胡 昊，李歡歡，汪順生，王 興，史 尚

(1.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045；2.江西省灌溉排水發(fā)展中心，南昌 330013)

數(shù)年來(lái)，有關(guān)地面灌溉技術(shù)取了很大的發(fā)展，特別是一體化壟作溝灌技術(shù)取得了較多的成果[1]。農(nóng)業(yè)多年平均用水量約占全國(guó)總用水量的70%[2]，農(nóng)田灌溉用水量占整個(gè)農(nóng)業(yè)用水的91.36%，采取合理的灌溉技術(shù)措施已迫在眉睫[3]。而灌水質(zhì)量可直接反映了灌溉水的利用效率，Blair[4]等對(duì)灌水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了定義，而林性粹[5,6]等對(duì)Blair定義的灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了修正。Lewis 和Levien[7,8]分別應(yīng)用水量平衡模型研究了畦灌和溝灌的地表水流推進(jìn)過(guò)程，但該模型一般用于研究精度要求較低的地面灌溉問(wèn)題。聶衛(wèi)波(2010年)[9]建立基于水量平衡原理的溝灌水流推進(jìn)解析模型，分析了地表儲(chǔ)水形狀系數(shù)不同取值對(duì)模型計(jì)算精度的影響。以上多是在模型的基礎(chǔ)上研究的，而且關(guān)于入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量和灌溉水流運(yùn)動(dòng)的研究在國(guó)內(nèi)外少有報(bào)道。本文選取不同的入溝流量、溝寬、溝深、溝寬以及田面坡降來(lái)研究其對(duì)灌水質(zhì)量和灌溉水流特性的影響，研究結(jié)果可為選擇合適的灌水技術(shù)參數(shù)和入溝流量從而達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012年10月-2013年6月在華北水利水電大學(xué)河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室農(nóng)水試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。地理位置為北緯34°47′，東經(jīng)113°46′，海拔110.4 m。采用沉降法分析試驗(yàn)區(qū)土壤顆粒，級(jí)配組成見(jiàn)表1。按照國(guó)際制分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤質(zhì)地為粉沙壤土。同時(shí)通過(guò)室內(nèi)理化分析，測(cè)定土壤平均干密度為1.35 g/cm3，田間持水量為24%，試驗(yàn)地塊長(zhǎng)度為60 m，面積大約3 600 m2，田塊地勢(shì)平坦，灌排方便。試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)有自動(dòng)氣象站，自動(dòng)檢測(cè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、空氣溫度與濕度、風(fēng)速等相關(guān)氣象資料。

表1 供試土壤顆粒級(jí)配組成Tab.1 Grain size distribution of the tested soil

1.2 田間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取壟寬110 cm，設(shè)置40、50和60 cm共3種不同溝寬，15、20和25 cm共3種不同溝深，0.000 1%、0.000 2%和0.000 3%共3種不同溝底縱坡，為了研究不同入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量的影響選取2.25、2.40和2.55 L/s 3種入溝流量，試驗(yàn)4因素3水平正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，結(jié)合農(nóng)田的灌溉經(jīng)驗(yàn)，灌水定額選450 m3/hm2。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)

(1)土壤含水率的測(cè)定：灌水結(jié)束12和24 h，采用土鉆取土、烘箱烘干的方法，分別測(cè)定沿灌水溝方向距離溝首10、30和50 m處測(cè)定溝、坡、壟不同層深(測(cè)深間隔20 cm)內(nèi)的土壤含水率，測(cè)深為1 m，周年連作溝灌分別選取溝、坡、壟作為觀測(cè)點(diǎn)，土壤含水率取三者平均值。

(2)水流推進(jìn)和消退的測(cè)定： 灌溉試驗(yàn)開(kāi)始前，沿灌水溝中線位置處，每隔10 m插入一根毫米刻度的塑料直尺，保持豎直，秒表歸零。灌溉水進(jìn)入溝首的時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)水流推進(jìn)前鋒鋒面的2/3水面寬度到達(dá)豎尺橫斷面時(shí)，作為水流推進(jìn)到該觀測(cè)點(diǎn)處的推進(jìn)時(shí)間，并讀取水流前鋒之前經(jīng)過(guò)的觀測(cè)點(diǎn)的即時(shí)水深。在灌水結(jié)束，立刻讀取每隔觀測(cè)點(diǎn)的水深，之后每隔15 min進(jìn)行一次水流消退水深的觀測(cè)，直至消退過(guò)程完全結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

地面灌溉條件下，田間灌水質(zhì)量是評(píng)價(jià)灌水技術(shù)參數(shù)是否合理的關(guān)鍵參數(shù)，通常情況下，灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括灌溉水有效利用效率Ea、灌水儲(chǔ)存率Es和灌水均勻度Ed3項(xiàng)內(nèi)容。

灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)灌溉水有效利用效率Ea、儲(chǔ)水效率Es、灌水均勻度Ed的計(jì)算公式如下：

(3)

其中，W1的計(jì)算公式為：

(4)

