滴头间距对线源滴灌土壤湿润均匀度的影响

2010-10-28袁昌富李明思于英雷李晓良

石河子大学学报（自然科学版） 2010年4期

关键词：滴头交汇连线

袁昌富,李明思,于英雷,李晓良

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003)

滴头间距对线源滴灌土壤湿润均匀度的影响

袁昌富,李明思,于英雷,李晓良

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003)

通过室内试验研究了滴头间距对线源滴灌土壤湿润均匀度的影响。试验中滴头间距设为10、30、40、50和70cm 5个处理,滴头流量和滴水量恒定,分别观测分析了滴头连线方向的土壤湿润均匀度、垂直该连线方向的湿润均匀度、交汇区的湿润均匀度以及地表湿润带的均匀度。结果表明:在试验范围内壤土沿滴头连线方向、垂直滴头连线方向以及交汇区的湿润均匀度均不受滴头间距的影响;滴头间距大于30cm时,沙土沿滴头连线方向的湿润均匀度减小,而垂直滴头连线方向和交汇区的湿润均匀度基本不随滴头间距而变化,但其交汇区土壤含水量却随滴头间距增大而明显降低;滴头连线方向的土壤湿润均匀度是评价线源滴灌质量的最主要指标。以上结果可以为滴头间距和滴灌带间距设计提供参考。

线源滴灌;滴头间距;土壤湿润均匀度;交汇入渗

Abstract:Based on experiments,the influence of drippers spacing on soil moisture uniformity from linear source drip irrigation were studied under the same dipper discharge and dripping water.The experiments involved different combinations of two soil types(sandy and loam soils),drippers spacing being in the range of 10～70cm,and with the dripper discharge and dripping water being constant.The results showed that the influence of drippers spacing on soil moisture uniformity mainly depended on soil types.The moisture uniformities of loam soil along and across drip line and on intersection side of wetted fronts were not influenced by drippers spacing.The moisture uniformity of sand soil along drip line did not obviously decrease until drippers spacing exceeded 30cm,and its moisture uniformity across drip line and on the intersection side of wetted fronts were not dominantly influenced by drippers spacing,but the soil water volume of wetted fronts intersection area was in reduced obviously with drippers spacing increased.The moisture uniformity along drip line is the most important quota for quality appraising of linear source drip irrigation.The results of this study are useful to the design of drip irrigation system.

Key words:linear source drip irrigation;drippers spacing;uniformity of soil moisture;infiltration and intersection

土壤湿润均匀度是指灌水后在土层中水量分布的均匀程度[1],它是衡量灌溉质量的重要指标之一。灌溉水量分布越均匀,作物对灌溉水(肥)的吸收利用越充分、增产效果越好。然而,滴灌设计中将灌水均匀度(滴灌管出流均匀度)作为设计依据,混淆了其与土壤湿润均匀度的区别。实际上灌水均匀仅仅是土壤湿润均匀的前提条件。对于点源滴灌,仅仅控制灌水均匀度就可以保证每株作物获得一致的水分条件;但是对于线源滴灌则必须控制土壤湿润均匀度才能保证每株作物的水分环境相同。点源滴灌与线源滴灌的差异在于土壤湿润区的交汇程度,如果湿润区不交汇或交汇范围很小,则形成点源滴灌;如果湿润区交汇面积很大,则形成线源滴灌,而土壤湿润区的交汇程度不仅取决于滴头流量,还取决于滴头间距。

目前,关于线源滴灌土壤湿润均匀度与滴头间距关系的研究还很少。李明思等[2]通过试验研究了线源滴灌土壤湿润均匀性的主要影响因素及影响规律,指出线源滴灌条件下土壤湿润均匀性还是设计滴头流量、滴水量和滴头间距的重要依据。文献[3-8]对滴头流量、滴头间距与土壤湿润状况之间的关系进行了实验研究,并提出了一些有价值的经验模型,但是并没有反映出这些灌水参数对土壤湿润均匀度的影响。付琳[9]通过实验研究了滴头间距对线源滴灌土壤湿润均匀性的影响,初步提出不同土壤相应的湿润直径。文献[10-15]研究了滴头流量、滴水量、土壤质地对交汇湿润体形状的影响规律。综上所述,研究线源滴灌土壤湿润均匀性与滴头间距的关系,不仅有助于滴头间距的确定,还有助于评价田间滴灌系统的造价,尤其是对压力补偿式滴头。因此,本文研究了线源滴灌条件下滴头间距对土壤湿润均匀性的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2009年6-8月年在石河子大学水利与土木工程实验中心进行。供试土壤分别为沙土和壤土,其干密度分别为1.60 g/cm3和1.56 g/cm3,物理黏粒(粒径<0.01 mm)质量分数分别为1.63%和23.6%,均来自石河子市十户滩镇农田。本试验用马里奥特瓶稳压供水,每只瓶引出1个橡胶管,模拟滴头滴水。试验所用有机玻璃土槽的尺寸为100 cm×80 cm×80 cm。

