日光溫室供水系統(tǒng)灌溉水水溫變化特性的研究

胡婧娟，樊貴盛

(1.太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，太原 030024；2.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

日光溫室小氣候的各種因素中，溫度是對作物生長影響最大的因素[1]。但是在低溫地區(qū)，越冬期日光溫室農(nóng)作物種植的一大難題是灌溉水水溫偏低。尤其在高海拔的山丘區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉更多利用的是出露的小泉小水、河水或河流灘地的淺層地下潛水。這些灌溉水水源的共同特點是水溫低，不能滿足植物正常生長的要求。因為水的比熱大，灌溉水溫度在一定程度上影響著土壤溫度，進而影響農(nóng)作物的根系溫度。根系溫度的改變，會影響農(nóng)作物根系對土壤礦物質(zhì)營養(yǎng)積累分解和轉(zhuǎn)化，以及對土壤水分和養(yǎng)分的吸收[2]。同時如果灌溉水溫度較低，會降低灌溉水中溶解氧的含量，影響作物根系對土壤水分和礦物質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收和利用，以致影響農(nóng)作物的莖葉、果實等正常生長。

根據(jù)對國內(nèi)外文獻資料的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的使用最廣泛的提高灌溉水水溫的方式多集中在日光溫室的外部，充分利用太陽輻射來提升灌溉水水溫，如使用寬淺式渠道、修建曬水池、延長渠道長度等[3-7]。但是這些方式只適用于非冬季、輸配水方式為渠道的灌溉方式，并不適用于高海拔低溫地區(qū)管道輸水的輸水方式。越冬期灌溉水由管道輸送進日光溫室大棚，外界溫度較低，輻射不強，并不能使用以上方法使灌溉水升溫。灌溉水從水源地到日光溫室輸運的過程中，由于灌溉水與周圍環(huán)境存在溫度差異，存在熱量的傳遞，導致灌溉水水溫在供水系統(tǒng)中不斷發(fā)生變化。分析研究灌溉水在供水系統(tǒng)中的溫度變化特性，可有效利用周圍環(huán)境熱量保持或者提升灌溉水水溫，對提升日光溫室入口處灌溉水水溫具有重要意義。國內(nèi)外的文獻中對越冬期間日光溫室灌溉水在供水系統(tǒng)中的保溫升溫和措施鮮有論述。

本研究以山西省呂梁市離石區(qū)設施蔬菜示范基地日光溫室棚區(qū)為載體，在著重測試分析日光溫室供水系統(tǒng)中灌溉水水溫的時空變化特性，并提出灌溉水在供水系統(tǒng)中的保溫升溫措施。研究成果可以為越冬期間提升日光溫室灌溉水水溫提供理論基礎，并且為越冬期間灌溉水管理提供技術保障。

1 材料與方法

1.1 日光溫室

本試驗日光溫室位于山西省呂梁市離石區(qū)信義鎮(zhèn)小神頭村。該地區(qū)屬典型的高海拔低溫山區(qū)，海拔在1 300 m以上，年平均氣溫為8.9 ℃，最高氣溫35 ℃，最低氣溫-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季多風干旱少雨，夏季炎熱，雨量集中，全區(qū)光能資源充足。設施蔬菜示范基地日光溫室為RWS-10-5型高效節(jié)能日光溫室。日光溫室坐北朝南，東西向長60 m，南北向長8 m，后墻高4.0 m。前屋面覆蓋物為醋酸乙烯(EVA)高效保溫無滴防塵日光溫室專用膜，不透明保溫覆蓋材料為多層復合保溫被。夜間前屋面蓋保溫被保溫，中午通風。室內(nèi)種植的作物為番茄，番茄及其植株正常生長所需的最低溫度為10 ℃[8]。

1.2 供水系統(tǒng)