式中：γ為土壤干密度，g/cm3；i為土壤分層號(hào)數(shù)，無(wú)量綱；n為土壤分層總數(shù)，無(wú)量綱；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1、θi2分別為第i層土壤灌水前、后的土壤含水率，%。

2.2 入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量的影響

2.2.1入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量影響的試驗(yàn)方案

入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量的影響采用4因素3水平的正交試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 灌溉技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)正交表Tab.2 The design orthogonal table of irrigation technical parameters testing scheme

注：A1代表入溝流量為2.25 L/s，A2代表入溝流量為2.4 L/s ，A3代表入溝流量為2.55 L/s；B1代表溝深15 cm，B2代表溝深20 cm，B3代表溝深25 cm；C1代表溝底縱坡0.000 1%，C2代表溝底縱坡0.000 2%，C3代表溝底縱坡0.000 3%;D1代表溝寬40 cm，D2代表溝寬50 cm，D3代表溝寬60 cm。

2.2.2入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量影響的極差分析

極差分析[10]是在正交試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，分析各因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，判斷各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度，并可判斷出各個(gè)影響因素的主次順序，其中ki為各因素在第i水平下所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，本試驗(yàn)指標(biāo)有灌水均勻度Ed、灌水效率Ea、儲(chǔ)水效率Es，各因素有3個(gè)水平，由ki值的大小可以判斷該因素的優(yōu)水平和各因素的優(yōu)水平組合，即最優(yōu)組合[1]。R為各因素的極差值，R為各因素在各水平下的試驗(yàn)指標(biāo)的最大值與最小值之差，R的大小反映各因素的水平波動(dòng)，以及相應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的變化幅度，R值越大說(shuō)明該因素對(duì)相應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，通過(guò)R值的大小可以判斷各因素的主次關(guān)系。

灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)灌水均勻度Ed、灌水效率Ea、儲(chǔ)水效率Es，溝灌各處理的灌水均勻度Ed、灌水效率Ea、儲(chǔ)水效率Es、的計(jì)算公式分別為公式(1)～(3)。正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析結(jié)果如表3所示。

表3 灌水質(zhì)量正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果Tab.3 The calculation result of water quality of the orthogonal experiment evaluation index

表4～表6是根據(jù)表3經(jīng)過(guò)極差分析得出的各因素在相應(yīng)水平ki條件下的指標(biāo)值和R值，由表4～表6知，入溝流量和溝寬對(duì)灌水均勻度Ed的影響較小，溝底縱坡對(duì)灌水均勻度Ed的影響最大，其次是溝深；入溝流量對(duì)灌水效率Ea的影響最大，其次是溝底縱坡，溝寬和溝深對(duì)其影響最??；入溝流量對(duì)儲(chǔ)水效率影響最大，其次依次為：溝底縱坡、溝深和溝寬。

表4 灌水均勻度Ed在各因素相應(yīng)水平下通過(guò)極差分析的值 %

表5 灌水效率Ea在各因素相應(yīng)水平下通過(guò)極差分析的值 %

表6 儲(chǔ)水效率Es在各因素相應(yīng)水平下通過(guò)極差分析的值 %

綜上可知：入溝流量對(duì)灌水效率和儲(chǔ)水效率的影響最大，而對(duì)灌水均勻度的影響最??；溝底縱坡對(duì)灌水均勻度的影響最大，對(duì)灌水效率和儲(chǔ)水效率的影響次之。由表4～表6知，灌水均勻度、灌水效率和儲(chǔ)水效率都隨著溝底縱坡的增大而減小，隨溝寬的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，故溝底縱坡應(yīng)選擇0.000 1%，溝寬應(yīng)選擇50 cm；而灌水效率和儲(chǔ)水效率隨入溝流量的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，灌水均勻度則隨入溝流量的增大而呈減小的趨勢(shì)，過(guò)大或過(guò)小的入溝流量都達(dá)不到高效節(jié)水的目的，因此應(yīng)選擇的入溝流量為2.4 L/s。綜合考慮灌水質(zhì)量最優(yōu)的組合為入溝流量為2.4 L/s、溝底縱坡0.000 1%、溝寬50 cm、溝深20 cm，且此組合的灌水質(zhì)量3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之和最大。

2.3 入溝流量對(duì)水流特性的影響

2.3.1入溝流量對(duì)水流推進(jìn)過(guò)程的影響

本試驗(yàn)對(duì)不同入溝流量的水流推進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定分析，觀察表7可知，5種入溝流量的水流推進(jìn)過(guò)程均符合冪函數(shù)[9]t=axb分布，其中t為推進(jìn)時(shí)間(s)，x為推進(jìn)距離(m)，a，b均為擬合指數(shù)，擬合相關(guān)度全部在0.99以上，其中推進(jìn)指數(shù)b值范圍為1.062 8～1.255 4，a值范圍3.810 9～5.782 3，并存在較高的相關(guān)性，不同入溝流量的水流推進(jìn)過(guò)程如圖1所示。

