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干旱区棉花膜下滴灌水盐运移规律及数值模拟研究

刘磊  
【摘要】:棉花膜下滴灌作为一个普遍推广应用的一种灌溉模式,在新疆已经得到了长期的应用,但是在应用过程中缺乏理论支持,很多地方还处于一个很粗放的管理状态,没有一个适宜的高效的灌溉制度。长期应用滴灌对土壤也会造成次生盐渍化的问题,通过合理的水盐调控可将膜下滴灌形成一项更高效并且具有可持续性的技术,在膜下滴灌下怎样合理的对水盐进行调控?这个问题的研究对于干旱区尤其是新疆水资源的合理开发利用和生态环境建设有着重要的实际意义。本次研究在“十一五”国家科技支撑计划项目的资助下,经过三年的大田试验研究和数值模型的建立对棉花膜下滴灌技术做了深入的分析,并提出了适宜的灌溉制度。 本次试验研究在新疆巴州国家重点灌溉试验站进行,为明确研究区土壤物理性质,做了颗粒分析试验,并针对各种土质分别做了水分特征曲线试验。为清楚研究区气象特征,采用自记式小型气象站WATCHDOG进行田间气象数据连续观测,观测项目包括降雨量、温度、太阳向下短波辐射、风速等等。为分析研究区地下潜水位和地下潜水质量变化情况,利用数字式自记式水位仪对地下水位进行监测,并取地下水做水质分析。为研究不同灌溉定额下土壤水盐动态规律,在棉花的生育期和非生育期制定了详细的方案,利用实地取样和仪器监测的方法来研究土壤水盐的变化。在不同土壤水盐条件下,利用出苗试验监测研究出苗对土壤水盐的响应规律,利用空间取根监测试验研究根系分布变化对土壤水盐的响应规律,利用不同棉花生长期连续监测株高、叶面积和干物质重及产量测定来讨论土壤水盐对棉花生长及产量影响。 本次数值模型研究将大田实际膜下滴灌简化为二维线源滴灌,并建立了考虑根系发育的二维土壤水盐运移数值模型,改善了对膜下滴灌条件下地表积水动边界的论述,利用空间半离散方法将溶质运移对流弥散方程和Richards方程半离散为常微分方程组,然后利用常微分方程求解器CVODE进行数值求解。通过对不同土壤类型、滴灌制度及边界条件下的数值检验,并利用室内与田间试验数据进行验证,表明模型可以很好地体现了膜下滴灌水盐运移的边界条件,并利用模型模拟了不同灌溉定额、灌溉间隔和滴头流量之间的关系,同时利用模型研究了不同地下水埋深下水盐分布的规律及在不同冬灌(冬灌间隔)方案下连续五年土壤盐分累积情况。 通过三年的大田试验和模型研究,根据棉花膜下滴灌试验规律和模拟规律的分析,结合南疆的实际情况总结出了一套适宜棉花膜下滴灌水盐调控的灌溉制度,建立了在棉花生育期和非生育期内水盐调控方案,希望棉花的膜下滴灌能够得到可持续的高效发展。


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