遠程智能控制滴灌土壤入滲多參數(shù)節(jié)水效果試驗研究

楊 洋，孫兆軍,2

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021 ；2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，銀川 750021)

土壤水分在土壤中的入滲是自然界最重要的水循環(huán)之一，是指土壤水浸入到土壤中的過程中，涉及土壤侵蝕、化肥和農(nóng)藥等隨著土壤水分的運移、灌溉后土壤水分布、地表產(chǎn)流以及土壤侵蝕等，它是土壤水全部或者部分地向下流動的整個過程[1]。針對揚黃灌區(qū)的土壤水分運移和透水性的研究，有益于改善揚黃灌區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)環(huán)境，并合理指導(dǎo)農(nóng)業(yè)耕地方式的決策和大田灌溉。滴灌灌溉是目前在多種灌溉模式中運用具有顯著節(jié)水增產(chǎn)和環(huán)境友好等特點的現(xiàn)代灌溉方式，它被稱為在整個灌溉方式中比較高效的典范。但是隨著科技的進步，不同區(qū)域運用的情況不同，因此出現(xiàn)了一系列需要亟待解決的問題。在內(nèi)蒙古地區(qū)[2]，甘肅大禹節(jié)水公司對馬鈴薯嘗試推廣應(yīng)用淺埋滴灌，避免了滴灌帶暴露在空氣中，受太陽長期的直射，導(dǎo)致滴灌帶被灼傷，出現(xiàn)老化等現(xiàn)象，水流在經(jīng)過滴灌帶時出現(xiàn)漏水，無法正常的工作運行，同時還非常有效地解決了灌溉中根系入侵堵塞、灌出苗水難和膜下滴灌管(帶)易灼傷等問題[3,4]。本文主要針對揚黃灌區(qū)不同的2種類型土壤，基于不同壓力、埋深程度研究土壤水分入滲速度、濕潤鋒、時間等。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗1區(qū)位于寧夏早作節(jié)水農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)(同心縣王團鎮(zhèn))，該地區(qū)在2016年屬于寧夏南部山區(qū)中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔約1 200 m，年平均降水量為272.6 mm，年平均大氣溫度8.4 ℃，平均每年日照3 024 h，并且無霜期200 d左右，80%保證率≥10 ℃的積溫不少于3 010 ℃，熱量充足、晝夜溫差大、蒸發(fā)量大，田間持水率24.21%，土壤密度1.43 g/cm3。土壤的主要理化性質(zhì)見表1。

表1 同心縣王團鎮(zhèn)試驗基地土壤理化性質(zhì)

試驗2區(qū)于寧夏銀川市西夏區(qū)寧夏大學(xué)A區(qū)科技綜合樓實驗室，該地區(qū)屬于黃河上游寧夏平原中部中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔約1 100 m，年平均降水量203 mm，無霜期157 d左右，年平均氣溫8.5 ℃，熱量充足、晝夜溫差大、蒸發(fā)量大，土壤大部分為風(fēng)沙土，田間持水率13.8%，土壤密度1.51 g/cm3。土壤的主要理化性質(zhì)見表2。

表2 寧夏大學(xué)A區(qū)實驗室試驗土壤理化性質(zhì)

1.2 供試材料

本試驗所用土槽系有機玻璃槽，有機玻璃板厚度為1 cm，制成的土槽規(guī)格為100 cm×100 cm×50 cm，密閉恒溫空間，有機玻璃槽底部鉆有小孔，防止入滲水過多，影響試驗數(shù)據(jù)，底下由角鐵固定，有這樣土槽6個，為3次重復(fù)。

本試驗采用的管道為北京普泉科技有限公司痕量貼片式滴灌帶。痕量滴灌帶是通過創(chuàng)造性的雙層結(jié)構(gòu)控水，以任意微小的速率(1～1 000 mL/h)直接將水或營養(yǎng)液輸送到植物根系附近，濕潤根層土壤的新型灌溉技術(shù)，經(jīng)測量滴灌帶出水均勻度0.88，貼片式滴灌帶長10 m，外徑16 mm，壁厚0.2 mm。

遠程智能控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配置了多個環(huán)境傳感器節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點等采集設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、服務(wù)器、控制計算機、智能移動終端等處理控制設(shè)備，通過智能控制軟件和互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了對農(nóng)田，大棚集中控制灌溉和實時監(jiān)控，建成統(tǒng)一的信息集成平臺，消除信息孤島，實現(xiàn)信息共享與交換，確保管理信息數(shù)據(jù)的準確性、完整性與唯一性，這里主要使用即插拔測定土壤含水量和土壤溫度。圖1為智能化灌溉系統(tǒng)設(shè)備圖，圖2為實驗室布局圖。

