形状系数表征石英砂颗粒与理想球体的差异程度,是影响砂滤层过滤水头损失和孔隙率的重要参数。 为了对砂颗粒的形状特征进行准确描述,本文采用体积和砂颗粒相同的圆球外表面积与砂颗粒外表面积之比作为砂 颗粒的形状系数,以粒径范围分别为 1.18~1.4 mm 和 1.4~1.7 mm,厚度为 400 mm 的 2 种石英砂滤层为研究对象。首 先,通过开展清水过滤试验,测量了滤层过滤速度及相应压降,采用注水法测量了滤层孔隙率,根据砂颗粒平均质量, 计算了砂颗粒等体积当量直径。然后,根据多孔介质中液相动量方程,结合砂滤层过滤特征,对 Ergun 方程进行了推 导,从理论上说明了 Ergun 方程对砂滤层的适用性。最后,根据 Ergun 方程,得出了砂颗粒等比外表面积当量直径,为 了消除湍流对测量结果的影响,采用湍流强度对计算结果进行修正,最终得到 2 种滤层砂颗粒形状系数分别为 0.821 和 0.798,最大相对误差仅为 2.44%,说明计算方法可行。计算结果表明,由于砂颗粒表面流动滞缓边界层的存在,随 过滤速度的增加,等比外表面积当量直径计算结果呈减小趋势。同时,随过滤速度的增加,湍流稳定性逐渐增强,湍流 强度则随之减小。为保证形状系数计算结果的准确性,清水过滤试验时,过滤速度的选取,应以湍流强度不低于 10% 为控制范围。研究结论为砂滤料的选型和加工提供了技术参考。

为了提高灌区的测流精度,降低测流的成本和人力投入,以伯努利方程为测流原理,制作了一种压力式 明渠测流装置。基于 Fluent 软件,利用 VOF 方法和 Realizable k-ε 模型对压力式明渠测流装置在矩形渠道中的水力 特性进行数值计算,得到的数据在后处理软件中进行处理、分析,同时进行试验验证。研究表明: 渠道水流自由液面横 向流速从中心到渠道两侧边壁逐渐减小,中心断面垂向流速从渠道底部到自由液面先增大后减小,且最大流速点位 于自由液面以下; 渠道水流在压力式明渠测流装置下游区形成涡旋; 模拟得到的不同位置处流速与试验流速最大误 差不超过 4.08%,最小仅为 0.29%; 在矩形渠道中,压力式明渠测流装置的模拟流量值与实际流量值误差小于 3%,可 以满足测流精度的要求,证明了数值模拟的可行性。

为明确覆盖滴灌模式在华北地区的节水增产效应,通过田间试验分析了春玉米土壤含水率动态变化、生 物量分配、产量和水分利用效率( WUE) 在不同覆盖处理( 白膜 W、黑膜 B、秸秆 S、不覆盖 N) 下的差异。结果表明: 各 覆盖处理对不同土层土壤含水率均有不同程度提高,全生育期,0~40 cm 土层深度处,W、B 和 S 处理土壤含水率分别 为 24.8%、23.5%和 22.6%,比 N 处理值( 21.5%) 分别提高了 15.2%、9.3%和 5.0%。W、B 和 S 处理的空气蒸汽压亏缺 ( VPD) 较 N 处理低 7.8%、8.2%和 0.3%。各覆盖处理比 N 处理提高平均光合能力 8.3%~17.28%,同时生育期前期各 覆盖处理的气孔导度也高于 N 处理。各处理间的光合能力与土壤水分、气孔导度与 VPD 存在显著的线性相关关系。 W、B 和 S 处理的干物质量分别比 N 处理提高 12.7%、10.46%和 8.32%,其中 S 和 B 处理成熟期穗干物质量占总干物 质量的比例( Rc /t) 与 N 处理相比略有降低,而 W 处理中 Rc /t 比 N 处理提高 5.45%,因此导致充分滴灌下 W 处理产量 较 N 处理显著提高 13.4%,而 B 和 S 处理产量与 N 处理值差异不显著。水量平衡法计算的不同覆盖处理蒸发蒸腾量 ( ET) 在 425.3~444.6 mm 之间变化,其中 W 处理 ET 最低,由此计算该处理 WUE( 2.99 kg /m3 ) 较 N 处理显著提高 17.3%,而 B 和 S 处理的 WUE 介于 W 处理和 N 处理之间。综上,华北地区充分滴灌下 W 处理( 白膜覆盖) 能够显著 提高春玉米产量和 WUE。

