青海湖沙漠地區(qū)節(jié)水器設(shè)計(jì)

王寧峰+鐵生年+鄒蜜

摘要： 負(fù)水頭毛細(xì)滲灌非常適合青海湖周邊沙漠地區(qū)的固沙植生，根據(jù)毛細(xì)滲灌原理對(duì)節(jié)水器進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮植物的需水量，棉線毛細(xì)輸水量，沙子的輸水特性可確定節(jié)水器的輸水量及入滲點(diǎn)。

Abstract： Water infiltration under water supply of negative hydraulic heads is suited to irrigation in the deserts around Qinghai lake. According to water infiltration principle， one kind of water economizer is designed. Considering the water consumption of the plant， the water delivery of cotton， property of water capillary conductivity in sand， water conductivity magnitude and the position where water infiltration will begin from the water economizer are designed.

關(guān)鍵詞： 沙漠地區(qū)；植生；節(jié)水器

Key words： desert area；plant；water economizer

中圖分類號(hào)：TU821 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）19-0006-03

1 背景

青海湖是青海省重要的旅游資源，海拔3149-5170m，由于沙丘不斷增高加大，嚴(yán)重影響湖周邊的公路及公共設(shè)施。防止干旱地區(qū)土地的沙漠化趨勢(shì)需要固沙植生，而水的高效利用是植生的關(guān)鍵，由于青海湖周邊長(zhǎng)住人口少，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，缺少動(dòng)力能源，制約了現(xiàn)有節(jié)水灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用（如滴灌、微噴、覆膜灌等）。此外這些技術(shù)成本太高，需要人維護(hù)，不適合青海湖周邊沙漠地區(qū)的植生固沙。

負(fù)水頭毛細(xì)滲灌是一種有潛在前途的灌溉方法[1]，因此可利用水在沙中的毛細(xì)力擴(kuò)散作用，使節(jié)水器內(nèi)的水流入沙漠中保持沙子的濕潤(rùn)從而保障植生。沙中水量控制可根據(jù)作物的需水量，輸水的高度差和棉線多少限制輸水量，有利于水的高效利用。此外在輸水過(guò)程中要考慮植物的需水量，降水量以及沙子，輸水介質(zhì)的吸水，滲水特性，以及含水量的分布。本文根據(jù)沙子的輸水特性設(shè)計(jì)一種負(fù)水頭節(jié)水器。

2 節(jié)水器結(jié)構(gòu)及工作原理

結(jié)構(gòu)如圖1所示設(shè)計(jì)筒體為10L的圓柱形筒體，有效的灌溉面積小于2平方米，引水管與筒體連接，引水管內(nèi)裝有棉線，一端接觸毛氈，一端引入沙中供給植物去吸收水分，棉線所處吸水直管設(shè)成長(zhǎng)度為34cm長(zhǎng)。為了防止棉線長(zhǎng)期浸在水中損壞棉線，在圓筒壁鋪設(shè)一層毛氈，毛氈的毛細(xì)速率大于棉線且不易腐爛，毛氈厚度為2cm，起到引水作用。輸水管設(shè)在圓桶中心，設(shè)計(jì)成直徑為5cm，輸水管頂端設(shè)計(jì)管帽。如圖1所示節(jié)水器包括1管帽，2輸水管3密封盤4螺栓5筒體6毛氈7內(nèi)筒，8引水管。主要工作原理是水通過(guò)毛細(xì)作用濕潤(rùn)毛氈，棉線被毛氈濕潤(rùn)通過(guò)毛細(xì)作用傳入入滲點(diǎn)，水分從入滲點(diǎn)擴(kuò)散到沙中，通過(guò)控制棉線的多少及垂直高度高度控制棉線的輸水量。毛氈的輸水速率要大于棉線，可使棉線的供水充足。

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

3.1 植被狀況及植物的需水量估算 環(huán)青海湖地區(qū)總面積2.96萬(wàn)km2。區(qū)域海拔3000～5000m，多年平均氣溫-1.14～1.17，年降水量253～515mm，屬于典型的高寒干旱大陸性氣候[2]。青海湖周邊沙粒的主要由72～74%SiO2；7～8%Al2O3，5-8%CaO及其他雜質(zhì)吸附物組成[3]。

