【摘要】：蒸發(fā)大、降水少、鹽堿危害嚴(yán)重的新疆地區(qū)廣泛應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)進(jìn)行棉花種植,在對作物進(jìn)行灌溉時(shí),受灌水周期短、定額小等影響,僅在膜下淺層根區(qū)形成淡化區(qū)域,而根區(qū)下半部分卻處于不斷積鹽狀態(tài),鹽分始終保留在田間,長期來講具有較大的積鹽和返鹽隱患。作為鹽堿地改良的重要手段之一,暗管排水技術(shù)在世界各地被廣泛應(yīng)用,主要通過暗管排水降低地下水位并排走其中的鹽分。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^大時(shí),只能埋設(shè)于非飽和區(qū)的暗管是否還具有排鹽功能、效果如何,這些均有待進(jìn)一步探索。因此,準(zhǔn)確認(rèn)知暗管處于非飽和土層時(shí)排水過程中土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律,對新疆以及其他干旱半干旱地區(qū)鹽堿地開發(fā)利用具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本文以暗管排水過程中土壤水、鹽動態(tài)為研究對象,開展了一系列室內(nèi)外試驗(yàn)(主要包括地面淋洗暗管排鹽試驗(yàn)和暗管沖洗排鹽試驗(yàn)),建立了暗管排水排鹽條件下剖面二維土壤水、鹽運(yùn)動模擬模型,利用試驗(yàn)結(jié)果對已建立的數(shù)值模型和水鹽運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行了校驗(yàn),在此基礎(chǔ)上,通過情景模擬分析,探討了不同暗管排鹽模式(包括地面淋洗排鹽、地面淋洗暗管下方防滲排鹽、暗管沖洗排鹽及暗管供排間隔排鹽等模式)的排鹽效果和水分的利用效率,主要研究結(jié)果如下:(1)田間地面淋洗、暗管排鹽試驗(yàn)結(jié)果表明,在暗管埋深為60cm、間距500cm、地面積水水頭3～10 cm條件下持續(xù)進(jìn)行16 d淋洗后,剖面土壤脫鹽效果顯著,60 cm以上土體脫鹽率達(dá)74.3%,但由于地下水埋藏較深(大于4 m)、試驗(yàn)小區(qū)周邊未進(jìn)行防滲處理以及暗管匯流面積過小等原因,導(dǎo)致暗管排鹽量較小,僅占60cm以上土體鹽分總量的0.3%。因此,當(dāng)暗管須埋設(shè)在非飽和區(qū)域時(shí),傳統(tǒng)的地面淋洗、暗管排鹽模式排鹽效率較低,需進(jìn)一步改進(jìn)以增加暗管排鹽量和提高排鹽效率。(2)利用田間淋洗試驗(yàn)數(shù)據(jù)對所建立的數(shù)值模型和相關(guān)水鹽運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行了校驗(yàn),結(jié)果表明剖面土壤含水量和含鹽量分布模擬值與實(shí)測值之間整體吻合較好,均方根差(RMSE)和決定系數(shù)(R2)分別為0.025 cm~3 cm~(-3)、0.88和2.74 g kg~(-1)、0.93,均在可接受范圍之內(nèi),說明所建立的數(shù)值模型和相關(guān)水鹽運(yùn)動參數(shù)可以用來描述暗管排水、排鹽過程中的土壤水鹽動態(tài),并進(jìn)一步用于當(dāng)?shù)啬は碌喂嗝尢锇倒芘披}的數(shù)值模擬與分析。(3)改進(jìn)方法1——地面淋洗條件下防滲排鹽模式:地面淋洗條件下,可考慮在暗管下方鋪設(shè)一定寬度的防滲材料以增加暗管的匯流面積,從而提高其排鹽效率。然而,防滲過寬所帶來的排鹽效率增加幅度十分有限、但卻會極大地增加施工難度和成本。綜合考慮數(shù)值模擬結(jié)果及工程成本與施工條件可知,防滲材料寬度在20～100 cm時(shí)有利于促進(jìn)暗管排鹽,與傳統(tǒng)的地面淋洗、暗管排鹽方式(無防滲材料)相比,可將排鹽率(暗管排鹽量在暗管控制區(qū)域內(nèi)60cm以上土體鹽分總量中所占的比例)和排鹽效率(單方水排鹽量)分別從9.8%和1.86 kg m~(-3)提高至17.2%和3.13 kg m~(-3)。此外,必要時(shí),縮小暗管間距也可以在一定程度上提高暗管排鹽量和排鹽效率。(4)改進(jìn)方法2——暗管沖洗排鹽模式:暗管可同時(shí)兼具供水和排水的功能。與地面供水淋洗相比,通過暗管直接向周圍土體供水可大大減少淋洗用水量,但結(jié)束供水后的排水、排鹽效果卻十分有限,即使采用真空泵使暗管內(nèi)形成一定的負(fù)壓條件(室內(nèi)試驗(yàn)尚可形成負(fù)壓,田間試驗(yàn)則難以形成),排水量也依然很低,排鹽效果根本無法滿足要求。數(shù)值模擬結(jié)果表明,暗管沖洗排鹽模式(即通過暗管直接供水濕潤周圍土壤然后再排水的模式)排鹽效率整體偏低,縮小暗管間距可在一定程度上增加排鹽量,提高排鹽效率,當(dāng)暗管間距為100 cm,供水時(shí)間1.5 d、暗管下方防滲寬度達(dá)100cm時(shí)排鹽效率達(dá)到最高值,但也僅有2.19kgm~(-3)。究其原因主要是因?yàn)樵诠┧A段鹽分隨著水分向遠(yuǎn)離暗管的方向運(yùn)動,排水階段排出的水溶液鹽分濃度較低,導(dǎo)致排鹽量較小,整體排鹽效果不佳。(5)改進(jìn)方法3——暗管供排間隔排鹽模式:相鄰暗管分別起供水和排水的作用(即一根持續(xù)供水,兩邊相鄰的暗管持續(xù)排水、排鹽),顯然其排鹽效率與暗管間距和供水壓力等因素密切相關(guān)。暗管間距不能太大,應(yīng)在供水的影響范圍之內(nèi)。當(dāng)暗管間距一定時(shí),壓力越大,則相鄰排水管開始排水的時(shí)刻越早,相同時(shí)間內(nèi)排水量越大;供水壓力一定時(shí),隨著供水時(shí)間延長,排鹽效率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;若不計(jì)成本、只考慮排除根系層鹽分的生態(tài)效益,當(dāng)供水管和排水管間距為50 cm、供水壓力為100cm時(shí),在供水達(dá)10.9情況下排鹽效率可達(dá)6.86 kg m~(-3);若暗管下方再鋪設(shè)防滲材料,排鹽效率還可提高5% ～ 70%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S156.4

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本文編號：2369024