滴灌在不同土質(zhì)、流量情況下濕潤(rùn)體的形狀研究

張彤 何其融

水資源短缺是各個(gè)城市面臨的主要問題之一，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入的主要來源，其發(fā)展在很大程度上受到干旱缺水的制約[1][2]。滴灌系統(tǒng)是一種節(jié)水、高效的灌溉系統(tǒng)，能夠提高水分的利用效率，又能減少作物根系層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失[3]。對(duì)滴灌條件下水分分布特征的研究，是進(jìn)行正確滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高效田間水分分配的前提。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該方面的理論和試驗(yàn)研究較多[4][5][6][7][8]，研究單一土質(zhì)不同滴灌流量情況的實(shí)驗(yàn)方法主要通過室內(nèi)試驗(yàn)和野外實(shí)驗(yàn)，對(duì)滴灌入滲過程中土壤水分運(yùn)移、分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算。多數(shù)研究的濕潤(rùn)體也僅僅是其中的一半，室內(nèi)研究中有部分使用馬克筆在容器邊緣繪制濕潤(rùn)體的形狀，不可避免地會(huì)有時(shí)間與操作上的誤差，在水分到達(dá)容器邊緣時(shí)，也會(huì)有嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)。在部分研究中，考慮了整個(gè)濕潤(rùn)體，其操作方法是在土中埋入濕度傳感器，并記錄傳感器的坐標(biāo)位置，根據(jù)傳感器的示數(shù)判斷水分的到達(dá)，但傳感器埋入的點(diǎn)數(shù)有限，得到的擴(kuò)散坐標(biāo)數(shù)也有限，且現(xiàn)有的測(cè)量濕潤(rùn)體形狀的裝置中，存在連接松弛和實(shí)用性弱等問題[9]。多數(shù)研究的內(nèi)容變量單一，僅選擇一種土質(zhì)情況下，不同流量時(shí)濕潤(rùn)體的變化情況。為了解決以上問題并將此類研究進(jìn)一步的擴(kuò)展，本文設(shè)置一種新型的濕潤(rùn)體測(cè)量裝置，通過室內(nèi)的單點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，研究多種變量即不同流量和不同土質(zhì)條件下整個(gè)濕潤(rùn)體的形狀特征，為滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)采用三種不同性質(zhì)的土壤，即黏土、壤土和沙土，取試驗(yàn)土壤深度為20cm。各土樣容重，黏土為 1.30g/cm3，壤土為1.35 g/cm3，沙土為1.40 g/cm3。土樣風(fēng)干后過2mm土篩清除各種雜質(zhì)待用。

2.試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃試驗(yàn)土槽和供水裝置（馬氏瓶）組成。試驗(yàn)土槽為用厚2mm的有機(jī)玻璃做成的圓柱體，圓柱體由每層高2cm，直徑為40cm的小圓柱體組裝起來，此試驗(yàn)裝置打破了以往僅能取濕潤(rùn)體最外層來研究，不能準(zhǔn)確測(cè)量出其中間層和只能取濕潤(rùn)體二分之一或四分之一來研究的局限。供水裝置采用馬氏瓶連接橡膠管和針管，可提供穩(wěn)定水流，比往前試驗(yàn)中僅使用自制的滴水裝置能更準(zhǔn)確地控制流量且沒有任何的滲漏。

試驗(yàn)裝置安裝與土樣裝入同時(shí)進(jìn)行。先在底部封閉的圓柱體中裝入土樣，使土樣均勻分布，在該層土樣表面鋪設(shè)對(duì)土壤滲流影響小的紗布。然后安裝下一層小圓柱體，裝入土并鋪上紗布。以此累積裝至一定層數(shù)?？刂泼繉油翗尤葜亍Ｔ诎惭b試驗(yàn)裝置時(shí)，為了便于觀測(cè)濕潤(rùn)體形狀特征值，在每層小圓柱體側(cè)面做上標(biāo)記線，使安裝后的圓柱體的標(biāo)記線在同一豎直線上；將圓柱體土槽移動(dòng)至針管下方，使圓心對(duì)準(zhǔn)針管。調(diào)節(jié)供水裝置高度，下端距土槽上邊緣10cm。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)黏土、壤土、沙土三種土質(zhì)，每種土質(zhì)下設(shè)4個(gè)流量水平，分別為0.4 L·h-1、0.6 L·h-1、0.8 L·h-1、