試驗區(qū)日光溫室的灌溉水供水系統(tǒng)由灌溉水源井、輸配水管道、蓄水池、輸水管道4部分組成。

日光溫室園區(qū)水源為小東川河淺層地表水，整個越冬期，地表河水溫度在-3.5～2.6 ℃之間[9]。水源開發(fā)工程為潛水淺井，利用河道地面水在地層中的側(cè)滲作用，進入人工開鑿的水井。水井是一個矩形結(jié)構的水井，水井寬3.27 m，長3.48 m，埋深2.7 m。潛水井距河水主流的直線距離是27 m，與日光溫室園區(qū)的高差為24 m。管道輸水5 800 m后，進入日光溫室園區(qū)東北方向臺地高程為1 000 m的300 m3的蓄水池，再經(jīng)由已鋪設好的配水管網(wǎng)進入日光溫室內(nèi)，經(jīng)布置好的滴灌系統(tǒng)對作物進行灌溉。其中，輸水管道的埋深為1.7 m。通過供水系統(tǒng)流入日光溫室內(nèi)部的灌溉水量完全能滿足作物的灌溉需求。供水系統(tǒng)各組成部分的具體布置如圖1所示。

圖1 日光溫室灌溉水供水系統(tǒng)具體布置圖Fig.1 The layout of irrigation water supply system of greenhouse

1.3 試驗儀器及方法

灌溉水水溫的測量采用溫度計及熱敏電阻(電阻值誤差±0.5 Ω)相結(jié)合的測量方法。地溫采用熱敏電阻和直角五支組地溫計相結(jié)合的方法，0～0.4 m范圍內(nèi)的土壤溫度用五支組地溫計測量，0.4 m以下的土壤溫度用熱敏電阻測量。用UT-56型數(shù)字萬用表測量即時的熱敏電阻值后，利用公式換算成溫度值。UT-56型數(shù)字萬用表測量電阻時量程為200 Ω～20 MΩ，其測量精度為±(0.8%+5)，精確值達到0.02 ，完全能滿足本實驗的研究要求。

(1)

式中：Rx，R25分別為實時實測電阻和溫度為25 ℃時的電阻值，Ω；x為實時溫度值，℃；B為常數(shù)，一般取3 000。

1.4 試驗測點的布置

河流地表水水溫：河面不結(jié)冰時，將溫度計直接插入河水測量；當河面結(jié)冰后，打破冰蓋，將溫度計插入河水中測量水溫。

潛水井水溫：潛水井東南角處，由井口到井底，分別在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.4、1.8、2.2、2.6 m處設置測試點。

蓄水池入口處及分層水溫：測試點位于蓄水池入口處，從蓄水池入口處到池底分別在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.4、1.8、2.2、2.6、3.0 m處設置測試點。

日光溫室入口處水溫：在配水管道出口處設置測試點。

地溫：由土壤表面到土壤深層分別在0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.40、0.60、0.80、1.00、1.40、1.80、2.20 m處設置測試點。

1.5 試驗時間

本試驗從2013年11月開始，到2014年3月底結(jié)束。橫跨整個越冬期，每隔7～10 d測試一次，每天溫度測試的測試時間點為0∶00-24∶00，即每2 h觀測一次。中午12∶00-14∶00之間由于氣溫變化幅度較大，增大觀測頻率，每小時觀測一次。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉水水溫的空間變化特性

2.1.1 小東川河～潛水井中灌溉水水溫的變化特性

日光溫室試驗園區(qū)灌溉水水源為三川河中的小東川河的淺層地表水。在河道灘地人工開鑿一口潛水井，河流的淺層地表水經(jīng)河床砂卵石介質(zhì)，通過滲透作用進入潛水井中。潛水井水位保持在距井口1.27 m處。圖2為整個越冬期河流淺層地表水水溫、潛水井水溫的變化規(guī)律示意圖。其中，當?shù)厥彝鈿鉁?、河流淺層地表水水溫、潛水井水溫均為典型日的平均溫度。

圖2 越冬期內(nèi)潛水井水溫季節(jié)變化規(guī)律Fig.2 The seasonal variation of water temperature in diving well during wintering period

