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地下滴灌田间管网系统水力要素室内试验与数值模拟研究

作　者: 王晓愚
导　师: 李占斌；白丹
学　校: 西安理工大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 地下滴灌滴头流量土壤物理特性田间管网水力要素数值模拟
分类号: S274
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

地下滴灌是一项具有广阔应用前景的高效节水灌溉技术之一。由于地下滴灌滴头埋在土中,地下滴灌田间管网水力特性受到土壤物理特性的影响,但目前对这一问题缺乏深入系统的研究。本文采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了地下滴灌滴头、毛管和田间管网水力要素的变化规律及其影响因素,主要研究成果如下：(1)提出了一种新的试验测试方法,建立了相应的地下滴灌滴头与毛管水力要素室内试验测试系统,用称重传感器测量地下滴头出水量的质量值,用压力变送器测量管网压力值,并由数据采集系统和计算机实现试验数据的自动采集、传输和存储,其测试精度可满足试验要求,为研究地下滴灌滴头和毛管水力特性提供了有效的试验测试手段。(2)在试验数据的基础上,建立了以紊流迷宫内镶式滴头工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为自变量的地下滴灌滴头流量计算的经验公式。采用这一公式分析可知,地下滴灌滴头流量随工作压力的增加而增大,压力越大,地下滴灌与地表滴灌滴头流量越接近,压力水头是影响地下滴灌滴头流量的主要因素；土壤容重和土壤初始含水率对滴头流量有微弱的制约作用。(3)提出了地下滴灌毛管水力要素的试验方案。利用地下滴灌毛管水力要素试验数据,建立地下滴灌毛管水力计算的非线性方程组,运用MATLAB编程,可计算试验条件下毛管上每个滴头的流量值以及毛管局部水头损失加大系数。在此基础上,建立地下滴灌毛管水力计算数值模拟模型。应用这一模型,分析不同条件下的毛管水力要素变化规律,结果表明,土壤容重和土壤初始含水率越大、土质越重,滴头流量越小,相应的毛管沿程水头损失较小,毛管沿程压力较大；但不同土壤容重、土壤初始含水率和土质之间的地下滴灌毛管压力和滴头流量差异不显著。土壤质地越重、土壤容重和土壤初始含水率越大,地下滴灌毛管压力水头和流量偏差率越低。地下滴灌毛管压力水头偏差率与流量偏差率之间的关系可近似采用地表滴灌毛管压力水头偏差率与流量偏差率关系式表示。(4)建立了地下滴灌田间管网水力计算数值模拟模型。利用该模型,分析了不同组合下的田间管网灌水均匀度。结果表明,地下滴灌灌水均匀度要高于地表滴灌灌水均匀度；压力越高,地下滴灌与地表滴灌的灌水均匀度越接近；一般,当地面为平坡、支管和毛管布置方式相同时,不同滴灌管在地表滴灌时的田间管网灌水均匀度变化规律,均随着支管进口压力的增大而提高,但在地下滴灌中,随支管进口压力的增大,不同滴灌管田间管网灌水均匀度可能增大,也可能降低,这是由于不同滴灌管对土壤物理特性的敏感性不同所造成的。其它条件相同时,土质越重、土壤容重和土壤初始含水率越大,则灌水均匀度越大,但总体上来看,土质、土壤容重和土壤初始含水率对灌水均匀度的影响很小。对不同要素组合下的田间管网压力水头偏差率与流量偏差率变化规律的分析结果表明,土壤容重和土壤初始含水率越大、土质越重,则田间管网压力水头与流量偏差率越小,灌水质量越好,但土质、土壤容重和土壤初始含水率对压力水头和流量偏差率的影响较小；相同条件下,地下滴灌田间管网灌水质量优于地表滴灌。地下滴灌田间管网压力水头偏差率与流量偏差率之间的关系可近似采用地表滴灌田间管网压力水头偏差率与流量偏差率关系式表示。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
1 绪论  11-26
  1.1 研究意义  11-12
    1.1.1 地下滴灌是一种高效的节水灌溉技术  11
    1.1.2 地下滴灌技术应用前景广阔  11-12
    1.1.3 本研究有利于促进地下滴灌技术的应用与发展  12
  1.2 国内外研究现状与进展  12-22
    1.2.1 地下滴灌滴头水力特性研究与产品研制  12-15
    1.2.2 地下滴灌毛管与田间管网水力特性、田间管网水力计算与设计研究  15-16
    1.2.3 地下滴灌技术参数研究  16-18
    1.2.4 地下滴灌土壤水分运动规律研究  18-19
    1.2.5 地表滴灌田间管网水力计算研究  19-22
    1.2.6 需要进一步研究的问题  22
  1.3 研究内容、方法与技术路线  22-26
    1.3.1 研究内容  22-23
