科学施灌解决的不仅仅是节水问题,更重要的是植物根系周围土壤水分的科学分布。无压渗灌技术是一种以导水介质材料为技术核心,专门针对荒漠化地区而研究的新型节水灌溉技术,渗灌头中关键导水材料可以利用水势差将水分自发地传递到土壤,并将植物根部附近土壤保持在合理的湿度范围内。对核心材料前期进行了深入的研究,取得了丰硕的成果,并在实际应用中取得良好效果,本文的重点是深入研究导水动力学模型及导水机理,为导水材料进一步大面积推广应用提供理论依据。本论文通过对采用溶液共混法制备的渗灌导水材料的结构特征进行分析,并根据成膜性和吸放水性能试验研究,选用聚丙烯酰胺与蒙脱土的质量比为1:4的导水材料作为研究对象,在此基础上推导了基于有限差分法的渗灌导水材料水分运移动力学方程,并结合红外光谱分析仪、X射线衍射仪、热分析仪和环境扫描电子显微镜的分析,确定了渗灌导水材料的导水机制。论文的主要研究成果如下:1.基于材料的结构特征,建立了基于达西定律的渗灌导水材料水分一维水平运动方程。为测定方程中的基本参数—扩散率,通过高速离心机和马氏瓶等试验测定和计算了导水材料水分特征曲线和导水率曲线。为求解一维水平运动方程,采用拉普拉斯变换法、Philip解法、Parlange解法和有限差分法这4种方法得到4种水分运动模型。通过研究10min和60min时各模型与实测值的拟合结果发现,基于有限差分法的计算模型对应的曲线与实测数据点拟合最好,其它曲线与实测数据点间差异较大。为研究累积入渗量与时间关系,采用有限差分法建立了材料的入渗量模型,同时采用Green-Ampt模型与之对比。结果显示,有限差分法的模型与实测值拟合较好,Green-Ampt模型与实测值差别较大。将有限差分法推导的累积入渗量模型与渗灌系统导水实测值进行对比分析,发现理论模型与实测数据相关性较好,证明了理论模型的正确性。2.为分析导水材料的导水机制,通过计算得到了导水率与时间的关系(i~t)曲线、导水率与出水端导水材料含水率的关系(i~θe)曲线和不同时刻的导水材料湿度分布曲线。结果发现,导水材料利用水势差进行导水,导水过程可分为三个阶段:水分快速传导阶段、导水率快速下降阶段和缓慢的稳定传水阶段。导水材料可以通过水势差的变化对导水速率实现自动态调节,当土壤湿度较低时,导水材料沿导水方向水势差较大,渗灌导水材料可以快速将水分运输到土壤端;当土壤湿度较高时,导水材料沿导水方向水势差降低,渗灌导水速率也随之降低,这与室内及沙漠现场试验结果一致,也证明了模型的准确性。3.实测试验结果与动力学模型的统一是在导水材料内部变化与导水过程相结合的基础上实现的,通过分析材料内部在导水过程三个阶段的变化情况,结果发现:导水材料主要依靠聚丙烯酰胺和蒙脱土的相互作用传导水分,水分快速传导阶段导水材料处于干燥状态,聚丙烯酰胺高分子长链收缩,蒙脱土通过与酰胺基形成氢键而均匀地粘附在其网络结构中,由于高分子网络结构收缩蒙脱土颗粒相互桥接构成水分传输通道,因此导水材料导水速率较快;随着导水进行,聚丙烯酰胺吸水溶胀,粘附在其上的蒙脱土微粒会随聚丙烯酰胺的网络结构运动,微粒间距离慢慢变大直到被分离开,这个阶段蒙脱土颗粒连接形成的水分传输通道逐渐被切断,导水由蒙脱土和聚丙烯酰胺同时进行,因此导水速率下降很快;随着导水过程的继续,当吸水溶胀的聚丙烯酰胺把蒙脱土微粒完全分开后,蒙脱土间形成的导水通道被完全切断,水分只能通过聚丙烯酰胺传递而进入缓慢稳定传水阶段。在实际导水过程中,上述三个阶段总是反复交替出现,当外界土壤湿度较低时,靠近土壤一侧的导水材料含水率下降,处于较干燥状态,蒙脱土颗粒团聚而形成导水通道,因此导水速率较快。当外界土壤湿度较高时,靠近土壤一侧的导水材料含水率也较高,导水材料整体处于吸水溶胀状态,蒙脱土导水通道被切断,因此导水速率下降,实现导水材料根据土壤湿度自调节导水速率的功能。4.在上述导水材料水分动力学方程、渗水实测试验和材料微观结构变化相统一的基础上,进行了室内沙箱试验和内蒙古沙漠现场试验。结果表明,无压渗灌系统不仅比滴灌更加节水,而且可以根据外界土壤湿度自调节导水速率。使用无压渗灌技术后,肉苁蓉接种率由19%提高到80%,肉苁蓉接种率明显提高。无压渗灌技术使肉苁蓉接种技术获得重大突破,同时也验证了理论方法的正确性。综上所述,在导水材料水分运动方程、累积渗水量方程、材料内部微观结构随导水过程变化、室内试验及沙漠现场试验等一系列研究成果的基础上,说明这种理论模型是正确的,这些理论成果对无压渗灌技术的实际生产有重要的指导意义。