远程智能控制滴灌土壤入渗多参数节水效果试验研究

杨 洋，孙兆军,2

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021 ；2.宁夏大学环境工程研究院，银川 750021)

土壤水分在土壤中的入渗是自然界最重要的水循环之一，是指土壤水浸入到土壤中的过程中，涉及土壤侵蚀、化肥和农药等随着土壤水分的运移、灌溉后土壤水分布、地表产流以及土壤侵蚀等，它是土壤水全部或者部分地向下流动的整个过程[1]。针对扬黄灌区的土壤水分运移和透水性的研究，有益于改善扬黄灌区生态农业环境，并合理指导农业耕地方式的决策和大田灌溉。滴灌灌溉是目前在多种灌溉模式中运用具有显著节水增产和环境友好等特点的现代灌溉方式，它被称为在整个灌溉方式中比较高效的典范。但是随着科技的进步，不同区域运用的情况不同，因此出现了一系列需要亟待解决的问题。在内蒙古地区[2]，甘肃大禹节水公司对马铃薯尝试推广应用浅埋滴灌，避免了滴灌带暴露在空气中，受太阳长期的直射，导致滴灌带被灼伤，出现老化等现象，水流在经过滴灌带时出现漏水，无法正常的工作运行，同时还非常有效地解决了灌溉中根系入侵堵塞、灌出苗水难和膜下滴灌管(带)易灼伤等问题[3,4]。本文主要针对扬黄灌区不同的2种类型土壤，基于不同压力、埋深程度研究土壤水分入渗速度、湿润锋、时间等。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验1区位于宁夏早作节水农业科技示范园区(同心县王团镇)，该地区在2016年属于宁夏南部山区中温带半干旱大陆性气候，海拔约1 200 m，年平均降水量为272.6 mm，年平均大气温度8.4 ℃，平均每年日照3 024 h，并且无霜期200 d左右，80%保证率≥10 ℃的积温不少于3 010 ℃，热量充足、昼夜温差大、蒸发量大，田间持水率24.21%，土壤密度1.43 g/cm3。土壤的主要理化性质见表1。

表1 同心县王团镇试验基地土壤理化性质

试验2区于宁夏银川市西夏区宁夏大学A区科技综合楼实验室，该地区属于黄河上游宁夏平原中部中温带半干旱大陆性气候，海拔约1 100 m，年平均降水量203 mm，无霜期157 d左右，年平均气温8.5 ℃，热量充足、昼夜温差大、蒸发量大，土壤大部分为风沙土，田间持水率13.8%，土壤密度1.51 g/cm3。土壤的主要理化性质见表2。

表2 宁夏大学A区实验室试验土壤理化性质

1.2 供试材料

本试验所用土槽系有机玻璃槽，有机玻璃板厚度为1 cm，制成的土槽规格为100 cm×100 cm×50 cm，密闭恒温空间，有机玻璃槽底部钻有小孔，防止入渗水过多，影响试验数据，底下由角铁固定，有这样土槽6个，为3次重复。

本试验采用的管道为北京普泉科技有限公司痕量贴片式滴灌带。痕量滴灌带是通过创造性的双层结构控水，以任意微小的速率(1～1 000 mL/h)直接将水或营养液输送到植物根系附近，湿润根层土壤的新型灌溉技术，经测量滴灌带出水均匀度0.88，贴片式滴灌带长10 m，外径16 mm，壁厚0.2 mm。

远程智能控制系统是在传统灌溉系统的基础上，配置了多个环境传感器节点、电磁阀控制节点等采集设备和无线数据传输设备、服务器、控制计算机、智能移动终端等处理控制设备，通过智能控制软件和互联网，实现了对农田，大棚集中控制灌溉和实时监控，建成统一的信息集成平台，消除信息孤岛，实现信息共享与交换，确保管理信息数据的准确性、完整性与唯一性，这里主要使用即插拔测定土壤含水量和土壤温度。图1为智能化灌溉系统设备图，图2为实验室布局图。

图1 智能化灌溉系统设备

图2 实验室布局 注：1-温度控制器；2-增温器；3-水源；4-供水管；5-总水阀；6-压力表；7-干管；8-水表；9-磁阀；10-土槽；11-滴灌带；12-信号线(二、四芯)；13-温湿传感器；14-控制器；15-保温箱；16-室内温度计；17-摄像头；18-无线网络；19-移动设备终端

1.3 试验用土的准备及装土

试验用土来源于试验2区和试验1区。土壤风干后，先取0～20 cm深度的土壤，为沙壤土，用直径为2 mm铜筛筛一遍，后用碾土器碾压一遍，如此反复，到完全通过该铜筛为止，填入供试土壤，均匀压实。试验于2016年6月5日下午14时装土。

