負(fù)水頭條件下水質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移及水鹽分布的影響

1、負(fù)水頭條件下水質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移及水鹽分布的影響 2 0 1 3 年 5 月 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 第 44 卷 第 5 期doi:10. 6041 / j. issn. 1000鄄1298. 72013. 05. 019負(fù)水頭條件下水質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移及水鹽分布的影響*肖搖 娟1 搖 江培福2 搖 郭秀峰1 搖 邱照寧1 搖 范肖予31.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所, 北京 100048;3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 太谷 030801摘要: 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),分析了負(fù)水頭供水條件下,灌溉水鈉吸附比和鹽分濃度對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移及水鹽分布的影響。 結(jié)

2、果表明,濕潤(rùn)體的最大水平濕潤(rùn)距離、最大垂直濕潤(rùn)距離以及累積入滲量均與時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系,并隨著灌溉水鹽分濃度的增加和鈉吸附比的減小而增加;濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率和電導(dǎo)率的分布近似為一組同心橢球面,并與濕潤(rùn)體半橢圓在水平方向的半軸平方呈線性關(guān)系,隨著半軸的增加,土壤含水率減小,而電導(dǎo)率增加;灌溉水鹽分濃度一定的條件下,隨著鈉吸附比的增加,濕潤(rùn)體內(nèi)的平均含水率減小,平均電導(dǎo)率增加,在鈉吸附比一定的條件下,灌溉水鹽分濃度對(duì)兩者的影響較小。關(guān)鍵詞: 負(fù)水頭灌溉搖 水質(zhì)搖 鈉吸附比搖 濕潤(rùn)體搖 水鹽分布中圖分類(lèi)號(hào): s275郾 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: a 文章編號(hào): 1000鄄1298201305鄄0101鄄07e

3、ffect of water quality on wetting front moving and salt鄄waterdistribution under negative hydraulic headxiao juan1 搖 jiang peifu2 搖 guo xiufeng1 搖 qiu zhaoning1 搖 fan xiaoyu31. college of water resources science and engineering, taiyuan university of technology, taiyuan 030024, china2. department of

4、irrigation and drainage, china institute of water resources and hydropower research, beijing 100048, china3. college of forestry, shanxi agricultural university, taigu 030801, chinaabstract: effect of the sodium adsorption ratio sar and salt concentration of irrigated water on soilwater infiltration

5、 and salt鄄water distribution in wetted soil volume under negative hydraulic head wereanalyzed by laboratory experiments. results indicated that the relationships between each next parameterand time, imal horizontal wetted distance x , imal vertical wetted distance z , andaccumulated infiltration i w

6、ere a power function. x, z and i increased with the increasing of saltconcentration and decreasing of sar. the distribution of water content and electric conductivity in wettedsoil volume could be described as a series of concentric ellipsoid, and had the linear relationship with thesquare of semi鄄a

7、xis of ellipse a2 . with the increasing of a, water content decreased and electricconductivity increased in wetted soil volume. with the increasing of sar, average soil water contentdecreased and average electric conductivity increased under certain salt concentration. salt concentrationhad no signi

8、ficant impact on average soil water content and average electric conductivity under certainsar.key words: negative hydraulic irrigation搖 water quality搖 sodium adsorption ratio搖 wetted soil volumesalt鄄water distribution收稿日期: 2012 11 05搖 修回日期: 2012 11 29*山西省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目20120311019 6和山西省高校科技開(kāi)發(fā)資助項(xiàng)目2010104作者

9、簡(jiǎn)介: 肖娟,副教授,主要從事節(jié)水灌溉研究,e鄄mail: zhangxd626 163. com通訊作者: 江培福,高級(jí)工程師,主要從事農(nóng)業(yè)水土工程、水資源管理研究,e鄄mail: jiangpeifu iwhr. com搖 搖 引言負(fù)水頭灌溉技術(shù)的可行性已經(jīng)在理論和實(shí)踐上得到了驗(yàn)證1 5。 通過(guò)室內(nèi)負(fù)水頭灌溉試驗(yàn)研究,得到了不同供水水頭、不同灌水器、不同土壤等條件下,單個(gè)灌水器下濕潤(rùn)體形狀、水分入滲以及含水率分布的規(guī)律6 9,為負(fù)壓灌溉灌水器間距的確定以及作物種類(lèi)的選擇提供了理論依據(jù)。 田間試驗(yàn)研究表明,負(fù)水頭灌溉更適于溫室及大棚蔬菜栽培體系中。 進(jìn)行負(fù)水頭灌溉供水,土壤含水率呈非飽和狀態(tài)

