膜縫溝灌技術(shù)要素試驗(yàn)研究

薛 雁,李援農(nóng),劉建強(qiáng)

(1.山東省水利科學(xué)研究院,山東濟(jì)南250013;2.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)

0 引 言

膜上灌溉是20世紀(jì)80年代后期我國(guó)新疆地區(qū)在地膜栽培基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型節(jié)水地面灌溉技術(shù)。多年來(lái)的實(shí)踐證明,不僅具有地膜種植的所有優(yōu)點(diǎn),而且還具有顯著的節(jié)水、增產(chǎn)和防止土肥流失等效果。膜縫溝灌是將地膜鋪在溝坡上,溝底兩膜相會(huì)處留有窄縫,通過(guò)放苗孔和膜縫向作物供水,膜縫溝灌的溝長(zhǎng)為50 m左右[1]。對(duì)于膜縫溝灌技術(shù),樊惠芳、張朝暉等[2-5]對(duì)其入滲規(guī)律做了一些試驗(yàn)研究,而對(duì)其技術(shù)要素較少有相關(guān)研究和報(bào)道。

1 試驗(yàn)和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在教育部農(nóng)業(yè)水土工程研究所西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行,試驗(yàn)用土為重粉質(zhì)粘土,土壤密度為2.715 g/cm3。土壤級(jí)配及顆粒組成如表1所示。

表1 土壤級(jí)配及顆粒組成情況

1.2 試驗(yàn)布置與方法

試驗(yàn)前將土按設(shè)計(jì)的含水率配好后,按設(shè)計(jì)密度分層(5 cm厚)夯實(shí)裝入試驗(yàn)土箱內(nèi)(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)土箱選用有機(jī)玻璃模型槽,其規(guī)格為100 cm×3 cm×70 cm(長(zhǎng)×寬×高)。裝完土后,按試驗(yàn)要求的溝寬和溝深挖出灌水溝,溝底寬為25 cm,溝深為20 cm。灌水溝的形狀采用常見(jiàn)的梯形形狀。做好灌水溝后,在溝中鋪上按試驗(yàn)要求剪好膜縫的薄膜。為了防止漏水和飄膜,在鋪膜時(shí)薄膜與玻璃壁之間做了處理。為了防止阻氣灌溉,在土箱的一側(cè)設(shè)置若干排氣孔。試驗(yàn)由馬氏瓶供水[6]。

本試驗(yàn)選擇了膜縫寬度、土壤初始含水率、土壤密度及水深四個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素,采用四因素三水平正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[7],試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交表見(jiàn)表2,因素及水平具體為膜縫寬度A1(5 cm)、A2(10 cm)、A3(15 cm);土壤初始含水率 B1(9%)、B2(12%)、B3(15%);土壤密度C1(1.35 g/cm3)、C2(1.40 g/cm3)、C3(1.45 g/cm3);水深 D1(4 cm)、D2(8 cm)、D3(12 cm)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

表2 膜縫溝灌灌溉技術(shù)要素試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交表

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),向灌水溝快速注入表2中設(shè)計(jì)水深的水量,然后打開(kāi)馬氏瓶供水開(kāi)關(guān)并同時(shí)計(jì)時(shí)。供水過(guò)程中觀察不同時(shí)刻濕潤(rùn)峰的發(fā)展趨勢(shì),記錄不同時(shí)刻的入滲量,并繪出不同時(shí)刻的濕潤(rùn)峰。供水結(jié)束后,用烘干法測(cè)定土壤含水率。

試驗(yàn)結(jié)果采用正交試驗(yàn)極差分析法中的綜合平衡法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

極差分析方法是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一種常用的方法,它直觀形象、簡(jiǎn)單易懂,通過(guò)非常簡(jiǎn)單的計(jì)算和判斷就可以求出試驗(yàn)的優(yōu)化成果——主次因素、優(yōu)化水平、優(yōu)搭配及最優(yōu)組合,能比較完滿(mǎn)地達(dá)到試驗(yàn)要求。

綜合平衡法是先把各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo),按單指標(biāo)分別單獨(dú)進(jìn)行分析,然后再根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行綜合平衡,做出合理的結(jié)論[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了防止深層滲漏,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及膜縫溝灌的入滲規(guī)律,本試驗(yàn)采用入滲速率和水平與垂向濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離之比為評(píng)價(jià)指標(biāo),為了表達(dá)簡(jiǎn)單,在此用橫縱比來(lái)代替水平與垂向濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離的比值。將試驗(yàn)結(jié)果制成表3。

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果,可繪出試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的趨勢(shì)圖。圖2、圖3分別為4個(gè)技術(shù)要素對(duì)主要指標(biāo)的影響趨勢(shì)圖。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析[8]可知:對(duì)入滲速率而言主次因素分別為A、B、C、D,優(yōu)水平為A1、B2、C3、D3,最優(yōu)組合為 A1B2C3D3;對(duì)橫縱比而言主次因素為別為B、A、C、D,優(yōu)水平為A3、B1、C3、D3,最優(yōu)組合為A3B1C3D3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析表

