紫花苜蓿中心支軸式噴灌灌水均勻性試驗(yàn)研究

鄭和祥，李和平，白巴特爾，程滿金

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020）

紫花苜蓿中心支軸式噴灌灌水均勻性試驗(yàn)研究

鄭和祥1，李和平1，白巴特爾1，程滿金2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020）

為提高紫花苜蓿中心支軸式噴灌灌水均勻性及定量分析其主要影響因子，在鄂爾多斯市鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)示范區(qū)進(jìn)行了紫花苜蓿中心支軸式噴灌灌水均勻性試驗(yàn)，采用基于標(biāo)準(zhǔn)差的Wilcox－Swailes均勻系數(shù)法計(jì)算了不同風(fēng)速條件下的噴灌灌水均勻系數(shù)，并定量化研究了噴灌對(duì)漂移損失、冠層截留損失、漂移和冠層截留總損失以及土壤含水率的影響。結(jié)果表明：風(fēng)速對(duì)噴灌灌水均勻系數(shù)影響顯著，平均風(fēng)速為2.57m·s－1和1.53m·s－1時(shí)均勻系數(shù)分別達(dá)到0.88和0.92，說(shuō)明噴灌均勻性良好，平均風(fēng)速為3.34m·s－1時(shí)均勻系數(shù)為0.72，噴灌均勻性較差；研究區(qū)噴灌灌水定額40mm時(shí)最大土壤入滲深度為80 cm，灌水后0～40 cm土層土壤含水率的提高非常顯著，新增灌水量在該土層的分配占85.0%～95.0%；風(fēng)速對(duì)噴灌漂移損失影響顯著，隨著風(fēng)速的增大漂移損失率明顯提高；風(fēng)速對(duì)冠層截留損失影響不如對(duì)漂移損失的影響顯著，較大風(fēng)速時(shí)冠層截留損失率反而較低；即使在風(fēng)速較低時(shí)（1.53m·s－1）紫花苜蓿分枝期噴灌漂移和冠層截留總損失率也在11.0%～15.0%，損失較大。

噴灌；均勻系數(shù)；漂移損失；冠層截留；紫花苜蓿

Keywords：sprinkler irrigation；uniformity coefficients；drift losses；canopy interception；alfalfa

中心支軸式噴灌具有節(jié)水、高效、自動(dòng)化程度高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，在我國(guó)廣大牧區(qū)的應(yīng)用越來(lái)越多，其中中心支軸式噴灌紫花苜蓿已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。中心支軸式噴灌作為一種較為先進(jìn)的灌水方式，也有其適用條件，特別是在與具體作物灌溉結(jié)合時(shí)還應(yīng)進(jìn)行較為深入的研究；中心支軸式噴灌作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是一個(gè)完整的水循環(huán)系統(tǒng)，即有壓水從管道噴出，在風(fēng)和氣溫等作用下產(chǎn)生漂移蒸散，降落到作物冠層后一部分被截留，而后剩余的水量落到地表進(jìn)入土壤再分布后供給作物［1－2］；中心支軸式噴灌灌水均勻性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，也是噴灌工程設(shè)計(jì)的基本參數(shù)之一。影響中心支軸式噴灌灌水均勻度的因素較多，主要有土壤類(lèi)型、土壤初始含水率、風(fēng)速、作物冠層截留和土地平整狀況等。如何定量測(cè)定各因素對(duì)灌水均勻性的影響程度并采取對(duì)應(yīng)措施提高灌水均勻性是目前面臨的難點(diǎn)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞噴灌灌水均勻性進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，取得了許多重要的成果。韓啟彪等［2］開(kāi)展了噴灌均勻系數(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究，提出了以作物需求為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)和模擬等進(jìn)一步研究噴灌土壤水分均勻系數(shù)及其對(duì)作物產(chǎn)量的影響；韓文霆等［3］開(kāi)展了噴灌水量分布均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)比較及進(jìn)展研究，提出了噴灌各類(lèi)型均勻系數(shù)互有聯(lián)系，但評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)各不相同，應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)和研究目的的不同選用相應(yīng)的均勻系數(shù)對(duì)均勻性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；王勇等［4］進(jìn)行了噴灌條件下玉米地土壤水分動(dòng)態(tài)與水分利用效率研究，得出了噴灌區(qū)土壤含水率在玉米全生育期內(nèi)變化情況；李久生等［5］開(kāi)展了噴灌施肥灌溉均勻性對(duì)土壤硝態(tài)氮空間分布影響的田間試驗(yàn)研究；黃修橋等［6］進(jìn)行了有風(fēng)條件下噴灌系統(tǒng)組合均勻度的計(jì)算理論與方法研究，提出了一種計(jì)算有風(fēng)條件下噴灌系統(tǒng)組合均勻度的方法。

