張中海

(陜西省涇陽(yáng)縣水利局，陜西 涇陽(yáng)713700)

Surfer軟件在膜孔灌溉土壤含水率繪制中的應(yīng)用

張中海

(陜西省涇陽(yáng)縣水利局，陜西 涇陽(yáng)713700)

利用Surfer軟件可以繪制各類(lèi)等值線圖，通過(guò)膜孔灌溉試驗(yàn)研究，以入滲時(shí)間分別為20 min、79 min和135 min的膜孔入滲數(shù)據(jù)為例，采用Surfer軟件繪制等值線圖。實(shí)踐證明軟件的應(yīng)用不僅能提高工作效率，而且也能減少由于人為原因造成的誤差，提高水量分布圖的質(zhì)量。具有一定的應(yīng)用和推廣意義。

Surfer軟件;膜孔灌溉;含水率

覆膜灌是利用地膜輸水，通過(guò)作物孔和專(zhuān)用灌水孔入滲進(jìn)行灌溉的一種節(jié)水型地面灌溉新技術(shù)［1］。地膜覆蓋最早是由日本于1955年開(kāi)始用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。其后，美國(guó)、法國(guó)、意大利、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)也相繼采用了該技術(shù)。八十年代初，新疆引進(jìn)地膜覆蓋栽培技術(shù)后，近十年來(lái)又在地膜覆蓋栽培的基礎(chǔ)上，研究了新的地膜覆蓋灌水方法，它包括膜側(cè)、膜上和膜下等三類(lèi)灌水方法。其中膜上灌，也稱(chēng)膜孔灌溉，是在膜側(cè)灌溉的基礎(chǔ)上，改壟背鋪膜為溝(畦)中鋪膜，使灌溉水流在膜上流動(dòng)，通過(guò)作物放苗孔或?qū)Ｓ霉嗨诐B入到作物根部的土壤中。與此同時(shí)，全國(guó)其它一些省市也進(jìn)行了覆膜灌溉試驗(yàn)研究，山東、河北、河南、甘肅等地還研究出了小麥套種情況下的覆膜灌溉方式［2］。

膜孔灌入滲為充分供水條件下的三維點(diǎn)源入滲，它不同于滴灌條件下的非充分供水點(diǎn)源入滲。土壤含水率的確定對(duì)進(jìn)行土壤水分特性研究，揭示土壤水運(yùn)移機(jī)制方面都有重要的意義。針對(duì)膜孔灌溉目前含水率的測(cè)定方法，要得到大量的詳盡的含水率是比較困難的，因此本文結(jié)合Surfer在繪制等值線圖的優(yōu)勢(shì)，在測(cè)定的原始含水率數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)格化插值計(jì)算，從而獲得令人滿(mǎn)意的土壤含水率分布圖。

1 濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率的分布

本試驗(yàn)采用西安粉土對(duì)膜孔灌溉入滲進(jìn)行研究，具體試驗(yàn)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。圖1、圖2和圖3表示膜孔直徑為36 mm、土壤容重為1.3 g/cm3、初始重量含水率為1.94%試驗(yàn)條件下，在入滲時(shí)間分別為20 min、79 min和135 min的膜孔入滲濕潤(rùn)體土壤含水率分布圖。可以看出:在入滲時(shí)間為20 min時(shí)，膜孔入滲處于自由入滲階段，膜孔入滲的濕潤(rùn)鋒形狀為半橢圓型，隨著膜孔入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，濕潤(rùn)半徑不斷增大，當(dāng)入滲時(shí)間為79 min和135 min時(shí)，膜孔入滲已發(fā)生交匯，而膜孔附近的飽和區(qū)也隨之不斷增大。土壤的初始含水率為1.94%，因而含水率為1.94%的等值線即為濕潤(rùn)鋒曲線。從圖中可以看出，在含水率為20.53%到濕潤(rùn)鋒曲線之間的土壤含水率變化梯度最大。

經(jīng)分析，土壤含水率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離之間滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系，即:

式中:θx、θy分別為水平方向土壤含水率和垂直方向土壤含水率，(%);α、β、η、λ 均為擬合參數(shù);x、y分別為水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。

圖1 膜孔入滲濕潤(rùn)體土壤含水率分布圖(t=20 min)

圖2 膜孔入滲濕潤(rùn)體土壤含水率分布圖(t=79 min)

圖3 膜孔入滲濕潤(rùn)體土壤含水率分布圖(t=135 min)

對(duì)圖1資料擬合得:

對(duì)圖2資料擬合得:

對(duì)圖3資料擬合得:

上述相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，說(shuō)明土壤含水率與水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離之間都具有良好的指數(shù)關(guān)系［4］。

圖4為對(duì)應(yīng)于圖1、圖2和圖3的土壤含水率在入滲時(shí)間t=20 min、79 min、135 min時(shí)分布圖，表示土壤初始含水率;表示接近于飽和含水率的含水率值?？梢钥闯?由于膜孔灌屬于積水入滲，在膜孔附近土壤含水率很快的從初始含水率增大到一最大值，在土壤濕潤(rùn)層深度方向上，土壤含水率隨著濕潤(rùn)層深度的增大，土壤含水率不斷減小，其值變化范圍在～，在本試驗(yàn)條件下，其值范圍為1.94% ～38.8%，并且在土壤濕潤(rùn)層某一深度，隨著入滲歷時(shí)的增長(zhǎng)，土壤含水率也隨之增大，濕潤(rùn)鋒坡度愈來(lái)愈緩。

本文還針對(duì)具有不同土壤初始含水率1.94%、7.84%和12.82%做了對(duì)比試驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，不同土壤初始含水率的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離不同，隨著初始含水率的增大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的愈慢，這主要是由于隨著土壤初始含水率的增大，濕潤(rùn)鋒前后的土水勢(shì)梯度減小，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率變慢［3］。

圖4 土壤含水率分布過(guò)程線

2 surfer軟件概述

2.1 原始數(shù)據(jù)的格式及輸入

Surfer自己帶有打開(kāi)和編輯數(shù)據(jù)文件的工作表格worksheet，可以通過(guò)它輸入和編輯數(shù)據(jù)文件，但其功能有限，對(duì)于文本格式的數(shù)據(jù)文件有時(shí)會(huì)讀成錯(cuò)誤的排列方式或出現(xiàn)亂碼，通過(guò)Microsoft Execl轉(zhuǎn)換成擴(kuò)展名為xls或ASCII格式擴(kuò)展名為dat的數(shù)據(jù)文件后，Surfer都能正常打開(kāi)。

2.2 網(wǎng)格化插值計(jì)算

網(wǎng)格化插值模型是軟件繪制等值線的核心，網(wǎng)格化插值計(jì)算采用一定的網(wǎng)格化方法(即數(shù)學(xué)模型)對(duì)不規(guī)則分布的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值，生成在原始數(shù)據(jù)分布范圍內(nèi)規(guī)則間距的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布。Surfer軟件給出了多種網(wǎng)格化插值計(jì)算方法，包括反距離加權(quán)插值法、克里金插值法、最小曲率法、改進(jìn)謝別德法、自然鄰點(diǎn)插值法、最近鄰點(diǎn)插值法、謝別德法、多元回歸法、徑向基函數(shù)插值法、三角網(wǎng)線性插值法等九種等值線繪制的數(shù)學(xué)模型，幾乎包括了目前所有的插值方法［5］。利用它可根據(jù)數(shù)據(jù)源情況和制圖要求，繪制符合要求的等值線圖。

3 surfer軟件在膜孔灌溉土壤含水率繪制中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化插值計(jì)算

