膜孔灌單向交匯入滲濕潤體特性影響因素研究

1、膜孔灌單向交匯入滲濕潤體特性影響因素研究作者：費(fèi)良軍1，李發(fā)文1，時(shí)間：2007-11-25 12:10:00 摘要：通過大量膜孔單向交匯入滲試驗(yàn)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(duì)膜孔單向交匯入滲的影響，結(jié)果表明各因素對(duì)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)源入滲，它不同于滴

2、灌條件下的非充分供水點(diǎn)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(duì)株距很大時(shí)，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(jìn)行膜孔灌技術(shù)要素研究的基礎(chǔ)，近年來，國內(nèi)外對(duì)滴灌條件下的點(diǎn)源入滲特性進(jìn)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(jìn)行了初步探討4-8，直至目前尚未見到國外對(duì)此問題的研究報(bào)導(dǎo)。膜孔單向交匯入滲比膜孔自由入滲復(fù)雜得多

3、，目前對(duì)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(jià)值和生產(chǎn)實(shí)際意義。1 試驗(yàn)條件膜孔單向交匯入滲室內(nèi)試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)土箱采用12mm厚的透明有機(jī)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(gè)膜孔直徑相同，且同時(shí)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(duì)稱，因而abcd面為膜孔交匯界面，即零通量面，為此試驗(yàn)中利用裝置的一半就可以達(dá)到模擬試驗(yàn)的要求。因此，試驗(yàn)

4、在土箱中土壤表層覆膜，為了模擬膜孔和便于觀測(cè)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(yàn)利用帶有刻度的截面積為10cm2的馬氏瓶進(jìn)行自動(dòng)供水，并保證方形水室中具有恒定的積水層高度，以達(dá)到充分供水的點(diǎn)源入滲，每次試驗(yàn)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(yàn)開始后，打開閥門，以分鐘為單位，時(shí)間間隔先短后長，由馬氏瓶的刻度讀取入滲水量，并進(jìn)行入滲量控制。試驗(yàn)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(yàn)土箱，試驗(yàn)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

5、/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 0.391.941.87 1.651.301.45 2.4329.7049.60 10-310-510-5 2 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(duì)濕潤體特性的影響3、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(shí)間分別為30min和90min的濕潤體形狀剖面圖，圖中d為膜孔直徑?？梢钥闯觯涸谙嗤霛B時(shí)間內(nèi)，不同膜孔直徑的濕潤鋒運(yùn)移距離不同，隨著膜孔直徑的增大，濕潤鋒推移距離

6、愈大，膜孔入滲交匯時(shí)間隨膜孔直徑的增大而減小。在入滲圖1 試驗(yàn)裝置示意30min時(shí)，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(shí)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(shí)90min時(shí)，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(duì)垂直濕潤鋒運(yùn)移的影響 圖4為對(duì)應(yīng)于圖2的不同膜孔直徑的垂直濕潤鋒運(yùn)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(shí)間的延長而不斷增大，但是濕

7、潤鋒運(yùn)移曲線隨入滲時(shí)間的延長而變緩，說明濕潤鋒推進(jìn)速度隨著入滲時(shí)間的增長而逐漸減??；在相同入滲時(shí)段內(nèi)，垂直濕潤鋒運(yùn)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(gè)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(yùn)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(yùn)移距離RZ與入滲時(shí)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(duì)圖4資料擬合得：d=20mm, RZ, R2=0.9962；d=30mm, RZ, R2=0.9991；d=36mm，RZ, R2=0.9927；d=50mm,

8、 RZ, R2=0.9947。上述相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，說明膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運(yùn)移距離RZ與入滲時(shí)間t之間具有良好的冪函數(shù)關(guān)系?？梢钥闯觯涸谄渌鼦l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(yùn)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(yùn)移距離RZ為 RZ=AtB=adbt(kt+L)(2)在圖4試驗(yàn)條件下RZt(0.001d+0.2967)。2.1.3 膜孔面積對(duì)水平濕潤鋒運(yùn)移的影響 圖5為對(duì)應(yīng)于圖2的不

9、同膜孔面積的水平濕潤鋒運(yùn)移曲線?？梢钥闯觯耗た字睆接螅粎R時(shí)間愈短，當(dāng)發(fā)生交匯后，隨著入滲時(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)移曲線 圖5 膜孔交匯入滲水平濕潤鋒運(yùn)移曲線利用式(3)對(duì)圖5資料擬合得：d=2.0cm, RX=(1-),R2=0.9883；d=3.0cm, RX=(1-),R2=0.9910；d=3.6cm, RX=(1-),R2=0.9979；d=5