上述關(guān)于影響噴灌均勻性和水分運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)水量損失的相關(guān)試驗(yàn)研究較少，而噴灌灌水均勻性和主要影響因子的定量分析是其研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以實(shí)測(cè)噴灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究噴灌灌水均勻系數(shù)以及水分運(yùn)動(dòng)中的漂移損失、冠層截留損失、漂移和冠層截留總損失以及噴灌對(duì)土壤含水率影響。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于鄂爾多斯市鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)哈日根圖嘎查，地處毛烏素沙地腹部。該試驗(yàn)地屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫7.9℃，年平均降水量261mm，年平均蒸發(fā)量2 498 mm，年平均風(fēng)速2.6 m·s－1，年平均日照時(shí)數(shù)2 958 h；年平均無(wú)霜期171 d，最大凍土層深度1.54 m；土壤為砂土，0～100 cm土層土壤容重為1.61 g·cm－3，田間持水率為22.86%。

鄂托克前旗現(xiàn)有中心支軸式噴灌機(jī)654臺(tái)，其中維蒙特408臺(tái)，林賽176臺(tái)，瑞克70臺(tái)。哈日根圖嘎查位于鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)南部，屬于純牧區(qū)，其主要特點(diǎn)是獨(dú)立牧戶(hù)經(jīng)營(yíng)，每個(gè)牧戶(hù)擁有200～667 hm2天然草場(chǎng)和3～20 hm2灌溉人工草地，在該地區(qū)具有較好的代表性。該嘎查現(xiàn)狀水利工程條件以中心支軸式噴灌為主，其中維蒙特中心支軸式噴灌機(jī)29臺(tái)，每臺(tái)控制面積均為9.5 hm2；林賽中心支軸式噴灌機(jī)每臺(tái)控制面積9.1 hm2，共有15臺(tái)，另有控制面積40.1 hm2的噴灌機(jī)1臺(tái)。本文以控制面積9.5 hm2維蒙特中心支軸式噴灌機(jī)為例進(jìn)行灌水均勻性試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中心支軸式噴灌水分損失量主要包括：漂移損失量、冠層截留損失量和深層滲漏損失量三部分。其中漂移損失量We采用水表精確計(jì)量的灌水量與多測(cè)點(diǎn)雨量筒測(cè)定的平均降雨深的差值來(lái)測(cè)定，計(jì)算公式為：

式中，We為漂移損失量；Wm為噴灌機(jī)進(jìn)水口水表精確計(jì)量的灌水量；W為各測(cè)點(diǎn)雨量筒測(cè)定的平均降雨量。

深層滲漏損失量Wd根據(jù)灌水前后土壤含水率的變化計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

式中，Wd為深層滲漏損失量；W為灌水前各測(cè)點(diǎn)土壤含水率的平均值；W為灌水后各測(cè)點(diǎn)土壤含水率的平均值。

冠層截留損失量Wc為噴灌機(jī)進(jìn)水口水表精確計(jì)量的灌水量與漂移損失損失量、深層滲漏損失量的差值。

式中，Wc為冠層截留損失量；其它同上。

試驗(yàn)于2012年4—9月進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)位于哈日根圖嘎查巴圖巴雅爾牧戶(hù)灌溉人工草地，試驗(yàn)地面積6.5 hm2。種植作物紫花苜蓿為多年生牧草，試驗(yàn)區(qū)為種植后的第三年，每年刈割3茬。以維蒙特8120型中心支軸式噴灌機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，其基本參數(shù)為：2跨加懸臂，每跨長(zhǎng)度均為60.63 m，懸臂長(zhǎng)22.55 m，設(shè)備總長(zhǎng)度143.81 m；帶尾槍控制灌溉半徑為173.81 m，控制面積9.5 hm2；不帶尾槍控制灌溉半徑為143.81 m，控制面積6.5 hm2；系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為32 m3·h－1。