由圖2可知：①在整個越冬期，潛水井水溫的變化趨勢與1.40～2.60 m處的河床介質(zhì)溫度的變化趨勢是一致的，水溫和河床介質(zhì)溫度進入越冬期后呈下降的趨勢，在2014年1月30日左右達到最小值，之后開始回升。潛水井水溫和河床介質(zhì)溫度在整個越冬期的變化幅度很小；而當?shù)厥彝鈿鉁睾秃恿鞯乇硭疁氐淖兓厔菀恢?，進入越冬期后，氣溫和河流水溫持續(xù)下降，到2014年1月14日左右達到最小值，然后溫度迅速回升，氣溫和河流水溫的變幅較大。②在整個越冬期內(nèi)，氣溫、河床介質(zhì)溫度、河流淺層地表水水溫、潛水井水溫的大小分布為：河床介質(zhì)溫度>潛水井水溫>河流淺層地表水水溫>氣溫。受氣溫和河床介質(zhì)溫度的影響，灌溉水從河道測滲到潛水井的過程中水溫升高。顯然，河床介質(zhì)溫度對灌溉水水溫的影響明顯大于氣溫。為了進一步說明這一點，擬合潛水井水溫與土壤溫度的相關方程，如圖3所示。令潛水井水溫為T水，土壤溫度為T土，其擬合方程如下所示。潛水井水溫與土壤溫度符合明顯的線性關系。

T水=0.620T土+ 1.933R2=0.872

(1)

圖3 越冬期內(nèi)潛水井水溫與河床介質(zhì)溫度相關關系Fig.3 The relationship between water temperature in diving well and river bed temperature

2.1.2 輸水管道中灌溉水水溫的變化特性

從潛水井到蓄水池之間的輸水管道總長5 800 m，從取水口開始到蓄水池，輸水管道的材料前2 800 m為90PE管，剩余3 000 m為63PE管，輸水管道的埋深為1.7 m。本節(jié)用潛水井出水口處水溫與蓄水池水溫的差異表示灌溉水水溫在輸水管網(wǎng)中的變化。潛水井出口處的水溫采用潛水井0.63 m高度處的水溫，蓄水池水溫采用蓄水池入水口處的水溫，如圖4所示。

圖4 越冬期內(nèi)輸水管網(wǎng)水溫季節(jié)變化示意圖Fig.4 The seasonal variation of water temperature in water pipe network during wintering period

由圖4可知：①在整個越冬期內(nèi)，潛水井出口處水溫、蓄水池入口處水溫與輸水管道埋深處地溫的變化趨勢是一致的。進入越冬期后，地溫、潛水井出口處水溫、蓄水池入口處水溫處于不斷下降的趨勢，在2014年1月30日左右降到最低值，隨后開始回升。②灌溉水水溫在輸水管道中的空間變化趨勢與地溫的高低直接相關。輸水管道全部埋藏在地面以下，與空氣隔絕，所以，輸水管道中水溫直接并且只受地溫的影響。在2014年1月30日之前，地溫大于潛水井出口處的水溫，在輸水的過程中，灌溉水的水溫出現(xiàn)了上升的趨勢，蓄水池入口處水溫大于潛水井出口處水溫，經(jīng)過輸水管道提高的灌溉水溫度分別為0.18、0.35 、0.33、0.29、0.12 ℃；相反的，在2014年1月30日之后，地溫小于潛水井出口處的水溫，在輸水的過程中，灌溉水水溫出現(xiàn)了下降的趨勢，蓄水池入口處水溫小于潛水井出口處水溫，經(jīng)過輸水管道降低的溫度分別為0.13、0.15、0.19 ℃。③蓄水池入口處水溫與潛水井出口處水溫相關性較好。圖5擬合了越冬期間蓄水池入口處水溫與潛水井出口處水溫的相關關系。令蓄水池入口處水溫為T蓄，潛水井出口處水溫為T潛，其擬合方程如下所示。蓄水池入口處水溫與潛水井出口處水溫具有明顯的線性相關關系。

T蓄=0.916T潛+0.767R2=0.887

(2)

