坑口构造对低温季节壤温功效影响分析探究

2020-07-16丁良帅

水利技术监督 2020年4期

丁良帅

(沈阳市苏家屯区应急管理事务服务中心，辽宁沈阳 110101)

农用坡地田间水利灌溉设计经常选择应用蓄水坑灌方法。为设计出功能更为理想的坑灌坑口构造型式，本文分别基于各种构造形式，借助Suffer8.0和MOE2010系统，以坑灌坑口构造对越冬期果树根区壤温时空演变趋势的影响为评价指标，对农田水利坑灌的坑口构造低温季节壤温功效影响课题展开专题分析，探究低温季节低温环境下，坑灌坑口构造的壤温功效日影响规律，以为同类坑灌技术的农田灌溉应用提供研究和技术参考。

1 案例概况

本文以西北某农科院果园的节水灌溉型式作为案例对象，区域气候系属典型的暖温带大陆性气候，年降雨量相对比较充沛，达到了459.6mm。年均气温基本保持在9.8℃左右，无霜期长达175d。通过地质实勘发现，该地区以粉砂壤土为主，适合种植矮砧红富士苹果树，以地下井水为农作物灌溉之源。区域土壤主要组分及相关物理参数见表1—2。

2 实验方案

本实验以坑口径及是否盖覆为控制因子，总共设计了5个重要坑灌蓄水坑口，分别为：DM(地表灌溉)、DB5(坑口径为5cm，坑口无盖覆)、DF5(坑口径为5cm，坑口存在盖覆)、DB30(坑口径为30cm，坑口无盖覆)、DF30(坑口径为30cm，坑口有盖覆)。各坑口均设置了4个坑壁温度及坑内温度均选用壤温传感器进行动态监测，每隔0.5h就会测量并记录一次壤温。选用5cm的圆形聚乙烯泡沫塑料板作为盖覆材料。各坑灌蓄水坑口构造如图1所示。

表1 案例区域土壤主要组分

表2 案例区域土壤主要物理参数

图1 蓄水坑坑口构造

3 坑口构造的低温季节壤温功效影响分析

3.1 基于坑周壤温日影响的坑口构造壤温功效分析

3.1.1基于坑口构造差异的坑周壤温日演变状态

将距坑壁0～35cm的深度土壤在不同时刻生成的温度进行有效汇总，并将其视为各坑周壤温日演变特点值。由此绘制出更直观的壤温日演变趋势分析图，如图2所示。通过图2数据分析进一步发现，相较于无盖覆处理，坑口盖覆处理的壤温日演变幅度更小一些，随着坑口盖覆面积的不断增大，壤温日演变幅值则相应减小。DB5、DB30、DF5、DF30的壤温日演变幅值分别是0.64、0.99、0.65、0.59℃，也就表明坑口盖覆能将壤温的大气温度影响降到最低，通过壤温与外界气温的有效阻断，能够合理控制壤温日演变趋势，经数值对比发现，DF30处理的壤温演变幅值与DF5处理相比相对更小。相较于DB30处理，DF30处理的壤温更高一些，两者温差为1.67℃，相较于DB5处理，DF5处理的日平均壤温也明显更高一些，两者温差为0.48℃，这就直观体现了坑口盖覆的重要性，不仅能阻碍壤温向外耗散，还能达到保温的效果。相较于DF5处理，DF30处理的日平均壤温也高一些，两者温差为0.29℃，说明盖覆面积越大，达到的保温效果就越显著。

3.1.2坑口构造对距坑壁不同距离壤温日演变的影响

将距坑壁0～10cm的深度土壤在不同时刻生成的温度进行有效汇总，并将其视为各坑周壤温日演变特点值，由此绘制出基于不同坑壁距离和0～10cm壤深的壤温影响DF30、DF5、DB30和DB5日变分析曲线，如图3所示。图3系DB5日变曲线。通过曲线分析可以发现，0～10cm深的土壤温度比较低，在盖覆处理的工况下，各坑口的壤温日演变态势无太大变化，但距坑壁不同距离的坑口壤温差异却非常显著。在不盖覆处理的工况下，不仅各坑口的壤温日演变态势无太大变化，而且距坑壁不同距离的坑口壤温差异也在可控范围之内。在距坑壁25cm的部位，15:30左右DF30、DB30这两个处理生成了一日中壤温的最大值，分别达到了-4.6℃和-6.8℃，在0:00左右则生成了一日中壤温的最低值，分别降到了-6.3℃和-10.1℃。即

图2 基于坑口构造差异的坑周壤温日演变曲线

图3 基于不同坑壁距离和0～10cm壤深的壤温影响DB5日变曲线

便大气温度在不断变化，但盖覆处理的壤温演变态势仍比较稳定，地表土壤受大气热辐射的影响在大气温度达到最高值是会降到最低，所以土壤温度没有急剧升高，而在大气温度最低值时，由于热量传播减弱，地表温度也就能得到有效控制。由此可以看出，坑口盖覆对面层壤温演变的有较显著影响。在对上图中a及b的整体走势进行分析后发现，在距坑壁25cm的部位，15:30左右生成了一日中壤温的最大值，DF30和DF5这两个处理的壤温值分别达到了-4.6℃及-5.1℃，在0:00左右则生成了一日中壤温的最低值，分别降到了-6.3℃和-6.6℃。即便大气温度在不断变化，只要尽可能地扩大盖覆面积，就能防止壤温产生过大差距。

