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

2、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(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

3、大的膜孔自由入滲；第2種為作物的行距相對株距很大時(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，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

4、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)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

5、，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/cm3)物理性粘粒含量(%)飽和導(dǎo)水率s/(cm/min)

6、粗沙土粉土粉質(zhì)粘土 0.391.941.87 1.651.301.45 2.4329.7049.60 2.73×10-33.80×10-52.17×10-5  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

7、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。可以看出：在相同入滲時(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）    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)對圖4資料擬合得：d=20

8、mm, 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=0.9947。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

9、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=adb·t(kt+L)(2)    在圖4試驗(yàn)條件下RZ=0.6353d0.2822·t(0.001d+0.2967)。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

10、滲水平濕潤鋒運(yùn)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

11、，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(yàn)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，

12、說明膜孔入滲交匯階段對膜孔中心垂直濕潤鋒運(yùn)移特性影響不大，而對交匯界面處濕潤鋒運(yùn)移特性影響較大。    圖7為對應(yīng)于圖6的垂直濕潤鋒運(yùn)移速率曲線，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）2.3 土壤容重對濕潤體特性的影響圖8 不同膜孔間距的水平濕潤鋒運(yùn)移曲線圖9

13、 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??；土壤質(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；

14、土壤初始含水率愈大，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，