圖1 智能化灌溉系統(tǒng)設(shè)備

圖2 實驗室布局 注：1-溫度控制器；2-增溫器；3-水源；4-供水管；5-總水閥；6-壓力表；7-干管；8-水表；9-磁閥；10-土槽；11-滴灌帶；12-信號線(二、四芯)；13-溫濕傳感器；14-控制器；15-保溫箱；16-室內(nèi)溫度計；17-攝像頭；18-無線網(wǎng)絡(luò)；19-移動設(shè)備終端

1.3 試驗用土的準備及裝土

試驗用土來源于試驗2區(qū)和試驗1區(qū)。土壤風(fēng)干后，先取0～20 cm深度的土壤，為沙壤土，用直徑為2 mm銅篩篩一遍，后用碾土器碾壓一遍，如此反復(fù)，到完全通過該銅篩為止，填入供試土壤，均勻壓實。試驗于2016年6月5日下午14時裝土。

1.4 試驗設(shè)計

將貼片式滴灌帶管道埋在裝有試驗1區(qū)和試驗2區(qū)的土槽中，并將土壓實，滴灌管道在有機玻璃槽埋深分別為5、10、15 cm，CK為0，測試壓力分別為0.10、0.15、0.20 MPa，試驗環(huán)境為恒溫，模擬大氣光照使用遠程智能控制系統(tǒng)測定土壤相對的濕度、溫度的變化情況，根據(jù)不同的壓力測定2種土壤入滲速度、濕潤鋒之間的關(guān)系。土壤性質(zhì)、壓力水頭以及管道埋深特性等是灌溉條件下土壤水分運動的重要影響因素[5,6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭對土壤水入滲規(guī)律的影響

在土體中，累計入滲量均隨壓力水頭的增大而增多，相同水頭下，土壤溫度越高，累計入滲量越大。至入滲結(jié)束，壓力水頭為0.10、0.15、0.20 MPa 的累計入滲量隨著時間的增大而增大。圖3和圖4分別為試驗1區(qū)和試驗2區(qū)基于不同壓力水頭下，相同時間內(nèi)，累計的土壤入滲量曲線和土壤入滲速度曲線。由圖3、圖4可以得出：無論在試驗1區(qū)的土壤還是試驗2區(qū)的土壤中，不同的壓力水頭對土壤水分的入滲有很大的影響，并且隨著壓力水頭的降低, 其水分入滲能力明顯降低，試驗2區(qū)的土壤累計入滲量明顯大于試驗1區(qū)，對應(yīng)的試驗2區(qū)入滲速度大于試驗1區(qū)，說明累計入滲量還與土壤的理化性質(zhì)有關(guān)。

圖3 不同壓力的土壤累計入滲曲線

圖4 不同壓力的土壤水分入滲速度曲線

試驗1區(qū)和試驗2區(qū)的土壤水分入滲速度隨著時間的變化基本相同，試驗2區(qū)的土壤入滲速度大于試驗1區(qū)，而且兩者之間的入滲速度關(guān)系剛開始在很短的時間內(nèi)很陡峭，后期慢慢變平緩，在趨近于平緩中發(fā)現(xiàn)，速率趨近于穩(wěn)定入滲速度。同時還可以得出：隨著壓力水頭的增加，土壤水分入滲速度也在相應(yīng)地增加，且壓力0.20 MPa時入滲速度最大；壓力可以提高土壤的入滲能力，水頭壓力為0.10 MPa時，入滲速度最低，至入滲結(jié)束，土壤穩(wěn)定入滲速度的大小依次為0.20 MPa>0.15 MPa>0.10 MPa。不同土壤其入滲速度也不相同，這一變化，反映了壓力不僅影響土壤的入滲速度，不同土壤也會影響土壤入滲速度。

圖5和圖6分別是1區(qū)和2區(qū)的在100 min內(nèi)，不同的壓力水頭下，土壤入滲濕潤鋒在垂直向下的方向H和水平方向R運移的距離隨著時間t的變化曲線。