表7 水流推進(jìn)距離與水流推進(jìn)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系Tab.7 The function relation between water flow advance distance and time

從圖1可看出，各流量處理下的水流耗時(shí)差別很大，且水流推進(jìn)時(shí)間隨著入溝流量的增大逐漸減少，推進(jìn)速度逐漸加快，流量為1.65 L/s的水流推進(jìn)耗時(shí)在推進(jìn)到距溝首60 m出分別較1.80、2.00、2.20、2.40 L/s增加了12.76%、23.02%、37.35%、43.10%。相同流量下的水流推進(jìn)速度均在水流推進(jìn)前期較快，但隨著水流前鋒推進(jìn)距離的增大，地面水流推進(jìn)的速度減小。以2.00 L/s的入溝流量為例，水流推進(jìn)至距溝首20 m時(shí)，水流推進(jìn)速度為0.138 9 m/s，水流推進(jìn)至40 m時(shí)，推進(jìn)速度為0.123 5 m/s，水流推進(jìn)至溝尾時(shí)，推進(jìn)速度為0.107 9 m/s。

圖1 不同入溝流量下水流推進(jìn)距離與時(shí)間的關(guān)系Fig.1 The relationship between water advance distance and time under the condition of different flows

2.3.2入溝流量對(duì)水流消退過(guò)程的影響

本試驗(yàn)對(duì)不同入溝流量的水流消退數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定分析，不同入溝流量的水流消退進(jìn)程如圖2所示。

由圖2可知，水流消退耗時(shí)受入溝流量的影響較大，各處理的水流消退耗時(shí)差異較顯著，消退耗時(shí)隨入溝流量的增大而逐漸增大，消退速度隨入溝流量的增大而逐漸減小，流量為2.40 L/s的消退耗時(shí)分別較1.65、1.80、2.00、2.25 L/s增加38、29、19和10 min，盡管入溝流量的增大會(huì)導(dǎo)致瞬間的水深加深，此會(huì)使溝中水流的重力勢(shì)增大，有利于垂直入滲，但灌水歷時(shí)也大大減小，這嚴(yán)重削弱了灌溉過(guò)程中的水平和垂直入滲，致使入溝流量大的處理消退歷時(shí)變大。

圖2 不同入溝流量下水流消退時(shí)間與距離的關(guān)系Fig.2 The relationship between water flow recession time and the distance under the condition of different flows

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，溝灌不同入溝流量的地面面水流消退時(shí)間與距溝首距離呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系為：

t=axb

(5)

式中：t為水流消退時(shí)間，min；x為觀測(cè)入滲點(diǎn)距溝首的距離，m；a、b為擬合參數(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)資料確定。

圖3是不同入溝流量條件下的水流消退時(shí)間與距溝首距離的擬合回歸分析結(jié)果，其擬合相關(guān)系數(shù)全部大于0.98，其中推進(jìn)指數(shù)b值范圍為0.291 0～0.327 4，水流消退時(shí)間與距溝首距離的相關(guān)性較好。

圖3 不同入溝流量條件下的水流消退時(shí)間與距離的函數(shù)關(guān)系Fig.3 The function relation between water flow recession time and the distance on the condition of different flows

3 結(jié) 語(yǔ)

本試驗(yàn)是在一體化壟作溝灌的條件下通過(guò)控制灌水技術(shù)參數(shù)來(lái)進(jìn)行的，通過(guò)試驗(yàn)和分析可得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)極差分析知，入溝流量對(duì)灌水效率和儲(chǔ)水效率的影響最大，而對(duì)灌水均勻度的影響最?。粶系卓v坡對(duì)灌水均勻度的影響最大，對(duì)灌水效率和儲(chǔ)水效率的影響次之。

(2)以灌水質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)為指標(biāo)，并通過(guò)極差分析可知， 110 cm壟寬的灌水技術(shù)參數(shù)的最優(yōu)組合為入溝流量2.4 L/s，溝底縱坡為0.000 1%，溝寬為50 cm、溝深為25 cm。且此組合條件下的灌水均勻度為88.48%、灌水效率為93.87%、儲(chǔ)水效率為80.56%。

(3)入溝流量與水流推進(jìn)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，二者相關(guān)性甚好，相關(guān)程度均大于0.99， 水流推進(jìn)時(shí)間隨著入溝流量的增大逐漸減少，推進(jìn)速度逐漸加快，同流量下的水流推進(jìn)速度均在水流推進(jìn)前期較快，但隨著水流前鋒推進(jìn)距離的增大，地面水流推進(jìn)的速度逐漸減小。

(4)入溝流量與水流推進(jìn)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，二者相關(guān)性較好，相關(guān)程度均大于0.98，消退耗時(shí)隨入溝流量的增大而逐漸增大，消退速度隨入溝流量的增大而逐漸減小。

(5)雖然本次試驗(yàn)研究的時(shí)間有限，但研究成果可為一體化壟作溝灌的入溝流量以及水流特性的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。當(dāng)應(yīng)用于不同地區(qū)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況而運(yùn)用，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。

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