为了解汾河谷地设施农业土壤次生盐渍化状况。选取太谷县不同灌溉条件( 滴灌和沟灌) 下大棚 0~1 m土壤进行全盐量及 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO-3、SO2-4 、CO2-3 含量的测定,并且采集大田土壤作为对照。结果表明:①在 0~1 m 深度大棚土壤中,全盐量呈现出随深度不断下降的趋势。滴灌土壤全盐含量范围为 0~2 g /kg,沟灌土壤全盐量范围为 1~10 g /kg 且盐分在土壤表层( 0~0.2 m) 出现明显的集聚现象,沟灌大棚土壤在表层出现中度的盐渍化现象; ②对土壤盐基离子进行分析发现,除 HCO-3 外其余 6 大盐基离子均表现出滴灌＜沟灌。太谷县大棚土壤阳离子以 Ca2+、Mg2+为主,阴离子以 SO2-4 、Cl-为主。Ca2+、Mg2+、SO2-4 、Cl-增加是造成沟灌土壤次生盐渍化的主要原因。③对 0~0.4 m 之间大棚土壤进行相对质量指数分析,滴灌土壤相对质量指数小于沟灌土壤。其中,最大值出现在沟灌土壤 K+中,为 18.66; 最小值出现在滴灌土壤 Cl-中,为 0.79。采用滴灌可以有效减缓大棚土壤中盐分含量的积累,能有效抑制大棚土壤次生盐渍化的形成,本研究可为太谷地区设施农业的可持续发展提供科学参考。

为探讨不同生育期干旱胁迫对淮北平原冬小麦生长发育的影响,基于 2016-2017( 简称 2017 年) 和 2017 -2018( 简称 2018 年) 年冬小麦盆栽受旱试验,以生育期不同土壤水分为控制因素,在冬小麦分蘖期、拔节孕穗期、抽 穗开花期、灌浆成熟期分别设置轻旱和重旱 2 个水平以及全生育期不旱( CK) ,共 9 个水分处理,分析小麦不同生育期 不同受旱程度对株高、耗水规律、产量和水分利用效率( WUE) 的影响,以及气候因素对两年相同水分处理下冬小麦生 长发育的影响。结果表明,在受旱生育当期,受旱胁迫均会降低小麦的株高,重旱组的株高明显低于轻旱组,拔节孕穗 期重旱易对株高造成永久胁迫; 受旱胁迫不仅会使受旱当期耗水量减少,其全生育期耗水量也低于 CK 组,受旱程度 越高耗水量越小,日耗水强度也具有相同规律; 各生育期轻旱对小麦产量影响较小,受重旱胁迫均造成小麦减产,减 产表现为拔节孕穗期＞抽穗开花期＞灌浆成熟期＞分蘖期,受旱胁迫时温度较高、日照时间长会加重小麦的减产; 不同 生育期受旱对 WUE 的影响程度不同,分蘖期和灌浆成熟期受旱影响较小,拔节孕穗期重旱处理时 WUE 最低。试验表 明,拔节孕穗期和抽穗开花期是小麦植株生长和发育的关键时期,实际生产中,在拔节孕穗期和抽穗开花期需提供充 足水分,尤其气温高和日照时间长时更要避免受到重旱,在分蘖期和灌浆成熟期则可适当受旱,依此可达到节水稳产 的目的。

在深松 40 cm 条件下,设置 4、7、10 d /次 3 个滴灌周期,灌溉总量均为 3 600 m3 /hm2,分析了不同滴灌周 期对棉花农艺性状、蕾铃动态分布、干物质积累分配及产量构成的调节效应。结果表明: 深松条件下滴灌周期 7 d 处 理有利于提高棉花株高、主茎叶片数、蕾数及铃数,且促进营养器官干物质积累转向生殖器官,提高单株结铃数、单铃 重,较 4、10 d 分别增加 8.53%、4.98%、9.31%、8.38%,最终使籽棉产量及水分利用率提高了 15.72%、16.50%、17.48%、 18.38%。因此,深松 40 cm 条件下滴灌周期为 7 d 有利于农艺性状和产量提高。