本文開(kāi)展不帶尾槍時(shí)的灌水均勻性試驗(yàn)，即測(cè)定區(qū)域?yàn)楣喔劝霃?43.81 m范圍內(nèi)。為了測(cè)定風(fēng)速對(duì)灌水均勻度的影響，設(shè)風(fēng)速分別為3.4 m·s－1（灌溉最大允許風(fēng)速）、2.6 m·s－1（多年平均風(fēng)速）和1.5 m·s－1三個(gè)處理進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)處理均設(shè)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)；在中心支軸式噴灌圈內(nèi)劃定4個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的范圍均為整個(gè)噴灌圈的30°角，即每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的灌溉面積為0.54 hm2，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)間隔60°角，詳見(jiàn)布設(shè)圖1。雨量筒采用徑向型布置，以噴灌機(jī)中心支軸為圓心，每個(gè)雨量筒間隔5.0 m布設(shè)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)設(shè)10個(gè)雨量筒，雨量筒均勻分布在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)中心徑向線上，具體布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)布置圖Fig.1 Layout chart of experimental area

試驗(yàn)測(cè)定內(nèi)容包括：根據(jù)紫花苜蓿生育期進(jìn)程、農(nóng)田氣象站實(shí)時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)和土壤含水率情況，分別于2012年5月10日、7月15日和8月18日實(shí)施了3個(gè)設(shè)計(jì)處理的灌水試驗(yàn)。其中5月10日灌水試驗(yàn)為處理1，灌水期間實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為3.34 m·s－1，紫花苜蓿處于第1茬分枝期，平均高度為43 cm；7月15日灌水試驗(yàn)為處理2，灌水期間平均風(fēng)速為2.57 m·s－1，紫花苜蓿處于第2茬分枝期，平均高度為48 cm；8月18日灌水試驗(yàn)為處理3，灌水期間平均風(fēng)速為1.53m·s－1，紫花苜蓿處于第3茬分枝期，平均高度為45 cm。三次灌水期間實(shí)測(cè)風(fēng)速變化見(jiàn)圖2。

圖2 灌水期間實(shí)測(cè)風(fēng)速變化Fig.2 Change ofmeasured wind speed in irrigation period

各處理設(shè)計(jì)灌水定額均為40 mm，噴灌機(jī)行走速度設(shè)置為8%，對(duì)應(yīng)噴灌設(shè)備性能參數(shù)表中的降水量為20.3 mm，連續(xù)灌水2圈達(dá)到灌水要求；3個(gè)處理灌水試驗(yàn)雨量筒的安置高度均為50 cm，稍高于紫花苜蓿的平均高度，雨量筒型號(hào)為Y290，內(nèi)徑14.5 cm，容積2 000 ml；在噴灌機(jī)進(jìn)水口處安裝水表，精確計(jì)量各試驗(yàn)區(qū)每次灌水量。

各處理每次灌水前12 h和灌水后24 h進(jìn)行土壤含水率測(cè)定，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)布置在各雨量筒附近30 cm處；土壤含水率采用烘干法測(cè)定，取土深度為100 cm，共分6層，分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm。