圖5 試驗1區(qū)濕潤鋒隨時間變化關(guān)系曲線

圖6 試驗2區(qū)濕潤鋒隨時間變化關(guān)系曲線

圖7 水頭壓力為0.10 MPa的濕潤鋒運移變化過程圖

圖8 水頭壓力為0.15 MP的濕潤鋒運移變化過程圖

由圖5、圖6可知，在100 min灌水時間中，垂直向下運移的濕潤鋒和水平運移的濕潤鋒與水頭壓力成正比例關(guān)系，并且不管是垂直運移的速率還是水平運移的速率在開始速率較快，后期逐漸緩慢，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是隨著給予壓力的增加，滴灌帶出水口處的壓力勢也在增高，而土壤中的初始含水率和基質(zhì)勢比較低，土壤中的水吸力卻又大，所以產(chǎn)生的滴灌帶口處內(nèi)外水勢梯度增高，這樣隨著壓力的增加，水勢梯度也增大，導(dǎo)致滴灌帶出水量也相應(yīng)地增加，同時垂直運移和水平運移的距離也在增加，隨著時間的推移，土壤濕度不斷地增加，土壤中水勢力的差異在逐漸減小，同時水吸力也在減少，產(chǎn)生的滴灌帶口處內(nèi)外水勢梯度在減少，所以土壤水的入滲量在減少，最終達到運移速率出現(xiàn)先陡峭后緩慢的特點。不同土壤結(jié)構(gòu)其濕潤鋒也不相同。

圖9 水頭壓力為0.20 MPa的濕潤鋒運移變化過程

原點為滴灌帶出水口的所在位置，圖7、圖8、圖9分別表示壓力水頭為0.10、0.15、0.20 MPa下，水平運移和垂直向下運移的濕潤鋒變化過程。從圖7～圖9可以看出，各種情況下的水入滲體近似1/4圓，不同的壓力對于其形狀的影響并不明顯。在剛剛開始的10 min內(nèi)，水平與垂直距離的位移相差不大，從入滲10 min以后一直到結(jié)束，無論是水平方向的濕潤鋒運移距離還是垂直方向的濕潤鋒運移距離，在一定程度上都保持一致的距離，相差不大。本次試驗采用的是淺埋入滲滴入式的灌溉，圖8的濕潤體半徑要小于圖9的濕潤體半徑，圖8的濕潤體是在水頭壓力為0.15 MPa的情況下形成的，而圖9的濕潤體是在水頭壓力為0.20 MPa的情況下形成的，從而得知水頭壓力是影響濕潤體大小的重要因素。這是因為水頭壓力不同，其入滲速度就不同，而土壤之間的孔隙壓力會隨著入滲速度的增大而增大，從而影響了水運動的通道的大小，最終導(dǎo)致了土壤濕潤體體積的不同。

2.2 不同埋深對土壤水入滲規(guī)律的影響

在恒定的壓力水頭下，用不同深度的土壤進行入滲試驗，設(shè)置4個不同的埋深水平(0、5、10、15 cm)其中0為CK。埋深是通過對滴灌帶上層覆蓋土層厚度實現(xiàn)，為了更加準確地記錄不同時刻的濕潤鋒輪廓，當灌溉滴口埋入土中就立即開始記錄。下面將記錄的土壤入滲通過圖標的方式表現(xiàn)，見圖10。在入滲初期，其入滲速度趨于平穩(wěn)，20 min后，入滲速度急劇減小，這是因為入滲深度達到了土壤固結(jié)力的最大值，入滲口周圍的土體已經(jīng)充分吸收水分，周圍土體壓力增大，在一定程度上阻止入滲，而隨著時間的推移，入滲速度逐漸趨于平穩(wěn)，最終進行平穩(wěn)入滲。不同埋深深度的滴灌帶達到穩(wěn)定入滲所需時間不同。

圖10 不同管道埋深對土壤入滲速度的影響

圖11 不同管道埋深對土壤累計入滲量的影響

圖11為不同埋深(0、5、10、15 cm)條件下土壤累計入滲量在灌水100 min內(nèi)隨時間的變化過程?？梢钥闯雎裆顚ν寥罎駶欝w與作物根系的有效匹配至關(guān)重要，不同埋深導(dǎo)致濕潤鋒運移和濕潤體水分特性不同。采用單一量法分析，就是固定一個量，觀察其他量。在這組試驗中，固定灌溉時間。在累計入滲量方面，地面滴灌的累計入滲量比不上新型的地埋式滴灌帶，但是新型地埋式滴灌帶的埋深越大，周圍土體的阻力就越大，從而導(dǎo)致其入滲量就隨之越小。灌水100 min后，對于試驗1區(qū)，埋深5 cm的累計入滲量比埋深0的增大了22.4%。埋深為5 cm的滴灌帶累計入滲量比埋深10 cm的大9.2%，埋深10 cm的比15 cm的增大了0.05%。而對于實驗2區(qū)，埋深5 cm的累計入滲量比埋深0的增大了17.9%，埋深為5 cm的滴灌帶累計入滲量比埋深10 cm的大12.9%，埋深10 cm的比15 cm的增大了10.2%。通過以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：滴灌帶流量的影響因素之一就是土壤壓力。在一定程度上，滴灌帶的流量由于土壤壓力的存在而得到了增大，土壤壓力以及土的吸水性導(dǎo)致了埋入土壤的滴灌帶流量要大很多，相對來說，放置在空氣中的滴灌帶的流量就小一些。而滴灌帶入土深度越大，周圍土體的壓力增大，進而固持力也增大，從而導(dǎo)致了流量的減小。