为了研究番茄在不同基质下耗水规律及生长指标数学模拟,于 2018 年在河北农业大学农田水利试验室 开展试验,试验中采用 3 种基质,分别是 A( 原状土经过自然风干后与沙子、蛭石按体积比例 8 ∶ 1 ∶ 1 进行配制) ,B ( 河北省保定市保育栽培厂的育苗营养土) ,C( 自配基质、草炭土、珍珠岩与蛭石按 3 ∶ 1 ∶ 1 体积配制) ; 两种灌水水平 ( W 为 40 mm,D 为 30 mm) 。同时利用 MATLAB 中的 BP 神经网络对番茄的根系生长指标进行模拟训练及预测; 最终 在 A、B、C 3 种基质、两种灌水水平下,番茄平均日耗水强度分别为 0.66、0.43、1.43、1.22、0.68、0.54 mm/d; 试验结果表 明: 番茄株高,茎粗,根尖数,根长等指标受到基质和灌水量影响显著,灌水量过低容易造成生育期内水分胁迫; 在高灌 水量下,基质 B 显著影响番茄的生长指标和耗水强度,研究结果显示“B 基质+高灌水 W”的组合模式更适合番茄 生长。

精准补贴与节水奖励机制是农业水价综合改革的重要内容。为研究制定适用于项目区、并可在引丹灌 区复制推广的农业水价综合改革奖补机制,针对李楼镇项目区计量设施无法计量到户的实际情况,以各行政村及用 水大户作为奖补机制研究单元,提出了经验公式法、横向比较法等动态节水标准制定方法,构建了与执行水价挂钩的 动态精准补贴机制以及“两部制”节水奖励机制,具有较强的可操作性和可复制性。经验公式法可作为项目区制定节 水标准的主要方法,对于无降雨资料的项目区或经验公式偏差较大时可采用横向比较法确定节水标准或使用横向比 较法对节水标准进行修正。精准补贴根据核定水价、执行水价和现行水价的相对关系适时动态调整补贴对象和补贴 标准,以实现补贴精准。节水奖励分两部分进行,既对节约用水普遍奖励,又对节水成效显著的用水户重点奖励,可在 奖补资金总量有限的情况下,更好地激励节约用水行为,提升农业节水意识。

通过小区试验,对比分析了不同滴灌带布置方式及灌水定额对南疆无膜滴灌棉花生长及产量品质的影
响。试验设置 2 带 6 行和 3 带 6 行 2 种滴灌带布置方式,每种布置方式设定 3 个灌水定额,即 360、450 和 540 m3 /( hm2·次) 。结果表明: 当灌水定额相同时,2 带 6 行处理的棉花茎粗增长量均高于 3 带 6 行,同时,棉花苗期株高日
增长量也要显著高于 3 带 6 行,而当棉花进入蕾期后,3 带 6 行处理的棉花株高日增长量却高于 2 带 6 行。除滴灌带
布置方式为 2 带 6 行,灌水定额为 450 m3 /( hm2·次) 处理的单株铃数显著于 3 带 6 行外,其他处理的单株铃数、单铃
质量、籽棉产量以及灌溉水利用效率差异性不显著( p＞0.05) 。当滴灌带布置方式相同时,棉花单株铃数、单铃质量以
及籽棉产量随着灌水定额的增加而增加,灌溉水利用效率则随着灌水定额的增加而减小。从棉花生长、产量及灌溉
水利用效率综合分析,初步得出在南疆地区无膜滴灌棉花适宜采用 3 带 6 行的滴灌带布置方式,适宜的灌水定额为540 m3 /( hm2
·次) 。

气候变暖与干旱事件频发使灌溉水资源的胁迫度增加,而提高灌溉效率是解决水资源缺口和确保粮食 产出的有效途径。基于湖北农户固定观察点数据和随机前沿分析方法测算水稻灌溉效率,基于气象站逐日降水数据 测算持续干燥指数这一气候指标,在此基础上,采用面板 Tobit 模型,实证分析气候变化、农户适应性对水稻灌溉效率 的影响。水稻灌溉效率核算结果显示,湖北不同地区水稻灌溉效率存在明显差异,长阳土家族自治县、汉川市、郧县的 水稻灌溉效率较低,大冶市和荆州市较高。从时间上看,2011 年湖北水稻灌溉效率最低,这与当年湖北降水量异常相 关。回归结果显示,持续干燥指数的增加明显降低了水稻灌溉效率,日降水量小于 1 mm 的最长连续天数增加一日, 水稻灌溉效率将下降 0.3%。农户适应性指标农田水利设施对水稻灌溉效率具有正向影响,而且能够降低持续干燥指 数对水稻灌溉效率的不利影响。基于以上结果,建议相关部门加强对气候变化的预警,并为水稻种植户提供适应气 候变化的培训和技术指导。

