王 博

(甘肅省水土保持科學研究所，蘭州 730020)

滴灌水分運動研究進展

王 博

(甘肅省水土保持科學研究所，蘭州 730020)

水資源短缺問題嚴重的制約著干旱半干旱地區(qū)農業(yè)和經濟的可持續(xù)發(fā)展，高效的節(jié)水技術是緩解水資源緊張的重要手段。滴灌是目前最有效的一種節(jié)水灌溉技術，并廣泛的應用在干旱半干旱地區(qū)。為了更好的利用該技術，許多專家和學者對該技術條件下的水分運移規(guī)律進行了大量的研究。本文將詳細介紹這些研究方法和成果，為今后的研究提供一些參考。

水資源短缺；滴灌有效；節(jié)水；水分運移

0 引 言

1856年法國工程師Darcy 通過試驗建立了土壤水分運動方程，這為今后探索土壤中水分的運動奠定了堅實的理論基礎。隨著社會的快速發(fā)展，水資源短缺問題異常突出。而對于干旱半干旱地區(qū)，解決該問題則顯得迫在眉睫。

20世紀60年代，以色列人發(fā)明了滴灌技術，經過幾十年的不斷發(fā)展，該技術被認為是一種高效的節(jié)水技術。它的優(yōu)勢體現在：節(jié)水增產、提高土壤溫度、自動化程度高和綜合效益高等[1-3]。

從20世紀90年代，新疆引進該技術。為了更好的發(fā)揮該技術，國內外的許多專家和學者對該技術條件下的水分運動規(guī)律進行了大量的研究，下面對這些研究成果進行詳細的描述。

1 滴灌單點源水分運動研究

滴灌條件下的水分運動是三維問題，與一維、二維水分運動同樣遵循非飽和達西定律和質量守恒定律。為了適應多變復雜的實際問題，并能更好的進行分析，方程的表達形式包括以下3種：

1)以基質勢為因變量的基本方程。

2)以含水量為因變量的基本方程。

3)以坐標為因變量的基本方程。

以上3種形式的運動方程都是建立在直角坐標系內建立的，對于研究某些土壤水分運動問題，采用柱坐標和球坐標則更為方便。

濕潤鋒(體)的尺寸大小反映水分的運移情況，為了更好的掌握其變化規(guī)律，國內外的研究人員進行了大量的研究。目前，經驗模型、解析方程和數值模型是研究濕潤鋒的主要手段。

Schwartzman和Zur(1986)通過試驗發(fā)現濕潤鋒和灌水量之間符合冪函數關系，并且建立了濕潤鋒與灌水量、滴頭流量和導水率的函數關系。Lazarovitch等(2007)利用瞬時解析法描述地下滴灌濕潤鋒。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，數值模型作為一種有效的方法用于解決土壤水分運移，其中以HYDRUS模型最具有代表性。

相對于國外的研究，我國對滴灌水分運動的研究較晚，直到上世紀90年代才開始[4]。隨著研究的不斷開展，我國對濕潤鋒的研究也取得豐碩的成果。李光永和曾德超(1997)發(fā)現土壤濕潤鋒特征值可以通過數值算法獲得。

張振華等(2004)建立了地表滴灌土壤濕潤體特征值的經驗公式，并發(fā)現濕潤體體積和灌水量之間存在顯著的線性關系。胡和平等(2010)通過試驗建立了滴灌條件下濕潤體的經驗模型。

另外，研究發(fā)現濕潤鋒的大小與很多因素(滴頭流量、灌水量、不同土質、不同初始含水量)有關。這些研究成果為更好的研究水分運移提供了良好的基礎[5]。

干旱少雨，蒸發(fā)量大對膜下滴灌在干旱區(qū)的應用產生了一定的影響。為了解決這個問題，膜下滴灌技術隨之產生，它是覆膜種植技術與滴灌技術的組合，具有滴灌技術優(yōu)點的同時，它的優(yōu)勢在于減少了無效水量和抑制土壤鹽分的增長。

該技術產生于新疆，目前被廣泛的應用于我國的干旱半干旱地區(qū)。膜下滴灌與常規(guī)滴灌中水分運移規(guī)律的基本相同。由于膜下滴灌水分運動不易觀測，應用中子儀、水分傳感器等先進的儀器進行實時監(jiān)測。

