摘 要：該文提出了一種新型的負(fù)壓灌溉供水器。以土壤水吸力與土壤含水率的關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行理論分析，建立負(fù)壓灌溉供水器供水速率與供水高度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；在過水?dāng)嗝婷娣e足夠大的條件下，設(shè)置三個(gè)不同的供水高度，研究負(fù)壓灌溉供水器供水速率與供水高度的關(guān)系。在灌溉過程中，土壤含水量呈非飽和狀態(tài)，可抑制土表濕潤導(dǎo)致的無效蒸發(fā)和深層滲漏導(dǎo)致的無效灌溉；不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，從而使灌溉水量得到充分利用，同時(shí)還可以收集雨水并用于農(nóng)業(yè)灌溉。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓灌溉 耗水強(qiáng)度 供水高度 供水器 供水速率 非飽和土壤

中圖分類號(hào)：S275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（b）-0005-04

眾所周知，中國農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的問題，同時(shí)農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，目前條件下不可能通過單純?cè)黾有滤磥砭徑廪r(nóng)業(yè)用水的緊缺狀況。為此人們提出負(fù)壓灌溉系統(tǒng)?？筛鶕?jù)不同農(nóng)作物需水要求，提供不同規(guī)格的供水裝置。該裝置可用于農(nóng)作物的栽培，生長過程中能有效控制土壤水分，不需要人為的灌溉和看護(hù)，不用擔(dān)心灌水量的多少對(duì)農(nóng)作物生長和品質(zhì)的影響；可提高植樹成活率，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時(shí)也減少了灌溉等人力物力的投入。在灌溉過程中，土壤含水量呈非飽和狀態(tài)，可抑制土表濕潤導(dǎo)致的無效蒸發(fā)和地下滲漏導(dǎo)致的無效灌溉；不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，從而使灌溉水量得到充分利用，同時(shí)還可以收集雨水應(yīng)用與農(nóng)業(yè)灌溉。因此，裝置在節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程中大范圍、大面積推廣應(yīng)用前景十分可觀。在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉供水的自動(dòng)調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)作物的需水量自動(dòng)供水灌溉，能夠達(dá)到節(jié)水、節(jié)能的效果，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)外對(duì)負(fù)壓灌溉進(jìn)行了一定的研究，1908年Livingston首先提出了負(fù)壓灌溉[1]，Richards（1942）和Read（1962）利用這一原理對(duì)自動(dòng)灌水缽進(jìn)行了研究[2-3]。日本三菱化工集團(tuán)于1996年[4]推出了“負(fù)壓灌溉器皿”，該系統(tǒng)可用于作物盆栽，并于1998年將“負(fù)壓灌溉器皿”中多孔管改為多孔板[5]。2008年李邵等人為了總結(jié)負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的供水規(guī)律，進(jìn)行了負(fù)壓灌溉與常規(guī)灌溉條件下栽培番茄的實(shí)驗(yàn)，分析了負(fù)壓灌溉系統(tǒng)不同吸力值下的土壤含水率動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)分析了負(fù)壓灌溉與常規(guī)灌溉耗水量以及植株蒸騰的差異[6]。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及測(cè)試方法描述

該實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，在過水?dāng)嗝婷娣e足夠大的條件下，設(shè)置三個(gè)不同的供水高度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的負(fù)壓灌溉供水系統(tǒng)及測(cè)試裝置，包括實(shí)驗(yàn)箱，盛土容器（半徑分別為R1=15 cm，R2=14.5 cm，R3=13.5 cm；土層厚度分別為 H1=10 cm，H2=20 cm ，H3=30 cm）（含經(jīng)過必要處置，如風(fēng)干、碾碎、過篩的實(shí)驗(yàn)土），供水箱，馬氏瓶（r=3.15 cm），連接軟管以及用于蒸發(fā)對(duì)比的、與供水箱相同尺寸的水箱；還包括實(shí)驗(yàn)過程中，采集實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)用到的量筒，燒杯等儀器。

以供水高度H=10cm為例，實(shí)驗(yàn)過程中，可觀測(cè)到當(dāng)供水時(shí)間為4天時(shí)，水上升到土壤表面，并開始在土壤表層擴(kuò)散；當(dāng)供水時(shí)間為5天時(shí)，水完全浸濕了土壤表層。

測(cè)試項(xiàng)目：（1）馬氏瓶中水面的下降高度；（2）用于蒸發(fā)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的水箱中水分的蒸發(fā)量；（3）隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，盛土容器中水分上升的高度。

