牛文全 張明智 許 健 鄒小陽(yáng) 張若嬋 李 元

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.河南省水利科學(xué)研究院， 鄭州 450000； 4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

微潤(rùn)管出流特性和流量預(yù)報(bào)方法研究

牛文全1,2張明智3許 健2鄒小陽(yáng)4張若嬋1李 元2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.河南省水利科學(xué)研究院， 鄭州 450000； 4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

為探明影響微潤(rùn)管流量的主要因素，確定微潤(rùn)管壓力與流量關(guān)系，通過(guò)田間試驗(yàn)，研究不同土壤初始質(zhì)量含水率(13.83%、15.49%、16.27%、17.72%)和不同土壤容重(1.18、1.21、1.24、1.26 g/cm3)條件下不同壓力水頭(0、0.1、0.3、0.7、1.1、2.1 m)對(duì)微潤(rùn)管流量的影響。結(jié)果表明：微潤(rùn)管流量隨土壤質(zhì)量含水率變化有一定的自我調(diào)節(jié)作用，但微潤(rùn)管流量受土壤質(zhì)量含水率變化影響較小，自我調(diào)節(jié)時(shí)間約為44 h。隨著灌水時(shí)間增加，微潤(rùn)管流量呈先快速增加再減小后趨于穩(wěn)定平緩的趨勢(shì)，灌水后約48 h趨于穩(wěn)定狀態(tài)。工作壓力、土壤容重和初始質(zhì)量含水率均對(duì)微潤(rùn)管流量有顯著影響，在一定工作壓力范圍內(nèi)(0～2.1 m水頭)，壓力與流量呈顯著性線性關(guān)系(P<0.05)，模型決定系數(shù)R2大于0.85，隨土壤初始質(zhì)量含水率與容重增加，微潤(rùn)管流量呈減小趨勢(shì)，微潤(rùn)管流量變化對(duì)工作壓力的敏感度逐漸下降；在壓力與流量線性回歸模型中微潤(rùn)管的流量系數(shù)和壓力為零的流量b均非單純由產(chǎn)品自身特性決定，土壤初始質(zhì)量含水率和容重與流量系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，容重與壓力為零的流量均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，可用土壤初始質(zhì)量含水率和容重確定流量系數(shù)和壓力為零時(shí)的流量值，最終實(shí)現(xiàn)微潤(rùn)灌出流預(yù)報(bào)。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，壓力是影響微潤(rùn)管流量的最主要因素，土壤容重次之，土壤初始質(zhì)量含水率對(duì)微潤(rùn)管流量影響最小。

微潤(rùn)管； 流量； 土壤； 壓力； 初始質(zhì)量含水率； 容重

引言

微潤(rùn)管由填料(不與聚乙烯材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料，如輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣與超細(xì)二氧化硅；材料表面處理劑為脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7或脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-9)與高壓聚乙樹(shù)脂按預(yù)設(shè)質(zhì)量比形成混合材料進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后置入造粒機(jī)制成填充顆粒料，將該顆粒料置入預(yù)設(shè)制管設(shè)備以制成預(yù)成型管，再將預(yù)成型管導(dǎo)入高溫萃取機(jī)中，以水和十二烷基苯磺酸鈉的混合液為萃取劑對(duì)預(yù)成型管進(jìn)行連續(xù)萃取而制成。管壁較厚((0.9±0.1) mm)，微潤(rùn)管屬于線源持續(xù)性灌溉，是滲灌的一種。微潤(rùn)灌技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力消耗少，運(yùn)行費(fèi)用低，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的節(jié)水灌溉技術(shù)，關(guān)于微潤(rùn)灌技術(shù)的應(yīng)用及研究越來(lái)越多[1-6]。

