水利工程論文-膜孔灌單向交匯入滲濕潤體特性影響因素研究.doc

水利工程論文-膜孔灌單向交匯入滲濕潤體特性影響因素研究摘要：通過大量膜孔單向交匯入滲試驗資料，分析了膜孔單向交匯入滲濕潤體特性的主要影響因素，研究了膜孔直徑、間距、土壤容重、土壤質(zhì)地和土壤初始含水率對膜孔單向交匯入滲的影響，結(jié)果表明各因素對膜孔單向交匯入滲濕潤體特性均有明顯的影響。這些研究成果為進一步研究膜孔單向交匯入滲規(guī)律和膜孔灌技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：膜孔灌膜孔單向交匯入滲濕潤體影響因素膜孔灌溉是利用地膜輸水，通過作物孔和專用灌水孔入滲進行灌溉的一種節(jié)水型地面灌溉新技術(shù)。膜孔灌入滲為充分供水條件下的三維點源入滲，它不同于滴灌條件下的非充分供水點源入滲。根據(jù)農(nóng)業(yè)地膜栽培和種植規(guī)格，膜孔入滲分為3種類型：第1種為作物的行距和株距都很大的膜孔自由入滲；第2種為作物的行距相對株距很大時，只在作物行方向膜孔間發(fā)生入滲交匯干擾，稱之為膜孔單向交匯入滲；第3種為作物的行距和株距均較小，在入滲過程中，膜孔將受到周圍膜孔入滲的干擾作用，稱之為膜孔多向交匯入滲。研究膜孔單向交匯入滲濕潤體特性影響因素是進行膜孔灌技術(shù)要素研究的基礎(chǔ)，近年來，國內(nèi)外對滴灌條件下的點源入滲特性進行了大量研究1-3，而關(guān)于膜孔自由入滲濕潤體特性影響因素國內(nèi)僅進行了初步探討4-8，直至目前尚未見到國外對此問題的研究報導(dǎo)。膜孔單向交匯入滲比膜孔自由入滲復(fù)雜得多，目前對膜孔單向交匯入滲濕潤體特性影響因素研究很少7。因此，開展膜孔單向交匯入滲濕潤體特性影響因素研究具有重要的理論價值和生產(chǎn)實際意義。1試驗條件膜孔單向交匯入滲室內(nèi)試驗裝置如圖1所示。試驗土箱采用12mm厚的透明有機玻璃板制作，土箱高AB為40cm，長ad為40cm，寬AD為24cm，aD寬12cm，利用在abcd處加隔板可模擬農(nóng)田株距為12cm和24cm，行距為80cm的膜孔單向交匯入滲。由于2個膜孔直徑相同，且同時開始供水入滲，所以濕潤鋒及濕潤土體的土壤含水率分布均關(guān)于abcd面對稱，因而abcd面為膜孔交匯界面，即零通量面，為此試驗中利用裝置的一半就可以達到模擬試驗的要求。因此，試驗在土箱中土壤表層覆膜，為了模擬膜孔和便于觀測濕潤鋒的發(fā)展過程，入滲膜孔采用1/4膜孔面積的方形水室，并置于土箱的一角，因而abCD為膜孔中心界面。試驗利用帶有刻度的截面積為10cm2的馬氏瓶進行自動供水，并保證方形水室中具有恒定的積水層高度，以達到充分供水的點源入滲，每次試驗前，給馬氏瓶裝水，并用皮管將馬氏瓶與土箱供水管相連，試驗開始后，打開閥門，以分鐘為單位，時間間隔先短后長，由馬氏瓶的刻度讀取入滲水量，并進行入滲量控制。試驗土樣經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過篩，按預(yù)定的含水量配水后分層裝入試驗土箱，試驗所用土壤的基本物理參數(shù)見表1。