1.3 分析方法

噴灌均勻系數(shù)有多種，各有不同的針對(duì)性，應(yīng)該根據(jù)評(píng)價(jià)目的不同選用相應(yīng)的均勻系數(shù)［7－9］?？死锼骨偕?942）最早提出了描述噴灌水量分布均勻程度的定量指標(biāo)—克里斯琴森均勻系數(shù)，該均勻系數(shù)描述的是各測(cè)點(diǎn)水深與平均水深偏差的絕對(duì)值之和與總水深的比值，可以較好地表征整個(gè)田間水量分布與平均值偏差的情況；克里斯琴森均勻系數(shù)不能突出與平均值有較大偏差的點(diǎn)對(duì)均勻系數(shù)的影響，為此Wilcox和Swailes（1947）提出了基于標(biāo)準(zhǔn)差的均勻系數(shù)，用于評(píng)價(jià)風(fēng)、地形和壓力等因素對(duì)噴灌系統(tǒng)均勻性的影響［10－12］。本文采用基于標(biāo)準(zhǔn)差的均勻系數(shù)進(jìn)行紫花苜蓿中心支軸式噴灌均勻性試驗(yàn)研究。

基于標(biāo)準(zhǔn)差的Wilcox－Swailes均勻系數(shù)Us：

式中，Us為基于標(biāo)準(zhǔn)差的Wilcox－Swailes均勻系數(shù)；s為標(biāo)準(zhǔn)離差；hi為第i測(cè)點(diǎn)的降雨深（mm）各測(cè)點(diǎn)平均降雨深（mm）；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴灌對(duì)土壤含水率的影響分析

灌溉的最終目的是為作物生長(zhǎng)提供必要的水分條件，土壤水分分布是灌水均勻與否的最終體現(xiàn)，灌水后灌溉水需以土壤水作為媒介，即灌溉水先轉(zhuǎn)化為土壤水，再由作物根系從土壤中吸收利用［13－16］。因而，土壤含水率的分布是評(píng)價(jià)噴灌效果的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)區(qū)為砂土，灌水后24 h土壤水分運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)行取樣測(cè)定土壤含水率。

現(xiàn)以處理1和處理2中測(cè)點(diǎn)2、6和8灌水前及灌水后土壤含水量的變化分析噴灌對(duì)土壤含水率的影響。圖3（a）為處理1中測(cè)點(diǎn)2、6和8灌水前及灌水后土壤含水量的變化，從圖中可以看出：各測(cè)點(diǎn)在灌前0～60 cm各土層的土壤含水率均在12.0%～16.0%之間，為田間持水率的52.5%～70.0%，各土層的土壤含水率相差不大，表層土壤含水率均相對(duì)較??；60～100 cm土層的土壤含水率均在14.0%～18.0%之間，為田間持水率的61.2%～78.7%。而灌后各土層含水率的變化幅度差異較大，其中0～ 40 cm土層土壤含水率的提高非常顯著，比灌前提高約40.0%～75.0%，各土層的土壤含水率均在20.0%～23.0%之間，為田間持水率的87.5%～100.0%；40～60 cm土層土壤含水率的提高幅度明顯降低，比灌前提高約15.0%～35.0%，各土層的土壤含水率均在16.0%～18.0%之間，為田間持水率的70.0%～78.7%；60～80 cm土層土壤含水率的提高幅度很小或基本未變化；80～100 cm土層土壤含水率基本無(wú)變化；新增灌水量在各土層中的分配情況為：0～40 cm土層占85.0%～95.0%，40～60 cm土層占5.0%～15.0%，60～80 cm土層小于5.0%。圖3（b）為處理2中測(cè)點(diǎn)2、6和8灌水前及灌水后土壤含水率的變化，其各土層土壤含水率的變化規(guī)律與處理1中各測(cè)點(diǎn)基本一致。上述分析結(jié)果表明：在灌后土壤入滲基本達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，灌水定額40 mm的最大入滲深度在80 cm左右；其中0～40 cm土層土壤含水率的提高非常顯著，新增灌水量在該土層的分配占85.0%～95.0%；40～60 cm土層土壤含水率的提高幅度明顯降低，新增灌水量在該土層的分配占5.0%～15.0%；60～80 cm土層土壤含水率的提高幅度很小，新增灌水量在該土層的分配小于5.0%。

圖3 不同處理灌水前后土壤含水率變化Fig.3 Change of soilmoisture before and after irrigation under different treatments