微灌流量及其影響因素是決定灌水質(zhì)量的重要因素，選用適宜的技術(shù)參數(shù)對(duì)于有效調(diào)控土壤含水率十分重要。一般情況下，影響地埋式灌水器流量的因素有土壤、水力與灌水器的特征參數(shù)等，其中土壤質(zhì)地、容重、含水率和溫度以及灌水器的尺寸、堵塞程度、工作壓力、毛管埋深和布置間距等均對(duì)灌水器流量的影響較大[2,7-11]。對(duì)于地下滴灌，壓力是控制其流量的關(guān)鍵因素[2]，壓力與流量一般是冪函數(shù)關(guān)系，可由滴頭的流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)計(jì)算特定壓力下的流量，滴灌系統(tǒng)的滴頭流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)一般和滴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)[12-14]。微潤(rùn)灌與滴灌不同，前者壓力與流量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系[1,15]，管道布置間距、鋪設(shè)長(zhǎng)度和埋深等均對(duì)流量有顯著影響[16-24]。隨微潤(rùn)管埋深的增加，流量呈減小趨勢(shì)[2]。土壤類型、土壤初始質(zhì)量含水率等因素也是影響垂直線源入滲的重要因素[25-26]，流量與土壤入滲速率存在顯著正相關(guān)關(guān)系[27]。

研究發(fā)現(xiàn)微潤(rùn)管壓力與流量呈線性關(guān)系，容重與平均入滲速率(流量)呈負(fù)線性關(guān)系[2]，且隨土壤容重的增加，濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離呈減小趨勢(shì)，隨土壤初始質(zhì)量含水率的增加，濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離呈增加趨勢(shì)，土壤容重、初始質(zhì)量含水率與流量的關(guān)系通過(guò)線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重與流量呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，其中R2=0.807；土壤初始質(zhì)量含水率與流量呈正線性相關(guān)關(guān)系，其中R2=0.866；二者的線性模型決定系數(shù)R2均較大，說(shuō)明在該模型中土壤容重、初始質(zhì)量含水率均可解釋流量變化至少80%以上，二者是影響微潤(rùn)管流量的主要因素[28]。

但總體而言，針對(duì)上述因素對(duì)微潤(rùn)管流量影響的研究較少，不同影響因素對(duì)微潤(rùn)管流量的影響也缺乏定量分析。目前，有研究認(rèn)為痕量灌溉技術(shù)可根據(jù)土壤含水率自我調(diào)節(jié)流量[4,28]，為初步探明微潤(rùn)灌是否也具有同樣的功能，有必要建立不同土壤性質(zhì)的微潤(rùn)管壓力與流量關(guān)系。本文通過(guò)大田試驗(yàn)，研究不同壓力、土壤初始質(zhì)量含水率與容重對(duì)微潤(rùn)管流量的影響，以期為微潤(rùn)灌溉科學(xué)設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2015年6月份在陜西省楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)站(108°24′E、34°20′N，海拔高度521 m)進(jìn)行，該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，全年無(wú)霜期221 d，年均日照時(shí)數(shù)2 163.80 h，年均降水量為600 mm，且多集中在7—9月份。試驗(yàn)地土壤為楊凌塿土，土壤顆粒分析組成見(jiàn)表1，經(jīng)測(cè)定0～80 cm土層內(nèi)平均田間持水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為24.0%，飽和含水率(體積分?jǐn)?shù))為60.1%，凋萎含水率(體積分?jǐn)?shù))為8.5%，土壤容重為1.32 g/cm3，該試驗(yàn)小區(qū)地下水埋深大于5 m[29]，因此，忽略地下水補(bǔ)給。