膜孔灌溉試驗(yàn)中，得到圖3含水率分布圖，以此為基礎(chǔ)，利用surfer進(jìn)行網(wǎng)格化插值，以便取得更加詳盡的含水率分布圖。打開(kāi)surfer軟件，在軟件主界面打開(kāi)Grid菜單的Data選項(xiàng)，輸入存放試驗(yàn)數(shù)據(jù)的文件名(mks.xls)，接著出現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)格化參數(shù)對(duì)話(huà)框，選用克里金(Kriging)網(wǎng)格插值法，對(duì)話(huà)框中自動(dòng)給出網(wǎng)格參數(shù)，確定數(shù)據(jù)分布范圍(0，5.4;0，5.6)，在x與y軸取值范圍內(nèi)取100個(gè)離散點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)格化插值計(jì)算，就可以生成更密網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，在“Output GridFile”中輸入輸出文件名(mks.grd)

3.2 含水率分布圖的繪制

在Surfer軟件主界面中打開(kāi)Map菜單，選Contour項(xiàng)，在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中選定前面生產(chǎn)的插值文件(mks.grd)，在繪圖前再對(duì)等值線的線型、顏色、標(biāo)記等進(jìn)行修改，這樣就可以繪制出膜孔灌溉土壤含水率插值等值線圖，見(jiàn)圖5、圖6和圖7所示。圖中X代表水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，Y代表垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。

圖5 膜孔灌溉土壤含水率插值圖(t=20 min)

4 結(jié)論

通過(guò)膜孔灌溉室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可知土壤含水率與水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離之間都具有良好的指數(shù)關(guān)系，并且在土壤濕潤(rùn)層某一深度，隨著入滲歷時(shí)的增長(zhǎng)，土壤含水率隨之增大，濕潤(rùn)鋒坡度愈來(lái)愈緩。

針對(duì)膜孔灌溉目前含水率的測(cè)定方法，要得到大量詳盡的含水率是比較困難的。因此，本文將Surfer軟件應(yīng)用到膜孔灌溉土壤含水率分布圖的繪制中，可以得到更密的等值線圖，避免了以往要得到詳盡的分布圖要測(cè)定試驗(yàn)土樣很多點(diǎn)才能得到，這樣不僅節(jié)省時(shí)間、提高工作效率，而且也減少了由于人為原因造成的誤差，提高了水量分布圖的質(zhì)量，是膜孔灌溉土壤水分特性分析方法的重要改進(jìn)，具有重要的應(yīng)用推廣意義。

圖6 膜孔灌溉土壤含水率插值圖(t=79 min)

圖7 膜孔灌溉土壤含水率插值圖(t=135min)

［1］徐首先、梁軍.膜孔灌簡(jiǎn)介［J］.節(jié)水灌溉，1999(5):34 －36.

［2］李守謙.穴播地膜小麥栽培技術(shù)［M］.科學(xué)出版社，1998:1－7.

［3］李發(fā)文.膜孔灌交匯入滲特性及其影響因素研究［D］.西安理工大學(xué)，2002.

［4］李發(fā)文、馮平、費(fèi)良軍.膜孔灌溉三種入滲方式對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)，2007，26(3):57 －59.

［5］白世彪、陳曄、王建.等值線繪圖軟件SURFER7.0中九種插值法介紹［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)，2002，24(2):157－162.

Application on Surfer Software to Plotting Percentage of Moisture Isoline Map in Film Hole Irrigation

ZHANG Zhong－h(huán)ai
(Water Resources in Jingyang County of Shaanxi Province Jingyang 713700，Shaanxi)

Surfer software package can be used to draw various isograms.The article is based on film hole irrigation test，the film hole infiltration data of 20min，79min and 135min were taken as a case to introduce the method and steps how to plot isoline with Surfer.The application of software not only improves work efficiency，but also decreases manual error and improves quality of percentage of moisture isoline maps.These research have laid a foundation for further research of film hole infiltration.

Surfer software;film hole irrigation and percentage of moisture

S275.9

A

1004－1184(2011)05－0027－03

2011－05－25

張中海(1964－)，男，陜西涇陽(yáng)人，助理工程師，主要從事農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)及管理工作。