2.2 噴灌漂移損失影響分析

噴灌漂移損失是指在風(fēng)和氣溫等作用下產(chǎn)生的漂移蒸散，本文以4個(gè)試驗(yàn)區(qū)為研究對(duì)象，分析在不同風(fēng)速條件下的漂移損失情況。以在噴灌機(jī)進(jìn)水口處安裝水表精確計(jì)量的灌水量作為總灌水量Wt，以每個(gè)試驗(yàn)區(qū)10個(gè)測(cè)點(diǎn)雨量筒測(cè)定的平均降雨深作為該試驗(yàn)區(qū)的實(shí)測(cè)灌水量Wy，總灌水量Wt與實(shí)測(cè)灌水量Wy的差值即為該試驗(yàn)區(qū)本次灌水的漂移損失量，漂移損失量與總灌水量Wt的比值即為漂移損失率，由此計(jì)算得出平均風(fēng)速為3.34、2.57 m·s－1和1.53m·s－1時(shí)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的漂移損失率見(jiàn)圖4。

圖4 不同處理漂移損失率對(duì)比Fig.4 Comparison of drift loss rate in different treatments

從圖4可以看出：平均風(fēng)速為3.34 m·s－1時(shí)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的漂移損失率均在16.0%～19.0%；平均風(fēng)速為2.57 m·s－1時(shí)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的漂移損失率在8.0%～12.0%；平均風(fēng)速為1.53m·s－1時(shí)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)的漂移損失率在5.0%～9.0%。上述結(jié)果說(shuō)明：在相同風(fēng)速條件下，噴灌漂移損失率差異性較小。

分析圖4中同一試驗(yàn)區(qū)不同風(fēng)速條件下的漂移損失率可以得出：隨著風(fēng)速的增大，漂移損失率增大顯著；Ⅰ區(qū)平均風(fēng)速為1.53m·s－1時(shí)漂移損失率為6.27%，當(dāng)平均風(fēng)速提高至2.57m·s－1時(shí)漂移損失率增大為9.63%；當(dāng)平均風(fēng)速提高至3.34m·s－1時(shí)漂移損失率增大為18.54%，分別比1.53 m·s－1和2.57m·s－1時(shí)的漂移損失率增大296%和154%；對(duì)于另外3個(gè)試驗(yàn)區(qū)也有類(lèi)似的結(jié)果。

上述分析結(jié)果表明：噴灌漂移損失率受風(fēng)速影響較大，隨著風(fēng)速的增大，漂移損失也逐漸增大，并且增大幅度非常顯著，當(dāng)風(fēng)速增大到3.34m·s－1時(shí)，漂移損失率達(dá)到了16.0%～19.0%，大大降低了灌溉水利用效率。

2.3 噴灌紫花苜蓿冠層截留損失分析

紫花苜蓿為密植型作物，葉面冠層截留是噴灌損失的重要組成部分，特別是紫花苜蓿進(jìn)入分枝期以后，冠層截留更為明顯。本文以紫花苜蓿分枝期噴灌灌水為例，探索不同風(fēng)速條件下紫花苜蓿中心支軸式噴灌冠層截留損失。以各試驗(yàn)區(qū)每個(gè)測(cè)點(diǎn)雨量筒的平均實(shí)測(cè)水量作為冠層截留前的降雨深Wq，根據(jù)前述噴灌對(duì)土壤含水率的影響分析得出：0～80 cm土層土壤含水量的變化可作為土壤新增的有效降雨深We；由此根據(jù)水量平衡原理得出：冠層截留前的降雨深Wq與土壤新增有效降雨深We的差值即為冠層截留損失Wg；冠層截留損失Wg與噴灌機(jī)進(jìn)水口處水表精確計(jì)量的總灌水量Wt的比值即為該試驗(yàn)區(qū)的冠層截留損失率?，F(xiàn)以4個(gè)試驗(yàn)區(qū)為研究對(duì)象，采用上述方法計(jì)算分析在不同風(fēng)速條件下的冠層截留損失情況。圖5是在平均風(fēng)速分別為3.34、2.57 m·s－1和1.53 m·s－1時(shí)各試驗(yàn)區(qū)的冠層截留損失率。