表1 供試土壤顆粒分析

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

采用深圳市微潤(rùn)灌溉有限公司生產(chǎn)的微潤(rùn)管，管徑16 mm，如圖1a所示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)小區(qū)尺寸為6 m×2 m，各小區(qū)間距1 m，每小區(qū)內(nèi)鋪設(shè)微潤(rùn)管6條，鋪設(shè)長(zhǎng)度2 m，鋪設(shè)間距1 m，微潤(rùn)管埋深0.20 m(圖1b)。試驗(yàn)時(shí)，用馬氏瓶控制水位高度，當(dāng)壓力較低時(shí)，微潤(rùn)管流量受土壤含水率的影響較大，故按照由密到疏壓力布置原則，每個(gè)小區(qū)鋪設(shè)6條微灌管的工作壓力分別為0、0.1、0.3、0.7、1.1、2.1 m水頭。試驗(yàn)考慮土壤初始質(zhì)量含水率和容重2個(gè)因素，各因素設(shè)置4個(gè)水平。預(yù)先設(shè)定目標(biāo)初始土壤含水率為田間持水率的60%、65%、70%、75%，通過(guò)實(shí)際測(cè)量各小區(qū)土壤初始質(zhì)量含水率，由于田間土壤含水率分布不均勻，故試驗(yàn)前取出各小區(qū)0～60 cm土層土壤，攪拌均勻，測(cè)量土壤含水率，并計(jì)算灌水量

M=100(θF-θi)γHp

(1)

式中M——灌水量，m3/hm2θF——預(yù)先設(shè)定目標(biāo)初始土壤質(zhì)量含水率θi——0～60 cm土層內(nèi)的平均質(zhì)量含水率

γ——土壤容重,g/cm3

p——土壤濕潤(rùn)比，取0.9

H——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m

通過(guò)換算獲得各水平小區(qū)實(shí)際灌水量m。

圖1 微潤(rùn)管及試驗(yàn)小區(qū)示意圖Fig.1 Schematics of moistube and experiment plots

各小區(qū)實(shí)際灌水量m計(jì)算結(jié)果分別為0、0.12、0.18、0.28 m3，將該水分澆灑在相對(duì)應(yīng)的小區(qū)取出土層的土壤中，攪拌均勻后整體均勻性回填，形成不同的土壤初始質(zhì)量含水率及容重，同時(shí)考慮回填過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，采用6 m×2 m大型有機(jī)玻璃板整體均勻性壓實(shí)，各小區(qū)隨機(jī)選取6個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采集，計(jì)算平均值，測(cè)定試驗(yàn)小區(qū)實(shí)際土壤初始質(zhì)量含水率(w)分別為13.83%、15.49%、16.27%、17.72%(質(zhì)量含水率)；容重(ρb)分別為1.18、1.21、1.24、1.26 g/cm3，共計(jì)16個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)位置隨機(jī)排列，共96個(gè)處理(表2)，由于微潤(rùn)管流量小，連續(xù)灌水時(shí)間短，故忽略各處理之間的土壤水分橫向滲透運(yùn)移。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 流量q

微潤(rùn)灌為管道壁面的微孔出流，其流量為單位時(shí)段內(nèi)單位長(zhǎng)度的出水量。灌水3 d內(nèi)分別于灌水0、2、4、7、11、15、24、31、39、48、60、72 h時(shí)觀測(cè)記錄馬氏瓶水位線，計(jì)算各單位時(shí)段出流量

qi=s(Hi+1-Hi)/(Tid)

(2)

式中qi——第i時(shí)段內(nèi)的流量,cm3/(m·h)s——馬氏瓶底面積，cm2Hi+1、Hi——i時(shí)段開(kāi)始和結(jié)束時(shí)馬氏瓶水位刻度值,cm

Ti——第i時(shí)段間隔，h

d——微潤(rùn)管長(zhǎng)度,m

微潤(rùn)管平均流量q為各單位時(shí)段流量qi的算術(shù)平均值。

1.3.2 土壤含水率

根據(jù)有關(guān)研究[30-31]，微潤(rùn)管周圍大部分土壤含水率介于田間持水率的80%～90%之間，毛管正上部5 cm左右的土壤質(zhì)量含水率基本保持在田間持水率的80%～90%之間，為防止采樣對(duì)微潤(rùn)管的破壞，本研究采樣點(diǎn)集中在毛管正上部5～10 cm處。采樣時(shí)間均在記錄馬氏瓶水位線后立刻用土鉆采集土樣，采用干燥法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率。