1.0 L·h-1，每個(gè)流量滴灌時(shí)間為2h，具體試驗(yàn)方案見表1，符號(hào)說明見表2.

3.數(shù)據(jù)測(cè)量與處理

滴灌結(jié)束后，以滴灌點(diǎn)為圓心每間隔15度測(cè)量一次濕潤(rùn)體表層的擴(kuò)散直徑，共12組；將第一層的土用紗布提起后，繼續(xù)測(cè)量第二層、第三層等的擴(kuò)散數(shù)據(jù)，直到擴(kuò)散的最后一層；然后找到濕潤(rùn)體最低點(diǎn)，得到該濕潤(rùn)體擴(kuò)散的最大深度。

采用Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，求取12組擴(kuò)散直徑平均值的一半作為平均擴(kuò)散半徑，即：再采用MATLAB軟件分別繪制出各土質(zhì)在4種不同流量下的濕潤(rùn)體擴(kuò)散平均半徑與入滲深度關(guān)系圖（組1），以及在相同流量下，不同土質(zhì)的濕潤(rùn)體擴(kuò)散平均半徑與入滲深度關(guān)系圖（組2），進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

二、結(jié)果與分析

1.滴頭流量與土質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體水平擴(kuò)散距離的影響

對(duì)同一種土質(zhì)，其水平擴(kuò)散距離隨著流量的增大而增大。通過組1的擬合函數(shù)曲線，分別得到了三種土壤的水平擴(kuò)散距離與流量之間的關(guān)系，可以明顯看出，流量增大，濕潤(rùn)體的水平擴(kuò)散表面也隨之?dāng)U大。

在流量固定的條件下，黏土、壤土、沙土的水平擴(kuò)散距離大致相等。通過組2的擬合函數(shù)曲線，可以看出三種土質(zhì)的水平擴(kuò)散能力相當(dāng)，但黏土的水平擴(kuò)散能力在大流量條件下更有優(yōu)勢(shì)，沙土的水平擴(kuò)散能力在小流量條件下更有優(yōu)勢(shì)。

2.滴頭流量與土質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體豎直擴(kuò)散深度的影響

對(duì)黏土和沙土，其豎直擴(kuò)散深度隨著流量的增大而增大，而壤土的豎直擴(kuò)散深度隨著流量的增大先增大后減小，流量為0.8 L·h-1時(shí)深度最大。

在流量固定的條件下，黏土的豎直擴(kuò)散深度較小，沙土較大，壤土居其中，且在小流量條件下壤土的豎直擴(kuò)散能力接近黏土，在大流量條件下接近沙土。

3.滴頭流量與土質(zhì)對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響

從組1的擬合函數(shù)曲線可以直觀地看出：黏土的濕潤(rùn)體呈漏斗形；壤土的濕潤(rùn)體大致呈托盤形；沙土的濕潤(rùn)體近似為鼓形。為了進(jìn)一步描述濕潤(rùn)體的形狀特征，引入濕潤(rùn)體形狀系數(shù)m即濕潤(rùn)體的體積與其外接圓柱體體積之比，即：

通過上述積分的近似計(jì)算得到不同土質(zhì)在不同流量下的形狀系數(shù)m如下表3：

根據(jù)該表格作出形狀系數(shù)變化情況如下圖8：

由表3看出，黏土的形狀系數(shù)m在區(qū)間[0.633，0.684]范圍內(nèi)變化，在

0.8 L·h-1和1.0 L·h-1的流量下最大；壤土的形狀系數(shù)m在區(qū)間[0.591，0.642]范圍內(nèi)變化，在0.4 L·h-1的流量下最大；沙土的形狀系數(shù)m在區(qū)間[0.6748，0.8008]范圍內(nèi)變化，在0.6 L·h-1的流量下最大。

由圖8看出，黏土的形狀系數(shù)m隨流量增大先變小再變大，之后幾乎維持在0.68左右；壤土的形狀系數(shù)m在流量小于0.8 L·h-1時(shí)變化不大，維持在0.64左右，再增大流量則明顯變小；沙土的形狀系數(shù)m隨流量增大先快速增大，到0.8 L·h-1 時(shí)達(dá)到最大，之后略有下降再維持在0.78左右，其m值除了在0.4 L·h-1的小流量下與另兩種土質(zhì)相近外，在大流量情況下均顯著大于另兩種土質(zhì)。

三、結(jié)論

（1）濕潤(rùn)體的水平擴(kuò)散半徑與流量呈正相關(guān)，且三種土質(zhì)的水平擴(kuò)散能力相當(dāng)。

（2）沙土和黏土的擴(kuò)散深度與流量呈正相關(guān)，但壤土的擴(kuò)散深度由大變小。

（3）三種土質(zhì)的濕潤(rùn)體形狀系數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化；在流量一定的情況下，濕潤(rùn)體的形狀系數(shù)按照壤土、黏土、沙土的順序依次增大。

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