圖5 越冬期內(nèi)蓄水池入口處水溫與潛水井出口處水溫相關關系Fig.5 The relationship between the water temperature at the entrance of the storage well and the water temperature at the outlet of the diving well in wintering period

2.1.3 配水管道灌溉水水溫的變化特性

灌溉水經(jīng)由蓄水池自流進入日光溫室，配水管道全部是Φ32PE管。日光溫室中留有給水龍頭，控制灌溉水進入日光溫室。本節(jié)以灌溉水從蓄水池到日光溫室入口處水溫變化來反映灌溉水水溫在配水管網(wǎng)中的變化特性。在測試周期內(nèi)，作灌溉水水溫在配水管網(wǎng)水溫變化規(guī)律圖，如圖6所示。

圖6 配水管網(wǎng)水溫變化規(guī)律Fig.6 The water temperature variation of water distribution network

由圖6可知，在整個測試周期內(nèi)，日光溫室入口處水溫與蓄水池水溫變化規(guī)律基本一致，但是日光溫室入口處水溫低于蓄水池水溫，也就是說灌溉水在配水管網(wǎng)運輸?shù)倪^程中，水溫降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，灌溉水自蓄水池出水口流出后，管道有一部分埋置在地面以下。在日光溫室園區(qū)內(nèi)設有一個出水口，往各個溫室輸水時，需要將PE管接到出水口處。也就是說這一部分PE管是裸露在地面以上的。由圖6可知，整個越冬期內(nèi)，當?shù)厥彝鈿鉁剡h遠低于蓄水池水溫，由于溫度梯度的存在，灌溉水在輸水管道中不斷向室外空氣散發(fā)熱量，導致自身溫度降低。以至于到日光溫室入口處，溫度降低0.32～1.24 ℃。

2.1.4 結(jié) 果

灌溉水從水源地到日光溫室升溫池，灌溉水水溫有明顯的空間變化特性(見圖7)。

圖7 灌溉水水溫空間變化規(guī)律Fig.7 The spatial variation of irrigation water temperature

溫度梯度的存在直接導致了熱量的遷移，溫度梯度的方向決定了熱量傳遞的方向，在灌溉水水溫的空間變化趨勢中，有以下兩種溫度變化以及熱量遷移情況：①灌溉水水溫在遷移的過程中出現(xiàn)降低的情況，灌溉系統(tǒng)向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。出現(xiàn)這種情況的灌溉系統(tǒng)路線為：蓄水池入口處到蓄水池、蓄水池到日光溫室，當?shù)販匦∮诠艿缆裆钐幩疁貢r，灌溉系統(tǒng)也向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。②灌溉水水溫在遷移的過程中出現(xiàn)升高的情況，周圍環(huán)境向灌溉水補給熱量。出現(xiàn)這種情況的灌溉系統(tǒng)路線為：河流到潛水井，當?shù)販卮笥诠艿缆裆钐幩疁貢r，灌溉系統(tǒng)向周圍環(huán)境吸收熱量。表1為測試周期內(nèi)灌溉水水溫從水源地到日光溫室的變化范圍。

表1 灌溉水水溫空間變化范圍 ℃

在整個越冬期間，灌溉水水源地平均水溫在-3.50～2.60 ℃之間，在整個越冬期內(nèi)，河流淺層地表水水溫的最小值出現(xiàn)在2014年1月14日，為-4.0 ℃；最大值出現(xiàn)在2014年3月24日，為8 ℃。灌溉水在從水源地到日光溫室升溫池自流的過程中，由于溫度梯度的作用，與土壤或者空氣進行了熱量交換，分別經(jīng)歷了升溫、升溫或降溫、降溫、降溫的過程，到日光溫室入口處，水溫在5.20～8.10 ℃之間變化。在整個越冬期內(nèi)，日光溫室入口處水溫的最小值出現(xiàn)在2014年1月14日，為5.20 ℃；最大值出現(xiàn)在11月，為8.20 ℃，并不能達到作物正常生長對灌溉水溫度的要求。