1.4 试验设计

将贴片式滴灌带管道埋在装有试验1区和试验2区的土槽中，并将土压实，滴灌管道在有机玻璃槽埋深分别为5、10、15 cm，CK为0，测试压力分别为0.10、0.15、0.20 MPa，试验环境为恒温，模拟大气光照使用远程智能控制系统测定土壤相对的湿度、温度的变化情况，根据不同的压力测定2种土壤入渗速度、湿润锋之间的关系。土壤性质、压力水头以及管道埋深特性等是灌溉条件下土壤水分运动的重要影响因素[5,6]。

2 结果与分析

2.1 压力水头对土壤水入渗规律的影响

在土体中，累计入渗量均随压力水头的增大而增多，相同水头下，土壤温度越高，累计入渗量越大。至入渗结束，压力水头为0.10、0.15、0.20 MPa 的累计入渗量随着时间的增大而增大。图3和图4分别为试验1区和试验2区基于不同压力水头下，相同时间内，累计的土壤入渗量曲线和土壤入渗速度曲线。由图3、图4可以得出：无论在试验1区的土壤还是试验2区的土壤中，不同的压力水头对土壤水分的入渗有很大的影响，并且随着压力水头的降低, 其水分入渗能力明显降低，试验2区的土壤累计入渗量明显大于试验1区，对应的试验2区入渗速度大于试验1区，说明累计入渗量还与土壤的理化性质有关。

图3 不同压力的土壤累计入渗曲线

图4 不同压力的土壤水分入渗速度曲线

试验1区和试验2区的土壤水分入渗速度随着时间的变化基本相同，试验2区的土壤入渗速度大于试验1区，而且两者之间的入渗速度关系刚开始在很短的时间内很陡峭，后期慢慢变平缓，在趋近于平缓中发现，速率趋近于稳定入渗速度。同时还可以得出：随着压力水头的增加，土壤水分入渗速度也在相应地增加，且压力0.20 MPa时入渗速度最大；压力可以提高土壤的入渗能力，水头压力为0.10 MPa时，入渗速度最低，至入渗结束，土壤稳定入渗速度的大小依次为0.20 MPa>0.15 MPa>0.10 MPa。不同土壤其入渗速度也不相同，这一变化，反映了压力不仅影响土壤的入渗速度，不同土壤也会影响土壤入渗速度。

图5和图6分别是1区和2区的在100 min内，不同的压力水头下，土壤入渗湿润锋在垂直向下的方向H和水平方向R运移的距离随着时间t的变化曲线。

图5 试验1区湿润锋随时间变化关系曲线

图6 试验2区湿润锋随时间变化关系曲线

图7 水头压力为0.10 MPa的湿润锋运移变化过程图

图8 水头压力为0.15 MP的湿润锋运移变化过程图

由图5、图6可知，在100 min灌水时间中，垂直向下运移的湿润锋和水平运移的湿润锋与水头压力成正比例关系，并且不管是垂直运移的速率还是水平运移的速率在开始速率较快，后期逐渐缓慢，产生这一现象的原因是随着给予压力的增加，滴灌带出水口处的压力势也在增高，而土壤中的初始含水率和基质势比较低，土壤中的水吸力却又大，所以产生的滴灌带口处内外水势梯度增高，这样随着压力的增加，水势梯度也增大，导致滴灌带出水量也相应地增加，同时垂直运移和水平运移的距离也在增加，随着时间的推移，土壤湿度不断地增加，土壤中水势力的差异在逐渐减小，同时水吸力也在减少，产生的滴灌带口处内外水势梯度在减少，所以土壤水的入渗量在减少，最终达到运移速率出现先陡峭后缓慢的特点。不同土壤结构其湿润锋也不相同。

图9 水头压力为0.20 MPa的湿润锋运移变化过程

原点为滴灌带出水口的所在位置，图7、图8、图9分别表示压力水头为0.10、0.15、0.20 MPa下，水平运移和垂直向下运移的湿润锋变化过程。从图7～图9可以看出，各种情况下的水入渗体近似1/4圆，不同的压力对于其形状的影响并不明显。在刚刚开始的10 min内，水平与垂直距离的位移相差不大，从入渗10 min以后一直到结束，无论是水平方向的湿润锋运移距离还是垂直方向的湿润锋运移距离，在一定程度上都保持一致的距离，相差不大。本次试验采用的是浅埋入渗滴入式的灌溉，图8的湿润体半径要小于图9的湿润体半径，图8的湿润体是在水头压力为0.15 MPa的情况下形成的，而图9的湿润体是在水头压力为0.20 MPa的情况下形成的，从而得知水头压力是影响湿润体大小的重要因素。这是因为水头压力不同，其入渗速度就不同，而土壤之间的孔隙压力会随着入渗速度的增大而增大，从而影响了水运动的通道的大小，最终导致了土壤湿润体体积的不同。