10、,可抑制土表濕潤(rùn)導(dǎo)致的無(wú)效蒸發(fā)和地下滲漏導(dǎo)致的無(wú)效灌溉和養(yǎng)分流失;也不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),節(jié)省了人力、物力,提高了水分利用率3。 然而,有關(guān)負(fù)水頭灌溉的研究中,卻很少考慮灌溉水質(zhì)的影響。而灌溉水質(zhì)對(duì)非飽和土壤水分入滲有很大影響,非飽和水力傳導(dǎo)度隨著土壤溶液鹽分濃度的減小和鈉吸附比的增大而減小10 12。 關(guān)于滴灌條件下水質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體的水鹽運(yùn)移和分布影響的研究有很多13 14,但缺乏針對(duì)負(fù)壓灌溉條件下灌溉水質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體特征參數(shù)影響的研究。 隨著咸水資源在灌溉實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用,有必要對(duì)咸水負(fù)壓灌溉進(jìn)行研究。目前世界上廣泛使用含鹽量礦化度或電導(dǎo)率和鈉吸附比對(duì)灌溉水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)15。 本文主要研究灌溉水質(zhì)對(duì)負(fù)水

11、頭條件下濕潤(rùn)體的運(yùn)移以及水鹽分布的影響,以期為負(fù)壓灌溉田間試驗(yàn)提供一定的依據(jù)。1搖 材料和方法1郾 1搖 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置為三棱柱有機(jī)玻璃土箱,底為腰長(zhǎng)35 cm、夾角 30毅的等腰三角形,高 40 cm。 假設(shè)土壤質(zhì)地均勻,水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)分布軸對(duì)稱(chēng),則此裝置可以模擬實(shí)際情況的 1 / 12。 試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。 采用馬氏瓶恒壓供水,利用馬氏瓶的進(jìn)水口與灌水器的相對(duì)高度來(lái)控制負(fù)壓灌溉的供水水頭h,同時(shí)在馬氏瓶側(cè)面標(biāo)上刻度來(lái)記錄灌水量變化。 假設(shè)水源水面與灌水器齊平時(shí),供水水頭h 0,水源水面低于灌水器時(shí),h為負(fù)值。 灌水器孔徑3 4 滋m,尺寸 5 cm 伊3 cm 伊 2郾 5 c

12、m為透水不透氣的多孔陶土板材料。 采用內(nèi)徑為 6 mm 的橡皮輸水管將各裝置接牢,使系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中處于密封狀態(tài),且每次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)須檢驗(yàn)密封性。圖 1搖 試驗(yàn)裝置示意圖fig. 1搖 schematic of experimental device1.馬氏瓶搖 2.軟管搖 3.灌水器1郾 2搖 試驗(yàn)土壤及灌溉水質(zhì)供試土壤采自山西省太谷縣,經(jīng)碾壓、粉碎、風(fēng)干、過(guò)篩2 mm 后,按控制容重 1郾 5 g / cm3分層均勻裝入。 土壤砂粒粒徑 0郾 02 2 mm 占 54郾 21% ,粉粒粒徑 0郾 002 0郾 02 mm 占 29郾 65% ,黏粒粒徑0 0郾 002 mm 占 16郾 14

13、% 。 初始含水率為 2郾 3% 。灌溉水的水質(zhì)一般是通過(guò)水的鹽分濃度c和鈉吸附比溶液中 na +濃度與 ca2 + 、mg2 +濃度之和的平方根的比值來(lái)決定。 本試驗(yàn)灌溉水的水質(zhì)根據(jù) nacl和 cacl2的比例進(jìn)行人工配置,不同水質(zhì)配比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1。表 1搖 水質(zhì)配制計(jì)算結(jié)果tab. 1搖 results of water quality preparation鈉吸附比鹽分濃度 c/ mmol?l - 1nacl質(zhì)量濃度/ mg?l - 1cacl2質(zhì)量濃度/ mg?l - 180 4 095 55530 20 1 123郾 2 44郾 42 116郾 5 0郾 5580 3 568郾

14、 5 1 054郾 520 20 1 070郾 55 94郾 352 115郾 83 1郾 1180 2 515郾 5 2 053郾 510 20 877郾 5 277郾 52 112郾 905 3郾 8851郾 3搖 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法利用負(fù)壓灌溉裝置,依次進(jìn)行供水水頭 h - 1郾 5 m時(shí),不同鈉吸附比30、20、10、不同鹽分濃度80、20、2 mmol / l的負(fù)壓灌溉試驗(yàn),并以純凈水灌溉作為對(duì)照處理。 在有機(jī)玻璃的表面貼有透明膠片,記錄不同入滲時(shí)間濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。 在試驗(yàn)過(guò)程中記錄不同入滲時(shí)刻的馬氏瓶水位變化,得出不同入滲時(shí)間對(duì)應(yīng)的累積入滲量 i。 每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù) 3 次,并