1.2 试验方法

供试土壤经风干和碾碎后,过2 mm孔径的筛子,按预定土壤容重分层(每10 cm)装入试验土槽。

试验开始前,用试管夹调控橡胶软管出流量,使每个橡胶管出流量达到设计要求。滴头间距 Se分别取为 10、30、40、50 、70 cm,滴头流量 3 L/h,单滴头滴水量3 L。当Se为30 cm时,箱内设3个滴水点,其中一个滴水点距土箱边壁5 cm;滴头间距为70 cm时,箱内设2个滴水点,每个滴水点距边壁15 cm,滴头流量相等。滴水过程中,观测不同时刻土壤湿润锋水平运移距离和垂直运移距离,以及相邻滴头湿润锋的交汇时间和交汇区宽度。停水24 h后,在土壤湿润表面上按网格取土样;竖直深度方向从地表开始每10 cm深度取一层样,一直取到干土为止。然后用烘干法测土壤质量含水率。

1.3 数据分析方法

根据所测的土壤质量含水率,分析沿滴头连线方向的土壤湿润均匀度、过滴水点垂直该连线方向土壤湿润均匀度、交汇区的土壤湿润均匀度和地表湿润带的均匀度,分别记为 Cu(X)、Cu(Y)、Cu(J HF)、Cu(D),四者均采用 Christiansen方法计算。具体表达式为

式(1)中:vi为第i测点的土壤含水量(mm)或湿润宽度(cm);¯v为n个测点的平均含水量(mm)或湿润宽度(cm);N为总取样数。

采用积分中值定理方法计算某一测点的土壤含水量vi及n个测点的土壤平均含水量¯v:

式(2)中:hn为取样土层深度(cm),除了每点的最后一次取样,本试验中的其它取样土层深度均相等;θn为地表以下不同深度处的含水率(%);vi为某测点的土壤含水量(mm)。

式(3)中:D为第1测点到第N个测点的距离(cm);di为相邻两测点的距离(cm)。

2 结果与分析

2.1 滴头间距对沿滴头连线方向土壤湿润均匀度的影响

线源滴灌形成带状的湿润区,沿带状方向的土壤湿润均匀度Cu(X)是评价线源滴灌质量的指标之一。试验中,滴头间距由小变大时,沙土和壤土的湿润均匀度 Cu(X)变化规律截然不同,如图1所示。

由图1可见,对于沙土,当 Se=10～30 cm时,Cu(X)由97.73%降到93.65%,降幅在5%以内;当Se=30～50 cm时,Cu(X)由93.65%降到80.13%,降幅超过10%,但 Cu(X)仍高于 80%;当 Se>50 cm时,沙土湿润区不再交汇,此时 Cu(X)急剧下降。

图1 不同滴头间距时沿滴头连线方向土壤湿润均匀度Fig.1 The soil moisture uniformity along drip line under different trickle emitter spacing

滴头连线方向取样点含水量见表1。

由表1可见,沙土沿滴头连线方向湿润均匀度随Se增大而减小的原因与土壤湿润区交汇程度有密切关系。当滴头间距很小时,湿润区交汇程度很高,交汇区的含水量甚至高于滴头下方的土壤含水量,交汇区就相当于一个水源,而且这个水源对滴头下方的土壤含水量有补充作用,使该处的含水量增高,所以交汇区与滴头下方土壤含水量存在互补现象,这就造成了滴头连线上的土壤湿润均匀度增高。随着滴头间距增大,湿润区交汇程度降低,交汇区的土壤含水量降低,虽然滴头下方的土壤含水量也降低,但是前者的降幅大;滴头间距由10 cm增大到50 cm时,交汇区土壤含水量降低了120.21 mm,而滴头下方土壤含水量只下降了49.52 mm,交汇区土壤水分与滴头下方土壤水分之间逐渐失去了互补作用,所以,滴头连线上的土壤湿润均匀度逐渐减小,直至湿润区不交汇,土壤湿润均匀度降至30%以下。

