不同灌溉方式入渗条件下的土壤空气阻渗特性试验研究

摘要

本文在查阅国内外大量相关文献资料的基础上，结合国家自然科学基金等项目，采用室内外试验和理论分析相结合、以室内试验为主的技术路线，利用自行研制的试验设备主要研究了一维垂直入渗、二维入渗和三维入渗条件下禁锢土壤空气压力的影响因素和禁锢土壤空气压力的阻渗特性。主要研究成果为： (1)研究了重粉质粘土、壤土和砂壤土一维垂直常规入渗过程中禁锢土壤空气压力的影响因素、禁锢土壤空气压力变化规律及其对入渗的影响。研究表明，入渗过程中禁锢土壤空气压力变化可分为初始阶段、过渡阶段和稳定阶段，提出了各阶段禁锢土壤空气压力变化和阻渗特性，建立了一维垂直常规入渗指数和入渗系数与土壤干容重、初始土壤含水率二次函数关系；土壤干容重和水层深的交互作用对入渗参数的影响最大，土壤初始含水率对入渗参数的影响最小；禁锢土壤空气压力与地表水深之间为指数函数关系。 (2)研究了一维垂直恒压入渗禁锢土壤空气压力对入渗的阻渗作用。恒定土壤空气压力入渗将受到土壤干容重、初始土壤含水率、水层深和禁锢土壤空气压力的影响，本文分别建立了kostiakov入渗指数和入渗系数与土壤干容重、初始土壤含水率、水层深和禁锢土壤空气压力的二次函数关系式，将禁锢土壤空气压力阻渗作用分为单纯力的作用和粘滞力的作用两部分，分别建立了恒定土壤空气压力条件下累积入渗量与入渗时间、湿润深度与入渗时间及湿润深度与入渗水量之间的数学模型。 (3)研究了沟灌及膜缝灌水土壤湿润过程、土壤入渗中禁锢土壤空气压力的影响因素及其阻渗作用，建立了入渗过程中禁锢土壤空气压力与入渗时间的函数关系；二维入渗禁锢土壤空气压力大小为0～4.8cm水柱，禁锢土壤空气压力通常存在于水层正下方，压力等值线图相对较为密集，距中心位置越远，等值线图越稀，禁锢土壤空气压力主要出现在湿润区，在禁锢土壤空气压力作用下土壤中含水量仅相当于无禁锢土壤空气压力的84.15％～89.68％，即土壤中总水量将减少10.32％～15.85％，在相同初始土壤含水率时，禁锢土壤空压力减小入渗量为17.00％～20.01％。 (4)研究了膜上灌水条件下小麦、棉花田间土壤水、土壤空气和土壤温度、作物生理效应等，表明膜上灌水形成表层土壤的白天——夜间干湿交替变化，在膜下形成凝结(液化)——汽化(蒸发)——凝结——汽化“小循环”，使土壤深层水分逐渐向上层聚积，并为明显的“V”型分布，膜孔灌比无膜(畦灌)沟灌近地表温度平均高出约4.3℃左右，而比沟畦灌地表空间温度高3.6℃左右，使棉花灌溉水的利用率提高，产量增加了约8～12％，地膜覆盖减少了小麦生长无效水量消耗量约9.2mm，生育期缩短了7～14天。 (5)研究了膜孔点源及地下滴灌点源入渗规律及禁锢土壤变化规律，得出了点源入渗过程中禁锢土壤空气压力仅为0～3mm，仅发生在入渗过渡区，地表点源入渗8min后，点源下5cm位置开始出现1mm水柱土壤空气压力，地下点源入渗10min后，在点源正下方5cm存在1～3mm水柱禁锢土壤空气压力，对入渗的顶托作用及滞后作用是不能忽略的。 (6)建立了考虑禁锢土壤空气压力影响的green-ampt修正数学模型，经过对一维垂直入渗实验资料验证，模拟计算结果与实测值一致性较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1灌溉入渗研究现状

1.2.2禁锢土壤空气对入渗影响的研究现状

1.2.3入渗模型研究现状

1.3土壤水分运动参数研究进展

1.4存在问题

1.5主要研究内容

1.6研究方法与技术路线

2禁锢土壤空气压力对一维垂直入渗特性的影响

2.1试验材料与装置

2.1.1试验材料

2.1.2试验装置

2.1.3试验方法

2.2试验成果分析

2.2.1入渗影响因素确定

2.2.2试验方法

2.2.3常规入渗试验成果

2.2.4恒定土壤空气压力试验成果

2.2.5一维垂直入渗水气体含量变化

2.2.6禁锢土壤空气压力时间滞后作用

2.3本章小结

3二维入渗禁锢土壤空气压力对入渗的影响

3.1试验装置

3.2试验方法

3.2.1二维入渗试验要素分析

3.2.2试验方案

3.2.3试验方法

3.3试验成果分析

3.3.1膜缝灌入渗规律

3.3.2膜缝灌水条件下禁锢土壤变化规律

3.4沟灌入渗特性

3.4.1试验成果分析

3.4.2禁锢土壤空气压力变化规律

3.4.3禁锢土壤空气压力对沟灌入渗的影响

3.5本章小结

4三维入渗禁锢土壤空气压力影响特性

4.1试验材料与装置

4.1.1试验材料

4.1.2试验装置

4.2试验方法

4.2.1点源入渗试验要素

4.2.2膜孔入渗特性

4.3地下点源入渗

4.3.1试验方法

4.3.2试验成果分析

4.4膜上灌的生态环境效应

4.4.1试验材料及方法

4.4.2膜上灌水效应

4.5本章小结

4.5.1湿润区特点

4.5.2禁锢土壤空气压力大小及变化

4.5.3禁锢土壤空气压力对入渗的影响

4.5.4膜上灌水效应

5考虑禁锢土壤空气压力影响的入渗数学模型

5.1模型建立

5.1.1土壤入渗模型建立

5.1.2模型建立

5.1.3模型检验

5.2禁锢土壤空气压力影响

6总结与建议

6.1总结

6.2建议

致谢

参考文献

附录