地下滴灌湿润体变化规律及滴灌带筛选初步研究

王荣莲，张智超，嘉晓辉，任志宏，昝慧龙(.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 0005；.内蒙古自治区水利厅，呼和浩特 0008；. 内蒙古自治区水利水电勘测设计院，呼和浩特 0008)

近年来，国内外对地下滴灌的研究成果较多，关于地下滴灌湿润体变化方面也有一些报道。张和喜[1]等人通过研究得出，停止灌溉24 h后，土壤湿润体现状和范围发生较大改变，水分达到了地表下70 cm处，但湿润体在水平方向运移却不明显。仵峰[2,3]等人对地下滴灌条件下土壤水能态进行研究，得出在灌水器流量不大于土壤扩散能力时，灌水器出口处的土壤水势等于该处的土壤吸力，为非正压状态；否则，灌水器出口处的土壤水势为正。李道西[3]等人研究发现地下滴灌管壁的导水作用将对土壤水分分布产生一定影响，3个方向上湿润峰运移均近似为时间平方根的线性函数。许迪、李光永等人[4-12]通过建立数学模型研究地下滴灌土壤水分运动及滴头流量变化规律。

地下滴灌湿润体变化规律与滴灌带类型、流量、土壤等都有关系。目前针对内蒙古自治区常用的滴灌带、典型土壤类型上开展的地下滴灌湿润体变化规律研究还未见报道。本文将在这方面开展初步研究，为用户初选滴灌带奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用目前国内常用的3种类型滴灌带(管)，分别为单翼迷宫式滴灌带、内镶片式滴灌带及内镶圆柱状滴灌管，型号分别为MGD16×300-2.7-100、NFG16*200-2.4-100及 DN16*300-3.2-100，额定压力都为100 kPa，额定流量分别为2.7、2.4及3.2 L/h，滴头间距300、200、300 mm，壁厚0.2、0.3及0.6 mm。

1.2 试验装置及试验方法

试验在呼和浩特市东郊呼和浩特市园艺所的温室内进行。试验布置示意图及装置简图见图1和图2，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(带电位调速器)、输水管、回水管、回水水箱、土箱、地下滴灌带(管)、压力表、KN213金属管浮子流量计、阀门等组成。试验采用3个尺寸为70×50×100 cm(长×宽×高)钢化玻璃箱，每个土箱内沿长度方向埋设3条滴灌带(管)，每条长70 cm，滴头3～4个，分两层，埋深分别为25、65 cm，确保滴灌带(管)之间湿润体不搭接，土层总高度90 cm，每条滴灌带(管)距土箱壁5 cm。每种处理设3次重复。箱底布置直径1 cm的渗水孔15个，共3排。供水和回水水箱采用边长为50 cm的正方体玻璃箱，用于测试、校核灌水流量。水泵压力范围为0～0.14 MPa，流量范围为0～1.5 m3/h，带电位调速器，可方便调速调压，实现在恒定压力下供水。

试验前，先对内蒙古自治区具有代表性的土壤进行调研，确定西部巴彦淖尔市巴彦淖尔市、东部赤峰市松山区、中部呼和浩特市后桃花村土壤为试验土壤，对土壤颗粒组成、密度进行取样测试。用环刀取20～40 cm内原状土，烘干法测试密度；用筛分法测试土壤颗粒组成。将试验土壤拉到试验地后，先过1 mm筛，洒水到接近最优含水率时分层装入各自土箱，按照实测20～40 cm厚土层密度进行装土，赤峰、呼和浩特及巴彦淖尔市土密度分别为1.36、1.44及1.53 g/cm3，每装5 cm厚夯实一次，将表面刨毛，再装上层，依次进行。装土到滴灌带(管)埋设高程时，安装事先在空气内测试良好的滴灌带(管)，除单翼迷宫式外，其他滴灌带(管)滴头向上。滴灌带(管)埋深都为25 cm。

图1 试验布置示意图(单位：cm)

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4、6-阀门；5-回水管；7-压力表；8-流量计；9-滴灌带(管)；10-土箱；11-土壤；12-回水水箱图2 试验装置简图

试验时将水泵置于供水水箱内，水位高于水泵吸水管。将供水管阀门打开，开启水泵向系统供水，每次测试一条滴灌带(管)，且保持土壤初始含水量相同。系统通水后，通过排气阀排除管道内空气，调节水泵电位调速器及回水管阀门，使压力表读数稳定在设计压力值0.05、0.10及0.135 MPa 3个等级。系统稳定运行2～3 min后，由KN213金属管浮子流量计测试系统流量。为校核浮子流量计精度，在管道内满流状态下记录规定时间内供水水箱的出水量及回水水箱的进水量，用两者差即可准确计算灌水器流量，用该值核定浮子流量计读数，校核好后便可用流量计快速测量灌水器流量。每隔5 min通过透明玻璃箱壁量测每个滴头到该湿润体外边界上、下、左、右的距离，与流量值一一对应。

2 结果分析与讨论

2.1 土样测试结果分析

测试得各地区0～40 cm厚土样的颗粒组成见表1。

表1 各地区土样(0～40 cm)粒径组成表 %

根据国际制土壤质地分级标准，赤峰、呼和浩特及巴彦淖尔市土壤分别为黏壤土、壤土及沙壤土，此顺序即为黏性从高到低的顺序，赤峰市土壤黏性较高，巴彦淖尔市土壤沙性较大。

2.2 湿润体特征研究结果分析

(1)空气内不同压力下的流量测试。每种规格滴灌带(管)在每种压力下测试3组，取平均值，结果见表2。

表2 空气内不同压力下的流量表 L/h

(2)同一滴灌带在同种土壤内不同压力下湿润体分布特征。将每种类型滴灌带(管)分别在同种土壤内比较不同压力下的湿润体变化规律(见图3～图5)。以每个滴头所在位置为坐标原点，横坐标正、负方向分别表示滴头右、左侧，纵坐标正、负方向分别表示滴头上、下侧，绘制出接近圆形的图形，较直观地反映每个滴头处的湿润体边界。每条滴灌带(管)的3～4个滴头湿润体范围取平均值。每条滴灌带(管)测试时间为15～35 min，为了比较相同时间内的湿润体变化规律，本次分析灌水15 min时的情况。