壤土因湿润区大,其交汇区含水量始终大于滴头下方的土壤含水量,而且二者之间始终存在水量互补。滴头间距由10 cm增大到50 cm时,交汇区土壤含水量降低了58.07 mm,而滴头下方土壤含水量下降63.17 mm,交汇区土壤含水量减小的幅度接近于(或略小于)滴头下方土壤含水量的减小幅度。所以,在试验的滴头间距范围内,壤土滴头连线上的湿润均匀度变化较小。

表1 滴头连线方向取样点含水量Tab.1 The soil water volume along drip line

2.2 滴头间距对垂直滴头连线方向土壤湿润均匀度的影响

垂直滴头连线方向土壤湿润均匀度 Cu(Y)是确定滴灌管铺设位置的依据以及滴灌管两侧作物行距的依据,如果该方向土壤湿润均匀度差,会造成靠近滴灌管的作物长势高,远离滴灌管的作物长势矮。该方向土壤湿润均匀度随滴头间距的变化如图2所示。

图2 不同滴头间距时垂直滴灌管方向土壤湿润均匀度Fig.2 The soil moisture uniformity on the direction of vertical drip line under different trickle emitter spacing

垂直滴头连线方向的土壤湿润均匀度理论上与土壤湿润宽度有关,而与滴头间距无关。但是由于交汇区土壤水分的叠加,使得该处相当于出现了一个新的水源,这个水源对滴头下方的土壤含水量有补充作用,可以使土壤湿润区宽度增加,类似于湿润区被“挤压”,因此可提高垂直滴头连线方向的土壤湿润均匀度。然而,本试验中这种作用很有限,对于沙土来说,只有当滴头间距为10 cm时才明显地表现出来,滴头间距大于10 cm以后,该方向的土壤湿润均匀度与滴头间距无关。对于壤土来说,由于存在地表径流,所以垂直滴头连线方向的土壤湿润均匀度与滴头间距之间的关系不明显,而且壤土的湿润均匀度始终高于沙土的湿润均匀度。

由表2可见,随着滴头间距的增大,滴头下方及其两侧的土壤含水量逐步减小,但是减小的幅度不大,二者之间的差值变化也不大。滴头下方自身土壤含水量的变化与滴头两侧土壤含水量变化接近,如滴头间距由10 cm增大到50 cm时,沙土滴头下方土壤含水量减少了49.52 mm,而滴头两侧的土壤含水量减少了54.76 mm;壤土滴头下方土壤含水量减少了58.30 mm,而其滴头两侧的土壤含水量减少了58.07 mm。

这些变化特征说明了土壤湿润区存在“挤压”现象,但是“挤压”作用很有限,滴头间距基本上不影响垂直滴头连线方向的土壤含水量分布,所以对该方向上的湿润均匀度也无明显影响。然而,沙土的含水量差值始终大于壤土的含水量差值,而沙土的含水量则始终大于壤土的含水量。造成这一现象的原因是由于壤土垂直入渗浅,湿润面积大,水量分布范围大,所以湿润区各点的含水量小,而湿润均匀度高;相反,沙土的垂直入渗深,湿润面窄,湿润均匀度相对较小。这说明,垂直入渗性能小的土壤其湿润均匀性好,但湿润浅。

表2 垂直滴头连线方向取样点含水量Tab.2 The soil water volume across drip line

2.3 滴头间距对湿润峰交汇界面土壤湿润均匀度的影响

已有关于政府引导基金的相关研究主要从其设立动机、发展模式和投资结果进行探讨，关注其设立的必要性、组织形式和经济后果，为政府引导投资基金的设立、模式优化和合理运作提供理论依据和经验证据。

线源滴灌土壤湿润均匀性主要取决于湿润体交汇程度,交汇区越大,土壤沿湿润峰交汇界面的均匀度(即交汇区的湿润均匀度)也会越高。本试验测得的交汇区土壤湿润均匀度随滴头间距的变化如图3所示。

由图3可见,当Se=10～50 cm时,无论沙土还是壤土,Cu(J HF)均在80%～90%变化。Se>50 cm时沙土湿润区因不再交汇而使交汇区的湿润均匀度突然降低至0。