以文獻(xiàn)[4]為例，油蒿（沙漠中典型植物）在4～6月是植物的快速生長(zhǎng)階段，該階段油蒿的蒸散耗水量為55.6mm，7～9月植物進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)階段，葉面積和覆蓋度逐漸達(dá)到最大，與之相應(yīng)的植物蒸散耗水量也逐漸達(dá)到高峰，該階段中油蒿的蒸散耗水量為138.0mm。10～11月植物生長(zhǎng)停止，根系吸水減少，該階段中油蒿的蒸散耗水量為24.4mm，可得油蒿全年耗水217.7mm，全年降水量159.6mm，滲漏量為21.2mm。根據(jù)式W=P-（ET+Q）可計(jì)算油蒿需水量（其中W為土壤儲(chǔ)水量變化，P為降水量，ET為蒸散量，Q為土壤滲漏水量）。按8個(gè)月計(jì)算，每月每平米平均需水10mm，換算成體積為0.010立方米，考慮4-6月每月加水1次半即可，7～9月植物進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，同時(shí)降水量也較大，需水較大，半個(gè)月加一次即可。每平方米沙地需水，圓整后桶的體積為0.010立方米（10升）。

3.2 棉線的輸水能力計(jì)算 毛細(xì)輸水可采用棉線作為中間介質(zhì)傳遞水，棉線的環(huán)保性良好，價(jià)格便宜。根據(jù)多根棉線不同高度的輸水實(shí)驗(yàn)，如圖3所示單根棉線輸水最大輸水速率為0.344g/h，棉線的輸水量隨垂直爬升距離增大而減小?？筛鶕?jù)植物每天的需水量可確定棉線的根數(shù)。

3.3 含水量與入滲點(diǎn)的關(guān)系 不同種子發(fā)芽需要含水量不一樣[5]，不同植物的根系分布特點(diǎn)不同，布置棉線的入滲點(diǎn)需要綜合考慮沙子的含水量及分布情況。如圖4所示為單根棉線在塑料的包覆下引入沙中，端點(diǎn)緊貼玻璃在沙中入滲水，3天后濕潤(rùn)的范圍保持相對(duì)穩(wěn)定，從玻璃中觀察的結(jié)果，沿入滲點(diǎn)水平方向顏色較深說(shuō)明的含水量最大，隨著與入滲點(diǎn)距離的增大含水量逐步減小，水平長(zhǎng)約13cm，垂直方向高約8cm。隨著棉線的根數(shù)增多，潤(rùn)濕的長(zhǎng)度，高度會(huì)增大。

為了控制水的利用，同時(shí)又滿足植物的生長(zhǎng)需求，必須掌握水在沙中的各方向的輸運(yùn)速度以及含水量分布情況，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下。

3.3.1 水份在沙子中的擴(kuò)散特性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（環(huán)境）及要求：燒杯，棉線，秒表，透明塑料管，沙子，電子天平，烘箱，標(biāo)尺。endprint

實(shí)驗(yàn)步驟：

①將沙子裝入直徑1cm的透明塑料管，輕輕震蕩使沙子緊實(shí)，裝入量約90cm，兩端塞入棉花，下端用一根棉線引出，置于空燒杯200ml中。

②取若干小燒杯，在燒杯做上標(biāo)記，標(biāo)記上所對(duì)應(yīng)的數(shù)字為沙柱的長(zhǎng)度，并對(duì)各個(gè)標(biāo)記燒杯進(jìn)行稱量；將沙柱固定，同時(shí)在沙柱后面固定標(biāo)尺，將沙柱分別水平擺放，垂直擺放。

