Surfer软件在膜孔灌溉土壤含水率绘制中的应用

张中海

(陕西省泾阳县水利局，陕西 泾阳713700)

Surfer软件在膜孔灌溉土壤含水率绘制中的应用

张中海

(陕西省泾阳县水利局，陕西 泾阳713700)

利用Surfer软件可以绘制各类等值线图，通过膜孔灌溉试验研究，以入渗时间分别为20 min、79 min和135 min的膜孔入渗数据为例，采用Surfer软件绘制等值线图。实践证明软件的应用不仅能提高工作效率，而且也能减少由于人为原因造成的误差，提高水量分布图的质量。具有一定的应用和推广意义。

Surfer软件;膜孔灌溉;含水率

覆膜灌是利用地膜输水，通过作物孔和专用灌水孔入渗进行灌溉的一种节水型地面灌溉新技术［1］。地膜覆盖最早是由日本于1955年开始用于农业生产。其后，美国、法国、意大利、英国和德国等国也相继采用了该技术。八十年代初，新疆引进地膜覆盖栽培技术后，近十年来又在地膜覆盖栽培的基础上，研究了新的地膜覆盖灌水方法，它包括膜侧、膜上和膜下等三类灌水方法。其中膜上灌，也称膜孔灌溉，是在膜侧灌溉的基础上，改垄背铺膜为沟(畦)中铺膜，使灌溉水流在膜上流动，通过作物放苗孔或专用灌水孔渗入到作物根部的土壤中。与此同时，全国其它一些省市也进行了覆膜灌溉试验研究，山东、河北、河南、甘肃等地还研究出了小麦套种情况下的覆膜灌溉方式［2］。

膜孔灌入渗为充分供水条件下的三维点源入渗，它不同于滴灌条件下的非充分供水点源入渗。土壤含水率的确定对进行土壤水分特性研究，揭示土壤水运移机制方面都有重要的意义。针对膜孔灌溉目前含水率的测定方法，要得到大量的详尽的含水率是比较困难的，因此本文结合Surfer在绘制等值线图的优势，在测定的原始含水率数据基础上，进行网格化插值计算，从而获得令人满意的土壤含水率分布图。

1 湿润体内土壤含水率的分布

本试验采用西安粉土对膜孔灌溉入渗进行研究，具体试验过程参见文献［3］。图1、图2和图3表示膜孔直径为36 mm、土壤容重为1.3 g/cm3、初始重量含水率为1.94%试验条件下，在入渗时间分别为20 min、79 min和135 min的膜孔入渗湿润体土壤含水率分布图。可以看出:在入渗时间为20 min时，膜孔入渗处于自由入渗阶段，膜孔入渗的湿润锋形状为半椭圆型，随着膜孔入渗时间的延长，湿润半径不断增大，当入渗时间为79 min和135 min时，膜孔入渗已发生交汇，而膜孔附近的饱和区也随之不断增大。土壤的初始含水率为1.94%，因而含水率为1.94%的等值线即为湿润锋曲线。从图中可以看出，在含水率为20.53%到湿润锋曲线之间的土壤含水率变化梯度最大。

经分析，土壤含水率和湿润锋运移距离之间满足指数关系，即:

式中:θx、θy分别为水平方向土壤含水率和垂直方向土壤含水率，(%);α、β、η、λ 均为拟合参数;x、y分别为水平湿润锋运移距离和垂直湿润锋运移距离。

图1 膜孔入渗湿润体土壤含水率分布图(t=20 min)

图2 膜孔入渗湿润体土壤含水率分布图(t=79 min)

图3 膜孔入渗湿润体土壤含水率分布图(t=135 min)

对图1资料拟合得:

对图2资料拟合得:

对图3资料拟合得:

上述相关系数R2均大于0.99，说明土壤含水率与水平湿润锋运移距离和垂直湿润锋运移距离之间都具有良好的指数关系［4］。

图4为对应于图1、图2和图3的土壤含水率在入渗时间t=20 min、79 min、135 min时分布图，表示土壤初始含水率;表示接近于饱和含水率的含水率值。可以看出:由于膜孔灌属于积水入渗，在膜孔附近土壤含水率很快的从初始含水率增大到一最大值，在土壤湿润层深度方向上，土壤含水率随着湿润层深度的增大，土壤含水率不断减小，其值变化范围在～，在本试验条件下，其值范围为1.94% ～38.8%，并且在土壤湿润层某一深度，随着入渗历时的增长，土壤含水率也随之增大，湿润锋坡度愈来愈缓。

本文还针对具有不同土壤初始含水率1.94%、7.84%和12.82%做了对比试验分析，结果发现:在相同的入渗时间内，不同土壤初始含水率的湿润锋运移距离不同，随着初始含水率的增大，湿润锋运移的愈慢，这主要是由于随着土壤初始含水率的增大，湿润锋前后的土水势梯度减小，导致湿润锋运移速率变慢［3］。