图3 单翼迷宫式滴灌带在不同压力下的湿润体分布图

图4 内镶片式滴灌带在不同压力下的湿润体分布图

图5 内镶圆柱形滴管在不同压力下的湿润体分布图

分析图3～图5发现，各种处理的湿润体分布有共同特征，即压力从0.05 MPa增大到0.10 MPa时，湿润体随之增大，但从0.10 MPa增大到0.135 MPa时，湿润体反而减小，在黏性最大的赤峰市土中减小幅度最大；在黏性略低的呼和浩特市土中减小适中；在沙性最大的磴口土中减小最小，湿润体呈最大。

0.05 MPa下，3种土壤内滴灌带(管)湿润体从小到大的顺序为：内镶片式滴灌带、单翼迷宫式滴灌带及圆柱状滴灌管，此顺序与它们在空气中流量大小顺序一致，且湿润体分布都为向下距离最大，水平次之，向上最小。向下和向上距离偏差值：赤峰土都为2 cm左右，磴口和呼市土2～4 cm，即沙性较大的土壤向下扩散距离略高于黏性较高的土壤。0.10 MPa下，3种土壤内滴灌带(管)湿润峰从小到大的顺序与它们在空气中流量大小顺序不完全一致，即流量从2.4 L/h增加到2.7 L/h时，湿润峰范围随之增大，但从2.7 L/h增加到3.2 L/h，湿润峰范围几乎没有增加；0.135 MPa下也同样随着流量增大，湿润峰有不同程度缩小趋势；赤峰土内，每种滴灌带都是0.135 MPa比0.10 MPa下的湿润峰小，而磴口和呼市土内，0.135 MPa比0.10 MPa下的湿润峰有增大也有减小，黏性越高，减小幅度越大，说明随流量增大湿润峰先增大到一定程度后反而减小，主要是与滴头自由流量和土壤饱和导水率大小有关，当前者小于后者时，湿润峰范围主要由流量控制，但当流量接近或大于导水率时，主要由导水率控制，滴头出口处形成饱和区阻碍了滴头出流；黏性越大的土壤导水率越小，越容易在滴头出口处形成饱和区而阻碍出流；压力越大，滴头流量越大，也越容易形成饱和区。此结论说明，在地下滴灌系统中，不宜采用压力过高、流量过大的滴灌设备，黏性大的土壤选大流量滴灌设备会使出流受阻，沙性大的土壤选大流量滴灌设备会造成深层渗漏，一般宜选择流量小于土壤饱和导水率的滴灌带。

0.135及0.10 MPa下，在内镶片式滴灌带和内镶圆柱状滴灌管内，出现个别湿润峰水平方向大于垂直向下的情况，主要是由于水流有顺滴灌管壁横向流动的趋势，当流量较大时，易沿管壁形成水力冲蚀通道，增大水平向流速。水分向上运移的距离至关重要，关系到作物能否吸收到水分，针对此点初步分析，0.05 MPa下，流量为1.7 L/h的单翼迷宫滴灌带和流量为2.3 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及沙壤土中基本可满足作物吸水需求；0.10 MPa下，流量为2.4 L/h的内镶片式滴灌带在沙壤土中、2.7 L/h的单翼迷宫滴灌带在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及沙壤土中基本可满足；0.135 MPa下，流量为2.7 L/h的内镶片式滴灌带在沙壤土中、3.2 L/h的单翼迷宫滴灌带在壤土及沙壤土中、3.9 L/h的内镶柱状滴灌管在黏壤土中都基本可满足。

3 结 语

(1)地下滴灌流量较小时，随流量增大，湿润体随之赠大；当流量增大到超过土壤饱和导水率时，流量增大，湿润体反而减小，黏性越高，减小幅度越大。

(2)沙性较大的土壤向下扩散距离略高于黏性较高的土壤。

(3)黏性越大的土壤导水率越小，越容易在滴头出口处形成饱和区而阻碍出流；压力越大，滴头流量越大，也越容易形成饱和区。此结论说明，在地下滴灌系统中，不宜采用压力过高、流量过大的滴灌设备，黏性大的土壤选大流量滴灌设备会使出流受阻，沙性大的土壤选大流量滴灌设备会造成深层渗漏，一般宜选择流量小于土壤饱和导水率的滴灌带。

(4)根据水分向上运移的距离初步分析，0.05 MPa下，流量为1.7 L/h的单翼迷宫滴灌带和流量为2.3 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及沙壤土中基本可满足作物吸水需求；0.10 MPa下，流量为2.4 L/h的内镶片式滴灌带在沙壤土中、2.7 L/h的单翼迷宫滴灌带在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及沙壤土中基本可满足；0.135 MPa下，流量为2.7 L/h的内镶片式滴灌带在沙壤土中、3.2 L/h的单翼迷宫滴灌带在壤土及沙壤土中、3.9 L/h的内镶柱状滴灌管在黏壤土中都基本可满足。

(5)建议用户在筛选滴灌带时，需先测试一下土壤饱和导水率，再根据作物类型、种植方式等因素，综合考虑确定适宜产品。

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