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水利工程论文-膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究.doc

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水利工程论文-膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究.doc

水利工程论文膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究摘要通过大量膜孔单向交汇入渗试验资料,分析了膜孔单向交汇入渗湿润体特性的主要影响因素,研究了膜孔直径、间距、土壤容重、土壤质地和土壤初始含水率对膜孔单向交汇入渗的影响,结果表明各因素对膜孔单向交汇入渗湿润体特性均有明显的影响。这些研究成果为进一步研究膜孔单向交汇入渗规律和膜孔灌技术奠定了基础。关键词膜孔灌膜孔单向交汇入渗湿润体影响因素膜孔灌溉是利用地膜输水,通过作物孔和专用灌水孔入渗进行灌溉的一种节水型地面灌溉新技术。膜孔灌入渗为充分供水条件下的三维点源入渗,它不同于滴灌条件下的非充分供水点源入渗。根据农业地膜栽培和种植规格,膜孔入渗分为3种类型第1种为作物的行距和株距都很大的膜孔自由入渗第2种为作物的行距相对株距很大时,只在作物行方向膜孔间发生入渗交汇干扰,称之为膜孔单向交汇入渗第3种为作物的行距和株距均较小,在入渗过程中,膜孔将受到周围膜孔入渗的干扰作用,称之为膜孔多向交汇入渗。研究膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素是进行膜孔灌技术要素研究的基础,近年来,国内外对滴灌条件下的点源入渗特性进行了大量研究13,而关于膜孔自由入渗湿润体特性影响因素国内仅进行了初步探讨48,直至目前尚未见到国外对此问题的研究报导。膜孔单向交汇入渗比膜孔自由入渗复杂得多,目前对膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究很少7。因此,开展膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究具有重要的理论价值和生产实际意义。1试验条件膜孔单向交汇入渗室内试验装置如图1所示。试验土箱采用12mm厚的透明有机玻璃板制作,土箱高AB为40cm,长ad为40cm,宽AD为24cm,aD宽12cm,利用在abcd处加隔板可模拟农田株距为12cm和24cm,行距为80cm的膜孔单向交汇入渗。由于2个膜孔直径相同,且同时开始供水入渗,所以湿润锋及湿润土体的土壤含水率分布均关于abcd面对称,因而abcd面为膜孔交汇界面,即零通量面,为此试验中利用装置的一半就可以达到模拟试验的要求。因此,试验在土箱中土壤表层覆膜,为了模拟膜孔和便于观测湿润锋的发展过程,入渗膜孔采用1/4膜孔面积的方形水室,并置于土箱的一角,因而abCD为膜孔中心界面。试验利用带有刻度的截面积为10cm2的马氏瓶进行自动供水,并保证方形水室中具有恒定的积水层高度,以达到充分供水的点源入渗,每次试验前,给马氏瓶装水,并用皮管将马氏瓶与土箱供水管相连,试验开始后,打开阀门,以分钟为单位,时间间隔先短后长,由马氏瓶的刻度读取入渗水量,并进行入渗量控制。试验土样经风干、粉碎、过筛,按预定的含水量配水后分层装入试验土箱,试验所用土壤的基本物理参数见表1。表1土壤基本物理参数土壤质地风干土重量含水率θg土壤容重rd/g/cm3物理性粘粒含量λ饱和导水率Ks/cm/min粗沙土粉土粉质粘土0.391.941.871.651.301.452.4329.7049.602.731033.801052.171052膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素影响膜孔单向交汇入渗湿润体特性的主要因素有膜孔面积、膜孔间距、土壤容重、土壤质地和土壤初始含水率等。2.1膜孔面积对湿润体特性的影响2.1.1膜孔面积对湿润体形状的影响图2和图3表示粉土在膜孔直径为3.6cm、土壤容重为1.30g/cm3、膜孔中心距为11.2cm、初始含水率为1.94%的膜孔单向交汇入渗在入渗时间分别为30min和90min的湿润体形状剖面图,图中d为膜孔直径。可以看出在相同入渗时间内,不同膜孔直径的湿润锋运移距离不同,随着膜孔直径的增大,湿润锋推移距离愈大,膜孔入渗交汇时间随膜孔直径的增大而减小。在入渗图1试验装置示意30min时,膜孔直径为3.6cm和5.0cm的膜孔已发生交汇入渗,而膜孔直径为2.0cm和3.0cm的膜孔入渗还处于自由入渗阶段,随着入渗历时的延长,直径为3.0cm和2.0cm的膜孔也先后发生交汇入渗,在入渗历时90min时,4种直径的膜孔均处于交汇入渗阶段。图2膜孔交汇入渗湿润锋曲线(t30min)图3膜孔交汇入渗湿润锋曲线(t90min)2.1.2膜孔面积对垂直湿润锋运移的影响图4为对应于图2的不同膜孔直径的垂直湿润锋运移曲线。可以看出不同膜孔直径的膜孔入渗湿润深度均随着入渗时间的延长而不断增大,但是湿润锋运移曲线随入渗时间的延长而变缓,说明湿润锋推进速度随着入渗时间的增长而逐渐减小在相同入渗时段内,垂直湿润锋运移距离随着膜孔直径的增大而增大。这主要是由于在相同条件下,随着膜孔直径的增大,膜孔入渗的侧渗作用在整个入渗中的比重愈小,使单位膜孔面积入渗量增大,从而垂直湿润锋运移的距离愈大。