1和13.98、13.17、12.07 mg·g^-1·d^-1,分别比处理CK(13.82 ml·g^-1和9.63 mg·g^-1·d^-1)增加46.74%、38.86%、22.43%和45.17%、36.76%和25.34%;微纳米气泡水地下滴灌能降低根系游离脯氨酸含量,处理WA-2根系游离脯氨酸含量最低(51.01μmol·g^-1),相较于处理CK(92μmol·g^-1),减少44.55%。说明微纳米气泡水地下滴灌能够缓解因长时间地下滴灌导致的土壤通透性减弱的现象,提高土壤氧气扩散率,增强土壤酶活性,促进根系的正常生长发育。

不同配套产品对涌泉根灌土壤湿润体特性影响

为了研究不同配套产品对涌泉根灌土壤入渗湿润体特性的影响,以黏壤土为例,采用PVC和PP棉2种材料,分别制作长度为10,15,20,25和30 cm的5个涌泉根灌配套套筒进行试验,分析涌泉根灌不同配套产品土壤入渗湿润锋随时间的运移关系.结果表明:2种材料的土壤表面水平湿润半径与时间的自然对数呈线性关系,表层土壤开始出现湿润的时间与套筒长度无关;2种材料的土壤最大水平湿润半径和湿润深度随套筒长度的增大而增大,并与时间呈幂函数关系,其中,PVC材料的水平和垂直向的幂指数分别为0.38和0.17;PP棉材料的水平向幂指数为0.40,垂直向幂指数随管长的增大而减小,并与管长呈线性关系.研究还建立了由表面水平湿润半径反演最大水平湿润半径和湿润深度的预测模型.经验证,模型预测精度较高.研究结果可为涌泉根灌不同配套产品的系统设计、田间布设间距和宽度等参数的确定提供参考.

涌泉根灌入渗特性影响因素

采用4种流量、3种开孔率及2种开孔长度进行了室内涌泉根灌土壤水分入渗特性试验研究。结果表明:涌泉根灌条件下,土壤水分除受重力势、毛管势以外还受套管内积水水头作用;湿润体内高含水区的范围随流量增大明显变大,但随着水分分布的梯度变大,均匀性降低;开孔长度增大后湿润体等值线水平向靠近入渗面进行收缩,垂向向上伸长,高含水区变化显著,等值线整体呈向上偏移趋势;套管开孔率增大使得湿润体内水分分布相对越均匀。

涌泉根灌条件下土壤水分运动数值模拟研究

依据非饱和土壤水动力学理论,采用计算机数值分析的方法,建立了涌泉根灌土壤水分三维入渗数值模拟模型,应用HYDRUS3D软件进行求解,得到了不同灌水流量下土壤水分运动规律。模拟所得土壤含水率与室内试验结果较接近,相对误差不超过12%。根据模拟结果分析涌泉根灌条件下土壤水分运动规律,分析了流量对湿润锋运移速率、最大水平扩散半径的影响。结果表明,土壤水分运动特征值随着流量的增大而变大,幅度随着时间的推移而减小,湿润体的最大水平扩散半径位置在孔洞底部以下5cm处;同一点处,随着灌水器流量的增大,湿润锋到达该点的时间越短,土壤含水率越大,增加的速率越快。

涌泉根灌交汇入渗对土壤水氮运移特性的影响

为提高涌泉根灌水肥的利用效率,通过野外肥液入渗试验,探究了不同灌水器间距(30,40,50,60 cm)条件下湿润锋运移、湿润体积、土壤水分及氮素分布的规律.结果表明:不同灌水器间距对湿润锋运移距离以及湿润体体积均具有较大的影响;随着灌水器间距的增大,水平最大湿润距离、产生交汇时间和湿润体体积均呈递增趋势,而交汇面处湿润深度和土壤氮素质量分数均呈减小趋势.灌水结束后,在灌水器处土壤水分及铵态氮量最高,交汇面处次之.随着再分布进行,湿润锋继续运移,湿润体增大,湿润体内氮素量逐渐升高;再分布1 d,湿润体基本达到稳定状态,再分布5 d,铵态氮量基本达到最大值,在观测的15 d内,硝态氮量一直处于持续增加状态.研究为涌泉根灌水氮高效利用奠定了基础.

