袁昌富,李明思,于英雷,李曉良

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003)

滴頭間距對線源滴灌土壤濕潤均勻度的影響

袁昌富,李明思,于英雷,李曉良

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003)

通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了滴頭間距對線源滴灌土壤濕潤均勻度的影響。試驗(yàn)中滴頭間距設(shè)為10、30、40、50和70cm 5個處理,滴頭流量和滴水量恒定,分別觀測分析了滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度、垂直該連線方向的濕潤均勻度、交匯區(qū)的濕潤均勻度以及地表濕潤帶的均勻度。結(jié)果表明:在試驗(yàn)范圍內(nèi)壤土沿滴頭連線方向、垂直滴頭連線方向以及交匯區(qū)的濕潤均勻度均不受滴頭間距的影響;滴頭間距大于30cm時,沙土沿滴頭連線方向的濕潤均勻度減小,而垂直滴頭連線方向和交匯區(qū)的濕潤均勻度基本不隨滴頭間距而變化,但其交匯區(qū)土壤含水量卻隨滴頭間距增大而明顯降低;滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度是評價線源滴灌質(zhì)量的最主要指標(biāo)。以上結(jié)果可以為滴頭間距和滴灌帶間距設(shè)計(jì)提供參考。

線源滴灌;滴頭間距;土壤濕潤均勻度;交匯入滲

Abstract:Based on experiments,the influence of drippers spacing on soil moisture uniformity from linear source drip irrigation were studied under the same dipper discharge and dripping water.The experiments involved different combinations of two soil types(sandy and loam soils),drippers spacing being in the range of 10～70cm,and with the dripper discharge and dripping water being constant.The results showed that the influence of drippers spacing on soil moisture uniformity mainly depended on soil types.The moisture uniformities of loam soil along and across drip line and on intersection side of wetted fronts were not influenced by drippers spacing.The moisture uniformity of sand soil along drip line did not obviously decrease until drippers spacing exceeded 30cm,and its moisture uniformity across drip line and on the intersection side of wetted fronts were not dominantly influenced by drippers spacing,but the soil water volume of wetted fronts intersection area was in reduced obviously with drippers spacing increased.The moisture uniformity along drip line is the most important quota for quality appraising of linear source drip irrigation.The results of this study are useful to the design of drip irrigation system.

Key words:linear source drip irrigation;drippers spacing;uniformity of soil moisture;infiltration and intersection

土壤濕潤均勻度是指灌水后在土層中水量分布的均勻程度[1],它是衡量灌溉質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。灌溉水量分布越均勻,作物對灌溉水(肥)的吸收利用越充分、增產(chǎn)效果越好。然而,滴灌設(shè)計(jì)中將灌水均勻度(滴灌管出流均勻度)作為設(shè)計(jì)依據(jù),混淆了其與土壤濕潤均勻度的區(qū)別。實(shí)際上灌水均勻僅僅是土壤濕潤均勻的前提條件。對于點(diǎn)源滴灌,僅僅控制灌水均勻度就可以保證每株作物獲得一致的水分條件;但是對于線源滴灌則必須控制土壤濕潤均勻度才能保證每株作物的水分環(huán)境相同。點(diǎn)源滴灌與線源滴灌的差異在于土壤濕潤區(qū)的交匯程度,如果濕潤區(qū)不交匯或交匯范圍很小,則形成點(diǎn)源滴灌;如果濕潤區(qū)交匯面積很大,則形成線源滴灌,而土壤濕潤區(qū)的交匯程度不僅取決于滴頭流量,還取決于滴頭間距。