1.3.3 土壤容重

灌水前在微潤(rùn)管正上部5～10 cm土層取樣，采用環(huán)刀法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 22.0進(jìn)行逐步線性回歸分析，Excel進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度及方差分析，用OriginPro 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤(rùn)管流量隨時(shí)間的變化

微潤(rùn)管流量受土壤含水率的影響微潤(rùn)管流量隨灌水時(shí)間的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變[24]。圖2a為隨機(jī)選擇一組微潤(rùn)管流量隨灌水時(shí)間的變化趨勢(shì)。

由圖2a可知，微潤(rùn)管流量隨灌水時(shí)間的增加，基本均呈先增大再減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，壓力越大變化趨勢(shì)越明顯。灌水48 h后微潤(rùn)管流量基本趨于穩(wěn)定。壓力越大，微潤(rùn)管流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間越短。壓力相同時(shí)，土壤初始質(zhì)量含水 率與容重越小，土壤水分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。隨土壤含水率的增加，微潤(rùn)管流量呈先增加后減小再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，說(shuō)明微潤(rùn)管流量隨土壤含水率變化有一定的自我調(diào)節(jié)作用，綜合分析發(fā)現(xiàn)，自我調(diào)節(jié)時(shí)間約為44 h。微潤(rùn)管流量與土壤含水率約在灌水48 h后均趨于穩(wěn)定。

表2 試驗(yàn)處理

2.2 土壤含水率隨時(shí)間的變化

圖2b為微潤(rùn)管上部5～10 cm平均土壤含水率隨灌水時(shí)間變化的趨勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn)，隨灌水時(shí)間的增加，土壤含水率呈先快速增加后趨于平緩穩(wěn)定的趨勢(shì)，灌水60 h后土壤含水率基本趨于穩(wěn)定，土壤含水率隨工作壓力增大而增大，工作壓力為2.1 m水頭時(shí)土壤質(zhì)量含水率最大，約為24%；工作壓力水頭為零時(shí)最小，土壤質(zhì)量含水率約為20%。工作壓力越大，土壤含水率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間越短。土壤初始質(zhì)量含水率越小，土壤水分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，初始土壤質(zhì)量含水率分別為13.83%和17.72%時(shí)，土壤含水率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間相差約為20 h。土壤容重對(duì)土壤含水率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間的影響與初始質(zhì)量含水率類似。

圖2 微潤(rùn)管流量與土壤質(zhì)量含水率隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Changing curves of moistube flow and soil mass moisture content with time

2.3 壓力對(duì)微潤(rùn)管流量的影響

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中16個(gè)小區(qū)96組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，壓力與流量在一定范圍內(nèi)呈線性增加趨勢(shì)，即

q=kh+b

(3)

式中k——流量系數(shù)，cm3/(m2·h)h——水頭，mb——壓力為零時(shí)的平均流量，cm3/(m·h)

參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同處理下微潤(rùn)管流量與流量系數(shù)

注：*、** 分別表示自變量在回歸模型中P<0.05和P<0.01水平上顯著相關(guān)，下同。ρb1、ρb2、ρb3和ρb4分別表示土壤容重為1.18、1.21、1.24、1.26 g/cm3。

2.4 土壤容重對(duì)流量的影響

通過(guò)單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重對(duì)微潤(rùn)管流量有顯著影響(P<0.05)。隨土壤容重的增加，微潤(rùn)管流量呈減小趨勢(shì)(表3)。Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重對(duì)k和b值影響的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.776、-0.893，均達(dá)顯著水平(P<0.05)。隨土壤容重的增大，流量系數(shù)k基本呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明隨土壤容重的增加，微潤(rùn)管流量變化對(duì)工作壓力的敏感度逐漸下降，在壓力與流量線性關(guān)系式(3)中，增加1.0 m壓力時(shí)，流量q增加量等于流量系數(shù)k，當(dāng)土壤容重增加1.00 g/cm3時(shí)，流量系數(shù)k減小100.01 cm3/(m2·h)，k的減小導(dǎo)致微潤(rùn)管流量的增加量也相應(yīng)減小。隨土壤容重的增大，壓力為零時(shí)流量b也基本呈減小趨勢(shì)。

