膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究

1、    膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究            作者：费良军1，李发文1，时间：2007-11-25 12:10:00                     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

2、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

3、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1-3，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4-8，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

4、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

5、，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g(%)土壤容重rd/(g/cm3)物理性粘粒含量(%)饱和导水率s/(cm/min)

6、粗沙土粉土粉质粘土 0.391.941.87 1.651.301.45 2.4329.7049.60 2.73×10-33.80×10-52.17×10-5  2 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

7、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 试验装置示意图2 膜孔交汇入渗湿润锋曲线（t=30min）图3 膜孔交汇入渗湿润锋曲线（t=90min）    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RZ=AtB(1)式中：A，B为拟合参数。    利用式(1)对图4资料拟合得：d=20

8、mm, RZ=1.5057t0.3150, R2=0.9962；d=30mm, RZ=1.5975t0.3290, R2=0.9991；d=36mm，RZ=1.7651t0.3287, R2=0.9927；d=50mm, RZ=1.9359t0.3452, R2=0.9947。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。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

9、函数和线型函数关系，设A=adb,B=kt+L。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 RZ=AtB=adb·t(kt+L)(2)    在图4试验条件下RZ=0.6353d0.2822·t(0.001d+0.2967)。Rx=(1-)·(d/2+mtn)+·S0(3)式中：d为膜孔直径(cm)；t0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

10、渗水平湿润锋运移曲线    利用式(3)对图5资料拟合得：d=2.0cm, RX=(1-)·(1.0+0.8981t0.3653)+5.6·,R2=0.9883；d=3.0cm, RX=(1-)·(1.5+1.0043t0.3546)+5.6·,R2=0.9910；d=3.6cm, RX=(1-)·(1.8+1.1223t0.3627)+5.6·,R2=0.9979；d=5.0cm, RX=(1-)·(2.5+1.2023t0.3143)+5.6·,R2=0.9860。经分析

11、，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m=edf、n=Pd+h关系，则RX=(1-)·(d/2+edftpd+h)+5.6·(4)式中：e、f、p、h为拟合参数。    则试验条件下RX=(1-)·(d/2+0.7136d0.3302t-0.0165d+0.4053)+5.6·。2.2 膜孔间距对湿润体特性的影响3、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，不同膜孔间距的垂直湿润锋运移距离基本相同，

12、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（S=11.2cm）2.3 土壤容重对湿润体特性的影响图8 不同膜孔间距的水平湿润锋运移曲线图9

13、 不同土壤容重的垂直湿润锋运移曲线< 3 结论    （1）膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离随着膜孔直径的增大而增大；膜孔间距的变化对膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离影响不大；土壤容重愈大，其膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离愈小；土壤质地愈粗，其垂直湿润锋运移距离愈大；土壤初始含水率愈大，其膜孔单向交汇入渗垂直湿润锋运移速度愈小。（2）膜孔单向交汇入渗的水平湿润锋在发生交汇入渗前属于自由入渗，其运移的距离随着膜孔直径的增大而增大；土壤容重和初始含水率愈大，膜孔单向交汇入渗的水平湿润锋运移距离愈小；土壤质地愈粗，其水平湿润锋运移距离愈大；

14、土壤初始含水率愈大，其水平湿润锋运移距离愈小。当膜孔入渗发生交汇后，其水平湿润锋运移距离随各影响因素的变化而保持不变。参 考 文 献：1 付琳. 滴灌时的土壤浸润状况 J. 灌溉排水，1983，(3)：36-45.2 刘晓英. 滴灌条件下土壤水分运动规律的研究 J. 水利学报，1990，(1)：11-21.3 Shu-Tung Chu.Green-Ampt analysis of wetting patterns for surface emitters J. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1994, 120: 414-4214 吴军虎. 膜孔灌溉入渗特性与技术要素实验研究 D. 西安：西安理工大学，2000.5 徐首先，