從圖5中可以看出：不同風(fēng)速條件下各試驗(yàn)區(qū)的冠層截留損失率在2.0%～7.0%，差異性相對(duì)較小，遠(yuǎn)小于風(fēng)速對(duì)漂移損失的影響；風(fēng)速為3.34 m·s－1的冠層截留損失率在2.0%～6.0%，4個(gè)試驗(yàn)區(qū)紫花苜蓿分枝期灌水平均冠層截留損失率為4.31%，而風(fēng)速為2.57 m·s－1和1.53 m·s－1時(shí)的平均冠層截留損失率分別為5.58%和6.10%。由此得出：較大風(fēng)速時(shí)冠層截留損失率反而降低，分析原因主要為：一方面是紫花苜蓿葉面較小，較大的風(fēng)速減少了葉面冠層對(duì)水量的貯存；另一方面是較大風(fēng)速時(shí)其漂移損失也大，在灌水定額相同的條件下進(jìn)入葉面冠層的降雨深也較小，相應(yīng)的冠層截留損失量也較小。

圖5 不同處理冠層截留損失率Fig.5 The canopy interception loss rate in different treatments

上述分析結(jié)果表明：風(fēng)速對(duì)冠層截留損失影響不如風(fēng)速對(duì)漂移損失的影響顯著；在灌水定額相同的條件下，較大風(fēng)速時(shí)冠層截留損失率較低；灌水定額為40 mm時(shí)紫花苜蓿分枝期噴灌的冠層截留損失率相對(duì)較小，在2.0%～7.0%之間。

2.4 噴灌漂移和冠層截留總損失分析

圖6是在平均風(fēng)速分別為3.34、2.57 m·s－1和1.53 m·s－1時(shí)各試驗(yàn)區(qū)的漂移和冠層截留總損失率，從圖中可以看出：不同風(fēng)速條件下各試驗(yàn)區(qū)的漂移和冠層截留總損失率在11.0%～23.0%之間，差異性較大。其中風(fēng)速為3.34m·s－1時(shí)各試驗(yàn)區(qū)的漂移和冠層截留總損失率最大，在20.0%～23.0%之間；風(fēng)速為2.57 m·s－1時(shí)各試驗(yàn)區(qū)的漂移和冠層截留總損失率顯著較低，在15.0%～17.0%之間；風(fēng)速為1.53m·s－1時(shí)各試驗(yàn)區(qū)的漂移和冠層截留總損失率最低，在11.0%～15.0%之間。

圖6 不同處理漂移和冠層截留總損失率Fig.6 Total loss rate of drift and canopy interception in different treatments

上述結(jié)果表明：在平均風(fēng)速為3.34 m·s－1中心支軸式噴灌漂移和冠層截留總損失率達(dá)到了20.0%～23.0%，顯著降低了噴灌灌溉水利用效率，即噴灌紫花苜蓿田間灌溉水利用率為77.0%～80.0%（該噴灌系統(tǒng)1眼井控制1臺(tái)噴灌機(jī)，井位于噴灌機(jī)中心支軸處，輸水管道很短，其管道水利用率基本在100%），稍低于規(guī)范中噴灌灌溉水利用率大于80%的要求；而該風(fēng)速條件下紫花苜蓿分枝期冠層截留損失的貢獻(xiàn)率在2.0%～6.0%，如果核減該部分損失，田間灌溉水利用率可達(dá)約80%，基本滿足灌水要求；由此得出：噴灌灌水最大允許風(fēng)速3.4 m·s－1的條件不適合紫花苜蓿分枝期灌溉；即使在風(fēng)速較?。ㄆ骄L(fēng)速1.53m·s－1）時(shí)紫花苜蓿分枝期噴灌漂移和冠層截留總損失率也達(dá)到11.0%～15.0%，即噴灌紫花苜蓿田間灌溉水利用率為85%～89%，因此在進(jìn)行噴灌灌溉制度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該部分的損失量。