15、取其平均值作為分析數(shù)據(jù)。圖 2搖 取樣點(diǎn)的分布fig. 2搖 distribution of selective points試驗(yàn)結(jié)束后迅速用直徑為 2 cm 的土鉆按圖 2所示 圖中剖面為棱柱體土槽的中心縱剖面 取樣,為了取得濕潤(rùn)鋒處的樣品,最末一個(gè)取樣點(diǎn)到前一個(gè)取樣點(diǎn)的距離有可能小于 5 cm。 取樣后用加熱干燥法測(cè)量各樣點(diǎn)土壤含水率。 同時(shí)取干土10 g,按照體積比 1 頤 5的土水比配制浸提液,用dds 11a型數(shù)顯電導(dǎo)率儀測(cè)量土壤溶液的電導(dǎo)201 農(nóng)搖 業(yè)搖 機(jī)搖 械搖 學(xué)搖 報(bào)搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 2 0 1 3 年率。1郾 4搖 試驗(yàn)

16、過(guò)程及原理該系統(tǒng)在水源高程低于灌水器高程供水水頭為負(fù)值 情況下,無(wú)需動(dòng)力加壓設(shè)備, 自動(dòng)補(bǔ)給實(shí)現(xiàn)灌溉。 如圖 1 所示,首先關(guān)閉馬氏瓶的進(jìn)氣口和供水口,然后注滿水并排出空氣。 用塞子塞住注水口,使其完全密閉。 然后打開(kāi)進(jìn)氣口,使得進(jìn)氣口和空氣相通,待進(jìn)氣口沒(méi)有水流出時(shí),打開(kāi)供水閥門(mén)1 1 斷面。 假設(shè)以灌水器所在平面2 2 斷面為參考平面,坐標(biāo)向上,則供水水源處1 1 斷面的總水勢(shì) 鬃1 h重力勢(shì),因?yàn)樗此嫖挥诠嗨飨路?所以 1 1 斷面的重力勢(shì)在零以下。 灌水器2 2 斷面周?chē)寥浪目偹畡?shì)為 鬃2 鬃m + 鬃s,基質(zhì)勢(shì) 鬃m和溶質(zhì)勢(shì) 鬃s均為負(fù)值。 在不考慮其他損失情況下,只要 駐

17、鬃 h - 鬃m + 鬃s 0,就可以在水源與灌水器周?chē)寥乐g形成勢(shì)差,水流就可以實(shí)現(xiàn)從水源到土壤和植物的灌溉。2搖 結(jié)果和分析2郾 1搖 水平濕潤(rùn)距離和垂直濕潤(rùn)距離不同處理濕潤(rùn)體的最大水平濕潤(rùn)距離 x 和最大垂直濕潤(rùn)距離 z隨時(shí)間 t的變化過(guò)程見(jiàn)圖 3、4。圖 3搖 最大水平濕潤(rùn)距離隨時(shí)間的變化fig. 3搖 imal horizontal wetting distance vs moving timea 鈉吸附比為 30搖 b 鈉吸附比為 20搖 c 鈉吸附比為 10搖 d c 80 mmol / l搖 e c 20 mmol / l搖 f c 2 mmol / l圖 4搖 最大垂直濕潤(rùn)

18、距離隨時(shí)間的變化fig. 4搖 imal vertical wetting distance vs moving timea 鈉吸附比為 30搖 b 鈉吸附比為 20搖 c 鈉吸附比為 10搖 d c 80 mmol / l搖 e c 20 mmol / l搖 f c 2 mmol / l301第 5 期搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 肖娟 等: 負(fù)水頭條件下水質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移及水鹽分布的影響由試驗(yàn)可知,x、z 和 t 之間的關(guān)系可以用冪函數(shù)來(lái)表示,即 x atb 或 z atb,擬合參數(shù)見(jiàn)表 2。由圖 3 和圖 4 可知,各處理 x 和 z 都隨著時(shí)間的增加而增加,但增加幅度逐漸減