表1土壤基本物理參數(shù)土壤質(zhì)地風(fēng)干土重量含水率g(%)土壤容重rd/(g/cm3)物理性粘粒含量(%)飽和導(dǎo)水率s/(cm/min)粗沙土粉土粉質(zhì)粘土0.391.941.871.651.301.452.4329.7049.602.7310-33.8010-52.1710-52膜孔單向交匯入滲濕潤體特性影響因素影響膜孔單向交匯入滲濕潤體特性的主要因素有膜孔面積、膜孔間距、土壤容重、土壤質(zhì)地和土壤初始含水率等。2.1膜孔面積對濕潤體特性的影響2.1.1膜孔面積對濕潤體形狀的影響圖2和圖3表示粉土在膜孔直徑為3.6cm、土壤容重為1.30g/cm3、膜孔中心距為11.2cm、初始含水率為1.94的膜孔單向交匯入滲在入滲時間分別為30min和90min的濕潤體形狀剖面圖，圖中d為膜孔直徑。可以看出：在相同入滲時間內(nèi)，不同膜孔直徑的濕潤鋒運移距離不同，隨著膜孔直徑的增大，濕潤鋒推移距離愈大，膜孔入滲交匯時間隨膜孔直徑的增大而減小。在入滲圖1試驗裝置示意30min時，膜孔直徑為3.6cm和5.0cm的膜孔已發(fā)生交匯入滲，而膜孔直徑為2.0cm和3.0cm的膜孔入滲還處于自由入滲階段，隨著入滲歷時的延長，直徑為3.0cm和2.0cm的膜孔也先后發(fā)生交匯入滲，在入滲歷時90min時，4種直徑的膜孔均處于交匯入滲階段。圖2膜孔交匯入滲濕潤鋒曲線（t=30min）圖3膜孔交匯入滲濕潤鋒曲線（t=90min）2.1.2膜孔面積對垂直濕潤鋒運移的影響圖4為對應(yīng)于圖2的不同膜孔直徑的垂直濕潤鋒運移曲線?？梢钥闯觯翰煌た字睆降哪た兹霛B濕潤深度均隨著入滲時間的延長而不斷增大，但是濕潤鋒運移曲線隨入滲時間的延長而變緩，說明濕潤鋒推進速度隨著入滲時間的增長而逐漸減?。辉谙嗤霛B時段內(nèi)，垂直濕潤鋒運移距離隨著膜孔直徑的增大而增大。這主要是由于在相同條件下，隨著膜孔直徑的增大，膜孔入滲的側(cè)滲作用在整個入滲中的比重愈小，使單位膜孔面積入滲量增大，從而垂直濕潤鋒運移的距離愈大。經(jīng)分析不同膜孔直徑的膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運移距離RZ與入滲時間t之間符合冪函數(shù)規(guī)律，即RZ=AtB(1)式中：A，B為擬合參數(shù)。利用式(1)對圖4資料擬合得：d=20mm,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=0.9947R2均大于0.99，說明膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運移距離RZ與入滲時間t之間具有良好的冪函數(shù)關(guān)系。可以看出：在其它條件相同情況下，隨著膜孔直徑的增大，系數(shù)A依次增大，而指數(shù)B變化不大。經(jīng)分析膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運移參數(shù)A、B與膜孔直徑d之間分別符合冪函數(shù)和線型函數(shù)關(guān)系，設(shè)A=adb,B=kt+L。式中a,b,k,L為擬合參數(shù)，d為膜孔直徑。則膜孔單向交匯入滲的垂于濕潤鋒運移距離RZ為RZ=AtB=adbt(kt+L)(2)在圖4試驗條件下RZ=0.6353d0.2822t(0.001d+0.2967)。2.1.3膜孔面積對水平濕潤鋒運移的影響圖5為對應(yīng)于圖2的不同膜孔面積的水平濕潤鋒運移曲線?？梢钥闯觯耗た字睆接?