目前,關(guān)于線源滴灌土壤濕潤均勻度與滴頭間距關(guān)系的研究還很少。李明思等[2]通過試驗(yàn)研究了線源滴灌土壤濕潤均勻性的主要影響因素及影響規(guī)律,指出線源滴灌條件下土壤濕潤均勻性還是設(shè)計(jì)滴頭流量、滴水量和滴頭間距的重要依據(jù)。文獻(xiàn)[3-8]對滴頭流量、滴頭間距與土壤濕潤狀況之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并提出了一些有價值的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?但是并沒有反映出這些灌水參數(shù)對土壤濕潤均勻度的影響。付琳[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了滴頭間距對線源滴灌土壤濕潤均勻性的影響,初步提出不同土壤相應(yīng)的濕潤直徑。文獻(xiàn)[10-15]研究了滴頭流量、滴水量、土壤質(zhì)地對交匯濕潤體形狀的影響規(guī)律。綜上所述,研究線源滴灌土壤濕潤均勻性與滴頭間距的關(guān)系,不僅有助于滴頭間距的確定,還有助于評價田間滴灌系統(tǒng)的造價,尤其是對壓力補(bǔ)償式滴頭。因此,本文研究了線源滴灌條件下滴頭間距對土壤濕潤均勻性的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2009年6-8月年在石河子大學(xué)水利與土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。供試土壤分別為沙土和壤土,其干密度分別為1.60 g/cm3和1.56 g/cm3,物理黏粒(粒徑<0.01 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.63%和23.6%,均來自石河子市十戶灘鎮(zhèn)農(nóng)田。本試驗(yàn)用馬里奧特瓶穩(wěn)壓供水,每只瓶引出1個橡膠管,模擬滴頭滴水。試驗(yàn)所用有機(jī)玻璃土槽的尺寸為100 cm×80 cm×80 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

供試土壤經(jīng)風(fēng)干和碾碎后,過2 mm孔徑的篩子,按預(yù)定土壤容重分層(每10 cm)裝入試驗(yàn)土槽。

試驗(yàn)開始前,用試管夾調(diào)控橡膠軟管出流量,使每個橡膠管出流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。滴頭間距 Se分別取為 10、30、40、50 、70 cm,滴頭流量 3 L/h,單滴頭滴水量3 L。當(dāng)Se為30 cm時,箱內(nèi)設(shè)3個滴水點(diǎn),其中一個滴水點(diǎn)距土箱邊壁5 cm;滴頭間距為70 cm時,箱內(nèi)設(shè)2個滴水點(diǎn),每個滴水點(diǎn)距邊壁15 cm,滴頭流量相等。滴水過程中,觀測不同時刻土壤濕潤鋒水平運(yùn)移距離和垂直運(yùn)移距離,以及相鄰滴頭濕潤鋒的交匯時間和交匯區(qū)寬度。停水24 h后,在土壤濕潤表面上按網(wǎng)格取土樣;豎直深度方向從地表開始每10 cm深度取一層樣,一直取到干土為止。然后用烘干法測土壤質(zhì)量含水率。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)所測的土壤質(zhì)量含水率,分析沿滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度、過滴水點(diǎn)垂直該連線方向土壤濕潤均勻度、交匯區(qū)的土壤濕潤均勻度和地表濕潤帶的均勻度,分別記為 Cu(X)、Cu(Y)、Cu(J HF)、Cu(D),四者均采用 Christiansen方法計(jì)算。具體表達(dá)式為

式(1)中:vi為第i測點(diǎn)的土壤含水量(mm)或濕潤寬度(cm);ˉv為n個測點(diǎn)的平均含水量(mm)或濕潤寬度(cm);N為總?cè)訑?shù)。

采用積分中值定理方法計(jì)算某一測點(diǎn)的土壤含水量vi及n個測點(diǎn)的土壤平均含水量ˉv:

式(2)中:hn為取樣土層深度(cm),除了每點(diǎn)的最后一次取樣,本試驗(yàn)中的其它取樣土層深度均相等;θn為地表以下不同深度處的含水率(%);vi為某測點(diǎn)的土壤含水量(mm)。

式(3)中:D為第1測點(diǎn)到第N個測點(diǎn)的距離(cm);di為相鄰兩測點(diǎn)的距離(cm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴頭間距對沿滴頭連線方向土壤濕潤均勻度的影響

線源滴灌形成帶狀的濕潤區(qū),沿帶狀方向的土壤濕潤均勻度Cu(X)是評價線源滴灌質(zhì)量的指標(biāo)之一。試驗(yàn)中,滴頭間距由小變大時,沙土和壤土的濕潤均勻度 Cu(X)變化規(guī)律截然不同,如圖1所示。