19、弱,最后趨于停止。 這是因?yàn)樵诠喔人|(zhì)一定時(shí),土壤水的溶質(zhì)吸力不變,灌水器周?chē)寥赖目偹畡?shì)僅受到基質(zhì)勢(shì)的影響。 供水水頭 h一定時(shí),灌溉開(kāi)始時(shí)的灌水器周?chē)寥莱跏己屎苄?郾 3% ,土壤的基質(zhì)勢(shì)很小,吸力很大,因此 x 和 z 在開(kāi)始時(shí)增加很快。 隨著時(shí)間的推移,與灌水器接觸的土壤含水率增加,土壤水的基質(zhì)勢(shì)增加,吸力減小,因此 x 和 z 增加的速度減小。表 2搖 x、z和 i與時(shí)間 t的擬合情況tab. 2搖 fitting of x,z and i with time t灌溉水質(zhì)x / cm z / cm i / mla b r2 a b r2 a b r2純凈水 3郾 36 0郾 3

20、3 0郾 997 7 6郾 79 0郾 23 0郾 940 2 24郾 33 0郾 79 0郾 997 8鈉吸附比為 30,c 80 mmol / l 2郾 54 0郾 32 0郾 988 3 5郾 89 0郾 22 0郾 952 7 11郾 29 0郾 70 0郾 996 5鈉吸附比為 30,c 20 mmol / l 2郾 77 0郾 32 0郾 991 5 5郾 25 0郾 22 0郾 902 8 6郾 60 0郾 78 0郾 974 9鈉吸附比為 30,c 2 mmol / l 1郾 81 0郾 39 0郾 996 4 5郾 25 0郾 21 0郾 947 2 5郾 37 0郾 87

21、0郾 997 9鈉吸附比為 20,c 80 mmol / l 3郾 37 0郾 39 0郾 993 6 6郾 30 0郾 32 0郾 970 32郾 78 0郾 83 0郾 999 8鈉吸附比為 20,c 20 mmol / l 3郾 35 0郾 33 0郾 998 5 6郾 41 0郾 24 0郾 953 5 20郾 60 0郾 78 0郾 990 2鈉吸附比為 20,c 2 mmol / l 3郾 58 0郾 34 0郾 998 1 6郾 13 0郾 28 0郾 973 3 26郾 75 0郾 72 0郾 992 7鈉吸附比為 10,c 80 mmol / l 3郾 97 0郾 38 0郾

22、 993 8 6郾 90 0郾 31 0郾 973 3 42郾 26 0郾 75 0郾 998 0鈉吸附比為 10,c 20 mmol / l 3郾 17 0郾 38 0郾 995 3 6郾 26 0郾 29 0郾 927 7 32郾 26 0郾 77 0郾 999 2鈉吸附比為 10,c 2 mmol / l 3郾 96 0郾 35 0郾 998 5 6郾 30 0郾 29 0郾 977 7 40郾 17 0郾 74 0郾 998 4搖 搖 由表 2 可以看出,用冪函數(shù)來(lái)表達(dá) x、z 隨時(shí)間的變化規(guī)律,其相關(guān)系數(shù)很高。 參數(shù) a 和 b 均大于零,說(shuō)明該冪函數(shù)為增函數(shù),即 x、z 隨時(shí)間的增

23、加而增加。 對(duì)時(shí)間 t 進(jìn)行求導(dǎo),即得到不同時(shí)刻濕潤(rùn)鋒水平和垂直運(yùn)移速度 vx ab / t1 - b或 vz ab / t1 - b,該式表明當(dāng)吸水時(shí)間趨于無(wú)窮時(shí)濕潤(rùn)鋒前進(jìn)速度趨于零。 本次試驗(yàn)均是在濕潤(rùn)鋒幾乎停止前進(jìn)時(shí)結(jié)束的,所以試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的水平和垂直距離可以認(rèn)為是該處理所能達(dá)到的最大極限,該數(shù)據(jù)為咸水負(fù)壓灌溉時(shí)灌水器間距的確定和作物種類(lèi)的選擇提供了依據(jù)。當(dāng)灌溉水的鈉吸附比一定時(shí),相同時(shí)間濕潤(rùn)鋒的最大水平濕潤(rùn)距離和最大垂直濕潤(rùn)距離隨灌溉水鹽分濃度的增加而增加。 這是因?yàn)橥寥浪娜苜|(zhì)勢(shì)鬃s與其中的灌溉水鹽分濃度 c成反比16,鹽分濃度越大,溶質(zhì)勢(shì)越小,則溶質(zhì)吸力越大,因此較大的濃度 c有利于

