地下滴灌濕潤(rùn)體變化規(guī)律及滴灌帶篩選初步研究

王榮蓮，張智超，嘉曉輝，任志宏，昝慧龍(.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 0005；.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳，呼和浩特 0008；. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，呼和浩特 0008)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)地下滴灌的研究成果較多，關(guān)于地下滴灌濕潤(rùn)體變化方面也有一些報(bào)道。張和喜[1]等人通過(guò)研究得出，停止灌溉24 h后，土壤濕潤(rùn)體現(xiàn)狀和范圍發(fā)生較大改變，水分達(dá)到了地表下70 cm處，但濕潤(rùn)體在水平方向運(yùn)移卻不明顯。仵峰[2,3]等人對(duì)地下滴灌條件下土壤水能態(tài)進(jìn)行研究，得出在灌水器流量不大于土壤擴(kuò)散能力時(shí)，灌水器出口處的土壤水勢(shì)等于該處的土壤吸力，為非正壓狀態(tài)；否則，灌水器出口處的土壤水勢(shì)為正。李道西[3]等人研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌管壁的導(dǎo)水作用將對(duì)土壤水分分布產(chǎn)生一定影響，3個(gè)方向上濕潤(rùn)峰運(yùn)移均近似為時(shí)間平方根的線性函數(shù)。許迪、李光永等人[4-12]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)及滴頭流量變化規(guī)律。

地下滴灌濕潤(rùn)體變化規(guī)律與滴灌帶類型、流量、土壤等都有關(guān)系。目前針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)常用的滴灌帶、典型土壤類型上開展的地下滴灌濕潤(rùn)體變化規(guī)律研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文將在這方面開展初步研究，為用戶初選滴灌帶奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用目前國(guó)內(nèi)常用的3種類型滴灌帶(管)，分別為單翼迷宮式滴灌帶、內(nèi)鑲片式滴灌帶及內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管，型號(hào)分別為MGD16×300-2.7-100、NFG16*200-2.4-100及 DN16*300-3.2-100，額定壓力都為100 kPa，額定流量分別為2.7、2.4及3.2 L/h，滴頭間距300、200、300 mm，壁厚0.2、0.3及0.6 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在呼和浩特市東郊呼和浩特市園藝所的溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)布置示意圖及裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1和圖2，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(帶電位調(diào)速器)、輸水管、回水管、回水水箱、土箱、地下滴灌帶(管)、壓力表、KN213金屬管浮子流量計(jì)、閥門等組成。試驗(yàn)采用3個(gè)尺寸為70×50×100 cm(長(zhǎng)×寬×高)鋼化玻璃箱，每個(gè)土箱內(nèi)沿長(zhǎng)度方向埋設(shè)3條滴灌帶(管)，每條長(zhǎng)70 cm，滴頭3～4個(gè)，分兩層，埋深分別為25、65 cm，確保滴灌帶(管)之間濕潤(rùn)體不搭接，土層總高度90 cm，每條滴灌帶(管)距土箱壁5 cm。每種處理設(shè)3次重復(fù)。箱底布置直徑1 cm的滲水孔15個(gè)，共3排。供水和回水水箱采用邊長(zhǎng)為50 cm的正方體玻璃箱，用于測(cè)試、校核灌水流量。水泵壓力范圍為0～0.14 MPa，流量范圍為0～1.5 m3/h，帶電位調(diào)速器，可方便調(diào)速調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)在恒定壓力下供水。

試驗(yàn)前，先對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)具有代表性的土壤進(jìn)行調(diào)研，確定西部巴彥淖爾市巴彥淖爾市、東部赤峰市松山區(qū)、中部呼和浩特市后桃花村土壤為試驗(yàn)土壤，對(duì)土壤顆粒組成、密度進(jìn)行取樣測(cè)試。用環(huán)刀取20～40 cm內(nèi)原狀土，烘干法測(cè)試密度；用篩分法測(cè)試土壤顆粒組成。將試驗(yàn)土壤拉到試驗(yàn)地后，先過(guò)1 mm篩，灑水到接近最優(yōu)含水率時(shí)分層裝入各自土箱，按照實(shí)測(cè)20～40 cm厚土層密度進(jìn)行裝土，赤峰、呼和浩特及巴彥淖爾市土密度分別為1.36、1.44及1.53 g/cm3，每裝5 cm厚夯實(shí)一次，將表面刨毛，再裝上層，依次進(jìn)行。裝土到滴灌帶(管)埋設(shè)高程時(shí)，安裝事先在空氣內(nèi)測(cè)試良好的滴灌帶(管)，除單翼迷宮式外，其他滴灌帶(管)滴頭向上。滴灌帶(管)埋深都為25 cm。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖(單位：cm)

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4、6-閥門；5-回水管；7-壓力表；8-流量計(jì)；9-滴灌帶(管)；10-土箱；11-土壤；12-回水水箱圖2 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)時(shí)將水泵置于供水水箱內(nèi)，水位高于水泵吸水管。將供水管閥門打開，開啟水泵向系統(tǒng)供水，每次測(cè)試一條滴灌帶(管)，且保持土壤初始含水量相同。系統(tǒng)通水后，通過(guò)排氣閥排除管道內(nèi)空氣，調(diào)節(jié)水泵電位調(diào)速器及回水管閥門，使壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)壓力值0.05、0.10及0.135 MPa 3個(gè)等級(jí)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2～3 min后，由KN213金屬管浮子流量計(jì)測(cè)試系統(tǒng)流量。為校核浮子流量計(jì)精度，在管道內(nèi)滿流狀態(tài)下記錄規(guī)定時(shí)間內(nèi)供水水箱的出水量及回水水箱的進(jìn)水量，用兩者差即可準(zhǔn)確計(jì)算灌水器流量，用該值核定浮子流量計(jì)讀數(shù)，校核好后便可用流量計(jì)快速測(cè)量灌水器流量。每隔5 min通過(guò)透明玻璃箱壁量測(cè)每個(gè)滴頭到該濕潤(rùn)體外邊界上、下、左、右的距離，與流量值一一對(duì)應(yīng)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 土樣測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試得各地區(qū)0～40 cm厚土樣的顆粒組成見(jiàn)表1。

表1 各地區(qū)土樣(0～40 cm)粒徑組成表 %

根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，赤峰、呼和浩特及巴彥淖爾市土壤分別為黏壤土、壤土及沙壤土，此順序即為黏性從高到低的順序，赤峰市土壤黏性較高，巴彥淖爾市土壤沙性較大。

2.2 濕潤(rùn)體特征研究結(jié)果分析

(1)空氣內(nèi)不同壓力下的流量測(cè)試。每種規(guī)格滴灌帶(管)在每種壓力下測(cè)試3組，取平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 空氣內(nèi)不同壓力下的流量表 L/h

(2)同一滴灌帶在同種土壤內(nèi)不同壓力下濕潤(rùn)體分布特征。將每種類型滴灌帶(管)分別在同種土壤內(nèi)比較不同壓力下的濕潤(rùn)體變化規(guī)律(見(jiàn)圖3～圖5)。以每個(gè)滴頭所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫坐標(biāo)正、負(fù)方向分別表示滴頭右、左側(cè)，縱坐標(biāo)正、負(fù)方向分別表示滴頭上、下側(cè)，繪制出接近圓形的圖形，較直觀地反映每個(gè)滴頭處的濕潤(rùn)體邊界。每條滴灌帶(管)的3～4個(gè)滴頭濕潤(rùn)體范圍取平均值。每條滴灌帶(管)測(cè)試時(shí)間為15～35 min，為了比較相同時(shí)間內(nèi)的濕潤(rùn)體變化規(guī)律，本次分析灌水15 min時(shí)的情況。

圖3 單翼迷宮式滴灌帶在不同壓力下的濕潤(rùn)體分布圖

圖4 內(nèi)鑲片式滴灌帶在不同壓力下的濕潤(rùn)體分布圖

圖5 內(nèi)鑲圓柱形滴管在不同壓力下的濕潤(rùn)體分布圖

分析圖3～圖5發(fā)現(xiàn)，各種處理的濕潤(rùn)體分布有共同特征，即壓力從0.05 MPa增大到0.10 MPa時(shí)，濕潤(rùn)體隨之增大，但從0.10 MPa增大到0.135 MPa時(shí)，濕潤(rùn)體反而減小，在黏性最大的赤峰市土中減小幅度最大；在黏性略低的呼和浩特市土中減小適中；在沙性最大的磴口土中減小最小，濕潤(rùn)體呈最大。

0.05 MPa下，3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤(rùn)體從小到大的順序?yàn)椋簝?nèi)鑲片式滴灌帶、單翼迷宮式滴灌帶及圓柱狀滴灌管，此順序與它們?cè)诳諝庵辛髁看笮№樞蛞恢?，且濕?rùn)體分布都為向下距離最大，水平次之，向上最小。向下和向上距離偏差值：赤峰土都為2 cm左右，磴口和呼市土2～4 cm，即沙性較大的土壤向下擴(kuò)散距離略高于黏性較高的土壤。0.10 MPa下，3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤(rùn)峰從小到大的順序與它們?cè)诳諝庵辛髁看笮№樞虿煌耆恢?，即流量?.4 L/h增加到2.7 L/h時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍隨之增大，但從2.7 L/h增加到3.2 L/h，濕潤(rùn)峰范圍幾乎沒(méi)有增加；0.135 MPa下也同樣隨著流量增大，濕潤(rùn)峰有不同程度縮小趨勢(shì)；赤峰土內(nèi)，每種滴灌帶都是0.135 MPa比0.10 MPa下的濕潤(rùn)峰小，而磴口和呼市土內(nèi)，0.135 MPa比0.10 MPa下的濕潤(rùn)峰有增大也有減小，黏性越高，減小幅度越大，說(shuō)明隨流量增大濕潤(rùn)峰先增大到一定程度后反而減小，主要是與滴頭自由流量和土壤飽和導(dǎo)水率大小有關(guān)，當(dāng)前者小于后者時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍主要由流量控制，但當(dāng)流量接近或大于導(dǎo)水率時(shí)，主要由導(dǎo)水率控制，滴頭出口處形成飽和區(qū)阻礙了滴頭出流；黏性越大的土壤導(dǎo)水率越小，越容易在滴頭出口處形成飽和區(qū)而阻礙出流；壓力越大，滴頭流量越大，也越容易形成飽和區(qū)。此結(jié)論說(shuō)明，在地下滴灌系統(tǒng)中，不宜采用壓力過(guò)高、流量過(guò)大的滴灌設(shè)備，黏性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會(huì)使出流受阻，沙性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會(huì)造成深層滲漏，一般宜選擇流量小于土壤飽和導(dǎo)水率的滴灌帶。

0.135及0.10 MPa下，在內(nèi)鑲片式滴灌帶和內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管內(nèi)，出現(xiàn)個(gè)別濕潤(rùn)峰水平方向大于垂直向下的情況，主要是由于水流有順滴灌管壁橫向流動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)流量較大時(shí)，易沿管壁形成水力沖蝕通道，增大水平向流速。水分向上運(yùn)移的距離至關(guān)重要，關(guān)系到作物能否吸收到水分，針對(duì)此點(diǎn)初步分析，0.05 MPa下，流量為1.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量為2.3 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足作物吸水需求；0.10 MPa下，流量為2.4 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足；0.135 MPa下，流量為2.7 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、3.2 L/h的單翼迷宮滴灌帶在壤土及沙壤土中、3.9 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在黏壤土中都基本可滿足。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)地下滴灌流量較小時(shí)，隨流量增大，濕潤(rùn)體隨之贈(zèng)大；當(dāng)流量增大到超過(guò)土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，流量增大，濕潤(rùn)體反而減小，黏性越高，減小幅度越大。

(2)沙性較大的土壤向下擴(kuò)散距離略高于黏性較高的土壤。

(3)黏性越大的土壤導(dǎo)水率越小，越容易在滴頭出口處形成飽和區(qū)而阻礙出流；壓力越大，滴頭流量越大，也越容易形成飽和區(qū)。此結(jié)論說(shuō)明，在地下滴灌系統(tǒng)中，不宜采用壓力過(guò)高、流量過(guò)大的滴灌設(shè)備，黏性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會(huì)使出流受阻，沙性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會(huì)造成深層滲漏，一般宜選擇流量小于土壤飽和導(dǎo)水率的滴灌帶。

(4)根據(jù)水分向上運(yùn)移的距離初步分析，0.05 MPa下，流量為1.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量為2.3 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足作物吸水需求；0.10 MPa下，流量為2.4 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足；0.135 MPa下，流量為2.7 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、3.2 L/h的單翼迷宮滴灌帶在壤土及沙壤土中、3.9 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在黏壤土中都基本可滿足。

(5)建議用戶在篩選滴灌帶時(shí)，需先測(cè)試一下土壤飽和導(dǎo)水率，再根據(jù)作物類型、種植方式等因素，綜合考慮確定適宜產(chǎn)品。

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