蓄雨屋顶超纤渗灌系统土壤含水率分布特征
2022-07-13王志强黄思宇潘昶江张清涛
王志强,黄思宇,潘昶江,张清涛*
▪灌溉技术与装备▪
蓄雨屋顶超纤渗灌系统土壤含水率分布特征
王志强1,2,3,黄思宇2,4,潘昶江2,4,张清涛1,2,3*
(1.中山大学 土木工程学院,广东 珠海 519082;2.中山大学 华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室,广州 510275;3.广东省海洋土木工程重点实验室,广东 珠海 519082;4.中山大学 地理科学与规划学院,广州 510275)
【目的】灌溉难是城市绿色屋顶发展的一个重要限制因素。为了克服屋顶灌溉难题,本文提出了一种新型的自动节水渗灌技术,即超细纤维毛细芯渗灌(超纤渗灌)。【方法】通过屋顶试验研究了该渗灌系统的土壤含水率分布特征,并评估了方向盘式超纤渗灌、环状超纤渗灌、直芯超纤渗灌的灌水均匀度。【结果】土壤含水率按照方向盘式超纤渗灌、环状超纤渗灌、直芯超纤渗灌方式递减,且3 种超纤渗灌的平均土壤含水率比无渗灌高出46.7%。环状超纤渗灌与方向盘式超纤渗灌的克里斯琴森均匀系数CUC相差不大。方向盘式超纤渗灌平台以及环状超纤渗灌平台土壤含水率高于5%的时间大于95%。供水半径为25、20、15、10 cm 和5 cm 处,环状超纤渗灌比直芯超纤渗灌CUC分别高1.6%、4.2%、4.8%、4.3%和9.3%。【结论】超纤渗灌供水能力良好,具备自动灌溉、提高以及稳定土壤含水率的能力,将会缓解屋顶植被缺水干旱现象并促进绿色屋顶的健康运行。
超纤渗灌;土壤含水率;供水均匀度;克里斯琴森均匀系数;屋顶灌溉
0 引 言
【研究意义】绿色屋顶是低影响开发的重要措施,对雨水径流控制管理[1]、城市水质改善[2]、节能降噪、缓解城市热岛效应[3]均至关重要。水分是影响屋顶植物生长的主要环境因素,仅依靠土壤蓄存雨水无法满足植物正常生长需求[4-5],即使在华南地区的绿色屋顶植物也会遭受严重的水分胁迫以及死亡风险[6]。因此,在有限的水资源条件下,实现节水灌溉技术与屋顶绿化的有机结合,是推广屋顶绿化的重要保证条件。
【研究进展】屋顶绿化现有的灌溉方式大致分为传统灌溉与智能灌溉,传统灌溉方式主要有喷灌、滴灌、渗灌[7]。Sun 等[3]开发了一套智能灌溉模块,发现智能灌溉绿色屋顶可以提高屋顶热性能、增强绿色屋顶蒸散发,但灌溉成本很高。在欧洲国家,屋顶滴灌应用很广泛[8-9],但成本较高且滴头易堵塞。喷灌虽然可以改善屋顶小气候但受风影响很大且容易造成屋顶积水,进而应用受限[10]。国外的绿色屋顶也流行垫管灌溉[11],即将土工织物缠绕在管道上,连接一个垫子,将其埋在植物根部,类似于芯吸。渗灌已经被应用于屋顶绿化中,但渗灌技术目前主要受限于渗灌管的堵塞问题[12]。谭圣林等[13]研究发现,目前渗灌也容易在根区形成点源局部灌溉,造成土壤含水率分布不均匀。超细纤维毛细芯(超纤,Microfiber Capillary Wicking,MCW)渗灌技术利用超纤连接水源和土壤层,受到土壤—植物耦合诱导,借助毛细管力克服重力和土壤水势梯度缓慢而持续的浸润土壤,实现生产函数高利用率自动调节供水[14-17]。超纤渗灌不耗能、解决渗灌管道堵塞问题、减少土壤无效蒸发、不会导致土壤硬化,具有广阔的应用前景。孙伊博等[18]在宁夏田间葡萄试验发现超纤渗灌比沟灌能更有效地降低水分胁迫,从而增加产量、含糖量、糖酸比和花色苷量。
【切入点】在屋顶绿化中,传统灌溉方式大多耗时费力、能耗大、不能随需灌水。其智能灌溉方式虽然避免人工管理,实现精准、精量、及时灌溉,但技术复杂、普及困难、首次投入成本高。蓄雨屋顶超纤渗灌不失为一种简单、性价比高、能够存储替代灌溉源(如雨水或灰色水)进行自动调控供水的优选灌溉方式。但目前尚不清楚蓄雨屋顶超纤渗灌的土壤含水率分布特征、灌水均匀度及其灌溉能力。
【拟解决的问题】灌水均匀度是检测和评判灌溉系统设计好坏的重要依据,也是进行系统管理的基础,还可作为诊断系统设施完好与否的重要参考[19-20]。为了有效评估灌水均匀度,需要采用合适的灌溉评估指标。常用的指标有克里斯琴森均匀系数(CUC)、分布均匀系数(DU)、赫尔曼—海因均匀系数(CUH)以及灌溉变异系数(CV)。因此本研究基于对蓄雨屋顶3 种不同结构(方向盘式、环状、直芯)超纤渗灌均匀性的研究,通过土壤含水率分布情况评估超纤渗灌的灌溉能力,为超纤渗灌在屋顶绿化的设计和运行推广提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验布置