2 滴灌交匯條件下水分運動研究

對于種植密度較高的作物，在滴灌灌溉過程中，經常會出現相鄰滴頭產生的濕潤鋒發(fā)生交匯的現象，水分運動由單一的點源三維運動變成了二維、三維共存的復雜運動，因此，了解該條件下的水分運動規(guī)律對實現作物的高產有著重要的影響[6]。

我國的研究人員通過室內、田間的試驗進行了大量的研究。

1)鄭園萍等(2008)通過試驗發(fā)現，交匯面處的濕潤鋒與入滲時間呈現多項式的關系。交匯條件下濕潤鋒的距離比單點源形成的濕潤鋒大。

2)孫海燕和王全九(2007)通過對不同土質、不同滴頭流量、不同灌水量交匯條件下水分運動的研究發(fā)現，交匯面處濕潤鋒運移速率大于滴頭中心處濕潤鋒運移速率，交匯面濕潤鋒水平和豎向距離與入滲時間之間呈線性關系，交匯處剖面含水量均高于同等深度的含水量[7-8]。

3)王維娟等(2010)對不同滴頭間距、交匯時間、交匯處含水量、濕潤鋒運移速度和濕潤體的變化進行了模擬，研究發(fā)現交匯時間隨滴頭間距的增加而減少，交匯時間隨滴頭間距的增大呈指數級增加，濕潤鋒運移速度與滴頭間距符合冪函數關系，隨著滴頭間距的增加，濕潤體的形狀也由半球體向近似半藥囊形、半花生殼形及2個分離的近似半球體轉變。

4)谷新寶等(2009)通過對大田試驗的模擬分析發(fā)現，在其它條件相同的情況下，增加灌水量或減少滴頭間距，有利于提高滴頭處和交匯處濕潤鋒的運移速度，同時提高灌水均勻度。

大量的試驗結果為研究提供了理論基礎，為了了解更多情況下點源交匯水分運動問題，借助計算機模型模擬是十分必要的。

Shan等(2010)利用HYDRUS-3D模型成功的模擬了不同灌水量、滴頭間距條件下水分的運移情況。這些研究成果將為設計合理的滴灌系統提供理論保障[9-10]。

3 結 語

滴灌技術對緩解農業(yè)用水緊張和提高作物產量產生了重要的影響。對于單點源滴灌條件下的水分運移規(guī)律也研究較為深入，這為生產實際中設計合理的滴灌系統提供必要的依據。

然而，對于多點源交匯條件下的有些問題研究還不夠深入，如：交匯區(qū)濕潤鋒及濕潤面積的計算。只有掌握了滴灌中不同條件下的水分運移規(guī)律，才能更好的發(fā)揮該技術的作用，盡快實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標。

[1]顧烈烽，榮航儀，鐘杰敏.兵團大田棉花膜下滴灌技術的形成與發(fā)展[J].新疆農墾科技：2002(05)：29-31.

[2]李代鑫.最新農田水利工程規(guī)劃設計手冊[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]邵光成，蔡煥杰，吳磊，等.新疆大田膜下滴灌的發(fā)展前景[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2010，19(03)：122-127.

[4]劉曉英，楊振剛，王天俊.滴灌條件下土壤水分運動規(guī)律的研究[J].水利學報，1990(01)：11-22.

[5]李光永，曾德超.滴灌土壤濕潤體特征值的數值算法[J].水利學報，1997(07)：1-6.

[6]張振華，蔡煥杰，楊潤亞.地表滴灌土壤濕潤體特征值的經驗解[J].土壤學報，2004，41(06)：870-875.

[7]胡和平，高龍，田富強.地表滴灌條件下土壤濕潤體運移經驗方程[J].清華大學學報：自然科學版，2010，50(06)：839-843.

[8]王全九，葉海燕，史曉南，等.土壤初始含水量對微咸水入滲特征影響[J].水土保持學報，2004，18(01)：51-53.

[9]李道西，羅金耀.地下滴灌技術的研究及其進展[J].中國農村水利水電，2003(07):15-18.

[10]徐林，李楊瑞，黃海榮.地下滴灌技術的研究進展[J].廣西農業(yè)科學，2008,39(06):800-804.

1007-7596(2014)01-0171-02

2013-11-21

王博(1983-)，女，陜西西安人，工程師，從事水土保持科研與生態(tài)建設規(guī)劃研究工作。

S275.4

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