同理，研究也绘制了基于不同坑壁距离和10～20cm壤深的壤温影响DF30、DF5、DB30和DB5日变分析曲线。曲线揭示，相较于0～10cm深度土壤，10～20cm深度土壤的日温度变化更趋向于平稳，差值差异非常小，几乎可省略不计。由此表明，此深度的土壤层未受到大气温度太多的影响。距坑壁不同距离的坑口壤温差异并不显著，距坑壁5～35cm处的坑口平均壤温差分别控制在0.17℃及1.27℃左右，盖覆面积越大的坑口处理，壤温差越小。

同理，基于不同坑壁距离和20～30cm壤深的壤温影响DF30、DF5、DB30和DB5日变分析曲线揭示，距坑壁20～30cm的深度土壤距坑壁不同距离在不同温度演变状态下整体壤温变化较小，不过距坑壁不同距离的坑口壤温却存在较大差距，由此表明，该土壤层径向坑壁部位的壤温受外部气温影响较大，而垂直方向壤温受环境气温的影响很小，相较于距坑壁15～35cm部位，距坑壁5cm部位的壤温非常低，原因在于此处距离坑壁很近，容易受外部气温影响。

在坑壁距离不断延长的情况下，温度慢慢趋向于平稳。分析揭示，在距坑壁5cm部位，DB30和DF30这两大处理的壤温分别达到了-5.57℃及-2.46℃，由此表明，坑口盖覆面积越大，壤温耗散就越小，坑壁壤温越平稳。在距坑壁5cm部位，DF5和DF30这两大处理的壤温分别达到了-4.11℃及-2.46℃，由此表明，坑口盖覆性能越好，壤温耗散就越少。

同理，研究也绘制了基于不同坑壁距离和30～40cm壤深的壤温影响DF30、DF5、DB30和DB5日变分析曲线。曲线揭示，距坑壁30～40cm的深度土壤距坑壁不同距离在不同时的温度演变情况，即便大气温度不断变化，该壤层的壤温日演变也不会发生极值及低谷值，这就意味着中层壤温基本趋向于稳定状态状态。各处理距坑壁15～35cm处的壤温不会出现太大差异，但盖覆及不盖覆处理的壤温差异却非常显著，5cm处的壤温分别是-0.78℃及-4.09℃，随着土壤深度的不断增大，盖覆与不盖覆处理的温度差距相应加大。通过对比a及b发现，5cm部位壤温分别为-0.78℃及-2.85℃，随着土壤深度的不断增大，DF30和DF5这两大处理的壤温差也相应加大。

同理曲线分析亦发现，距坑壁70～80cm的深度土壤距坑壁不同距离在不同时的温度演变状态下，该层壤温基本趋向于稳定状态状态，但盖覆及不盖覆处理的壤温差异却非常显著，说明坑口覆盖是非常有必要的。5～35cm处的DF30和DB30坑口的温差最大值分别是0.2℃及0.48℃；DF5和DB5坑口的温差最大值分别为0.3℃及0.72℃，由此表明，坑口状态对深层壤温的影响相对较小。

3.2 基于坑内壤温日影响的坑口构造壤温功效分析

3.2.1不同坑口构造及不同坑内部位的壤温日影响状态

研究围绕坑口大气温度、坑口地表温度、坑内温度以及坑底温度，开展了温度状态测量并分别绘制了温度影响日演变曲线，如图4所示，图4系其

图4 不同坑内部位之坑口地表温度影响日演变曲线

图5 不同坑底壤深之距离地面50～60cm的温度影响日演变状态

中不同坑内部位之坑口地表温度影响日演变曲线。数据和曲线揭示，各处理的平均日温度差保持在16.33℃左右。分析也发现，盖覆处理与不盖覆处理的日温度极值较小、温度演变幅值较小，DB30和DF30这两大处理的日最大温度差分别是5.8℃及3.2℃，由此表明，坑口盖覆能防止地表温度日演变幅值增大，在温度较高时，坑口盖覆能遮挡太阳辐射，降低地表温度攀升，在外部气温非常低时，能降低散热量，从而降低昼夜温度差。DF30处理温度日演变过程相对更平缓，盖覆范围越广，坑内温度变化就越小。另外，DB30处理的坑内温度与大气温度演变态势高度吻合，但坑内温度日演变趋势近似于水平线，说明坑口盖覆具有保温作用。各处理坑底温度基本未受外部温度变化影响，DF30和DB30这两大处理的坑内日均温度分别是-0.89℃及-3.4℃，因为坑口盖覆防止热量耗散，从而达到良好保温效果。

3.2.2坑底不同壤深基于不同坑口构造的壤温日影响状态

研究分析了不同坑底壤深的温度影响日演变状态，分别就距离地面40～50cm、50～60cm、60～70cm以及70～80cm温度影响日演变曲线，如图5所示，8系不同坑底壤深之距离地面50～60cm的温度影响日演变状态。通过图线数据分析发现，随着距离地面深度的不断加增，壤温也相应加大。距离地面40～80cm内，DF30和DB30这两大处理的壤温分别提高0.9℃及1.8℃，是因为坑口盖覆降低了壤温与外界的冷热交换，使深层壤温变幅降低，维持壤温的基本稳定状态。