2.5 噴灌均勻系數(shù)

利用式（4）計(jì)算不同處理基于標(biāo)準(zhǔn)差的Wilcox－Swailes均勻系數(shù)，每個(gè)處理對(duì)應(yīng)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)，共40個(gè)測(cè)點(diǎn)，連續(xù)灌水2圈，可得到80個(gè)降雨深數(shù)據(jù)，計(jì)算得出3個(gè)處理對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)離差和Wilcox－Swailes均勻系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 不同處理噴灌均勻系數(shù)Table 1 The uniformity coefficients of sprinkler irrigation in different treatments

從表1中可以看出：處理1灌水時(shí)的平均風(fēng)速為3.34 m·s－1，其降雨深的最大值為26.10 mm，最小值為10.11 mm，兩者相差約2.58倍，差異性非常顯著；處理2和處理3灌水時(shí)的風(fēng)速分別為2.57 m·s－1和1.53 m·s－1，其降雨深的最大值和最小值相對(duì)差異性較小。3個(gè)處理中降雨深的平均值依次降低，分別為17.52 mm、18.76 mm和18.96 mm，處理1與處理2和處理3的差異較大，分別相差1.24 mm和1.44mm；而處理2和處理3僅相差0.2 mm。上述結(jié)果說(shuō)明：較大的風(fēng)速可造成降雨深的兩極分化，對(duì)灌水效果影響很大；當(dāng)風(fēng)速低于2.6m·s－1時(shí)，風(fēng)速對(duì)降雨深的影響明顯減弱。

表1中3個(gè)處理的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.98、2.33和1.42，標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明各降雨深數(shù)據(jù)的差異性越大，處理1比處理2和處理3的標(biāo)準(zhǔn)差分別高210%和350%，表明處理1各測(cè)點(diǎn)降雨深數(shù)據(jù)的離散程度很大，處理2和處理3各測(cè)點(diǎn)降雨深數(shù)據(jù)與平均值差異較小。處理1的均勻系數(shù)為0.72，稍大于噴灌設(shè)計(jì)灌溉均勻度0.70的要求，而處理2和處理3的噴灌均勻系數(shù)分別達(dá)到0.88和0.92，表明在風(fēng)速分別為2.57 m·s－1和1.53 m·s－1時(shí)，噴灌均勻性良好。上述分析結(jié)果表明：風(fēng)速對(duì)噴灌均勻系數(shù)影響顯著，建議應(yīng)盡量在風(fēng)速較小時(shí)進(jìn)行噴灌灌水。

3 結(jié)論

1）分析噴灌對(duì)土壤含水率的影響得出：該研究區(qū)灌水定額40mm的最大入滲深度在80 cm左右，0～40 cm土層土壤含水率的提高非常顯著，新增灌水量在該土層的分配占85.0%～95.0%；40～60 cm土層土壤含水率的提高幅度明顯降低，新增灌水量在該土層的分配占5.0%～15.0%；60～80 cm土層土壤含水率的提高幅度很小，新增灌水量在該土層的分配小于5.0%。

2）噴灌漂移損失影響分析得出：相同風(fēng)速條件下，噴灌漂移損失率差異性較小；不同風(fēng)速條件下，隨著風(fēng)速的增大漂移損失率增大顯著；平均風(fēng)速為1.53 m·s－1和2.57 m·s－1時(shí)漂移損失率為6.27%和9.63%，當(dāng)風(fēng)速增大到3.34m·s－1時(shí)，漂移損失率達(dá)到了16.0%～19.0%，大大降低了灌溉水利用效率。對(duì)噴灌紫花苜蓿冠層截留損失分析得出：風(fēng)速對(duì)冠層截留損失影響不如風(fēng)速對(duì)漂移損失的影響顯著；在灌水定額相同的條件下較大的風(fēng)速冠層截留損失率較低；灌水定額為40 mm時(shí)紫花苜蓿分枝期噴灌的冠層截留損失率在2.0%～7.0%。