由圖1可見,對于沙土,當(dāng) Se=10～30 cm時,Cu(X)由97.73%降到93.65%,降幅在5%以內(nèi);當(dāng)Se=30～50 cm時,Cu(X)由93.65%降到80.13%,降幅超過10%,但 Cu(X)仍高于 80%;當(dāng) Se>50 cm時,沙土濕潤區(qū)不再交匯,此時 Cu(X)急劇下降。

圖1 不同滴頭間距時沿滴頭連線方向土壤濕潤均勻度Fig.1 The soil moisture uniformity along drip line under different trickle emitter spacing

滴頭連線方向取樣點(diǎn)含水量見表1。

由表1可見,沙土沿滴頭連線方向濕潤均勻度隨Se增大而減小的原因與土壤濕潤區(qū)交匯程度有密切關(guān)系。當(dāng)?shù)晤^間距很小時,濕潤區(qū)交匯程度很高,交匯區(qū)的含水量甚至高于滴頭下方的土壤含水量,交匯區(qū)就相當(dāng)于一個水源,而且這個水源對滴頭下方的土壤含水量有補(bǔ)充作用,使該處的含水量增高,所以交匯區(qū)與滴頭下方土壤含水量存在互補(bǔ)現(xiàn)象,這就造成了滴頭連線上的土壤濕潤均勻度增高。隨著滴頭間距增大,濕潤區(qū)交匯程度降低,交匯區(qū)的土壤含水量降低,雖然滴頭下方的土壤含水量也降低,但是前者的降幅大;滴頭間距由10 cm增大到50 cm時,交匯區(qū)土壤含水量降低了120.21 mm,而滴頭下方土壤含水量只下降了49.52 mm,交匯區(qū)土壤水分與滴頭下方土壤水分之間逐漸失去了互補(bǔ)作用,所以,滴頭連線上的土壤濕潤均勻度逐漸減小,直至濕潤區(qū)不交匯,土壤濕潤均勻度降至30%以下。

壤土因濕潤區(qū)大,其交匯區(qū)含水量始終大于滴頭下方的土壤含水量,而且二者之間始終存在水量互補(bǔ)。滴頭間距由10 cm增大到50 cm時,交匯區(qū)土壤含水量降低了58.07 mm,而滴頭下方土壤含水量下降63.17 mm,交匯區(qū)土壤含水量減小的幅度接近于(或略小于)滴頭下方土壤含水量的減小幅度。所以,在試驗(yàn)的滴頭間距范圍內(nèi),壤土滴頭連線上的濕潤均勻度變化較小。

表1 滴頭連線方向取樣點(diǎn)含水量Tab.1 The soil water volume along drip line

2.2 滴頭間距對垂直滴頭連線方向土壤濕潤均勻度的影響

垂直滴頭連線方向土壤濕潤均勻度 Cu(Y)是確定滴灌管鋪設(shè)位置的依據(jù)以及滴灌管兩側(cè)作物行距的依據(jù),如果該方向土壤濕潤均勻度差,會造成靠近滴灌管的作物長勢高,遠(yuǎn)離滴灌管的作物長勢矮。該方向土壤濕潤均勻度隨滴頭間距的變化如圖2所示。

圖2 不同滴頭間距時垂直滴灌管方向土壤濕潤均勻度Fig.2 The soil moisture uniformity on the direction of vertical drip line under different trickle emitter spacing

垂直滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度理論上與土壤濕潤寬度有關(guān),而與滴頭間距無關(guān)。但是由于交匯區(qū)土壤水分的疊加,使得該處相當(dāng)于出現(xiàn)了一個新的水源,這個水源對滴頭下方的土壤含水量有補(bǔ)充作用,可以使土壤濕潤區(qū)寬度增加,類似于濕潤區(qū)被“擠壓”,因此可提高垂直滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度。然而,本試驗(yàn)中這種作用很有限,對于沙土來說,只有當(dāng)?shù)晤^間距為10 cm時才明顯地表現(xiàn)出來,滴頭間距大于10 cm以后,該方向的土壤濕潤均勻度與滴頭間距無關(guān)。對于壤土來說,由于存在地表徑流,所以垂直滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度與滴頭間距之間的關(guān)系不明顯,而且壤土的濕潤均勻度始終高于沙土的濕潤均勻度。