涌泉根灌灌水器抗堵性能试验研究

为了研究大流道涌泉根灌灌水器的水力性能及抗堵性能,在微灌产品测试平台上对其进行了水力性能和短周期抗堵测试,并与常规迷宫流道灌水器进行比较。结果表明,涌泉根灌灌水器流态指数为0.517,制造偏差为3.5%,属优等产品;在含沙水条件下,其出水均匀性高于95%;经强制加沙试验验证,涌泉根灌灌水器与常规迷宫流道灌水器相比,具有较强的抗堵塞能力,并且该灌水器流量大,适合旱地经济林灌溉。

涌泉根灌灌水器螺纹流道水力特性研究

针对涌泉根灌灌水原理,提出了一种新型的螺纹式涌泉根灌灌水器,并运用Pro/E三维造型、CFD数值模拟、快速成形及试验验证等方法对该新型灌水器的水力性能进行了研究,得到了不同长度流道的压力流量关系曲线和内部压力、速度分布图。结果表明,该流道水力性能良好,流态指数约为0.5,处于紊流状态,消能形式以局部水头损失为主,试验验证得出的水力特征曲线与数值分析得出的水力特征曲线基本吻合,该研究结果为涌泉根灌产品开发提供了技术支撑。

灌水器流量对涌泉根灌土壤水氮运移的影响

为了提高涌泉根灌水肥一体化灌溉模式下水肥的利用效率,采用大田肥液入渗试验,探究了不同灌水器流量(4,6,8,10 L/h)条件下湿润锋运移、土壤水分及氮素分布的规律.结果表明:不同灌水器流量对湿润锋运移距离及湿润体内水分及氮素分布均具有较大影响,随着流量的增大,各向湿润锋运移距离均增大;灌水结束,湿润体内同一位置处的土壤含水率、铵态氮及硝态氮质量分数均伴随着灌水器流量的增大而增大,湿润体内水分分布相对越均匀;各向湿润锋运移距离均与入渗时间具有显著的幂函数关系,得到以湿润锋运移距离为因变量,入渗时间和流量为自变量的数学模型;灌水结束后随着入渗的继续进行,湿润体内水分及氮素进行再分配,再分布1 d,湿润体内水分分布更加均匀,达到田间持水量;再分布3 d,期间湿润体内水分及铵态氮量逐渐减小而硝态氮量增加.以上研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础.

灌水流量对涌泉灌及涌泉根灌湿润体影响的研究

为了研究相同灌水量条件下,不同灌水流量对涌泉灌及涌泉根灌湿润体的影响,以及二者的不同之处,进行了室内土壤水分入渗试验和理论分析。结果表明:入渗结束后,涌泉灌的湿润体形状是一个近似半球体,涌泉根灌的湿润体形状是一个近似半椭圆球体;灌水流量对涌泉灌湿润体的形状有显著的影响,流量越大,湿润体形状越扁平,但在一定流量范围内,灌水流量对涌泉根灌的湿润体形状无显著影响;在相同的灌水量和灌水流量条件下,涌泉灌在水平方向的入渗距离显著大于涌泉根灌,在垂直方向上的入渗距离显著小于涌泉根灌;相对于涌泉灌,涌泉根灌不易产生土壤表面积水,水分分布更深,入渗的水量更容易到达作物根区,减少了水分的无效蒸发,有利于作物对土壤水分的吸收。

涌泉根灌灌水器外套材料配方试验研究

针对目前涌泉根灌灌水器外套易裂的问题,利用注塑工艺,研究了不同温度环境下低密度聚乙烯LDPE中乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA含量对试样屈服应力、断裂应力及断裂伸长率的影响。结果表明:EVA含量为20%时,不同温度环境下试样的屈服应力、断裂应力及断裂伸长率最为接近。不同温度下LDPE中EVA含量对试样屈服应力和断裂伸长率的影响呈显著水平,而对试样断裂应力的影响不显著,所以,LDPE中加入20%左右的EVA可显著提高涌泉根灌灌水器外壳的抗裂性能,研究结果可直接应用于涌泉根灌灌水器外套材料的制作。