土壤毛细水是植物可以吸收利用的水,针对塔里木河下游流域应急输水无法解决的单株胡杨土壤水分 胁迫问题,提出柱状换土技术提升地下水,补给胡杨根系土层,实现胡杨自我恢复。本文通过室内竖管毛细水上升高 度试验,分析不同颗粒级配土壤毛细水上升高度随时间的变化规律,孔隙结构对毛细水上升高度和速度的影响,并利 用投影寻踪回归( PPR) 仿真计算各粒组对土壤毛细水上升高度的影响。结果表明: ①当大于 0.05 mm 颗粒含量越高 时毛细水上升速度越快; 0.05~0.005 mm 颗粒含量越高时毛细水上升高度越高。②土壤毛细水上升过程中,大孔隙决 定毛细水上升速度,小孔隙决定毛细水上升高度。③0.05~0.005 mm 颗粒含量对土壤毛细水上升高度起决定作用,得 出利于毛细水上升的土壤粒度成分最优组合为: 小于 0.005 mm 颗粒含量为 0%,0.05~0.005mm 颗粒含量为 65%,大于 0.05 mm 颗粒含量为 35%。研究结果探明了塔河沿岸天然土壤的毛细水上升规律,丰富了土壤水动力学理论,为柱状 换土技术用于胡杨的生态修复提供了理论依据。

传统渠道断面设计多采用试算法,存在着计算量大、累积误差大和主观依赖性大的缺点。通过二次抛物 线形渠道断面数学表达式,以优化计算流量和设计流量之差为目标,综合约束条件,建立了抛物线形渠道断面设计的 优化模型,并利用 Rao-1 算法求解了模型。利用北屯罐区三干渠作为应用实例,验证了算法的有效性。结果表明,当 抛物线系数 k 为 5.023 时,流量 Q 为 0.330 0 m3 /s,最接近于设计流量 0.33 m3 /s,同时,与试算法相比,减少了渠道施工 中涉及的工程量,节约施工成本,提高了经济效益。Rao-1 算法收敛速度更快,优化精度更高,适合渠道断面优化设计 问题。

节水灌溉方案不仅和自身技术特点有关,还受自然环境、社会经济、运行管理等因素制约,在工程设计中 对节水灌溉方案的选择是一个复杂的多目标决策过程。针对节水灌溉方案评价指标信息存在模糊性以及指标要素 内部和各评价指标之间内在联系和相互影响,提出了基于白化权灰色定权聚类的节水灌溉方案评价方法。该方法采 用灰色定权聚类方法,以指标信息的平均值与标准差聚类的白化权函数的转折点确定,利用信息群灰关联度模型解 决方案评价过程中的指标信息之间存在的相关性并获得指标权重,应用灌溉方案的灰度值进行方案的优选和评价。 应用该模型对某节水灌溉工程方案进行优选,结果表明,该方法符合实际,评价结果可信,为节水灌溉方案的评价优 选提供了一个新方法。

为了揭示叶片逆向衰老小麦对干旱胁迫的适应机制,试验以自然天气条件下为对照,通过对旱棚内及对 照气象要素和有关生理生态指标的测定,分析了干旱胁迫条件下逆向衰老小麦灌浆结实期的农田水热状况。结果表 明: ①逆向衰老小麦农田净辐射较正常衰老小麦偏低 16.87~40.64 W/m2,t 检验,二者差异不显著。②在 0.2 m~2 /3 株高和 2 /3 株高～冠顶,逆向衰老小麦的湍流热通量较正常衰老小麦分别偏低 14.19~63.51 W/m2 和 28.54~85.83 W/m2 ; 潜热通量较正常衰老小麦分别偏高 28.87~47.93 W/m2 和 51.17~135.18 W/m2,t 检验,二者差异显著( P＜0.05) 。 ③逆向衰老小麦农田的土壤热通量较正常衰老小麦偏低 28.90~60.23 W/m2,经 t 检验,二者差异显著( P＜0.05) 。④ 逆向衰老小麦蒸腾速率高于正常衰老小麦,且在 60 cm 土层二者土壤湿度差异显著。在干旱胁迫条件下,逆向衰老小 麦农田的水热分配创造出了较冷湿的小气候环境,有效地延缓了小麦生长后期植株的早衰。

