新疆盐碱棉田暗管排盐方案研究

发布时间：2018-12-08 21:30

【摘要】：蒸发大、降水少、盐碱危害严重的新疆地区广泛应用膜下滴灌技术进行棉花种植,在对作物进行灌溉时,受灌水周期短、定额小等影响,仅在膜下浅层根区形成淡化区域,而根区下半部分却处于不断积盐状态,盐分始终保留在田间,长期来讲具有较大的积盐和返盐隐患。作为盐碱地改良的重要手段之一,暗管排水技术在世界各地被广泛应用,主要通过暗管排水降低地下水位并排走其中的盐分。当地下水埋深较大时,只能埋设于非饱和区的暗管是否还具有排盐功能、效果如何,这些均有待进一步探索。因此,准确认知暗管处于非饱和土层时排水过程中土壤水盐运移规律,对新疆以及其他干旱半干旱地区盐碱地开发利用具有极其重要的理论和现实指导意义。本文以暗管排水过程中土壤水、盐动态为研究对象,开展了一系列室内外试验(主要包括地面淋洗暗管排盐试验和暗管冲洗排盐试验),建立了暗管排水排盐条件下剖面二维土壤水、盐运动模拟模型,利用试验结果对已建立的数值模型和水盐运动参数进行了校验,在此基础上,通过情景模拟分析,探讨了不同暗管排盐模式(包括地面淋洗排盐、地面淋洗暗管下方防渗排盐、暗管冲洗排盐及暗管供排间隔排盐等模式)的排盐效果和水分的利用效率,主要研究结果如下:(1)田间地面淋洗、暗管排盐试验结果表明,在暗管埋深为60cm、间距500cm、地面积水水头3～10 cm条件下持续进行16 d淋洗后,剖面土壤脱盐效果显著,60 cm以上土体脱盐率达74.3%,但由于地下水埋藏较深(大于4 m)、试验小区周边未进行防渗处理以及暗管汇流面积过小等原因,导致暗管排盐量较小,仅占60cm以上土体盐分总量的0.3%。因此,当暗管须埋设在非饱和区域时,传统的地面淋洗、暗管排盐模式排盐效率较低,需进一步改进以增加暗管排盐量和提高排盐效率。(2)利用田间淋洗试验数据对所建立的数值模型和相关水盐运动参数进行了校验,结果表明剖面土壤含水量和含盐量分布模拟值与实测值之间整体吻合较好,均方根差(RMSE)和决定系数(R2)分别为0.025 cm~3 cm~(-3)、0.88和2.74 g kg~(-1)、0.93,均在可接受范围之内,说明所建立的数值模型和相关水盐运动参数可以用来描述暗管排水、排盐过程中的土壤水盐动态,并进一步用于当地膜下滴灌棉田暗管排盐的数值模拟与分析。(3)改进方法1——地面淋洗条件下防渗排盐模式:地面淋洗条件下,可考虑在暗管下方铺设一定宽度的防渗材料以增加暗管的汇流面积,从而提高其排盐效率。然而,防渗过宽所带来的排盐效率增加幅度十分有限、但却会极大地增加施工难度和成本。综合考虑数值模拟结果及工程成本与施工条件可知,防渗材料宽度在20～100 cm时有利于促进暗管排盐,与传统的地面淋洗、暗管排盐方式(无防渗材料)相比,可将排盐率(暗管排盐量在暗管控制区域内60cm以上土体盐分总量中所占的比例)和排盐效率(单方水排盐量)分别从9.8%和1.86 kg m~(-3)提高至17.2%和3.13 kg m~(-3)。此外,必要时,缩小暗管间距也可以在一定程度上提高暗管排盐量和排盐效率。(4)改进方法2——暗管冲洗排盐模式:暗管可同时兼具供水和排水的功能。与地面供水淋洗相比,通过暗管直接向周围土体供水可大大减少淋洗用水量,但结束供水后的排水、排盐效果却十分有限,即使采用真空泵使暗管内形成一定的负压条件(室内试验尚可形成负压,田间试验则难以形成),排水量也依然很低,排盐效果根本无法满足要求。数值模拟结果表明,暗管冲洗排盐模式(即通过暗管直接供水湿润周围土壤然后再排水的模式)排盐效率整体偏低,缩小暗管间距可在一定程度上增加排盐量,提高排盐效率,当暗管间距为100 cm,供水时间1.5 d、暗管下方防渗宽度达100cm时排盐效率达到最高值,但也仅有2.19kgm~(-3)。究其原因主要是因为在供水阶段盐分随着水分向远离暗管的方向运动,排水阶段排出的水溶液盐分浓度较低,导致排盐量较小,整体排盐效果不佳。(5)改进方法3——暗管供排间隔排盐模式:相邻暗管分别起供水和排水的作用(即一根持续供水,两边相邻的暗管持续排水、排盐),显然其排盐效率与暗管间距和供水压力等因素密切相关。暗管间距不能太大,应在供水的影响范围之内。当暗管间距一定时,压力越大,则相邻排水管开始排水的时刻越早,相同时间内排水量越大;供水压力一定时,随着供水时间延长,排盐效率均呈现先上升后下降的趋势;若不计成本、只考虑排除根系层盐分的生态效益,当供水管和排水管间距为50 cm、供水压力为100cm时,在供水达10.9情况下排盐效率可达6.86 kg m~(-3);若暗管下方再铺设防渗材料,排盐效率还可提高5% ～ 70%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S156.4

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