2.2 灌溉水保溫升溫措施

根據(jù)以上灌溉水水溫在供水系統(tǒng)中的時空變化規(guī)律，為了盡可能維持或者提升灌溉水水溫，提出以下灌溉水升溫保溫措施。

(1)增大潛水井與水源地河流之間的距離，延長多孔介質(zhì)向灌溉水傳熱的時間。在越冬期間的測試期內(nèi)，同一時刻潛水井水溫明顯高于河流水溫。這是由于在河流地面水向潛水井滲流的過程中，由于地溫大于河流水溫，對滲流水具有熱量補給。由工程熱力學可知，溫度梯度是熱量傳遞的動力，并且決定熱量傳遞的方向，而時間可以決定熱量傳遞的數(shù)量。所以在條件允許的情況下，增大潛水井與河流的距離，延長滲流路徑，使?jié)B流水與土壤顆粒充分接觸傳遞熱量，可以在一定程度上提高滲流水進入潛水井的溫度，達到提升灌溉水水溫的效果。在越冬期的整個測試周期內(nèi)，灌溉水水溫從河流到潛水井上升的平均值為0.28 ℃。現(xiàn)在潛水井距河水主流的直線距離是27 m，建議將距離增大5 m，增大到32 m，灌溉水水溫在理論上能夠上升1.4 ℃。

(2)增大輸水管網(wǎng)的埋深，選用導熱系數(shù)大的管材。輸水管網(wǎng)的埋深為1.7 m，輸水管網(wǎng)中灌溉水水溫的變化與埋深處的地溫密切相關。如果地溫大于管道中灌溉水水溫，則灌溉水水溫沿輸水管網(wǎng)升高；反之則水溫降低。圖8為輸水管道埋深處、距土壤表面2.20 m處地溫、距土壤表面2.60 m處地溫以及輸水管網(wǎng)入口處水溫的在整個越冬期間的變化規(guī)律。如圖8所示，2014年1月14日為整個越冬期間氣溫最低的一日，在此日之前，管道埋深處地溫大于輸水管道入口處水溫；此日之后，管道埋深處地溫小于輸水管道入口處水溫。為了使灌溉水水溫在輸水管網(wǎng)中得以升溫，需增大輸水管網(wǎng)的埋深，使地溫在整個越冬期間均大于輸水管道入口處水溫。如圖所示，距地表2.20、2.60 m處地溫在整個越冬期間均大于灌溉水水溫，可以對灌溉水進行熱量補給。同時應考慮工程造價、施工方便等因素，因此，建議增大輸水管網(wǎng)埋深0.50 m，即距地表2.20 m埋設輸水管道。

圖8 輸水管道埋深處地溫及埋深以下幾個層次地溫值Fig.8 The soil temperature at the same depth of the pipeline and below

從潛水井到蓄水池之間的輸水管道總長5 800 m，從取水口開始到蓄水池，輸水管道的材料前2 800 m為90PE管，剩余3 000 m為63PE管。PE為聚乙烯的縮寫，PE管材是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂。PE給水管材具有使用壽命長、衛(wèi)生性好、耐腐蝕、柔韌性好、抗沖擊強度高、重量輕、安裝便捷等優(yōu)點。但是PE管材的導熱系數(shù)為0.48 W/(m·K)，就為了使灌溉水升溫這一目的來看，PE管材的導熱性能不如金屬管材，例如給水鋼管。為了使土壤熱量能夠順利傳遞給輸水管道中的灌溉水，建議選用導熱系數(shù)大的管材。

(3)配水管網(wǎng)埋入土壤。灌溉水經(jīng)由蓄水池自流全部以Φ32PE管進入溫室，灌溉水自蓄水池出水口流出后，管道有一部分埋置在地面以下。在日光溫室園區(qū)內(nèi)設有一個出水口，日光溫室中留有給水龍頭，往各個溫室輸水時，需要將PE管接到出水口處，這部分PE管在地面以上。