    1.3.2 研究方法  23
    1.3.3 技术路线  23-26
2 地下滴灌水力要素室内试验测试系统  26-35
  2.1 系统测试原理  26
  2.2 试验系统  26-29
    2.2.1 滴头水力要素试验系统  26-28
    2.2.2 毛管水力要素试验系统  28-29
  2.3 测试系统  29-32
    2.3.1 测试系统的硬件组成及功能  29-31
    2.3.2 自动测试系统的设计与实现  31-32
  2.4 系统调试与测试精度  32-34
    2.4.1 滴头出水量测试精度  32-34
    2.4.2 系统工作压力的测试精度  34
  2.5 本章结论  34-35
3 地下滴灌滴头水力要素试验研究  35-56
  3.1 试验材料  35-36
    3.1.1 供试土壤  35-36
    3.1.2 供试滴灌管  36
  3.2 地表滴灌滴头试验与分析  36-37
  3.3 地下滴灌滴头试验方案设计  37-39
    3.3.1 试验方法  37
    3.3.2 试验方案设计  37-39
  3.4 紊流迷宫内镶式滴头水力要素分析  39-51
    3.4.1 地下滴灌滴头出流过程  39-41
    3.4.2 地下滴灌滴头流量计算公式  41-46
    3.4.3 地下滴灌滴头流量影响因素分析  46-51
  3.5 压力补偿式滴头水力要素分析  51-54
    3.5.1 地下滴灌滴头出流过程  51-52
    3.5.2 地下滴灌滴头水力要素分析  52-54
  3.6 本章结论  54-56
4 地下滴灌毛管水力要素试验研究  56-104
  4.1 毛管水力要素试验研究  56-63
    4.1.1 试验方案  56-57
    4.1.2 试验材料与方法  57-58
    4.1.3 试验结果与分析  58
    4.1.4 地下滴灌毛管沿程水力要素分析  58-63
  4.2 地下滴灌毛管水力特性数值模拟研究  63-70
    4.2.1 毛管进口压力已知  64-66
    4.2.2 毛管进口流量已知  66-68
    4.2.3 滴头设计流量已知  68-70
  4.3 地下滴灌毛管水力要素变化规律分析  70-87
    4.3.1 地面坡度  70-74
    4.3.2 毛管管径  74-75
    4.3.3 毛管铺设长度、滴头间距与孔口数  75-78
    4.3.4 毛管进口压力  78-79
    4.3.5 土壤容重  79-82
    4.3.6 土壤初始含水率  82-85
    4.3.7 土壤质地和滴灌管类型  85-87
  4.4 地下滴灌毛管压力偏差率与流量偏差率及其影响因素  87-99
    4.4.1 毛管压力水头偏差率与流量偏差率  87-88
    4.4.2 毛管压力水头偏差率和流量偏差率与各影响因素之间的关系  88-98
    4.4.3 毛管压力水头偏差率与流量偏差率的关系研究  98-99
  4.5 压力补偿式滴灌管的地下滴灌毛管水力计算  99-102
    4.5.1 压力补偿式毛管水力计算的数学模型与方法  99-100
    4.5.2 模型应用  100-102
  4.6 本章结论  102-104
5 地下滴灌田间管网水力计算数值模拟研究  104-148
  5.1 地下滴灌田间管网水力计算  104-117
    5.1.1 支管进口压力已知  105-116
    5.1.2 支管进口流量已知  116
    5.1.3 支管进口压力未知  116-117
  5.2 地下滴灌田间管网灌溉质量及其影响因素研究  117-141
    5.2.1 微灌系统灌溉质量评价指标  117-119
    5.2.2 地下滴灌田间管网灌水均匀度及其影响因素研究  119-132
    5.2.3 地下滴灌田间管网压力水头偏差率与流量偏差率及其影响因素研究  132-141
  5.3 田间管网压力水头偏差率、流量偏差率与灌水均匀度的关系研究  141-146
    5.3.1 田间管网压力水头偏差率与流量偏差率之间的关系  141-143
    5.3.2 田间管网压力水头偏差率、流量偏差率与灌水均匀度之间的关系  143-146
  5.4 本章结论  146-148
6 结论与研究展望  148-151
  6.1 结论  148-150
  6.2 研究展望  150-151
致谢  151-152
参考文献  152-162
附录  162

地下滴灌田间管网系统水力要素室内试验与数值模拟研究

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