2.5 土壤初始質(zhì)量含水率對(duì)流量的影響

通過(guò)單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，土壤初始質(zhì)量含水率對(duì)微潤(rùn)管流量有顯著影響(P<0.05)，隨土壤初始質(zhì)量含水率的增加，微潤(rùn)管流量基本呈減小趨勢(shì)。由表3可知，隨初始質(zhì)量含水率的增加，流量系數(shù)k和壓力為零時(shí)的流量b基本均呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明隨土壤初始質(zhì)量含水率的增加，微潤(rùn)管流量變化對(duì)工作壓力的敏感度呈逐漸下降趨勢(shì)，在壓力與流量線性關(guān)系中，壓力增加1.0 m流量增加量等于流量系數(shù)k，當(dāng)土壤初始質(zhì)量含水率增加1個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，流量系數(shù)k減小1.10 cm3/(m2·h)，k的減小導(dǎo)致微潤(rùn)管流量的增加量也相應(yīng)減小。流量系數(shù)k、壓力為零的流量b與土壤初始質(zhì)量含水率w的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.523、-0.225，說(shuō)明k、b均與w呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中流量系數(shù)k與土壤初始質(zhì)量含水率(w)呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

微潤(rùn)管流量受諸多因素影響，各因素對(duì)其影響程度不同。在諸多因素影響程度尚不清楚的情況下，宜采用灰色關(guān)聯(lián)法分析壓力、土壤初始質(zhì)量含水率與容重對(duì)微潤(rùn)管流量的影響(表4)。

表4 壓力、土壤初始質(zhì)量含水率、容重與微潤(rùn)管流量的灰色關(guān)聯(lián)度和方差分析

由表4可知，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度排序，對(duì)微潤(rùn)管流量的關(guān)聯(lián)程度由大到小依次為：壓力水頭、容重、土壤初始質(zhì)量含水率，該結(jié)果表明影響微潤(rùn)管流量較大的因素是壓力。通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)，壓力、初始質(zhì)量含水率和容重均對(duì)微潤(rùn)管流量有顯著影響，壓力F值最大，容重次之，初始質(zhì)量含水率最小。

綜上，對(duì)流量系數(shù)k與初始質(zhì)量含水率w、容重ρb，壓力為零時(shí)的流量b與初始質(zhì)量含水率w、容重ρb進(jìn)行逐次線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，流量系數(shù)k與初始質(zhì)量含水率w、 容重ρb存在二元線性回歸關(guān)系，壓力為零時(shí)的流量b與容重ρb存在一元線性回歸關(guān)系，其回歸方程分別為

k=-1.40w-100.04ρb+175.42

表5 回歸模型與參數(shù)

(R2=0.88，P<0.05)

(4)

b=-40.29ρb+61.17 (R2=0.80，P<0.05)

(5)

k與w、ρb回歸的決定系數(shù)R2=0.88，表明該模型中w與ρb可解釋k的程度達(dá)88%，可以用w與ρb共同實(shí)現(xiàn)對(duì)系數(shù)k的估計(jì)。b與ρb回歸的決定系數(shù)R2=0.80，表明該模型中ρb可解釋b的程度達(dá)80%，可以用ρb來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)常數(shù)b的估計(jì)。上述2個(gè)回歸方程的顯著性P<0.05，說(shuō)明自變量與因變量之間具有顯著的線性關(guān)系，w、ρb對(duì)k的貢獻(xiàn)率分別為52%和78%，回歸方程(4)能夠解釋k變化的86%。ρb對(duì)b的貢獻(xiàn)率為89%，回歸方程(5)能夠解釋b變化的78%。但k與w、ρb，b與ρb的剩余因子e均較大，分別為0.35和0.45，說(shuō)明對(duì)k和b的影響因子除w與ρb外，還有其他影響因素，有待進(jìn)一步研究。