3）分析漂移和冠層截留總損失率得出：平均風(fēng)速為1.53m·s－1時(shí)紫花苜蓿分枝期噴灌漂移和冠層截留總損失率在11.0%～15.0%，相應(yīng)的田間灌溉水利用率為85%～89%，在進(jìn)行噴灌灌溉制度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該部分的損失量；平均風(fēng)速為3.34 m ·s－1中心支軸式噴灌漂移和冠層截留總損失率達(dá)到了20.0%～23.0%，其田間灌溉水利用率為77.0%～80.0%，低于噴灌規(guī)范中灌溉水利用效率大于80%的要求，由此噴灌灌水最大允許風(fēng)速3.4m·s－1的條件不適合紫花苜蓿分枝期的灌水要求。

4）基于標(biāo)準(zhǔn)差的Wilcox－Swailes均勻系數(shù)結(jié)果表明：風(fēng)速對(duì)噴灌均勻系數(shù)影響顯著；平均風(fēng)速為3.34 m·s－1的標(biāo)準(zhǔn)差最大，比平均風(fēng)速為2.57 m·s－1和1.53 m·s－1的標(biāo)準(zhǔn)差高210%和350%，說(shuō)明各測(cè)點(diǎn)降雨深數(shù)據(jù)的離散程度很大，灌水均勻性也很差；平均風(fēng)速分別為2.57 m·s－1和1.53 m·s－1時(shí)，噴灌均勻系數(shù)分別達(dá)到0.88和0.92，說(shuō)明噴灌灌水均勻性良好，平均風(fēng)速為3.34 m·s－1的均勻系數(shù)為0.72，說(shuō)明噴灌灌水均勻性較差。

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Experimental research of uniformity in center pivot sprinkler irrigation of alfalfa

ZHENG He-xiang1，LIHe-ping1，BAI Bateer1，CHENGMan-jin2
（1.Institute of Water Resources for Pastoral Area of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Huhhot 010020，China；2.Hydraulic Conservancy Science Institute in Inner Mongolia Huhhot，010020，China）

In order to increase the uniformity in center pivot sprinkler irrigation of alfalfa and quantatively analyze the main influence factors，carried out the uniformity experiment of center pivot sprinkler irrigation of alfalfa in demonstration area of Angsu Town of Etuoke Banner of Erdos City.Using standard Wilcox－Swailes coefficient method calculated the uniformity coefficients of sprinkler irrigation under different wind condition，and quantitatively researched the influence of sprinkler irrigation to drift losses，the canopy interception losses，total losses of drift and canopy interception and soil water content.The results showed that：The wind speed will be significant influence to uniformity coefficient of sprinkler irrigation.When the average wind speed was 2.57 m·s－1and 1.53 m·s－1，the uniformity coefficients of sprinkler irrigation were 0.88 and 0.92 respectively，it explained good uniformity of sprinkler irrigation.When the average wind speed was 3.34 m·s－1，the uniformity coefficients of sprinkler irrigation was 0.72，the uniformity was poor.When the sprinkler irrigation quota was 40mm in research area，the maximal soil infiltration depth was80 cm.After irrigation the soil water content in 0 to 40 cm depth was significantly increased，the water distribution in this soil layer by new added irrigation volume was accounted for85%to 95%.The wind speed will be significantly affectetd the drift losses of sprinkler irrigation.The drift loss rate will be significantly increased with wind speed increasing.The impac of wind speed to canopy interception losses was poor than the drift losses，On the contrary the canopy interception loss rate will be lower when the larger wind speed.Even if when the wind speed was rather lower（1.53m·s－1），the total losses rate of drift and canopy interception of sprinker irrigation was 11.0%to 15.0%in Alfalfa branching stage，the losses was too much.

S274.3；S541＋.1

A

1000-7601（2016）06-0097-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.15

2015-11-24

水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目（TG1202和TG1401）；內(nèi)蒙古自治區(qū)新增“四個(gè)千萬(wàn)畝”節(jié)水灌溉工程科技支撐項(xiàng)目（20121036）

鄭和祥（1980—），男，山東菏澤人，博士，高級(jí)工程師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail：zhenghexiang.29＠163.com。