图3 不同滴头间距时湿润峰交汇区的土壤湿润均匀度Fig.3 The soil moisture uniformity on the intersection side of wetted fronts under different trickle emitter spacing

湿润峰交汇方向取样点含水量见表3。

由表3可知,滴头间距在10～50 cm范围内时,无论沙土还是壤土,交汇锋中间的土壤含水量与交汇锋其他位置的土壤含水量之间的差值变化不大;即便是交汇区中间的土壤自身含水量的变化也与其他位置自身的土壤含水量变化高度的一致,如对于沙土而言,交汇锋中间土壤含水量降低了51.91 mm,而交汇锋其他位置土壤含水量下降 55.90 mm;对于壤土而言,交汇锋中间土壤含水量降低了5.82 mm,交汇锋其他位置土壤含水量下降6.47 mm。这些变化特征说明了滴头间距变化在一定范围内对交汇区的土壤湿润均匀度没有直接影响,交汇区的土壤湿润均匀度变化特征类似于垂直滴头连线方向的土壤湿润均匀度变化特点。

表3 湿润峰交汇方向取样点含水量Tab.3 The soil water volume on the intersection side of wetted fronts

随着滴头间距由小变大,沙土交汇区的含水量减小幅度远大于壤土交汇区含水量的减小幅度,说明虽然在一定范围内滴头间距的变化对沙土交汇区湿润均匀度没有明显影响,但是其对土壤含水量的影响明显,而这正是造成滴头连线方向沙土湿润均匀度下降的原因。相比之下,壤土的土壤湿润均匀度与滴头间距基本无关。这表明,受交汇区湿润状况影响最大的是滴头连线方向的土壤湿润均匀度,所以该方向的湿润均匀度是评价线源滴灌质量的最主要指标。

2.4 滴头间距对地表湿润带均匀度的影响

地表湿润带的均匀度Cu(D)反映了地表湿润形状的均匀性,虽然它不能代表土壤湿润体的均匀性,但它却是判断土壤湿润均匀度最直观的指标。试验中测得的地表湿润带均匀度随滴头间距的变化如图4所示。

图4 不同滴头间距时的地表土壤湿润均匀度Fig.4 The moisture uniformity of ground surface under different trickle emitter spacings

本试验中,在滴头流量取为3 L/h、滴水量取为3 L的条件下,土壤湿润区宽度较大,当滴头间距很小的时候,无论沙土还是壤土,地表湿润带均匀度都很高。交汇区土壤含水量对滴头下方土壤含水量的补充作用使土壤湿润区宽度增加,即出现湿润区“挤压”现象,因此,湿润带的均匀度较大。但由于沙土的垂直入渗速度比水平运移速度快,导致土壤湿润体交汇程度随滴头间距的增大而变得越来越弱,直至无法交汇,于是其湿润带的均匀度随滴头间距增大而降低。由于壤土的交汇区始终较大,所以滴头间距对壤土地表湿润带的均匀度无显著影响。另外,图1和图4显示,地表湿润带均匀度的变化规律与滴头连线土壤湿润均匀度的变化规律类似,所以可以用前者间接地评判后者的状况。

3 结论

在滴头流量、滴水量确定的线源滴灌条件下,滴头间距对土壤湿润均匀度的影响与土壤质地关系密切。壤土滴头连线方向、垂直滴头连线方向以及交汇区的湿润均匀度均不受滴头间距影响,所以壤土上的滴头间距及作物行距可以大一些。

沙土滴头连线方向的湿润均匀度受交汇区水分状况的影响很明显,滴头间距较小时,滴头连线方向的土壤湿润均匀度受滴头间距变化的影响不大;当滴头间距较大时,滴头连线方向的土壤湿润均匀度显著减小,直到湿润区不再交汇,滴头连线方向的土壤湿润均匀度将小于灌水质量允许值。

沙土垂直滴头连线方向和交汇区的湿润均匀度随着滴头间距的增大而具有相似的变化特征,即在一定的滴头间距变化范围内,两者基本上不受滴头间距变化的影响,但是,其土壤含水量却受到明显影响。

综上所述,对于线源滴灌而言,滴头间距对滴头连线方向的土壤湿润均匀度的影响最大,该方向的土壤湿润均匀度是评价线源滴灌质量的最主要指标。

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Effects of Drippers Spacing on Soil Moisture Uniformity under Linear Source Drip Irrigation