測(cè)試過程：實(shí)驗(yàn)儀器組裝完畢后，正式開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄。前期實(shí)驗(yàn)，由于土壤需水量較大，導(dǎo)致馬氏瓶中水面下降較快，采取每兩小時(shí)進(jìn)行馬氏瓶內(nèi)水位數(shù)據(jù)的觀測(cè)、記錄以及補(bǔ)充水量。同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出一段時(shí)間內(nèi)土壤的需水量，進(jìn)而得出繪制實(shí)驗(yàn)曲線所需的相關(guān)參數(shù)。隨著實(shí)驗(yàn)的不斷進(jìn)行，由于土壤水分含量逐漸接近飽和含水率，其需水量逐漸開始下降，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行了調(diào)整，由前期的一天多次測(cè)量，改為一天兩次進(jìn)行量測(cè)，使盛土容器中表層土壤逐漸達(dá)到飽和含水率。

為了確保實(shí)驗(yàn)在自然條件下進(jìn)行，更貼近生產(chǎn)生活實(shí)際，實(shí)驗(yàn)裝置布設(shè)在室外；同時(shí)為使實(shí)驗(yàn)通風(fēng)性良好，采取了將實(shí)驗(yàn)箱打孔的方法。實(shí)驗(yàn)過程中，盛土容器中表層土壤逐漸達(dá)到飽和含水率，土壤表面開始出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂縫，隨后不斷擴(kuò)張為較大的裂縫，分析其發(fā)生開裂的原因可能是土壤結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)所致，即在土樣采集和篩選過程中，破壞了土壤原來的性狀。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，采取了將土樣重新風(fēng)干、裝桶，并從土壤表面人工加水，直至水完全滲透全部土層等措施。在土壤結(jié)構(gòu)重新建立以后，又進(jìn)行為期20多天的實(shí)驗(yàn)記錄與觀測(cè)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，準(zhǔn)確性。

1.2 理論計(jì)算方法

在潛水埋深較淺，且相對(duì)穩(wěn)定的條件下，潛水蒸發(fā)可看做是穩(wěn)定蒸發(fā)，即地表處的蒸發(fā)強(qiáng)度與任意斷面處的土壤水分通量相等，此通量即為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度。

如圖2，坐標(biāo)原點(diǎn)定在潛水面處，向上為正。

潛水蒸發(fā)強(qiáng)度可利用非飽和土壤水分達(dá)西定律計(jì)算，其定解問題可寫為，

（1）

（2）

對(duì)式（1）積分，并利用條件式（2），可得出

（3）

式中：為土壤飽和含水率，當(dāng)非飽和土壤擴(kuò)散率導(dǎo)水率已知時(shí)，式（3）給出了穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度為E時(shí)土壤含水率分布。

若用土壤水吸力s表示位置函數(shù)，則有

（4）

（5）

對(duì)式（4）積分，并利用條件式（5），可得出

（6）

式中：當(dāng)非飽和含水率K（s）已知時(shí)，式（6）給出了穩(wěn)定蒸發(fā)強(qiáng)度為E時(shí)土壤含水率分布。

令式（3）中的Z等于潛水埋深，即Z=H，可得到

（7）

由式（7）可計(jì)算不同潛水埋深H條件下的蒸發(fā)強(qiáng)度E和，進(jìn)而可給出以H為參數(shù)的關(guān)系。

根據(jù)公式（7）可以計(jì)算得出不同負(fù)壓高度條件下的耗水強(qiáng)度。其計(jì)算方法有兩種，一種是利用非飽和土壤擴(kuò)散率和導(dǎo)水率，一種是利用土壤水分特征曲線。

1.2.1 利用非飽和土壤水?dāng)U散率和導(dǎo)水率確定耗水強(qiáng)度與土壤含水率的關(guān)系

如某重壤土，其飽和含水率=0.4751，非飽和土壤擴(kuò)散率，導(dǎo)水率?？捎脭?shù)值積分的方法由式（7）確定關(guān)系。其計(jì)算過程如下：

針對(duì)某一潛水埋深（H=10cm），可假定一表土含水率；

采用數(shù)值方法對(duì)式（7）右端做積分計(jì)算。將區(qū)間[]等分為n個(gè) 小區(qū)間；

采用梯形求積方法。令

（8）

式（3）可寫為

（9）

1.2.2 利用土壤水分特征曲線確定耗水強(qiáng)度與土壤含水率的關(guān)系

這里土壤水分特征曲線采用van Genchten（1980）—Mualem（1976）模式計(jì)算，即

（10）

（11）

（12）

（13）

式中，為土壤基質(zhì)勢(shì)（為土壤吸力）；，，分別為土壤含水率、飽和含水率和殘余含水率，均以體積含水率（cm3/cm3）表示；（cm/d）為土壤飽和導(dǎo)水率；C（g/cm3）為土壤比水容量；和n為參數(shù)。在理論計(jì)算中，采用河北石家莊重壤土的參數(shù)，=0.45，=0.0712，=0.011456，n=3，=8.25×10-6。

