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无压地下灌溉和间接滴灌水分运移规律与节水增产机制研究

赵伟霞  
【摘要】:无压地下灌溉是类似于地下滴灌,但其首部供水压力近似为零的新型节水灌溉技术。间接滴灌是以地表滴灌的方式铺设管道而实现地下滴灌灌水效果的新型节水灌溉技术。灌水时二者的本质区别是水分运移过程中重力作用和渗透边壁的差异,及其产生的湿润体形状、含水率分布等方面的不同。本文采用室内试验、大田试验和理论分析相结合、以室内试验为主的技术路线,研究了无压地下灌溉技术灌水后的土壤水分入渗特点和灌水均匀度;利用场的概念建立了无压地下灌溉湿润体内含水率和湿润体特征值定量化模型;通过无压地下灌溉技术的温室大棚应用试验,研究了灌溉水量对温室番茄生长的调控作用和机理;利用间接滴灌技术灌水过程中的水量平衡原理和恒定水头井求解土壤饱和导水率的稳态原理,建立了间接滴灌适宜滴头流量和导水装置规格尺寸的技术参数模型;利用所建立的模型,研究了间接滴灌水分运移规律,并对模型中所用的稳态原理和土壤参数的获取方法进行了相应的研究。主要研究成果为: (1)通过对无压地下灌溉土壤水分运移规律的室内试验研究,探明了主要靠基质势作用的土壤水分运移规律。研究结果表明,当供水压力在小范围内波动(小于等于6cm,大于等于-6cm)时,灌水器出水和土壤中水分运移的主要驱动力是土壤基质势,而水的重力作用几乎可以被忽略。因此土壤湿润体形状表现为球体或球冠;湿润体体积为灌溉水量的函数;湿润体内含水率分布表现为在以灌水器为中心的同心球面上等值分布,且沿球体半径方向以二次曲线的形式递减;灌水过程中,土壤入渗速率和湿润锋运移速率随时间延长逐渐减小,湿润体内固定点处的含水率随时间变化幅度不大,灌溉水量的增加主要用于增大湿润体体积;当灌水定额一定时,无压地下灌溉具有较长的灌水历时,且灌水时间与土壤类型密切相关。 (2)通过灌溉水量对番茄茎高、茎粗、根干重、冠干重等形态指标和产量、品质影响的大田试验研究,探明了无压地下灌溉技术下的作物水分生产关系。研究结果表明,当番茄整个生育期内的灌溉水量为85.68mm~236.91mm时,灌溉水量的增加对番茄没有明显增产作用,当灌溉水量为284.83mm~337.75mm时,灌溉水量的增加能显著提高番茄产量。同时,灌溉水量的差异对番茄根系生长、地上部生长和品质也具有不同程度的调控作用。在影响番茄产量的众多因素中,茎粗可作为评价番茄高产的单项指标,即可通过适时监测番茄茎粗变化来调节番茄生长小环境,实现通过茎粗的增大获得较高产量的目的。 (3)通过对无压地下灌溉技术(灌水器为简易的钻孔形式)在大气和均质土中孔口出水量的研究,及大田原状土中沿灌水管方向不同位置处番茄生长形态指标和产量的研究,初步揭示了影响无压地下灌溉灌水均匀度的因素和土壤对灌水均匀度的影响,并评价了钻孔形式的简易灌水器在大田应用中的可行性。研究结果表明,管长、孔间距和首部供水压力均对灌水均匀度产生影响;与在大气中相比,均质土中的孔口出水均匀度明显提高,且首部供水压力为零时的孔口出水量偏差率小于微灌设计值0.2;在大田应用中,土壤空间变异性和灌溉系统的水力特性对番茄生长的影响较小。 (4)通过对间接滴灌技术参数模型和湿润体特征参数的研究,利用水量平衡原理、Philip模型和恒定水头井入渗的稳态原理确定了间接滴灌适宜的滴头流量和砂洞、砂沟形状尺寸,并探明了间接滴灌的湿润体特征。研究结果表明,所建立的模型简单实用,并对所有的土壤类型都具有通用性;砂洞滴灌土壤湿润体形状为对称中心不断上移的椭球体,砂沟滴灌土壤湿润体形状呈“洋葱”状;湿润锋运移速率随时间延长逐渐减小;湿润体内平均体积含水率随时间基本上保持不变。 (5)通过对恒定水头井法测定田间土壤饱和导水率,及对恒定水头井积水入渗规律的研究,为利用稳态原理计算田间土壤饱和导水率提供了另外两种获取稳态的方法,即利用一维Philip模型形式获取稳态供水速率,利用间接滴灌灌水方式获取稳态,并扩大了Green-Ampt模型和Philip模型在三维入渗中的应用。上述研究揭示了有重力作用和无重力作用下的水分运移规律,及无压地下灌溉灌水量对作物生长的调控作用,研究结果为无压地下灌溉技术和间接滴灌技术的应用提供了理论和技术指导。


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