明确不同品种玉米生长和光合特性对 CO2 浓度和水分处理双因子的响应规律可为变化环境下品种选育 提供参考。采用盆栽试验,分析了两个品种玉米拔节期的株高、茎粗和叶面积以及净光合速率( A) 、气孔导度( Gs) 和 蒸腾速率( E) 。结果表明: 低水处理使两个品种玉米的茎粗及“京科 968”的叶面积显著降低,并使两品种玉米的 A 和 Gs 显著降低; 除“郑单 958”低水处理的株高显著降低外,CO2 浓度升高并未导致两品种玉米的株高、茎粗、叶面积和 SPAD 显著变化; 所有水分处理下,CO2 浓度升高并未造成 A 显著变化,而两品种玉米的 E 和 Gs 均有不同程度的显著 降低; CO2 浓度升高使所有水分处理下“京科 968”和“郑单 958”的 Gs 降低的均值分别为 39.99%和 21.10%。CO2 浓 度升高显著提高了“京科 968”的叶片水分利用效率( WUE) ,而对郑单 958 的 WUE 无明显影响。CO2 浓度 400 μmol / mol 下,各水分处理的“京科 968”的 Gs 均高于“郑单 958”,而 600 μmol /mol 时,“京科 968”的 Gs 则由于降低更多而低 于“郑单 958”,且具有较高的 WUE。表明不同品种玉米应对 CO2 浓度升高表现不同,而“京科 968”在未来 CO2 浓度 升高环境下因其较低的 GS 可能具有更好的抗旱能力。

为探求华北地区抽穗期水分胁迫对冬小麦光合特性的影响,在冬小麦大田试验的基础上,利用方差和回 归分析对其试验数据进行整理和分析。结果表明: 该试验区各土层的土壤含水率有较明显的分层现象,这种分层结 构在一定程度上控制着水分的垂直分布方式。并且深度为 10~30 cm 的土壤含水率在试验的 3 个不同时段均高于其 他几个土层,保水性能较其他土层最优。该试验区抽穗期土壤湿度的变化直接对冬小麦的光合速率和蒸腾速率产生 影响,同时光合速率和蒸腾速率均呈显著正相关( P＜0.05) 关系,但一次项比例系数有明显不同。且不同处理下,光合 速率和蒸腾速率会在一天中的不同时刻出现峰值,这主要是受到了温度和水分胁迫交互作用的影响。根据此试验区 冬小麦旗叶生理指标的综合结果,建议该地区抽穗期最优田间水分控制在田间持水量的 60%~70%,此水平具有明显 稳产节水的生产效果。

为分析地下滴灌深播小麦出苗状况以及探究其对小麦生长发育的影响,采用播种深度、毛管埋深、灌水 定额及灌水次数 4 因素 3 水平的正交试验,分析地下滴灌深播小麦出苗及生长的变化情况。结果表明: 地下滴灌各处 理中播种深度 10 cm 出苗率更高。播种深度 10 cm 处理相比 15 cm 及 20 cm 处理的小麦株高更高。地下滴灌与 CK 处理小麦株高和叶绿素含量变化趋势基本一致。地下滴灌不同播种深度处理间叶绿素含量差异不大,且与地表滴灌 CK 处理相比差异不显著( P＞0.05) 。CK 处理与地下滴灌条件下播种深度 10 cm 处理小麦株高的变化无显著差异( P＞ 0.05) ,与播深 15 cm、20 cm 处理株高变化差异显著( P＜0.05) 。地下滴灌播种深度较大的影响了小麦株高。通过正交 试验直观分析表明影响深播小麦出苗率的因素主次顺序为: 播种深度＞灌水次数＞灌水定额＞毛管埋深。播种深度较 大程度的影响出苗率,深度加深出苗率有所下降。同时,通过试验认为地下滴灌可为深播种小麦提供出苗水分,但仍 需选择耐深播小麦品种对地下滴灌小麦播深参数进行优化。