经分析不同膜孔直径的膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离RZ与入渗时间t之间符合幂函数规律,即RZAtB1式中A,B为拟合参数。利用式1对图4资料拟合得d20mm,RZ1.5057t0.3150,R20.9962d30mm,RZ1.5975t0.3290,R20.9991d36mm,RZ1.7651t0.3287,R20.9927d50mm,RZ1.9359t0.3452,R20.9947R2均大于0.99,说明膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离RZ与入渗时间t之间具有良好的幂函数关系。可以看出在其它条件相同情况下,随着膜孔直径的增大,系数A依次增大,而指数B变化不大。经分析膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移参数A、B与膜孔直径d之间分别符合幂函数和线型函数关系,设Aadb,BktL。式中a,b,k,L为拟合参数,d为膜孔直径。则膜孔单向交汇入渗的垂于湿润锋运移距离RZ为RZAtBadbtktL2在图4试验条件下RZ0.6353d0.2822t0.001d0.2967。2.1.3膜孔面积对水平湿润锋运移的影响图5为对应于图2的不同膜孔面积的水平湿润锋运移曲线。可以看出膜孔直径愈大,交汇时间愈短,当发生交汇后,随着入渗时间的延长,而水平湿润锋保持不变。经分析研究膜孔单向交汇入渗水平湿润半径与入渗时间t的关系为Rx1αd/2mtnαS03式中d为膜孔直径cmt0为交汇时间m,n为拟合参数S0为膜孔中心距的一半参数。图4膜孔单向交汇入渗垂直湿润锋运移曲线图5膜孔交汇入渗水平湿润锋运移曲线利用式3对图5资料拟合得d2.0cm,RX1α1.00.8981t0.36535.6α,R20.9883d3.0cm,RX1α1.51.0043t0.35465.6α,R20.9910d3.6cm,RX1α1.81.1223t0.36275.6α,R20.9979d5.0cm,RX1α2.51.2023t0.31435.6α,R20.9860。经分析,膜孔单向交汇入渗水平湿润锋拟合参数m、n与膜孔直径d之间符合medf、nPdh关系,则RX1αd/2edftpdh5.6α4式中e、f、p、h为拟合参数。则试验条件下RX1αd/20.7136d0.3302t0.0165d0.40535.6α。2.2膜孔间距对湿润体特性的影响2.2.1膜孔间距对垂直湿润锋的影响图6表示粉土在膜孔直径为3.6cm、容重为1.3g/cm3、初始含水率为1.94时,不同膜孔间距的膜孔单向交汇入渗膜孔中心处的垂直湿润锋运移曲线,图中S表示膜孔间距。可以看出在相同入渗时段内,不同膜孔间距S的垂直湿润锋运移距离基本相同,说明膜孔入渗交汇阶段对膜孔中心垂直湿润锋运移特性影响不大,而对交汇界面处湿润锋运移特性影响较大。图7为对应于图6的垂直湿润锋运移速率曲线,t0为膜孔入渗交汇时间。可以看出在发生交汇后,膜孔中心处的垂直湿润锋运移速率比交汇界面处的垂直湿润锋运移速率慢,这主要是由于交汇界面为零通量面,水平方向的湿润锋运移受到限制而使垂直湿润锋运移速率加大。图6不同膜孔间距的垂直湿润锋运移曲线图7垂直湿润锋运移速率曲线(S11.2cm)2.2.2膜孔间距对水平湿润锋的影响图8表示对应于图6的不同膜孔间距的水平湿润锋运移曲线,S表示膜孔间距。可以看出不同膜孔间距对水平湿润锋运移的影响主要通过交汇时间的不同来体现。水平湿润锋运移分为自由入渗阶段和交汇入渗阶段,在其它条件相同的情况下,不同膜孔间距的入渗在发生交汇之前为自由入渗规律,膜孔间距越大,则水平自由入渗运移阶段时间越长,在水平湿润锋到达交汇界面时开始交汇入渗阶段,这时水平湿润锋运移距离不再加大,但湿润体内土壤含水量在不断变化,此时主要影响交汇界面处的垂直湿润锋运移速率。2.3土壤容重对湿润体特性的影响2.3.1土壤容重对垂直湿润锋的影响图9表示粉土在膜孔直径为3.6cm、膜孔间距为11.2cm、土壤质地为粉土、初始含水率为1.94%时,不同土壤容重的垂直湿润锋运移曲线。可以看出在相同入渗时段内,垂直湿润锋运移的距离随着土壤容重的增大而减小。这主要是由于在相同条件下,随着土壤容重的增大,土壤愈密实,土壤空隙率减小,土壤入渗能力愈低,从而垂直湿润锋运移距离愈小。图8不同膜孔间距的水平湿润锋运移曲线图9不同土壤容重的垂直湿润锋运移曲线经分析不同土壤容重rd的膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离RZ与入渗时间t之间符合幂函数规律,对图9资料拟合得rd1.20g/cm3,RZ1.8424t0.3270,R20.9938rd1.30g/cm3,RZ1.7651t0.3287,R20.9927rd1.35g/cm3,RZ1.7054t0.3271,R20.9926rd1.40g/cm3,RZ1.6826t0.3235,R20.9982。上述相关系数R2均大于0.99,说明膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离RZ与入渗时间t之间具有良好的幂函数关系。在其它条件相同情况下,随着土壤容重rd的增大,系数A依次减小,而指数B基本不变。

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