將式(4)、(5)代入式(3)可確定微潤(rùn)管流量

q=(-1.40w-100.04ρb+175.42)h-40.29ρb+61.17

(6)

3 討論

由于微潤(rùn)管壁厚且微孔尺寸小、數(shù)目多、相互連通的特殊結(jié)構(gòu)，在管壁內(nèi)外壓力差的作用下，水分完全穿過(guò)管壁上所有微小且路徑曲折復(fù)雜的微通道或?qū)崿F(xiàn)全部孔口出流需要一定時(shí)間，工作壓力越大，管壁內(nèi)外壓力差越大，水流速較快，易打通所有微孔，微潤(rùn)管流量達(dá)到穩(wěn)定流量狀態(tài)所需時(shí)間越短。圖2中當(dāng)微潤(rùn)管管壁微孔全部打開(kāi)前，約在灌水前4 h，微潤(rùn)管的流量增加主要受打通微孔數(shù)量即過(guò)水?dāng)嗝婷娣e決定，而受管壁外側(cè)土水勢(shì)變化的影響較小，因此，微潤(rùn)管流量呈增加趨勢(shì)。在特定的工作壓力下，當(dāng)微潤(rùn)管流量達(dá)到最大時(shí)，隨灌水時(shí)間的增加，管壁周圍土壤含水率逐漸增加，抑制微潤(rùn)管微孔出流，因此，本試驗(yàn)灌水4 h后微潤(rùn)管流量存在一個(gè)較短的下降趨勢(shì)，但隨灌水時(shí)間進(jìn)一步增加，約灌水48 h后，管壁周圍土壤質(zhì)量含水率趨于穩(wěn)定，管壁內(nèi)外的壓力差也趨于穩(wěn)定，微潤(rùn)管流量也隨之呈穩(wěn)定狀態(tài)[7,13]。說(shuō)明在灌水過(guò)程中，隨土壤含水率的增加微潤(rùn)管流量呈減小趨勢(shì)。灌水過(guò)程中，微潤(rùn)管流量也隨土壤含水率的逐漸提高而發(fā)生一定的變化，但變化幅度較小。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在灌水過(guò)程中，微潤(rùn)管流量根據(jù)土壤含水率的變化自我調(diào)節(jié)時(shí)間約為44 h。當(dāng)灌水48 h后，微潤(rùn)管流量與土壤含水率均不再變化，此時(shí)影響微潤(rùn)管流量的主要因素為工作壓力，如當(dāng)工作壓力為2.1 m水頭時(shí)，土壤質(zhì)量含水率約為24%，此時(shí)，微潤(rùn)管的穩(wěn)定流量約為65.00 cm3/(m·h)，當(dāng)工作壓力為0.1 m水頭時(shí)，土壤質(zhì)量含水率約為20%(穩(wěn)定流量約為18.00 cm3/(m·h)，遠(yuǎn)小于壓力為2.1 m水頭時(shí)的流量。圖2中微潤(rùn)管流量隨時(shí)間增加個(gè)別出現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象，這可能與試驗(yàn)微潤(rùn)管(微孔直徑、微孔密度等)、氣候(溫度、空氣濕度、風(fēng)速等)、土壤質(zhì)地(孔隙度、土壤含水率等)以及水源(泥沙含量、礦物質(zhì)含量、酸堿度等)有關(guān)，這些還有待進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)探究，定性、定量分析研究。