图4 土壤含水率分布过程线

2 surfer软件概述

2.1 原始数据的格式及输入

Surfer自己带有打开和编辑数据文件的工作表格worksheet，可以通过它输入和编辑数据文件，但其功能有限，对于文本格式的数据文件有时会读成错误的排列方式或出现乱码，通过Microsoft Execl转换成扩展名为xls或ASCII格式扩展名为dat的数据文件后，Surfer都能正常打开。

2.2 网格化插值计算

网格化插值模型是软件绘制等值线的核心，网格化插值计算采用一定的网格化方法(即数学模型)对不规则分布的原始数据点进行插值，生成在原始数据分布范围内规则间距的数据点分布。Surfer软件给出了多种网格化插值计算方法，包括反距离加权插值法、克里金插值法、最小曲率法、改进谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、谢别德法、多元回归法、径向基函数插值法、三角网线性插值法等九种等值线绘制的数学模型，几乎包括了目前所有的插值方法［5］。利用它可根据数据源情况和制图要求，绘制符合要求的等值线图。

3 surfer软件在膜孔灌溉土壤含水率绘制中的应用

3.1 数据的网格化插值计算

膜孔灌溉试验中，得到图3含水率分布图，以此为基础，利用surfer进行网格化插值，以便取得更加详尽的含水率分布图。打开surfer软件，在软件主界面打开Grid菜单的Data选项，输入存放试验数据的文件名(mks.xls)，接着出现一个网格化参数对话框，选用克里金(Kriging)网格插值法，对话框中自动给出网格参数，确定数据分布范围(0，5.4;0，5.6)，在x与y轴取值范围内取100个离散点，进行网格化插值计算，就可以生成更密网格的数据，在“Output GridFile”中输入输出文件名(mks.grd)

3.2 含水率分布图的绘制

在Surfer软件主界面中打开Map菜单，选Contour项，在出现的对话框中选定前面生产的插值文件(mks.grd)，在绘图前再对等值线的线型、颜色、标记等进行修改，这样就可以绘制出膜孔灌溉土壤含水率插值等值线图，见图5、图6和图7所示。图中X代表水平湿润锋运移距离，Y代表垂直湿润锋运移距离。

图5 膜孔灌溉土壤含水率插值图(t=20 min)

4 结论

通过膜孔灌溉室内试验数据分析，可知土壤含水率与水平湿润锋运移距离和垂直湿润锋运移距离之间都具有良好的指数关系，并且在土壤湿润层某一深度，随着入渗历时的增长，土壤含水率随之增大，湿润锋坡度愈来愈缓。

针对膜孔灌溉目前含水率的测定方法，要得到大量详尽的含水率是比较困难的。因此，本文将Surfer软件应用到膜孔灌溉土壤含水率分布图的绘制中，可以得到更密的等值线图，避免了以往要得到详尽的分布图要测定试验土样很多点才能得到，这样不仅节省时间、提高工作效率，而且也减少了由于人为原因造成的误差，提高了水量分布图的质量，是膜孔灌溉土壤水分特性分析方法的重要改进，具有重要的应用推广意义。

图6 膜孔灌溉土壤含水率插值图(t=79 min)

图7 膜孔灌溉土壤含水率插值图(t=135min)

［1］徐首先、梁军.膜孔灌简介［J］.节水灌溉，1999(5):34 －36.

［2］李守谦.穴播地膜小麦栽培技术［M］.科学出版社，1998:1－7.

［3］李发文.膜孔灌交汇入渗特性及其影响因素研究［D］.西安理工大学，2002.

［4］李发文、冯平、费良军.膜孔灌溉三种入渗方式对比试验研究［J］.灌溉排水学报，2007，26(3):57 －59.

［5］白世彪、陈晔、王建.等值线绘图软件SURFER7.0中九种插值法介绍［J］.物探化探计算技术，2002，24(2):157－162.

Application on Surfer Software to Plotting Percentage of Moisture Isoline Map in Film Hole Irrigation

ZHANG Zhong－hai
(Water Resources in Jingyang County of Shaanxi Province Jingyang 713700，Shaanxi)

Surfer software package can be used to draw various isograms.The article is based on film hole irrigation test，the film hole infiltration data of 20min，79min and 135min were taken as a case to introduce the method and steps how to plot isoline with Surfer.The application of software not only improves work efficiency，but also decreases manual error and improves quality of percentage of moisture isoline maps.These research have laid a foundation for further research of film hole infiltration.

Surfer software;film hole irrigation and percentage of moisture

S275.9

A

1004－1184(2011)05－0027－03

2011－05－25

张中海(1964－)，男，陕西泾阳人，助理工程师，主要从事农田水利工程设计及管理工作。