由表2可見,隨著滴頭間距的增大,滴頭下方及其兩側(cè)的土壤含水量逐步減小,但是減小的幅度不大,二者之間的差值變化也不大。滴頭下方自身土壤含水量的變化與滴頭兩側(cè)土壤含水量變化接近,如滴頭間距由10 cm增大到50 cm時,沙土滴頭下方土壤含水量減少了49.52 mm,而滴頭兩側(cè)的土壤含水量減少了54.76 mm;壤土滴頭下方土壤含水量減少了58.30 mm,而其滴頭兩側(cè)的土壤含水量減少了58.07 mm。

這些變化特征說明了土壤濕潤區(qū)存在“擠壓”現(xiàn)象,但是“擠壓”作用很有限,滴頭間距基本上不影響垂直滴頭連線方向的土壤含水量分布,所以對該方向上的濕潤均勻度也無明顯影響。然而,沙土的含水量差值始終大于壤土的含水量差值,而沙土的含水量則始終大于壤土的含水量。造成這一現(xiàn)象的原因是由于壤土垂直入滲淺,濕潤面積大,水量分布范圍大,所以濕潤區(qū)各點(diǎn)的含水量小,而濕潤均勻度高;相反,沙土的垂直入滲深,濕潤面窄,濕潤均勻度相對較小。這說明,垂直入滲性能小的土壤其濕潤均勻性好,但濕潤淺。

表2 垂直滴頭連線方向取樣點(diǎn)含水量Tab.2 The soil water volume across drip line

2.3 滴頭間距對濕潤峰交匯界面土壤濕潤均勻度的影響

已有關(guān)于政府引導(dǎo)基金的相關(guān)研究主要從其設(shè)立動機(jī)、發(fā)展模式和投資結(jié)果進(jìn)行探討，關(guān)注其設(shè)立的必要性、組織形式和經(jīng)濟(jì)后果，為政府引導(dǎo)投資基金的設(shè)立、模式優(yōu)化和合理運(yùn)作提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。

線源滴灌土壤濕潤均勻性主要取決于濕潤體交匯程度,交匯區(qū)越大,土壤沿濕潤峰交匯界面的均勻度(即交匯區(qū)的濕潤均勻度)也會越高。本試驗(yàn)測得的交匯區(qū)土壤濕潤均勻度隨滴頭間距的變化如圖3所示。

由圖3可見,當(dāng)Se=10～50 cm時,無論沙土還是壤土,Cu(J HF)均在80%～90%變化。Se>50 cm時沙土濕潤區(qū)因不再交匯而使交匯區(qū)的濕潤均勻度突然降低至0。

圖3 不同滴頭間距時濕潤峰交匯區(qū)的土壤濕潤均勻度Fig.3 The soil moisture uniformity on the intersection side of wetted fronts under different trickle emitter spacing

濕潤峰交匯方向取樣點(diǎn)含水量見表3。

由表3可知,滴頭間距在10～50 cm范圍內(nèi)時,無論沙土還是壤土,交匯鋒中間的土壤含水量與交匯鋒其他位置的土壤含水量之間的差值變化不大;即便是交匯區(qū)中間的土壤自身含水量的變化也與其他位置自身的土壤含水量變化高度的一致,如對于沙土而言,交匯鋒中間土壤含水量降低了51.91 mm,而交匯鋒其他位置土壤含水量下降 55.90 mm;對于壤土而言,交匯鋒中間土壤含水量降低了5.82 mm,交匯鋒其他位置土壤含水量下降6.47 mm。這些變化特征說明了滴頭間距變化在一定范圍內(nèi)對交匯區(qū)的土壤濕潤均勻度沒有直接影響,交匯區(qū)的土壤濕潤均勻度變化特征類似于垂直滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度變化特點(diǎn)。

表3 濕潤峰交匯方向取樣點(diǎn)含水量Tab.3 The soil water volume on the intersection side of wetted fronts