2.2 不同埋深对土壤水入渗规律的影响

在恒定的压力水头下，用不同深度的土壤进行入渗试验，设置4个不同的埋深水平(0、5、10、15 cm)其中0为CK。埋深是通过对滴灌带上层覆盖土层厚度实现，为了更加准确地记录不同时刻的湿润锋轮廓，当灌溉滴口埋入土中就立即开始记录。下面将记录的土壤入渗通过图标的方式表现，见图10。在入渗初期，其入渗速度趋于平稳，20 min后，入渗速度急剧减小，这是因为入渗深度达到了土壤固结力的最大值，入渗口周围的土体已经充分吸收水分，周围土体压力增大，在一定程度上阻止入渗，而随着时间的推移，入渗速度逐渐趋于平稳，最终进行平稳入渗。不同埋深深度的滴灌带达到稳定入渗所需时间不同。

图10 不同管道埋深对土壤入渗速度的影响

图11 不同管道埋深对土壤累计入渗量的影响

图11为不同埋深(0、5、10、15 cm)条件下土壤累计入渗量在灌水100 min内随时间的变化过程。可以看出埋深对土壤湿润体与作物根系的有效匹配至关重要，不同埋深导致湿润锋运移和湿润体水分特性不同。采用单一量法分析，就是固定一个量，观察其他量。在这组试验中，固定灌溉时间。在累计入渗量方面，地面滴灌的累计入渗量比不上新型的地埋式滴灌带，但是新型地埋式滴灌带的埋深越大，周围土体的阻力就越大，从而导致其入渗量就随之越小。灌水100 min后，对于试验1区，埋深5 cm的累计入渗量比埋深0的增大了22.4%。埋深为5 cm的滴灌带累计入渗量比埋深10 cm的大9.2%，埋深10 cm的比15 cm的增大了0.05%。而对于实验2区，埋深5 cm的累计入渗量比埋深0的增大了17.9%，埋深为5 cm的滴灌带累计入渗量比埋深10 cm的大12.9%，埋深10 cm的比15 cm的增大了10.2%。通过以上数据可以得出结论：滴灌带流量的影响因素之一就是土壤压力。在一定程度上，滴灌带的流量由于土壤压力的存在而得到了增大，土壤压力以及土的吸水性导致了埋入土壤的滴灌带流量要大很多，相对来说，放置在空气中的滴灌带的流量就小一些。而滴灌带入土深度越大，周围土体的压力增大，进而固持力也增大，从而导致了流量的减小。

3 结 论

国内外关于土壤水分入渗的研究很多，但是各个研究的条件、环境以及方法的不同，在一定程度上得出的结论也各有不同[7,8]。本试验采用宏观方法，利用远程智能控制系统测定不同压力、管道埋深，并对试验结果进行分析和比较，得到以下结论。

(1)累计入渗量与压力水头呈正相关关系，随着压力水头的增加, 其水分入渗能力明显增加，并且与土壤的理化特性和结构都有关。相同压力情况下，试验2区累计入渗量明显高于试验1区，对应的试验2区入渗速度大于试验1区。

(2)随着压力水头增加，向下和水平湿润锋运移距离均增大，而2方向距离增大的速率相差不多，所以导致差距也并不明显，并且在初期，湿润锋运移的速率相对比较快，但是随着时间的推移，速率逐渐变慢。所以说湿润运移速率呈现出先快后慢的特点。

(3)压力水头对微润灌湿润体形状影响较小，各处理湿润体横剖面都近似为半圆形。土壤水分在各方向上流动较为均匀[9]，湿润锋水平方向和垂直方向的缝晕距离是相同的，其体形近似半圆。由于此试验是在沙壤土上进行的，其土壤的孔隙分布比较均匀，从而导致土壤水势梯度在各方向上的差别不明显。滴灌带出水口处湿润体是否为“半球状”还有待进一步研究。

(4)如果采用与工作压力呈一定线性关系的贴片式滴灌带，那么就会出现流量变小的情况。如果采用地埋贴片式滴灌带，其流量将大大增加。这一现象说明土壤在一定程度上是影响滴灌流量的重要因素。

(5)埋深对土壤湿润体与作物根系的有效匹配至关重要，不同埋深导致湿润锋运移和湿润体水分特性不同。陈鹏等[10]在文章中得出结论，最适合植物根系生长的埋深距离是5～15 cm，这个距离的湿润体大小以及位置都非常合适。但是埋深必须大于5 cm，不然土壤表面会出现湿润从而导致地表的蒸发量增大，最终导致水分蒸发快，利用率低。再根据土壤湿润程度来看，埋深10 cm为最佳，同时实验数据也符合岳兵等[11]根据作物需求确定的地下滴灌毛管埋深建议值。

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