③將水加入燒杯，浸過(guò)棉線，使水面與管口盡量近，當(dāng)水潤(rùn)濕棉花開(kāi)始計(jì)時(shí)。

④記錄水潤(rùn)濕峰面的位置和時(shí)間，靜置12小時(shí)使水充分潤(rùn)濕沙。

⑤取下沙柱，將沙柱切割分段，取其中的濕沙子置于相應(yīng)標(biāo)號(hào)的燒杯中。

⑥將含濕沙的燒杯放在電子天平上依次測(cè)量，并記錄各個(gè)數(shù)據(jù)。

⑦將測(cè)量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小時(shí)后，取出燒杯，再次稱量各個(gè)質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 將不同方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于同一圖中，如圖5水份在幾種沙柱中的擴(kuò)散，縱橫坐標(biāo)分別為，潤(rùn)濕峰面所在沙柱位置及對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散時(shí)間。如圖6水份在幾種沙柱中的擴(kuò)散后的含水量縱橫坐標(biāo)分別為沙柱充分潤(rùn)濕后，各段含水量及相應(yīng)位置。

對(duì)圖5各方向擬合方程求導(dǎo)可的各方向擴(kuò)散速度。小流量垂直下滲的速率為常量0.0537cm/s，水平滲透的速率呈指數(shù)變化為u=0.522x-0.473cm/s，毛細(xì)上升的速率為u=3.3796x-1cm/s，可知初始階段水平滲透速率遠(yuǎn)大于毛細(xì)上升及垂直下滲。這使得小水量在沙中擴(kuò)散濕潤(rùn)的范圍水平方向要大的多，與圖4一致。

由圖6可見(jiàn)含水量最大值約0.2，在距源點(diǎn)60cm內(nèi)以水平滲透的含水量最大，隨著距離增大，含水量緩慢下降滿足線性分布規(guī)律。毛細(xì)上升含水量滿足二階多項(xiàng)式分布，隨距離上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力場(chǎng)作用會(huì)逐步下滲，造成上端部分的含水量隨時(shí)間的增加而減少但是保持一定的含水量，隨時(shí)間推移棉線會(huì)將燒杯中的水沿沙柱傳遞，而水平和毛細(xì)上升會(huì)達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，燒杯的水量不變，沙柱潤(rùn)濕的長(zhǎng)度幾乎不變。

4 總結(jié)

毛細(xì)輸水不需要?jiǎng)恿?，滲漏少，適合無(wú)人類活動(dòng)的沙漠地區(qū)節(jié)水灌溉。

根據(jù)毛細(xì)滲灌原理，設(shè)計(jì)了一種節(jié)水灌溉器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了棉線輸水量，沙子的滲水特性，以及各方向含水量的分布。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可設(shè)計(jì)節(jié)水器不同的輸水量，設(shè)計(jì)不同的入滲點(diǎn)滿足植物及種子發(fā)芽所需水量。

參考文獻(xiàn)：

[1]解迎革，薛緒掌，王國(guó)棟，李霞.負(fù)水頭供水條件下土壤水分一維入滲規(guī)律的研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（5）：119-124.

[2]嚴(yán)德行，朱寶文，謝啟玉等.青海湖地區(qū)氣溫變化特征[J].氣象科技， 2011，39（1）：33-37.

[3]鐵生年，馬麗莉，楊興學(xué).青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（5）：17-20.

[4]馮金朝，陳荷生，康躍虎，劉元波.騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)人工植被蒸散耗水與水量平衡的研究[J].植物學(xué)報(bào)，1995，37（10）：815-821.

[5]徐娜，張眾，龐敏娜.不同土壤含水量對(duì)根莖冰草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（2）：297-299.endprint

實(shí)驗(yàn)步驟：

①將沙子裝入直徑1cm的透明塑料管，輕輕震蕩使沙子緊實(shí)，裝入量約90cm，兩端塞入棉花，下端用一根棉線引出，置于空燒杯200ml中。

②取若干小燒杯，在燒杯做上標(biāo)記，標(biāo)記上所對(duì)應(yīng)的數(shù)字為沙柱的長(zhǎng)度，并對(duì)各個(gè)標(biāo)記燒杯進(jìn)行稱量；將沙柱固定，同時(shí)在沙柱后面固定標(biāo)尺，將沙柱分別水平擺放，垂直擺放。

③將水加入燒杯，浸過(guò)棉線，使水面與管口盡量近，當(dāng)水潤(rùn)濕棉花開(kāi)始計(jì)時(shí)。

④記錄水潤(rùn)濕峰面的位置和時(shí)間，靜置12小時(shí)使水充分潤(rùn)濕沙。

⑤取下沙柱，將沙柱切割分段，取其中的濕沙子置于相應(yīng)標(biāo)號(hào)的燒杯中。

⑥將含濕沙的燒杯放在電子天平上依次測(cè)量，并記錄各個(gè)數(shù)據(jù)。

⑦將測(cè)量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小時(shí)后，取出燒杯，再次稱量各個(gè)質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 將不同方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于同一圖中，如圖5水份在幾種沙柱中的擴(kuò)散，縱橫坐標(biāo)分別為，潤(rùn)濕峰面所在沙柱位置及對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散時(shí)間。如圖6水份在幾種沙柱中的擴(kuò)散后的含水量縱橫坐標(biāo)分別為沙柱充分潤(rùn)濕后，各段含水量及相應(yīng)位置。

對(duì)圖5各方向擬合方程求導(dǎo)可的各方向擴(kuò)散速度。小流量垂直下滲的速率為常量0.0537cm/s，水平滲透的速率呈指數(shù)變化為u=0.522x-0.473cm/s，毛細(xì)上升的速率為u=3.3796x-1cm/s，可知初始階段水平滲透速率遠(yuǎn)大于毛細(xì)上升及垂直下滲。這使得小水量在沙中擴(kuò)散濕潤(rùn)的范圍水平方向要大的多，與圖4一致。

由圖6可見(jiàn)含水量最大值約0.2，在距源點(diǎn)60cm內(nèi)以水平滲透的含水量最大，隨著距離增大，含水量緩慢下降滿足線性分布規(guī)律。毛細(xì)上升含水量滿足二階多項(xiàng)式分布，隨距離上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力場(chǎng)作用會(huì)逐步下滲，造成上端部分的含水量隨時(shí)間的增加而減少但是保持一定的含水量，隨時(shí)間推移棉線會(huì)將燒杯中的水沿沙柱傳遞，而水平和毛細(xì)上升會(huì)達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，燒杯的水量不變，沙柱潤(rùn)濕的長(zhǎng)度幾乎不變。

4 總結(jié)

毛細(xì)輸水不需要?jiǎng)恿?，滲漏少，適合無(wú)人類活動(dòng)的沙漠地區(qū)節(jié)水灌溉。

根據(jù)毛細(xì)滲灌原理，設(shè)計(jì)了一種節(jié)水灌溉器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了棉線輸水量，沙子的滲水特性，以及各方向含水量的分布。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可設(shè)計(jì)節(jié)水器不同的輸水量，設(shè)計(jì)不同的入滲點(diǎn)滿足植物及種子發(fā)芽所需水量。

參考文獻(xiàn)：

[1]解迎革，薛緒掌，王國(guó)棟，李霞.負(fù)水頭供水條件下土壤水分一維入滲規(guī)律的研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（5）：119-124.

[2]嚴(yán)德行，朱寶文，謝啟玉等.青海湖地區(qū)氣溫變化特征[J].氣象科技， 2011，39（1）：33-37.

[3]鐵生年，馬麗莉，楊興學(xué).青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（5）：17-20.

[4]馮金朝，陳荷生，康躍虎，劉元波.騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)人工植被蒸散耗水與水量平衡的研究[J].植物學(xué)報(bào)，1995，37（10）：815-821.

[5]徐娜，張眾，龐敏娜.不同土壤含水量對(duì)根莖冰草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（2）：297-299.endprint

實(shí)驗(yàn)步驟：

①將沙子裝入直徑1cm的透明塑料管，輕輕震蕩使沙子緊實(shí)，裝入量約90cm，兩端塞入棉花，下端用一根棉線引出，置于空燒杯200ml中。

②取若干小燒杯，在燒杯做上標(biāo)記，標(biāo)記上所對(duì)應(yīng)的數(shù)字為沙柱的長(zhǎng)度，并對(duì)各個(gè)標(biāo)記燒杯進(jìn)行稱量；將沙柱固定，同時(shí)在沙柱后面固定標(biāo)尺，將沙柱分別水平擺放，垂直擺放。

③將水加入燒杯，浸過(guò)棉線，使水面與管口盡量近，當(dāng)水潤(rùn)濕棉花開(kāi)始計(jì)時(shí)。

④記錄水潤(rùn)濕峰面的位置和時(shí)間，靜置12小時(shí)使水充分潤(rùn)濕沙。

⑤取下沙柱，將沙柱切割分段，取其中的濕沙子置于相應(yīng)標(biāo)號(hào)的燒杯中。

⑥將含濕沙的燒杯放在電子天平上依次測(cè)量，并記錄各個(gè)數(shù)據(jù)。

⑦將測(cè)量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小時(shí)后，取出燒杯，再次稱量各個(gè)質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 將不同方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于同一圖中，如圖5水份在幾種沙柱中的擴(kuò)散，縱橫坐標(biāo)分別為，潤(rùn)濕峰面所在沙柱位置及對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散時(shí)間。如圖6水份在幾種沙柱中的擴(kuò)散后的含水量縱橫坐標(biāo)分別為沙柱充分潤(rùn)濕后，各段含水量及相應(yīng)位置。

對(duì)圖5各方向擬合方程求導(dǎo)可的各方向擴(kuò)散速度。小流量垂直下滲的速率為常量0.0537cm/s，水平滲透的速率呈指數(shù)變化為u=0.522x-0.473cm/s，毛細(xì)上升的速率為u=3.3796x-1cm/s，可知初始階段水平滲透速率遠(yuǎn)大于毛細(xì)上升及垂直下滲。這使得小水量在沙中擴(kuò)散濕潤(rùn)的范圍水平方向要大的多，與圖4一致。

由圖6可見(jiàn)含水量最大值約0.2，在距源點(diǎn)60cm內(nèi)以水平滲透的含水量最大，隨著距離增大，含水量緩慢下降滿足線性分布規(guī)律。毛細(xì)上升含水量滿足二階多項(xiàng)式分布，隨距離上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力場(chǎng)作用會(huì)逐步下滲，造成上端部分的含水量隨時(shí)間的增加而減少但是保持一定的含水量，隨時(shí)間推移棉線會(huì)將燒杯中的水沿沙柱傳遞，而水平和毛細(xì)上升會(huì)達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，燒杯的水量不變，沙柱潤(rùn)濕的長(zhǎng)度幾乎不變。

4 總結(jié)

毛細(xì)輸水不需要?jiǎng)恿?，滲漏少，適合無(wú)人類活動(dòng)的沙漠地區(qū)節(jié)水灌溉。

根據(jù)毛細(xì)滲灌原理，設(shè)計(jì)了一種節(jié)水灌溉器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了棉線輸水量，沙子的滲水特性，以及各方向含水量的分布。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可設(shè)計(jì)節(jié)水器不同的輸水量，設(shè)計(jì)不同的入滲點(diǎn)滿足植物及種子發(fā)芽所需水量。

參考文獻(xiàn)：

[1]解迎革，薛緒掌，王國(guó)棟，李霞.負(fù)水頭供水條件下土壤水分一維入滲規(guī)律的研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（5）：119-124.

[2]嚴(yán)德行，朱寶文，謝啟玉等.青海湖地區(qū)氣溫變化特征[J].氣象科技， 2011，39（1）：33-37.

[3]鐵生年，馬麗莉，楊興學(xué).青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質(zhì)研究[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（5）：17-20.

[4]馮金朝，陳荷生，康躍虎，劉元波.騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)人工植被蒸散耗水與水量平衡的研究[J].植物學(xué)報(bào)，1995，37（10）：815-821.

[5]徐娜，張眾，龐敏娜.不同土壤含水量對(duì)根莖冰草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（2）：297-299.endprint