壓力是控制微灌流量的關(guān)鍵因素[2]，隨壓力增大，入滲速率增加，土壤入滲界面承受壓力增大，導(dǎo)致入滲界面土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，該區(qū)域飽和導(dǎo)水率發(fā)生改變，反過(guò)來(lái)動(dòng)態(tài)影響流量[12-13]。本研究發(fā)現(xiàn)工作壓力是決定微潤(rùn)管流量的關(guān)鍵因素。微潤(rùn)管由于特殊的制作工藝，使微潤(rùn)管壁面上形成縱橫交錯(cuò)、相互連接的微孔，據(jù)測(cè)量微孔孔徑為10～900 nm，每平方厘米至少有10萬(wàn)個(gè)微孔，這些微孔是水流從管內(nèi)向外滲出的通道[1]。因此，微潤(rùn)管內(nèi)工作壓力決定了管壁內(nèi)外的壓力差，進(jìn)而決定微潤(rùn)管流量，這與地下滴灌滴頭流量受壓力控制的原理基本相似[2,32]。然而，地下滴灌滴頭孔口尺寸與微潤(rùn)管微孔相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且相鄰滴頭相對(duì)獨(dú)立工作，因此，壓力對(duì)地下滴灌滴頭和微潤(rùn)管流量的影響規(guī)律并不完全一致。滴灌滴頭工作壓力主要消耗于克服迷宮流道內(nèi)的局部水頭損失，滴頭流量幾乎不受土壤容重和初始質(zhì)量含水率的影響，壓力與流量是冪函數(shù)關(guān)系[12]，非壓力補(bǔ)償式滴頭流態(tài)指數(shù)一般在0.50～1.00之間。而微潤(rùn)管微孔不具備迷宮特性，且微孔相互連接，微潤(rùn)管壓力與流量基本是線性關(guān)系，即其流態(tài)指數(shù)約為1.00，大于滴頭的流態(tài)指數(shù)，說(shuō)明微潤(rùn)管流量對(duì)壓力變化的敏感度大于滴灌。由于微潤(rùn)管壁出流孔多且小，與土壤密切接觸，增大了土壤因素(容重、初始質(zhì)量含水率等)對(duì)微潤(rùn)管內(nèi)外壓力差的影響，從而顯著影響微潤(rùn)管流量。

土壤容重是土壤的一個(gè)重要物理特征參數(shù)，土壤容重越大，土壤密實(shí)度越大，長(zhǎng)時(shí)間灌水會(huì)使土壤中細(xì)小顆?；螂x子吸附在管壁，影響微孔出流，同時(shí)土壤容重增加，大孔隙會(huì)減少，土壤孔隙中的氣體也較難排到大氣中，增加了入滲過(guò)程中的氣相阻力[33-35]，土壤水分不易快速擴(kuò)散到遠(yuǎn)處，在灌水過(guò)程中，微潤(rùn)管外壁附近土壤越易形成高含水率區(qū)域，微潤(rùn)管管壁內(nèi)外壓差減小，微潤(rùn)管出流阻力增大[7]，因此，本研究中隨土壤容重的增加，微潤(rùn)管流量呈減小趨勢(shì)，與牛文全等[2]和薛萬(wàn)來(lái)等[28]在室內(nèi)土箱試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

土壤水分運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)自土壤水勢(shì)梯度[4]。土壤水勢(shì)受基質(zhì)勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、溫度勢(shì)和重力勢(shì)影響，本試驗(yàn)各處理土壤水勢(shì)的差異主要來(lái)自基質(zhì)勢(shì)，基質(zhì)勢(shì)越大，土壤含水率越小，土壤水吸力增大，流量增加[36]。另外，土壤團(tuán)聚體快速濕潤(rùn)會(huì)產(chǎn)生致使團(tuán)聚體破碎的崩解力，土壤初始質(zhì)量含水率越小崩解力越大，團(tuán)聚體崩解會(huì)減小土壤孔隙度，增加固體顆粒數(shù)量與毛細(xì)管數(shù)量[37-38]。初始質(zhì)量含水率越小，土壤孔隙填充所需的水分越多[39]，因此，本試驗(yàn)中微潤(rùn)管流量隨土壤初始質(zhì)量含水率減小略有增加。