圖2 技術(shù)要素對(duì)入滲速率的影響

圖3 技術(shù)要素對(duì)橫縱比的影響

2.2 綜合平衡確定最優(yōu)組合

由于兩個(gè)指標(biāo)單獨(dú)分析出來(lái)的最優(yōu)條件不一致,必須根據(jù)因素的兩個(gè)指標(biāo)影響的主次順序,綜合考慮確定出最優(yōu)組合條件。

A因素:對(duì)入滲速率的影響排在第一位,優(yōu)水平為A1;對(duì)橫縱比的影響排第二位,優(yōu)水平為A3,因此A可取A1。

B因素:對(duì)入滲速率的影響大小排第二位,優(yōu)水平為B2;對(duì)橫縱比的影響排第一位,優(yōu)水平為B1,故綜合考慮B應(yīng)取B1。

C因素:對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的影響來(lái)說(shuō),C因素都排在第三位,優(yōu)水平都為C3,C因素對(duì)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)都是次要因素,排位相同,因此C應(yīng)取C3。

D因素:同C因素情況相似,對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的影響來(lái)說(shuō),D因素都排在第四位,屬次要因素,優(yōu)水平都為D3,故D 應(yīng)取D3。

所以,本試驗(yàn)的最優(yōu)組合為A1B1C3D3,即膜縫寬度為5 cm,土壤初始含水率為9%,土壤密度為1.45 g/cm3,水深為12 cm。

2.3 最優(yōu)組合指標(biāo)值的估算

最優(yōu)組合不在本試驗(yàn)的9組處理組合中,需要估計(jì)在最優(yōu)組合下的試驗(yàn)指標(biāo)值(入滲速率、縱寬比),為今后的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中指標(biāo)值的預(yù)估,對(duì)每次試驗(yàn)來(lái)講,雖然指標(biāo)值都不一樣,但他們是一般平均 μ和各因素作用效應(yīng)的線(xiàn)性和,因此只要求得這些一般平均與效應(yīng)的估計(jì)值,指標(biāo)值的估計(jì)值就可以獲得。采用最小二乘法的方法來(lái)估計(jì)一般平均及各因素的效應(yīng)[8-9]。

根據(jù)微積分中求極值的方法將Q分別對(duì)參數(shù)的估計(jì)值求導(dǎo),并令其為零,解方程就可得到各參數(shù)的估計(jì)值。由于本試驗(yàn)的最優(yōu)組合為A1B1C3D3,可以估計(jì)灌水效率理論值為:

式中:ui為該正交試驗(yàn)組合下所計(jì)算的入滲速率(i=1,2,3……9);^a1為該試驗(yàn)組合中,膜縫寬度為5 cm;ˉuA1膜縫寬度為5 cm水平下入滲速率的平均值;ˉuB1為土壤初始含水率為9%水平下入滲速率的平均值;ˉuC3為土壤密度為1.45 g/cm3水平下入滲速率的平均值;ˉuD3為水深為12 cm水平下入滲速率的平均值。

橫縱比的計(jì)算同上。

估算到最優(yōu)組合A1B1C3D3的入滲速率可達(dá)2.24 mm/min,橫縱比達(dá)到2.24。

3 結(jié) 論

通過(guò)本試驗(yàn)的研究得知,在膜縫溝灌的影響因素中,膜縫寬度與土壤初始含水率對(duì)入滲主要指標(biāo)的影響較大,土壤密度與水深對(duì)入滲主要指標(biāo)的影響較小。

最后選擇的最優(yōu)組合:當(dāng)初始含水率為9%、土壤密度為1.45 g/cm3時(shí),最優(yōu)膜縫寬度為5 cm,最佳水深為12 cm的A1B1C3D3組合。

由于室內(nèi)擾動(dòng)土試驗(yàn)與大田原狀土的入滲特性有一定差別,大田試驗(yàn)存在土壤空間變異性[10-12],加之此方法本身存在著各種誤差以及人為因素等,所以室內(nèi)的入滲參數(shù)不能代表整個(gè)灌溉田面的平均入滲參數(shù)量值,要得到能代表實(shí)際田塊的土壤平均入滲參數(shù),雖然可以采用“標(biāo)定”理論與方法對(duì)其進(jìn)行處理[13],但需要一定數(shù)量的單膜縫試驗(yàn),才能為標(biāo)定提供必要的依據(jù),這樣做不僅單個(gè)膜縫入滲試驗(yàn)工作量大、費(fèi)工費(fèi)時(shí),且無(wú)法消除入滲儀設(shè)備本身的誤差;其次是入滲試驗(yàn)采用靜水入滲的試驗(yàn)方法,這顯然與實(shí)際灌溉田面水流運(yùn)動(dòng)特性有一定差別,從而影響入滲參數(shù)的代表性和灌水技術(shù)要素設(shè)計(jì)及灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。因此,在今后的研究工作中,對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置的還需進(jìn)一步研究,以使室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的研究條件與田間實(shí)際情況進(jìn)一步吻合。

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