24、增加濕潤(rùn)體的運(yùn)移速度。 當(dāng)鈉吸附比等于 30 且灌水時(shí)間相同時(shí),3 種灌溉水鹽分濃度時(shí)的 x和 z變幅不大,濃度 c對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移的影響可以忽略。 與純凈水相比,鈉吸附比等于 30 時(shí),3 種濃度處理時(shí)的 x 和 z 均有減小圖 3a 和圖 4a;當(dāng)鈉吸附比等于 10 時(shí),3 種濃度處理時(shí)的 x、z與純凈水灌溉相比均有增加圖 3c和圖 4c。當(dāng) c一定時(shí),x 和 z 均隨著鈉吸附比的增加而減小圖 3、4,這說(shuō)明,在用咸水進(jìn)行負(fù)壓灌溉時(shí),不僅要考慮灌溉水的鹽分濃度,灌溉水的鈉吸附比,即溶質(zhì)中各離子的比例對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移的影響也是不可忽略的。 鈉吸附比越大,表明灌溉水中鈉離子的比例越高,而鈉離子容易造成

25、土壤的彌散,因此不利于濕潤(rùn)體的運(yùn)移。 而當(dāng)鈉吸附比一定時(shí),灌溉水中較高鹽分含量可以提高土壤導(dǎo)水率,但可能對(duì)土壤造成次生鹽堿化的威脅,而灌溉水鹽分含量太低可能引起土壤粘粒分散,導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率降低10。2郾 2搖 土壤水分入滲累積入滲量是描述入滲特征的常用指標(biāo)。 為對(duì)比不同水質(zhì)對(duì)負(fù)壓灌溉濕潤(rùn)體水分入滲的影響,分別繪制了 3 種鹽分濃度在一定的鈉吸附比條件下累積入滲量 i隨時(shí)間 t 的變化曲線圖 5a、5b、5c,以及 3 種鈉吸附比在一定濃度 c 條件下累積入滲量 i隨時(shí)間 t的變化曲線圖 5d、5e、5f。不同處理累積入滲量隨入滲時(shí)間的變化曲線走勢(shì)基本相同,即累積入滲量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。 i與

26、 t之間的關(guān)系可以用冪函數(shù)來(lái)表示,即 i atb,擬合參數(shù)見(jiàn)表 2。 從表 2 可以看出,累積入滲量與時(shí)間擬合關(guān)系中參數(shù) b較大,因此,相同處理時(shí)的水分入滲衰減速度要遠(yuǎn)小于濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的衰減速度。 因?yàn)樵诠喔冗^(guò)程中伴隨著蒸發(fā),由于負(fù)壓灌溉自動(dòng)吸水的特點(diǎn),濕潤(rùn)體水分將不斷得到補(bǔ)充,使得水分入滲的減小速度較慢。由圖 5 可知,當(dāng)灌溉水的鹽分濃度 c 一定時(shí),相同時(shí)間的累積入滲量 i隨著鈉吸附比的增加而減小圖 5d、5e、5f。 當(dāng)灌溉水濃度 c 80 mmol / l,灌溉時(shí)間為 72 h 時(shí),鈉吸附比等于 10 時(shí)的累積入滲量為 1 100 ml,為鈉吸附比等于 30 時(shí)的 4郾 8 倍。 說(shuō)40

27、1 農(nóng)搖 業(yè)搖 機(jī)搖 械搖 學(xué)搖 報(bào)搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 2 0 1 3 年圖 5搖 累積入滲量和時(shí)間的關(guān)系fig. 5搖 relationship between cumulative infiltration and timea 鈉吸附比為 30搖 b 鈉吸附比為 20搖 c 鈉吸附比為 10搖 d c 80 mmol / l搖 e c 20 mmol / l搖 f c 2 mmol / l搖明灌溉水鹽分濃度一定的情況下,較大的灌溉水鈉吸附比不利于水分的入滲。 當(dāng)鈉吸附比為 20 和 30時(shí),累積入滲量隨著鹽分濃度的增加而增加圖 5a、5b。

28、鈉吸附比等于 10 時(shí),3 種濃度處理時(shí)的累積入滲量都大于純凈水灌溉時(shí)的累積入滲量圖 5c,但表現(xiàn)出灌溉水鹽分濃度 c 20 mmol / l 時(shí)的累積入滲量小于 c 2 mmol / l時(shí)的情況,這主要是因?yàn)?一方面,隨著灌溉水鹽分濃度的增加,有利于土壤團(tuán)聚體的形成,增加土壤水分的入滲,另一方面,由于團(tuán)聚體的形成,土壤和灌水器的接觸面積減小,不利于灌水器的吸水。為了進(jìn)一步說(shuō)明負(fù)壓灌溉過(guò)程中水質(zhì)對(duì)入滲的影響,根據(jù)各處理總的入滲時(shí)間和累積入滲量,計(jì)算其平均入滲率,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 3。 由表 3 可以看出,鈉吸附比一定時(shí),3 種濃度下的平均入滲率變化幅度較小。 灌溉水鹽分濃度一定時(shí),平均入滲率隨著鈉