超纤渗灌试验设置在广州市中山大学校园屋顶(23.092°N,113.301°E,100.7 kPa;高程10 m),位置开阔,屋面搭建小型气象站。屋顶平均温度在19.2~25.3 ℃之间变化;最冷月份为1月,月平均最低温度为15.6 ℃,7月平均温度为32.8 ℃;年降雨量大约为1 700 mm,年降雨时间超过165 d,集中降雨时间是4—9月,占全年降雨量的80%,雨热同期,降雨季节分布不均;年平均相对湿度为75.6%~79.3%。
超纤渗灌试验时间为2017年5月27日—8月29日。试验屋顶布置了4 个150 cm×150 cm×50 cm 的有机玻璃蓄雨平台,标号为A(方向盘式超纤渗灌平台)、B(环状超纤渗灌平台)、C(直芯超纤渗灌平台)、D(无渗灌平台)。如图1 所示,4 个有机玻璃蓄雨平台自上而下按植物层、15 cm 土壤层、5 cm 过滤层、10 cm 蓄雨层的垂直结构铺设[21]。土壤层土壤基质按园土配比,即腐殖质∶河沙∶草木灰∶蛭石=4∶3∶2∶1,土壤体积质量约为0.96 g/cm3,土壤pH 值略小于7,田间持水率约为28%(体积含水率)。所有的蓄雨平台过滤层由1 层5 cm 厚的固定多孔板固定,上面铺设2 层土工布,防止土壤掉入蓄水层中;另外,10 cm 蓄雨层常常蓄雨不满,有几厘米的空气层,所以土壤毛细作用也无法直接从蓄水层中吸水。为了能使蓄雨层支撑起挡水板以上的质量,本试验中使用陶粒填满蓄雨层。陶粒疏松多孔,具有水分吸收率大、密度小、抗压性强等特点。陶粒可以将水分吸收储存在多孔结构内,同时当蓄雨层的水干涸之后,缓慢释放出体内储存的水分供超纤渗灌使用,缩短了植被遭受干旱的时间。为了防止土壤层饱和,试验平台在过滤层上边界处设置了6 个15 cm 高度(直径5 mm)的排水口,因此蓄雨层能够正常蓄水。
在标号为A、B、C 的有机玻璃蓄雨平台内依次分别放置土壤埋深8 cm 的3 个外径为16 cm 的方向盘式超细纤维毛细芯(方向盘式超纤,steering wheel Microfiber Capillary Wicking,swMCW)、3 个外径为16 cm 的环状超细纤维毛细芯(环状超纤,cyclic annular Microfiber Capillary Wicking,caMCW)以及3 个超细纤维毛细直芯(直芯超纤,straight Microfiber Capillary Wicking,sMCW),平台D内设置空白对照,不放置毛细芯(无渗灌,None)。超纤的中心间距均为50 cm。使用ML3-HH2 便携式土壤水分仪(Delta-T,英国)圆柱式防水探头分别记录距离供水轴心5、10、15、20 cm 以及25 cm 处的土壤含水率;以环状超纤渗灌为例,每一供水半径处实测3 个数据,每个平台内测量3 组(图2)。ML3-HH2 便携式土壤水分仪测量范围为0~100%(体积含水率),测量精度为±1%。
试验过程中,除了刚布置完蓄雨平台时往蓄雨层补充过水分以外,其余时间只通过蓄积的雨水作为渗灌水源。
图1 有机玻璃蓄雨平台内超纤渗灌系统垂直结构剖面示意图Fig.1 The vertical structure schematic profile of microfiber capillary wicking infiltrating irrigation in plexiglass water storage platform
图2 环状超纤渗灌系统水分供水半径测点布局Fig.2 The different water supply radius test site layout in cyclic annular microfiber capillary wicking infiltrating irrigation system
1.2 灌溉均匀度基本公式
克里斯琴森均匀系数(CUC)、分布均匀系数(DU)、赫尔曼—海因均匀系数(CUH)以及灌溉变异系数(CV)是用来确定灌溉系统均匀性的常用指标。
1)土壤含水率横向移动的均匀系数采用克里斯琴森均匀系数(CUC)[22]进行计算,该系数描述的是测点土壤含水率与平均土壤含水率偏差的绝对值之和与总土壤含水率的比值,可以较好地表征整个系统水量分布与平均值偏差的情况。CUC计算见式(1)。
式中: