負壓灌溉供水器供水速率與供水高度關(guān)系研究

摘 要：該文提出了一種新型的負壓灌溉供水器。以土壤水吸力與土壤含水率的關(guān)系為依據(jù)進行理論分析，建立負壓灌溉供水器供水速率與供水高度關(guān)系的數(shù)學模型；在過水斷面面積足夠大的條件下，設(shè)置三個不同的供水高度，研究負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)，可抑制土表濕潤導致的無效蒸發(fā)和深層滲漏導致的無效灌溉；不會破壞土壤結(jié)構(gòu)，從而使灌溉水量得到充分利用，同時還可以收集雨水并用于農(nóng)業(yè)灌溉。

關(guān)鍵詞：負壓灌溉 耗水強度 供水高度 供水器 供水速率 非飽和土壤

中圖分類號：S275 文獻標識碼：A 文章編號：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，同時農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象非常嚴重，目前條件下不可能通過單純增加新水源來緩解農(nóng)業(yè)用水的緊缺狀況。為此人們提出負壓灌溉系統(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，不用擔心灌水量的多少對農(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)，可抑制土表濕潤導致的無效蒸發(fā)和地下滲漏導致的無效灌溉；不會破壞土壤結(jié)構(gòu)，從而使灌溉水量得到充分利用，同時還可以收集雨水應用與農(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)灌溉供水的自動調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)作物的需水量自動供水灌溉，能夠達到節(jié)水、節(jié)能的效果，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益。

國內(nèi)外對負壓灌溉進行了一定的研究，1908年Livingston首先提出了負壓灌溉[1]，Richards（1942）和Read（1962）利用這一原理對自動灌水缽進行了研究[2-3]。日本三菱化工集團于1996年[4]推出了“負壓灌溉器皿”，該系統(tǒng)可用于作物盆栽，并于1998年將“負壓灌溉器皿”中多孔管改為多孔板[5]。2008年李邵等人為了總結(jié)負壓灌溉系統(tǒng)的供水規(guī)律，進行了負壓灌溉與常規(guī)灌溉條件下栽培番茄的實驗，分析了負壓灌溉系統(tǒng)不同吸力值下的土壤含水率動態(tài)變化，同時分析了負壓灌溉與常規(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)備及測試方法描述

該實驗采用對比實驗的方法，在過水斷面面積足夠大的條件下，設(shè)置三個不同的供水高度，進行實驗。該實驗的負壓灌溉供水系統(tǒng)及測試裝置，包括實驗箱，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，如風干、碾碎、過篩的實驗土），供水箱，馬氏瓶（r=3.15 cm），連接軟管以及用于蒸發(fā)對比的、與供水箱相同尺寸的水箱；還包括實驗過程中，采集實驗相關(guān)數(shù)據(jù)用到的量筒，燒杯等儀器。

以供水高度H=10cm為例，實驗過程中，可觀測到當供水時間為4天時，水上升到土壤表面，并開始在土壤表層擴散；當供水時間為5天時，水完全浸濕了土壤表層。

測試項目：（1）馬氏瓶中水面的下降高度；（2）用于蒸發(fā)對比實驗的水箱中水分的蒸發(fā)量；（3）隨著實驗時間的增加，盛土容器中水分上升的高度。

測試過程：實驗儀器組裝完畢后，正式開始采集實驗數(shù)據(jù)，并進行實驗記錄。前期實驗，由于土壤需水量較大，導致馬氏瓶中水面下降較快，采取每兩小時進行馬氏瓶內(nèi)水位數(shù)據(jù)的觀測、記錄以及補充水量。同時進行數(shù)據(jù)處理，得出一段時間內(nèi)土壤的需水量，進而得出繪制實驗曲線所需的相關(guān)參數(shù)。隨著實驗的不斷進行，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，對實驗進程進行了調(diào)整，由前期的一天多次測量，改為一天兩次進行量測，使盛土容器中表層土壤逐漸達到飽和含水率。

為了確保實驗在自然條件下進行，更貼近生產(chǎn)生活實際，實驗裝置布設(shè)在室外；同時為使實驗通風性良好，采取了將實驗箱打孔的方法。實驗過程中，盛土容器中表層土壤逐漸達到飽和含水率，土壤表面開始出現(xiàn)了一些細小的裂縫，隨后不斷擴張為較大的裂縫，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。為確保實驗的準確度，采取了將土樣重新風干、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，又進行為期20多天的實驗記錄與觀測，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，準確性。

1.2 理論計算方法

在潛水埋深較淺，且相對穩(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)強度。

如圖2，坐標原點定在潛水面處，向上為正。

潛水蒸發(fā)強度可利用非飽和土壤水分達西定律計算，其定解問題可寫為，

（1）

（2）

對式（1）積分，并利用條件式（2），可得出

（3）

式中：為土壤飽和含水率，當非飽和土壤擴散率導水率已知時，式（3）給出了穩(wěn)定蒸發(fā)強度為E時土壤含水率分布。

若用土壤水吸力s表示位置函數(shù)，則有

（4）

（5）

對式（4）積分，并利用條件式（5），可得出

（6）

式中：當非飽和含水率K（s）已知時，式（6）給出了穩(wěn)定蒸發(fā)強度為E時土壤含水率分布。

令式（3）中的Z等于潛水埋深，即Z=H，可得到

（7）

由式（7）可計算不同潛水埋深H條件下的蒸發(fā)強度E和，進而可給出以H為參數(shù)的關(guān)系。

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

1.2.1 利用非飽和土壤水擴散率和導水率確定耗水強度與土壤含水率的關(guān)系

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

針對某一潛水埋深（H=10cm），可假定一表土含水率；

采用數(shù)值方法對式（7）右端做積分計算。將區(qū)間[]等分為n個 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）模式計算，即

（10）

（11）

（12）

（13）

式中，為土壤基質(zhì)勢（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）為土壤飽和導水率；C（g/cm3）為土壤比水容量；和n為參數(shù)。在理論計算中，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）和時間t（d）的乘積，進而可以計算得到土壤的耗水強度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擴散率（）和導水率（），采用EXCEL軟件計算不同供水高度下，耗水強度隨表土含水率的變化關(guān)系，計算結(jié)果如表1，并繪制其變化關(guān)系圖，如圖3。

從圖3可看出，在負壓灌溉系統(tǒng)中當供水高度一定時，供水速率隨著表土土壤含水率的增大而減小，呈負相關(guān)；當土壤含水率一定時，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軟件進行計算，得到不同供水高度下，耗水強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，在負壓灌溉系統(tǒng)中當供水高度一定時，供水速率隨著土壤含水率的增大而減小，也呈負相關(guān)關(guān)系；當土壤含水率一定時，供水速率隨著供水高度的增大而減小。只是耗水強度的數(shù)值有所不同。

2.2 測試結(jié)果

根據(jù)2014年6月3日到6月25日的實驗觀測數(shù)據(jù)，可繪制出土壤耗水強度隨時間的變化過程圖，如圖5所示。

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

2.3 理論計算與實驗測試結(jié)果的比較

首先根據(jù)理論計算的耗水強度與土壤含水率關(guān)系圖（如圖3所示）找出H=10 cm、20 cm、30 cm相對應的=5.54 cm/d、2.78 cm/d、1.85 cm/d，將前5天實測數(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下的土壤耗水強度（cm/d） （見表4）并將其代入式（14）

（14）

推求出相應的1=0.338、

2 =0.782、3 =1.085。

再把求出的1、2 和3后期的實測數(shù)據(jù)代入式（15），

（15）

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

由圖6可知：當時間（即日期）相同時，供水強度與供水高度成反比關(guān)系，即供水高度越高，其相應的供水強度越小。

將同一高度下的理論計算耗水強度與實測的耗水強度隨時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，理論計算與實驗測試得到的耗水強度大多集中在0.05cm/d到0.2cm/d之間，實驗測試的耗水強度在6月14日達到最大。

由圖8可知，實驗測試的耗水強度在理論計算得到耗水強度值附近波動，實驗測試的耗水強度與理論計算的耗水強度在6月9日到6月10日基本吻合。

由圖9可知，理論計算與實驗測試得到的耗水強度大多集中在0.1cm/d到0.4cm/d之間，實驗測試的耗水強度在6月9日到6月10日達到最大值，同時在6月14日達到極值點。

由圖7、圖8和圖9可以看出實驗測試得到的土壤耗水強度關(guān)系圖與理論計算得到的土壤耗水強度關(guān)系曲線有交叉，實驗曲線圍繞理論曲線上下波動，說明理論計算是合理的。

3 結(jié)語

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

（2）實驗測試得到的土壤耗水強度隨時間的變化過程與理論計算得到的土壤耗水強度隨時間的變化過程曲線有交叉，說明理論計算結(jié)果與實測結(jié)果一致，理論計算結(jié)果是合理的。

參考文獻

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