29、吸附比的增加而減小,鈉吸附比等于 30 的情況尤其明顯。 3 種濃度時(shí),鈉吸附比等于 30 時(shí)的平均入滲率僅為鈉吸附比等于 10 時(shí)的 1 / 5 1 / 4。 由總?cè)霛B時(shí)間可知,與常規(guī)的灌溉方式相比,因?yàn)樨?fù)壓灌溉表 3搖 不同處理的平均入滲率tab. 3搖 average infiltration rate underdifferent treatments ml / h鈉吸附比灌溉水鹽分濃度 / mmol?l - 180 20 230 3郾 18 2郾 74 3郾 1420 12郾 16 8郾 06 7郾 6010 15郾 42 11郾 57 12郾 53改變了傳統(tǒng)的主動(dòng)灌水方式,因此利用

30、土壤吸力作用來(lái)進(jìn)行灌水的過(guò)程將花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間9,平均入滲率和滴灌中滴頭流量相比,僅為普通滴頭流量的1 / 100 1 / 1 000。 這一結(jié)論為咸水負(fù)壓灌溉時(shí)選擇種植作物類(lèi)型提供了參考依據(jù)。2郾 3搖 濕潤(rùn)體內(nèi)含水率通過(guò)對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律的分析,各處理試驗(yàn)結(jié)束時(shí),濕潤(rùn)體形狀近似為一半橢球體。 可用描述任意時(shí)刻鉛直平面內(nèi)二維濕潤(rùn)鋒邊界形狀的半橢圓形解析式表達(dá),即x2a2+ z2b21將等式兩邊均乘以 a2,得到x2 + ab z2a2令 a / b m,m 表示濕潤(rùn)體的寬深比。 由方程可知,當(dāng) m 1 時(shí),表示濕潤(rùn)體為半球體,本試驗(yàn)結(jié)果表明,m值不等于 1,大致為 0郾 7 左右,為半橢球體。

31、取 m 0郾 7,根據(jù)實(shí)測(cè)各取樣點(diǎn)的含水率,建立濕潤(rùn)體體積含水率 茲 與 a2 即 x2 + m2 z2之間的關(guān)系,用式 茲 aa2 + c 表示,擬合結(jié)果見(jiàn)表 4。 對(duì)于不同水質(zhì)其擬合的決定系數(shù)均在 0郾 88 以上,說(shuō)明負(fù)壓灌溉濕潤(rùn)體內(nèi)含水率的分布近似為一組同心橢球面,土壤含水率隨著 a 的增加逐漸減小,但不同處理的減小速度不同,土壤含水率的最大值發(fā)生在灌水器附近。 各處理土壤含水率的最大值從小到大依次為:鈉吸附比為 30 處理、純凈水處理、鈉吸附比為20 處理、鈉吸附比為 10 處理。 趙偉霞等9在研究501第 5 期搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 肖娟 等: 負(fù)水頭條件下水

32、質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移及水鹽分布的影響搖 搖 表 4搖 土壤含水率 茲及電導(dǎo)率 k與橢圓半軸 a的擬合情況tab. 4搖 fitting of soil water content 茲 and electric conductivity k with semi鄄axis of ellipse a灌溉水質(zhì)茲 ka c r2 a c r2純凈水 - 0郾 096 0 34郾 83 0郾 908 5鈉吸附比為 30,c 80 mmol / l - 0郾 109 8 31郾 05 0郾 891 8 0郾 007 2 0郾 775 2 0郾 714 3鈉吸附比為 30,c 20 mmol / l - 0郾 10

33、1 7 32郾 72 0郾 883 2 0郾 007 2 0郾 574 1 0郾 794 0鈉吸附比為 30,c 2 mmol / l - 0郾 217 3 30郾 88 0郾 965 3 0郾 012 4 0郾 620 4 0郾 776 8鈉吸附比為 20,c 80 mmol / l - 0郾 054 4 37郾 02 0郾 954 1 0郾 000 01 0郾 967 4 0郾 797 4鈉吸附比為 20,c 20 mmol / l - 0郾 116 7 35郾 19 0郾 879 2 0郾 000 6 0郾 747 8 0郾 783 8鈉吸附比為 20,c 2 mmol / l - 0郾

34、 118 8 37郾 82 0郾 928 4 0郾 000 9 0郾 699 8 0郾 741 9鈉吸附比為 10,c 80 mmol / l - 0郾 036 4 37郾 36 0郾 932 9 0郾 000 03 0郾 923 2 0郾 720 0鈉吸附比為 10,c 20 mmol / l - 0郾 066 6 36郾 94 0郾 906 1 0郾 000 6 0郾 708 6 0郾 719 7鈉吸附比為 10,c 2 mmol / l - 0郾 077 2 39郾 79 0郾 924 1 0郾 000 5 0郾 662 2 0郾 723 7負(fù)壓灌溉土壤含水率分布時(shí),將濕潤(rùn)體內(nèi)含水率的分