4 結(jié)論

(1)微潤(rùn)管流量隨土壤質(zhì)量含水率變化有一定的自我調(diào)節(jié)作用，隨土壤初始質(zhì)量含水率的增大，微潤(rùn)管流量略有減小。但微潤(rùn)管流量受土壤質(zhì)量含水率變化的影響較小，自我調(diào)節(jié)時(shí)間較短，約為44 h。隨灌水時(shí)間的增加，微潤(rùn)管流量呈先快速增加再減小后趨于平緩穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)工作壓力、土壤容重和初始質(zhì)量含水率均對(duì)微潤(rùn)管流量有顯著影響。在一定工作壓力范圍內(nèi)(0～2.1 m水頭)，微潤(rùn)管壓力與流量呈顯著性線性關(guān)系。隨土壤初始質(zhì)量含水率與容重的增加，微潤(rùn)管流量呈減小趨勢(shì)，同時(shí)微潤(rùn)管流量對(duì)工作壓力變化的敏感度逐漸下降。初始質(zhì)量含水率、容重與流量系數(shù)k，容重與壓力為零時(shí)的流量b均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用土壤初始質(zhì)量含水率和容重確定流量系數(shù)和壓力為零時(shí)的流量值，實(shí)現(xiàn)微潤(rùn)灌出流預(yù)報(bào)。

(3)灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，工作壓力對(duì)微潤(rùn)管流量影響最大，容重次之，初始質(zhì)量含水率的影響最小。

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Prediction Methods and Characteristics of Flow for Moistube

NIU Wenquan1,2ZHANG Mingzhi3XU Jian2ZOU Xiaoyang4ZHANG Ruochan1LI Yuan2

(1.CollegeofWaterResourceandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofSoilandWaterConservation，NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100，China3.HenanProvincialWaterConservancyResearchInstitute,Zhengzhou450000,China4.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100，China)

In order to understand the main factors influencing the flow of moistube and determine the relationship between flow and pressure, in the case of different soil initial mass moisture contents(13.83%, 15.49%, 16.27% and 17.72%)and soil bulk densities(1.18 g/cm3, 1.21 g/cm3, 1.24 g/cm3and 1.26 g/cm3), the completely random experiment design in field of arable land was used to test the influence of different pressures (0 m, 0.1 m, 0.3 m, 0.7 m, 1.1 m and 2.1 m) on moistube flow. The results showed that the moistube had a weak and short duration of self-regulation function of flow with the change of soil moisture content, which was about 44 h. The moistube flow was increased quickly and then decreased to steady state, the soil moisture content was increased and then tended to stable state at the beginning of irrigation, it would be in steady state when after 48 h of irrigation. Moistube flow was significantly influenced by pressure, soil bulk density and soil initial mass moisture content. Moistube flow was mainly controlled by pressure, there was a significantly liner relationship between pressure and flow within a certain range (the water head was varied from 0 m to 2.1 m), the determination coefficientR2>0.85, when soil initial mass moisture content and bulk density was increased, moistube flow kept a downtrend, meanwhile the moistube flow change on the sensitivity of the working pressure was gradually decreased. Moistube flow coefficientkand flowbwith zero pressure were not simply determined by the moistube’s characteristics in the model of liner relationship between pressure and flow. The soil initial mass moisture content and bulk density with moistube flow coefficientkshowed a significant negative correlation respectively (P<0.05), bulk density with flowbwith zero pressure had a significant negative correlation (P<0.05), Moistube flow coefficientkand flowbwith zero pressure can be determined by soil initial mass moisture content and bulk density, thus the moistube flow can be predicted. According to correlation analysis and variance analysis, pressure was the most important factor affecting the moistube flow, then the soil bulk density and soil initial mass moisture content was the least.

moistube; flow; soil; pressure; initial mass moisture content; bulk density

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.028

2016-09-12

2016-11-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0400202)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679205)

牛文全(1971—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事灌溉理論與節(jié)水技術(shù)研究，E-mail： nwq@nwsuaf.edu.cn

S275.9

A

1000-1298(2017)06-0217-08