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项目年度编号
2400161825
中图分类号
S275.6
成果公布年份
2024
成果简介
1.课题来源与背景：旱地农业是中国农业生产的重要类型，黄土高原是中国早地农业的中心地带。干旱缺水与水土流失是制约黄土高原可持续发展的两大瓶颈，也是导致该区生态脆弱的根本原因。调控降雨径流，发展节水灌溉技术，是同步解决上述两大难题的主要手段。为此，该项目针对黄土高原干旱缺水与水土流失两大瓶颈问题，发展了一种重力式地下孔灌系统。重力式地下孔灌系统具有雨水收集和灌溉双重功能，属于“主动抗旱”模式，符合旱作区集雨节灌发展理念。
2.研究的目的与意义：为实现雨水资源收集，高效节水灌溉系统的结合，该项目鉴于黄土高原的气候地理背景和该地区的果树种植灌溉，提出了一种由重力水头调控，具有雨水收集存储和高效节水灌溉功能的新型灌溉技术-重力式地下孔灌系统，作为新发展的集雨节灌技术，国内外还没有针对重力式地下孔灌相关研究，将其推广应用到山地经济林果区尚缺乏完整的理论基础。因此有必要对其入渗机制进行深入探讨，获得湿润体尺寸和灌溉渗水量预测模型，为工程的设计及运行提供科学依据。
3.主要的论点及论据：重力式地下孔灌作为一种集雨节灌新技术，其设计结合了地下滴灌和膜孔灌方法，与点源灌溉有一定的相似性，都是局部浸润灌溉，但其土壤水分运动规律又有别于地下滴灌和膜孔灌。因该研究重力式地下孔灌可以借鉴地下滴灌、膜孔灌等灌溉技术的研究思路，在充分吸收农业水土工程学、植物水分生理学、土壤物理学等学科的最新研究成果基础上，采用室内试验、数值模拟和大田试验相结合的方法，明晰重力式地下孔灌土壤水分运动机制，确定影响重力式地下孔灌的主导因素，建立重力式地下孔灌土壤水分入渗过程的定量表征模型，为该灌溉工程的设计及运行提供科学依据。(1)重力式地下孔灌土壤水分运动数值模拟研究以非饱和土壤水分运动理论为基础，建立重力式地下孔灌土壤水分运动的数学模型，测定土壤水力特性参数，并用HYDRUS软件进行求解，利用室内试验对模拟结果进行分析验证，定量获得不同灌水技术要素组合下的土壤水分空间分布特征和入渗特性，建立重力式地下孔灌土壤含水率分布的经验模型，构建重力式地下孔灌简化入渗模型，提出不同灌水技术要素条件下土壤入渗参数的估算方法。(2)重力式地下孔灌山地经果林生长动态及灌溉模式研究选取黄土高原苹果树作为研究对象，采用野外大田试验方法，研究重力式地下孔灌山地经果林(苹果)根系、水分在土层中的分布及动态变化规律，探讨苹果树的耗水特性和生长特性对重力式地下孔灌的响应关系，明确苹果树对重力式地下孔灌灌水技术参数的要求，确定适宜于苹果树健康生长的重力式地下孔灌灌溉制度和灌溉参数，提出山地经果林重力式地下孔灌最佳灌水指标和供水模式。
4.创见与创新：
(1)创新点：①揭示重力式地下孔灌土壤水分运动规律及动力学机制；②构建重力式地下孔灌湿润体尺寸和灌溉渗水量定量表征模型。
(2)需要解决的主要技术难点和问题：①构建重力式地下孔灌土壤水分运动数学模型，利用数值模拟方法准确预测土壤水分动态变化过程；②提出由土壤物理参数估算重力式地下孔灌湿润体尺寸和灌溉渗水量的方法，利用估算模型确定适宜的技术参数组合；③形成一套较为完整的黄土高原经果林重力式地下孔灌技术体系，为山地果园集雨节灌提供新思路和新方法。
5.社会经济效益，存在的问题：该项目采用HYDRUS-2D/3D数值模拟与实验室内土箱试验互相结合的方法，研究5种土壤质地、3种渗水孔管径、3种渗水孔埋深、3种基质势等因素共同作用下，不同入渗时间条件下的累积入渗量、不同累积入渗量条件下的湿润锋运移距离以及多因素影响下的土壤含水率分布规律。(1)揭示重力式地下孔灌土壤水分运动规律及动力学机制；(2)构建重力式地下孔灌土壤湿润体尺寸和灌溉渗水量预测模型；(3)提出山地经济林果重力式地下孔灌系统最佳灌水指标和供水模式，为重力式地下孔灌在山地果园的推广提供更多的参考。但是为了实现重力式地下孔灌在干旱半干旱地区的黄土高原山地果园广泛应用的目的，在该项目中仍有不足之处需进一步研究，(1)该项目所建立的累积入渗量和湿润锋运移距离经验模型均是模拟数据拟合获得，由试验数据对经验模型进行验证。但室内试验条件与大田条件存在差别，试验土箱内土颗粒的紧密性、透水性很难保证和大田一致，因此后期仍然需要结合当地的野外大田条件来修正、优化经验模型，为重力式地下孔灌的推广应用提供更加准确的理论依据；(2)重力式地下孔灌研究的是清水灌溉，该系统具有肥料槽等装置，对于肥水灌溉时的土壤水分运移情况需要进一步研究，进而实现系统的更多功能应用，增加田间操作的方便性。
6.成果简介：在项目课题的支持下，发表学术论文5篇，其中SCI检索3篇，EI检索1篇；申请并授权实用新型专利2项；培养硕士研究生2名，均已毕业。
完成单位
兰州理工大学
完成人
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