10、.0cm, RX=(1-),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(4)式中：e、f、p、h為擬合參數(shù)。則試驗(yàn)條件下RX=(1-)t。2.2 膜孔間距對(duì)濕潤體特性的影響3、初始含水率為1.94%時(shí)，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(yùn)移曲線，圖中S表示膜孔間距?？梢钥闯觯涸谙嗤霛B時(shí)段內(nèi)，不同膜孔間距的垂直濕潤鋒運(yùn)移距離基本相同，說明膜孔入滲交匯階段對(duì)膜孔中心垂直濕潤鋒運(yùn)移特性影響不大，而對(duì)交匯界面處濕潤鋒運(yùn)移特性影響較大。圖7為對(duì)應(yīng)于圖6的垂直濕潤鋒運(yùn)移速率

11、曲線，t0為膜孔入滲交匯時(shí)間?？梢钥闯觯涸诎l(fā)生交匯后，膜孔中心處的垂直濕潤鋒運(yùn)移速率比交匯界面處的垂直濕潤鋒運(yùn)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(yùn)移受到限制而使垂直濕潤鋒運(yùn)移速率加大。 圖6 不同膜孔間距的垂直濕潤鋒運(yùn)移曲線圖7 垂直濕潤鋒運(yùn)移速率曲線（S=11.2cm）2.2.2 膜孔間距對(duì)水平濕潤鋒的影響 圖8表示對(duì)應(yīng)于圖6的不同膜孔間距的水平濕潤鋒運(yùn)移曲線，S表示膜孔間距?？梢钥闯觯翰煌た组g距對(duì)水平濕潤鋒運(yùn)移的影響主要通過交匯時(shí)間的不同來體現(xiàn)。水平濕潤鋒運(yùn)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

12、孔間距越大，則水平自由入滲運(yùn)移階段時(shí)間越長，在水平濕潤鋒到達(dá)交匯界面時(shí)開始交匯入滲階段，這時(shí)水平濕潤鋒運(yùn)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(shí)主要影響交匯界面處的垂直濕潤鋒運(yùn)移速率。2.3 土壤容重對(duì)濕潤體特性的影響2.3.1 土壤容重對(duì)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(shí)，不同土壤容重的垂直濕潤鋒運(yùn)移曲線?？梢钥闯觯涸谙嗤霛B時(shí)段內(nèi)，垂直濕潤鋒運(yùn)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(shí)，土壤空隙率減小，土壤入滲能力愈低，從而垂直濕潤鋒運(yùn)移距離愈小。圖

13、8 不同膜孔間距的水平濕潤鋒運(yùn)移曲線圖9 不同土壤容重的垂直濕潤鋒運(yùn)移曲線 3 結(jié)論（1）膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運(yùn)移距離隨著膜孔直徑的增大而增大；膜孔間距的變化對(duì)膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運(yùn)移距離影響不大；土壤容重愈大，其膜孔單向交匯入滲的垂直濕潤鋒運(yùn)移距離愈?。煌寥蕾|(zhì)地愈粗，其垂直濕潤鋒運(yùn)移距離愈大；土壤初始含水率愈大，其膜孔單向交匯入滲垂直濕潤鋒運(yùn)移速度愈小。（2）膜孔單向交匯入滲的水平濕潤鋒在發(fā)生交匯入滲前屬于自由入滲，其運(yùn)移的距離隨著膜孔直徑的增大而增大；土壤容重和初始含水率愈大，膜孔單向交匯入滲的水平濕潤鋒運(yùn)移距離愈小；土壤質(zhì)地愈粗，其水平濕潤鋒運(yùn)移距離愈大；土壤初始含水率愈

14、大，其水平濕潤鋒運(yùn)移距離愈小。當(dāng)膜孔入滲發(fā)生交匯后，其水平濕潤鋒運(yùn)移距離隨各影響因素的變化而保持不變。參 考 文 獻(xiàn)：1 付琳. 滴灌時(shí)的土壤浸潤狀況 J. 灌溉排水，1983，(3)：36-45.2 劉曉英. 滴灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究 J. 水利學(xué)報(bào)，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 吳軍虎. 膜孔灌溉入滲特性與技術(shù)要素實(shí)驗(yàn)研究 D. 西安：西安理工大學(xué)，2000.5 徐首先，