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覆膜条件下土壤水、盐、热耦合迁移试验研究

李毅

  田间土壤水分、盐分和温度变化使水、盐、热耦合迁移的过程极其复杂。近年来覆膜灌溉的推广应用、盐碱地开发和改良以及土壤次生盐碱化防治等问题使得研究西北干旱-半干旱地区覆膜条件下土壤水、盐、热耦合迁移规律成为重要课题。本论文结合国家自然科学基金和霍英东教育基金课题,采取理论分析与室内外试验相结合、以试验研究为主;大田与室内试验相结合、以室内试验为主;应用与机理研究相结合、以机理为主的技术路线,研究覆膜条件下土壤水、盐、热耦合迁移特点。成果如下:(1)根据大田实测地温资料,分析了覆膜条件下膜中、膜边、膜间和揭膜四种处理在早、中、晚三个不同时刻的地温特征;分析研究了各观测时刻覆膜与不覆膜条件下0~25cm剖面地温的特点及各层地温间的相关关系;在重点对玉米田地温时空变化特征分析的基础上,首次将覆膜与不覆膜不同时刻观测的剖面地温与气温建立了联系,提出了仅根据气温资料来预测一日内不同时刻剖面地温的新方法,预测结果表明其精度较高。(2)研制了水平一维、垂直一维及滴灌三维等三类土壤水、盐、热耦合迁移试验装置系统,该系统在水、盐、热的量测技术方面均采用了非破损的先进测量手段,从而为实现各特定温控试验条件下的动态观测提供了重要条件。(3)对由再分布过程推求的土壤非饱和导水率模型中的参数进行了敏感性分析,根据实测资料的计算表明,非饱和导水率对参数b和n的敏感性均大于其它参数。此外,研究表明,导热率与土壤含水率、土壤水吸力、含盐浓度之间均存在良好的幂函数关系;在取得一定温控条件下的土壤水分与温度分布实测资料的基础上,根据Philip经验方程,通过差分法计算得出温差作用下的水分扩散率,该参数可表示为温度的幂函数形式。(4)对等温条件下的入渗、半无限土体及有限土体再分布过程进行了较系统的试验研究。重点对以上各种条件下入渗、再分布过程的水盐剖面变化规律及特征进行了分析与定量描述。同时,根据有关理论对垂直一维积水入渗与有限土柱再分布平衡后的水分剖面建立了理论关系式,经试验资料检验,表明该理论关系是合理的。此外,对滴灌非充分供水入渗过程的水盐变化规律做了类似的分析,从而为考虑温度梯度作用下的同类问题研究与分析打下基础。西安理工大学博士学位论文(5)根据水平一维土壤水盐热耦合迁移试验,分析了温度势梯度对水盐运动影响的机理。研究表明,在温度势梯度影响下土壤水分以液态和汽态两种状态从暖端向冷端迁移,从而引起暖端基质势的相应改变,导致水分在两种势梯度交互作用下逐渐达到平衡。同时溶于水中的土壤盐分也随液态水的不断汽化而在近暖端大量累积,并在土柱内形成积盐区和脱盐区,二者的分界点一般在距暖端scm范围内变动。(6)在对初始含水率和含盐率均匀、地表有不同塑膜开孔率条件下蒸发的水盐运动进行研究基础上,探讨了温度场和水分运动特征与规律。试验研究表明,不同覆膜开孔率的累积蒸发量E与时间t的平方根均符合Gardner提出的线性关系。为便于实际应用,提出了相对累积蒸发量的概念,并分别建立了覆膜开孔率与相对累积蒸发量、蒸发速率及单位膜孔面积蒸发量间的确定性数学模型。同时分析了覆膜开孔条件下土壤剖面盐分和浓度特征,以及土表10cm的单位膜孔面积返盐率与不同覆膜开孔率的定量关系。根据以上思路,对不同开孔率条件下有限土柱垂直一维入渗一蒸发的水盐运动也做了同样分析研究,取得了相应成果,从而为该类问题的进一步深入研究与应用提供了重要参考。(7)研究了入渗锋和开孔率不同条件下半无限土体人渗结束后蒸发中的水盐运动特征及蒸发的最大湿润深度与表层含水率变化规律,建立了多因素影响下的累积蒸发量和蒸发速率的代数模型,同时探讨了开孔率和入渗锋影响下的平均蒸发速率特征。试验研究表明,开孔率和入渗锋是影响剖面含盐率及浓度变化的两个重要影响因素。对不同开孔率来说,全覆膜蒸发的浓度可用深度的指数形式表达,不同人渗锋和开孔率条件下浓度可表示为位置的分段指数函数。(8)滴灌入渗结束的蒸发试验表明,累积蒸发量及单位膜孔面积的累积蒸发量与覆膜开孔率的变化关系均可描述为幂函数形式。根据实测资料分析对比了全覆膜和不覆膜蒸发的含水率、含盐率、浓度及Na十浓度的变化特征和确定规律,做出了相应水盐特征的等值线图。(9)在确定了入渗、再分布及蒸发的控制方程及定解问题基础上,采用隐式差分格式对垂直一维积水入渗、半无限上体再分布及半无限土体蒸发进行了数值模拟,与计算结果对比表明,计算值与实测值比较符合。……   
[关键词]:覆膜;土壤水;;热耦合迁移;温度势梯度;开孔率;蒸发;再分布
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西安理工大学2002年
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