35、布模擬為一組同心球面。 與本試驗(yàn)的結(jié)果不盡相同。 這說(shuō)明土壤含水率的分布與濕潤(rùn)鋒形狀有直接關(guān)系。表 5 顯示了不同處理濕潤(rùn)體含水率平均值的變化。 因?yàn)槿狱c(diǎn)在取土剖面上基本上均勻分布,所以計(jì)算各取樣點(diǎn)的算術(shù)平均值作為濕潤(rùn)體的含水率平均值。 由表 5 可知,鈉吸附比一定時(shí),鹽分濃度對(duì)濕潤(rùn)體平均含水率的影響不大。 而鈉吸附比的變化對(duì)濕潤(rùn)體平均含水率的影響較大,平均含水率隨著鈉吸附比的增加而減小。 除了鈉吸附比為 30 的情況,其他處理的濕潤(rùn)體平均含水率均高于純凈水灌溉時(shí)的濕潤(rùn)體內(nèi)平均含水率22郾 6% ,這說(shuō)明,只要鈉吸附比控制在一定的范圍20 以?xún)?nèi),咸水灌溉有利于增加濕潤(rùn)體的平均含水率。表 5搖

36、 不同處理濕潤(rùn)體平均含水率tab. 5搖 average soil water content underdifferent treatments %鈉吸附比灌溉水鹽分濃度 / mmol?l - 180 20 230 19郾 0 20郾 2 18郾 720 27郾 1 24郾 4 23郾 810 29郾 3 27郾 4 27郾 32郾 4搖 濕潤(rùn)體電導(dǎo)率平均值土壤中的鹽分隨水分一起運(yùn)動(dòng),因此,負(fù)壓灌溉條件下單個(gè)灌水器的土壤水分分布必然會(huì)對(duì)鹽分的分布產(chǎn)生影響。 根據(jù)實(shí)測(cè)各取樣點(diǎn)的電導(dǎo)率,建立濕潤(rùn)體土壤溶液電導(dǎo)率 k與 a2x2 +m2 z2之間的關(guān)系,用式 k aa2 + c 表示,擬合結(jié)果見(jiàn)表

37、 4。 該擬合的決定系數(shù)在 0郾 7 以上。 濕潤(rùn)體的鹽分隨著 a的增加而增加,但不同處理的增加速度不同。 濕潤(rùn)體內(nèi)含鹽量的分布較含水率的分布均勻。不同處理濕潤(rùn)體電導(dǎo)率平均值的變化見(jiàn)表 6。因?yàn)槿狱c(diǎn)在取土剖面上基本上均勻分布,所以計(jì)算各取樣點(diǎn)的算術(shù)平均值作為濕潤(rùn)體的電導(dǎo)率平均值。 由表 6 可知,鈉吸附比一定時(shí),不同濃度處理對(duì)剖面土壤的鹽堿度變化影響并不顯著。 而灌溉水鹽分濃度一定時(shí),灌溉水鈉吸附比的變化對(duì)濕潤(rùn)體土壤溶液電導(dǎo)率的平均值有很大影響。 對(duì)于 3 種濃度處理,鈉吸附比等于 30 時(shí)的濕潤(rùn)體電導(dǎo)率平均值為鈉吸附比等于 10 時(shí)的 1郾 8 倍。 說(shuō)明用咸水進(jìn)行負(fù)壓灌溉時(shí),當(dāng)灌溉水的鈉

38、吸附比大于 20 時(shí),濕潤(rùn)體的電導(dǎo)率平均值急劇增加,而含水率減小,影響和危害作物生長(zhǎng)。 造成這種結(jié)果的主要原因是,較大的灌溉水鈉吸附比可能會(huì)由于鈉離子比例的增加,引起土壤的彌散,使得入滲減小,不利于鹽分的淋洗,造成濕潤(rùn)體鹽分的整體累積。 另外由于灌溉水鈉吸附比較高,使得濕潤(rùn)體的平均含水率減小表 5,不利于鹽分的淋洗,也是造成鹽分累積的一個(gè)原因。表 6搖 不同處理濕潤(rùn)體平均電導(dǎo)率tab. 6搖 average electric conductivity in wetted soilvolume under different treatments ds / m鈉吸附比灌溉水鹽分濃度 / mmol