1.3 數(shù)據(jù)的分析方法

觀測(cè)并記錄馬氏瓶中水的下降高度h（cm），將其乘以馬氏瓶的底面積S1（cm2）得到土壤的耗水量Q（cm3），再除以供水器的底面積S2（cm2）和時(shí)間t（d）的乘積，進(jìn)而可以計(jì)算得到土壤的耗水強(qiáng)度q（cm/d），即供水速率v（cm/d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 理論分析

利用某重壤土土壤水?dāng)U散率（）和導(dǎo)水率（），采用EXCEL軟件計(jì)算不同供水高度下，耗水強(qiáng)度隨表土含水率的變化關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表1，并繪制其變化關(guān)系圖，如圖3。

從圖3可看出，在負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中當(dāng)供水高度一定時(shí)，供水速率隨著表土土壤含水率的增大而減小，呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)土壤含水率一定時(shí)，供水速率隨著供水高度的增大而減小。

為了分析土壤質(zhì)地的影響，根據(jù)某中壤土的土壤水分特征曲線，采用數(shù)值積分方法，并用EXCEL軟件進(jìn)行計(jì)算，得到不同供水高度下，耗水強(qiáng)度與表土含水率的變化關(guān)系，如表2，并繪制其變化關(guān)系圖，如圖4。

從圖4可看出，與重壤土類似，在負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中當(dāng)供水高度一定時(shí)，供水速率隨著土壤含水率的增大而減小，也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)土壤含水率一定時(shí)，供水速率隨著供水高度的增大而減小。只是耗水強(qiáng)度的數(shù)值有所不同。

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)2014年6月3日到6月25日的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可繪制出土壤耗水強(qiáng)度隨時(shí)間的變化過程圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，不論供水高度如何，供水強(qiáng)度隨時(shí)間的延長總體呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，土壤耗水強(qiáng)度隨土層厚度的減小而增大。水面蒸發(fā)強(qiáng)度除少數(shù)測(cè)試點(diǎn)外，普遍大于土壤表明耗水強(qiáng)度。

2.3 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的比較

首先根據(jù)理論計(jì)算的耗水強(qiáng)度與土壤含水率關(guān)系圖（如圖3所示）找出H=10 cm、20 cm、30 cm相對(duì)應(yīng)的=5.54 cm/d、2.78 cm/d、1.85 cm/d，將前5天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的馬氏瓶中水的下降高度值（cm）（見表3）轉(zhuǎn)化為不同土層厚度H下的土壤耗水強(qiáng)度（cm/d） （見表4）并將其代入式（14）

（14）

推求出相應(yīng)的1=0.338、

2 =0.782、3 =1.085。

再把求出的1、2 和3后期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式（15），

（15）

可得出土壤蒸發(fā)強(qiáng)度E，繪制理論計(jì)算得到的耗水強(qiáng)度和水面蒸發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間變化過程圖，如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)時(shí)間（即日期）相同時(shí)，供水強(qiáng)度與供水高度成反比關(guān)系，即供水高度越高，其相應(yīng)的供水強(qiáng)度越小。

將同一高度下的理論計(jì)算耗水強(qiáng)度與實(shí)測(cè)的耗水強(qiáng)度隨時(shí)間的變化過程圖繪制在一起，如圖7、圖8和圖9所示。

由圖7可知，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的耗水強(qiáng)度大多集中在0.05cm/d到0.2cm/d之間，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的耗水強(qiáng)度在6月14日達(dá)到最大。

由圖8可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的耗水強(qiáng)度在理論計(jì)算得到耗水強(qiáng)度值附近波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的耗水強(qiáng)度與理論計(jì)算的耗水強(qiáng)度在6月9日到6月10日基本吻合。

由圖9可知，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的耗水強(qiáng)度大多集中在0.1cm/d到0.4cm/d之間，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的耗水強(qiáng)度在6月9日到6月10日達(dá)到最大值，同時(shí)在6月14日達(dá)到極值點(diǎn)。

由圖7、圖8和圖9可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的土壤耗水強(qiáng)度關(guān)系圖與理論計(jì)算得到的土壤耗水強(qiáng)度關(guān)系曲線有交叉，實(shí)驗(yàn)曲線圍繞理論曲線上下波動(dòng)，說明理論計(jì)算是合理的。

3 結(jié)語

（1）由于受大氣蒸發(fā)的作用，不論供水高度如何，供水強(qiáng)度總是隨時(shí)間變化的，且供水強(qiáng)度隨供水高度的增大而減小。

（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的土壤耗水強(qiáng)度隨時(shí)間的變化過程與理論計(jì)算得到的土壤耗水強(qiáng)度隨時(shí)間的變化過程曲線有交叉，說明理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，理論計(jì)算結(jié)果是合理的。

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