，交匯時間愈短，當(dāng)發(fā)生交匯后，隨著入滲時間的延長，而水平濕潤鋒保持不變。經(jīng)分析研究膜孔單向交匯入滲水平濕潤半徑與入滲時間t的關(guān)系為：Rx=(1-)(d/2+mtn)+S0(3)式中：d為膜孔直徑(cm)；t0為交匯時間；m,n為擬合參數(shù)；S0為膜孔中心距的一半；參數(shù)*。圖4膜孔單向交匯入滲垂直濕潤鋒運移曲線圖5膜孔交匯入滲水平濕潤鋒運移曲線利用式(3)對圖5資料擬合得：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。經(jīng)分析，膜孔單向交匯入滲水平濕潤鋒擬合參數(shù)m、n與膜孔直徑d之間符合m=edf、n=Pd+h關(guān)系，則RX=(1-)(d/2+edftpd+h)+5.6(4)式中：e、f、p、h為擬合參數(shù)。則試驗條件下RX=(1-)(d/2+0.7136d0.3302t-0.0165d+0.4053)+5.6。2.2膜孔間距對濕潤體特性的影響2.2.1膜孔間距對垂直濕潤鋒的影響圖6表示粉土在膜孔直徑為3.6cm、容重為1.3g/cm3、初始含水率為1.94%時，不同膜孔間距的膜孔單向交匯入滲膜孔中心處的垂直濕潤鋒運移曲線，圖中S表示膜孔間距?？梢钥闯觯涸谙嗤霛B時段內(nèi)，不同膜孔間距的垂直濕潤鋒運移距離基本相同，說明膜孔入滲交匯階段對膜孔中心垂直濕潤鋒運移特性影響不大，而對交匯界面處濕潤鋒運移特性影響較大。圖7為對應(yīng)于圖6的垂直濕潤鋒運移速率曲線，t0為膜孔入滲交匯時間。可以看出：在發(fā)生交匯后，膜孔中心處的垂直濕潤鋒運移速率比交匯界面處的垂直濕潤鋒運移速率慢，這主要是由于交匯界面為零通量面，水平方向的濕潤鋒運移受到限制而使垂直濕潤鋒運移速率加大。圖6不同膜孔間距的垂直濕潤鋒運移曲線圖7垂直濕潤鋒運移速率曲線（S=11.2cm）2.2.2膜孔間距對水平濕潤鋒的影響圖8表示對應(yīng)于圖6的不同膜孔間距的水平濕潤鋒運移曲線，S表示膜孔間距?？梢钥闯觯翰煌た组g距對水平濕潤鋒運移的影響主要通過交匯時間的不同來體現(xiàn)。水平濕潤鋒運移分為自由入滲階段和交匯入滲階段，在其它條件相同的情況下，不同膜孔間距的入滲在發(fā)生交匯之前為自由入滲規(guī)律，膜孔間距越大，則水平自由入滲運移階段時間越長，在水平濕潤鋒到達交匯界面時開始交匯入滲階段，這時水平濕潤鋒運移距離不再加大，但濕潤體內(nèi)土壤含水量在不斷變化，此時主要影響交匯界面處的垂直濕潤鋒運移速率。2.3土壤容重對濕潤體特性的影響2.3.1土壤容重對垂直濕潤鋒的影響圖9表示粉土在膜孔直徑為3.6cm、膜孔間距為11.2cm、土壤質(zhì)地為粉土、初始含水率為1.94時，不同土壤容重的垂直濕潤鋒運移曲線?？梢钥闯觯涸谙嗤霛B時段內(nèi)，垂直濕潤鋒運移的距離隨著土壤容重的增大而減小。這主要是由于在相同條件下，隨著土壤容重的增大，土壤愈密實，土壤空隙率減小，土壤入滲能力愈低，從而垂直濕潤鋒運移距離愈小。圖8不同膜孔間距的水平濕潤鋒運移曲線圖9不同土壤容重的垂直濕潤鋒運移曲線經(jīng)分析不同土壤容重rd的膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運移距離RZ與入滲時間t之間符合冪函數(shù)規(guī)律，對圖9資料擬合得rd=1.20g/cm3,RZ=1.8424t0.3270，R2=0.9938；rd=1.30g