39、?l - 180 20 230 1郾 60 1郾 46 1郾 3420 0郾 94 0郾 81 0郾 8110 0郾 89 0郾 78 0郾 733搖 結(jié)論1 供水水頭 h - 1郾 5 m時(shí),濕潤(rùn)體的最大水平濕潤(rùn)距離、最大垂直濕潤(rùn)距離以及累積入滲量都隨著鈉吸附比的減小和灌溉水鹽分濃度的增加而增加。2 鈉吸附比一定時(shí),較大的灌溉水鹽分濃度可能有利于濕潤(rùn)體運(yùn)移,而當(dāng)灌溉水鹽分濃度一定時(shí),較小的鈉吸附比有利于濕潤(rùn)體的運(yùn)移。 鈉吸附601 農(nóng)搖 業(yè)搖 機(jī)搖 械搖 學(xué)搖 報(bào)搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 搖 2 0 1 3 年比等于 30 時(shí),最大水平濕潤(rùn)距離、最大垂直

40、濕潤(rùn)距離以及累積入滲量低于純凈水和其他鈉吸附比處理。3 土壤含水率和電導(dǎo)率的分布近似為一組同心橢球面,土壤含水率隨著橢球半軸的增加而減小,電導(dǎo)率隨著橢球半軸的增加而增加,說(shuō)明含水率最大值分布在橢球中心,即灌水器附近,而土壤電導(dǎo)率最大值分布在濕潤(rùn)體邊緣,這與點(diǎn)源滴灌濕潤(rùn)體的水鹽分布規(guī)律相似。4 濕潤(rùn)體的平均含水率隨著鈉吸附比的增加而減小,濕潤(rùn)體平均電導(dǎo)率隨著鈉吸附比的增加而增加。參 考 文 獻(xiàn)1搖 雷廷武,江培福,vincent f bralts,等. 負(fù)壓自動(dòng)補(bǔ)給灌溉原理及可行性試驗(yàn)研究j. 水利學(xué)報(bào),2005,363:298 302.lei tingwu, jiang peifu, vinc

41、ent f bralts, et al. principle of negative pressure difference irrigation system and feasibilityexperimental studyj. journal of hydraulic engineering,2005,363:298 302. in chinese2搖 鄒朝望,薛緒掌,張仁鐸,等. 負(fù)水頭灌溉原理與裝置j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,2311:17 22.zou chaowang,xue xuzhang,zhang renduo,et al. principle and equipment

42、 of negative pressure irrigation j. transactions of thecsae,2007,2311:17 22. in chinese3搖 鄒朝望. 負(fù)水頭灌溉技術(shù)基礎(chǔ)研究d. 武漢:武漢大學(xué),2007.4搖 李邵,薛緒掌,郭文善,等. 負(fù)水頭灌溉對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008 ,24增刊 2:225 229.li shao,xue xuzhang,guo wenshan,et al. effects of negative pressure irrigation on the growth,yield and qualit

43、y of tomato ingreenhousesj. transactions of the csae,2008,24supp. 2:225 229. in chinese5搖 楊學(xué)軍,武菊英,滕文軍,等. 負(fù)水頭虧缺灌溉下 4 種苔草耗水量及抗旱性研究j. 草地學(xué)報(bào),2011,194:607 611.yang xuejun,wu juying,teng wenjun,et al. studies on drought resistance and water consumption of four carex species undernegative pressure water sup

44、ply j. acta agrestia sinica,2011,194:607 611. in chinese6搖 江培福,雷廷武,vincent f bralts,等. 土壤質(zhì)地和灌水器材料對(duì)負(fù)壓灌溉出水流量及土壤水運(yùn)移的影響j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,224:19 22.jiang peifu,lei tingwu,vincent f bralts, et al. effects of soil textures and emitter material on the soil water movement andefficiency of negatively pressurized

45、 irrigation system j. transactions of the csae,2006,224:19 22. in chinese7搖 陳世平,李毅,付秋萍,等. 不同含鹽土壤圓盤(pán)入滲特征試驗(yàn)j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,264:36 41.chen shiping,li yi, fu qiuping, et al. experimental of disk infiltration characteristics with different soil salt contents j.transactions of the csae,2010,264:36 41. in chinese8搖 趙亞楠,肖娟,梁錦陶,等. 供水水頭和灌水器對(duì)負(fù)壓灌溉土壤水運(yùn)移的影響j. 灌溉排水學(xué)報(bào),2011,305:71 74.zhao yanan,xiao juan,liang jintao, et al. effects of hydraulic head and emitter on the soil water movement under negativepressure irrigation system j. journal of irrigation and drainage,2011,30