隨著滴頭間距由小變大,沙土交匯區(qū)的含水量減小幅度遠(yuǎn)大于壤土交匯區(qū)含水量的減小幅度,說明雖然在一定范圍內(nèi)滴頭間距的變化對沙土交匯區(qū)濕潤均勻度沒有明顯影響,但是其對土壤含水量的影響明顯,而這正是造成滴頭連線方向沙土濕潤均勻度下降的原因。相比之下,壤土的土壤濕潤均勻度與滴頭間距基本無關(guān)。這表明,受交匯區(qū)濕潤狀況影響最大的是滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度,所以該方向的濕潤均勻度是評價線源滴灌質(zhì)量的最主要指標(biāo)。

2.4 滴頭間距對地表濕潤帶均勻度的影響

地表濕潤帶的均勻度Cu(D)反映了地表濕潤形狀的均勻性,雖然它不能代表土壤濕潤體的均勻性,但它卻是判斷土壤濕潤均勻度最直觀的指標(biāo)。試驗(yàn)中測得的地表濕潤帶均勻度隨滴頭間距的變化如圖4所示。

圖4 不同滴頭間距時的地表土壤濕潤均勻度Fig.4 The moisture uniformity of ground surface under different trickle emitter spacings

本試驗(yàn)中,在滴頭流量取為3 L/h、滴水量取為3 L的條件下,土壤濕潤區(qū)寬度較大,當(dāng)?shù)晤^間距很小的時候,無論沙土還是壤土,地表濕潤帶均勻度都很高。交匯區(qū)土壤含水量對滴頭下方土壤含水量的補(bǔ)充作用使土壤濕潤區(qū)寬度增加,即出現(xiàn)濕潤區(qū)“擠壓”現(xiàn)象,因此,濕潤帶的均勻度較大。但由于沙土的垂直入滲速度比水平運(yùn)移速度快,導(dǎo)致土壤濕潤體交匯程度隨滴頭間距的增大而變得越來越弱,直至無法交匯,于是其濕潤帶的均勻度隨滴頭間距增大而降低。由于壤土的交匯區(qū)始終較大,所以滴頭間距對壤土地表濕潤帶的均勻度無顯著影響。另外,圖1和圖4顯示,地表濕潤帶均勻度的變化規(guī)律與滴頭連線土壤濕潤均勻度的變化規(guī)律類似,所以可以用前者間接地評判后者的狀況。

3 結(jié)論

在滴頭流量、滴水量確定的線源滴灌條件下,滴頭間距對土壤濕潤均勻度的影響與土壤質(zhì)地關(guān)系密切。壤土滴頭連線方向、垂直滴頭連線方向以及交匯區(qū)的濕潤均勻度均不受滴頭間距影響,所以壤土上的滴頭間距及作物行距可以大一些。

沙土滴頭連線方向的濕潤均勻度受交匯區(qū)水分狀況的影響很明顯,滴頭間距較小時,滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度受滴頭間距變化的影響不大;當(dāng)?shù)晤^間距較大時,滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度顯著減小,直到濕潤區(qū)不再交匯,滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度將小于灌水質(zhì)量允許值。

沙土垂直滴頭連線方向和交匯區(qū)的濕潤均勻度隨著滴頭間距的增大而具有相似的變化特征,即在一定的滴頭間距變化范圍內(nèi),兩者基本上不受滴頭間距變化的影響,但是,其土壤含水量卻受到明顯影響。

綜上所述,對于線源滴灌而言,滴頭間距對滴頭連線方向的土壤濕潤均勻度的影響最大,該方向的土壤濕潤均勻度是評價線源滴灌質(zhì)量的最主要指標(biāo)。

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Effects of Drippers Spacing on Soil Moisture Uniformity under Linear Source Drip Irrigation

YUAN Changfu,LI Mingsi,YU Yinglei,LI Xiaoliang
(College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S275.6

A

1007-7383(2010)04-0492-05

2009-04-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50569004)

袁昌富(1980-),男,講師,碩士研究生,從事農(nóng)業(yè)高效用水理論及新技術(shù)研究;e-mail:ycf2008@shzu.edu.cn。

李明思(1965-),男,教授,從事灌溉理論及技術(shù)研究;e-mail:Leemince-709@163.com。