3 結(jié) 論

國內(nèi)外關(guān)于土壤水分入滲的研究很多，但是各個研究的條件、環(huán)境以及方法的不同，在一定程度上得出的結(jié)論也各有不同[7,8]。本試驗采用宏觀方法，利用遠程智能控制系統(tǒng)測定不同壓力、管道埋深，并對試驗結(jié)果進行分析和比較，得到以下結(jié)論。

(1)累計入滲量與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，隨著壓力水頭的增加, 其水分入滲能力明顯增加，并且與土壤的理化特性和結(jié)構(gòu)都有關(guān)。相同壓力情況下，試驗2區(qū)累計入滲量明顯高于試驗1區(qū)，對應(yīng)的試驗2區(qū)入滲速度大于試驗1區(qū)。

(2)隨著壓力水頭增加，向下和水平濕潤鋒運移距離均增大，而2方向距離增大的速率相差不多，所以導(dǎo)致差距也并不明顯，并且在初期，濕潤鋒運移的速率相對比較快，但是隨著時間的推移，速率逐漸變慢。所以說濕潤運移速率呈現(xiàn)出先快后慢的特點。

(3)壓力水頭對微潤灌濕潤體形狀影響較小，各處理濕潤體橫剖面都近似為半圓形。土壤水分在各方向上流動較為均勻[9]，濕潤鋒水平方向和垂直方向的縫暈距離是相同的，其體形近似半圓。由于此試驗是在沙壤土上進行的，其土壤的孔隙分布比較均勻，從而導(dǎo)致土壤水勢梯度在各方向上的差別不明顯。滴灌帶出水口處濕潤體是否為“半球狀”還有待進一步研究。

(4)如果采用與工作壓力呈一定線性關(guān)系的貼片式滴灌帶，那么就會出現(xiàn)流量變小的情況。如果采用地埋貼片式滴灌帶，其流量將大大增加。這一現(xiàn)象說明土壤在一定程度上是影響滴灌流量的重要因素。

(5)埋深對土壤濕潤體與作物根系的有效匹配至關(guān)重要，不同埋深導(dǎo)致濕潤鋒運移和濕潤體水分特性不同。陳鵬等[10]在文章中得出結(jié)論，最適合植物根系生長的埋深距離是5～15 cm，這個距離的濕潤體大小以及位置都非常合適。但是埋深必須大于5 cm，不然土壤表面會出現(xiàn)濕潤從而導(dǎo)致地表的蒸發(fā)量增大，最終導(dǎo)致水分蒸發(fā)快，利用率低。再根據(jù)土壤濕潤程度來看，埋深10 cm為最佳，同時實驗數(shù)據(jù)也符合岳兵等[11]根據(jù)作物需求確定的地下滴灌毛管埋深建議值。

[1] Terzaghi K.Theoretical soil mechanics[M].New York:Wiley,1943.

[2] 張勝軍，張慶飛，李學(xué)穎，等．膜下凝結(jié)水珠對滴灌帶灼傷的研究[J]．節(jié)水灌溉，2014，(6)：29-31．

[3] 黃永強，李 潔．滴灌帶灼傷產(chǎn)生的原因及其預(yù)防[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2008，(6)：65-66．

[4] 李明思，王菊紅，陳明珠，等．膜下滴灌條件下膜下凝結(jié)水對滴灌帶的影響分析[J]．節(jié)水灌溉，2009，(8)：1-4．

[5] 費良軍,譚奇林，王文焰,等.充分供水條件下點源入滲特性及其影響因素[J]. 水土保持學(xué)報, 1999,5(2):71-74.

[6] 李 卓,吳普特，馮 浩,等.容重對土壤水分入滲能力影響模擬試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(6):40-46.

[7] 王文德．三峽庫區(qū)森林土壤入滲特征研究[D]．武漢：華中師范大學(xué)，2013．

[8] 劉 承，王玉寬，傅 斌，等．紫色土不同土地利用方式下降雨入滲試驗研究[J]．水土保持研究，2009，13(3)：20-23.

[9] 王 康,張仁鐸,周祖昊.土壤性質(zhì)對入滲再分布影響的顯色示蹤試驗研究[J].土壤通報，2012,43(3):577-582.

[10] 陳 鵬, 蘇德榮.地下滴灌對草坪土壤水分及根系分布的影響[J].灌溉排水學(xué)報,2008,27(6):48-50.

[11] 岳 兵. 滲灌技術(shù)存在問題與建議[J].灌溉排水, 1997,16(2):40-44.