根據(jù)以上的分析，灌溉水水溫從蓄水池到日光溫室入口處都有不同程度的下降，也就是沿配水管網(wǎng)水溫不斷下降。部分配水管網(wǎng)的PE管裸露在地面以上，當?shù)厥彝鈿鉁剡h遠小于蓄水池水溫，即配水管網(wǎng)入口處水溫。所以水溫會沿配水管網(wǎng)不斷下降。建議將配水管埋入地下，減少熱量損失。

(4)輸配水管網(wǎng)外部的保溫措施。灌溉水從水源地到日光溫室，通過輸配水管網(wǎng)輸送，在運輸?shù)倪^程中，無可避免地會遇到一些建筑物以及其他的地下管網(wǎng)，輸配水線路需要跨越建筑物或者凌空建造時，需要在輸配水管網(wǎng)外部增設保溫層。越冬期間室外氣溫遠遠低于地溫，在管道外部增設保溫層有利于保持灌溉水水溫，較少熱量損失。

(5)蓄水井上方及裸露在地面以上的蓄水井外墻的保溫措施。在整個越冬期內(nèi)，蓄水池中灌溉水的平均水溫均小于蓄水池入口處的水溫，說明灌溉水在蓄水池中放置的這段時間內(nèi)，出現(xiàn)了熱量的散失現(xiàn)象。蓄水池中灌溉水通過蓄水池旁土壤吸收熱量；通過蓄水池池頂和井口釋放熱量。并且釋放的熱量大于吸收的熱量，導致蓄水池中灌溉水溫度降低。為了維持蓄水池中灌溉水水溫，甚至提升灌溉水水溫，就要做好蓄水池池頂、蓄水池高出地面部分的防寒保暖工作。應在蓄水池池頂及蓄水池裸露在地表以上部分增設保溫設施，并且應該注意井口的保暖工作。

(6)在日光溫室內(nèi)部需要增設專門提升灌溉水水溫的升溫設施。由以上分析可知，整個越冬期內(nèi)，日光溫室入口處灌溉水水溫在5.20～8.10 ℃之間變化，并不能達到室內(nèi)作物正常生長所需要的最低灌溉水溫度。所以要在日光溫室內(nèi)部增設專門提升灌溉水水溫的升溫措施，以保證作物正常成活和生長，提高作物的品質(zhì)產(chǎn)量。

3 結(jié) 語

本文利用越冬期間跟蹤觀測的實測數(shù)據(jù)對低溫區(qū)日光溫室灌溉水水溫在供水系統(tǒng)中的時空變化規(guī)律展開研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)越冬期灌溉水水溫受到水源地取水、蓄水、輸配水等環(huán)節(jié)或過程的強力影響。灌溉水從水源地自流到日光溫室的過程中，由于灌溉水與外界環(huán)境存在溫差，導致灌溉水水溫不斷發(fā)生變化。灌溉水從河流測滲到潛水井，河床介質(zhì)補給水體熱量，水溫升高；灌溉水輸水管道自流的過程中，水溫大于管道埋深處地溫時，灌溉水向土壤釋放熱量，水溫降低，反之水體從周圍土壤吸收熱量，水溫升高；灌溉水從蓄水池到升溫池在配水管道自流的過程中，灌溉水向周圍環(huán)境釋放熱量，水溫降低。

(2)根據(jù)越冬期內(nèi)灌溉水水溫的時空變化規(guī)律，以及熱量傳遞的方向和過程，提出以下灌溉水升溫保溫措施：在水源地取水過程中，增長滲徑可以充分利用地熱對灌溉水進行升溫；在輸配水管網(wǎng)中，提高水溫的技術有增大輸水管網(wǎng)的埋深、選用導熱系數(shù)大的管材、增強輸配水管網(wǎng)外的保溫設施；在調(diào)節(jié)池蓄水過程中，減少灌溉水熱量損失的措施有增設蓄水池上方以及井口處的保溫設施；在日光溫室內(nèi)部，提高灌溉水水溫的措施有建造專門用來提升灌溉水水溫的升溫設施。

(3)本文研究成果對于越冬期間日光溫室灌溉水水溫的升高和保持具有重要的理論意義，可以為越冬期間灌溉水管理提供技術支持。