基于濕潤(rùn)體特征的無(wú)壓灌溉灌水定額計(jì)算

基于濕潤(rùn)體特征的無(wú)壓灌溉灌水定額計(jì)算

0不同灌溉體制下濕無(wú)壓力灌溉是一種新型的高效集中灌溉技術(shù)，其特點(diǎn)是高效集中的灌溉。無(wú)壓灌溉利用土壤與灌水器之間的水勢(shì)梯度將水分運(yùn)送到作物根區(qū),而且只有當(dāng)灌水器與濕潤(rùn)鋒之間的水勢(shì)梯度達(dá)到一個(gè)很小的值時(shí)入滲過(guò)程才結(jié)束。因此無(wú)壓灌溉時(shí),管道首部無(wú)需加壓,且整個(gè)濕潤(rùn)土體內(nèi)的含水率值不會(huì)達(dá)到飽和含水量。這樣的含水率分布特征,不僅能夠滿足作物的正常需水,還能有效的防止深層滲漏,這是其他灌水技術(shù)很難達(dá)到的要求。濕潤(rùn)體徑向最大濕潤(rùn)距離x(t)、垂向最大濕潤(rùn)距離h(t)和濕潤(rùn)體體積v(t)是濕潤(rùn)體的三個(gè)重要特征值。掌握特定灌水技術(shù)下的濕潤(rùn)體特征值變化規(guī)律及其定量化解法,是進(jìn)行灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)作物進(jìn)行高水平水分管理的前提和基礎(chǔ)。B-Asher等(1986年)利用通量密度場(chǎng)的概念,提出了地表三維點(diǎn)源入滲數(shù)學(xué)模型-等效半球模型,建立了表示土壤濕潤(rùn)體半徑和入滲時(shí)間、滴頭流量及土壤含水率等因素的數(shù)學(xué)表達(dá)式。張振華等(2004年)對(duì)該點(diǎn)源入滲等效半球模型進(jìn)行了推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。雷廷武(1994年)根據(jù)濕潤(rùn)比的合理定義,按照實(shí)際單個(gè)滴頭下濕潤(rùn)體的形狀,提出了用地表濕潤(rùn)面積(直徑)進(jìn)行濕潤(rùn)比計(jì)算的精確實(shí)用方法;李光永等(1995年)提出了一種計(jì)算地表點(diǎn)源滴灌土壤水分入滲濕潤(rùn)體特征值的通用數(shù)值方法;張振華等(2003年)對(duì)地表滴灌土壤濕潤(rùn)體特征值進(jìn)行了研究,提出了一種基于易觀測(cè)的徑向最大濕潤(rùn)距離的經(jīng)驗(yàn)解模型。但是這些研究都是針對(duì)地表滴灌的灌水方式,而對(duì)難于直接進(jìn)行觀測(cè)的地下灌溉土壤濕潤(rùn)體特征值的研究較少。因此,對(duì)無(wú)壓灌溉土壤濕潤(rùn)體特征值的研究有著很大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文目的是:根據(jù)無(wú)壓地下灌溉土壤濕潤(rùn)體形狀為球體,且球內(nèi)含水率在以灌水器為中心的同心球面上等值分布的特點(diǎn),推導(dǎo)濕潤(rùn)體特征值的表達(dá)式,并以該表達(dá)式為基礎(chǔ),找尋無(wú)壓灌溉灌水定額的計(jì)算方法。1水分運(yùn)移對(duì)含水率的影響在無(wú)壓灌溉過(guò)程中,供水壓力變化小,因此灌水器出水主要是灌水器內(nèi)外水勢(shì)梯度的作用,即灌水器周圍的土壤含水率低于飽和含水率;在水分運(yùn)移過(guò)程中,重力相對(duì)于毛管力而言,其作用較小,不是主導(dǎo)因素。若假設(shè)供試土壤為均質(zhì)土、土壤初始含水率均一、水分運(yùn)移過(guò)程中水的重力作用為零,則由土壤的各向同性可知,各個(gè)方向的水勢(shì)梯度將相同。于是,濕潤(rùn)土體的形狀可近似認(rèn)為是以灌水器為中心的球體,且以灌水器為中心的一族同心球面是土壤水勢(shì)的等勢(shì)面,即在各個(gè)球面上含水率值相等。由此可知,濕潤(rùn)土體內(nèi)各點(diǎn)的含水率θ可表示為濕潤(rùn)體半徑r的函數(shù),即:作者通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)孔口出水速率趨于零時(shí)無(wú)壓灌溉土壤濕潤(rùn)體形狀和濕潤(rùn)體內(nèi)含水率分布規(guī)律進(jìn)行了研究,并建立了模擬模型。結(jié)果表明,在水分運(yùn)移過(guò)程中,濕潤(rùn)體形狀受灌水器埋設(shè)深度(h)和灌水量大小的影響,分別表現(xiàn)為球體和球冠兩種形式(圖1)。以濕潤(rùn)體內(nèi)的實(shí)測(cè)含水率θ為因變量,以徑向最大濕潤(rùn)距離和垂向最大濕潤(rùn)距離計(jì)算的濕潤(rùn)體半徑為自變量,所推導(dǎo)的表征濕潤(rùn)體內(nèi)含水率分布規(guī)律的模擬模型為:式中:θ為土壤濕潤(rùn)體內(nèi)任一等值面上的含水率(質(zhì)量比),%;a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),其值與技術(shù)參數(shù)(壓力、孔徑、埋深等)的組合有關(guān),-a表征含水率沿r方向的變化加速度,cm-2;c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),其值與技術(shù)參數(shù)(壓力、孔徑、埋深等)的組合有關(guān);θmax為土壤濕潤(rùn)體內(nèi)最大含水率(質(zhì)量比),通常分布在灌水器周圍,%;θ0為土壤濕潤(rùn)體內(nèi)任一位置處的土壤含水率(質(zhì)量比),且θmax≠θ0,%;r0為θ0所在等值面的濕潤(rùn)體半徑,cm。式(2)表明,只要測(cè)量出灌水器周圍點(diǎn)的含水率值(c值)和其他任一點(diǎn)處的含水率值(a值),就可用該模型預(yù)測(cè)出整個(gè)濕潤(rùn)體內(nèi)含水率的分布情況。若孔口出水速率趨于零時(shí)的入滲水量為W,濕潤(rùn)體體積為V,濕潤(rùn)體內(nèi)的平均體積含水率為γθ,則:根據(jù)無(wú)壓灌溉土壤濕潤(rùn)體內(nèi)含水率沿等值面分布的特點(diǎn),由下述的積分方程可推導(dǎo)得濕潤(rùn)體特征值的模擬模型。(1)濕體為球體時(shí)(2)不同無(wú)壓灌溉溫濕度體特征值模型的建立式中:W為入滲水量,g;γ為土壤容重,g/cm3;h為灌水器埋設(shè)深度,cm。從數(shù)學(xué)角度講,球體是球冠的一種特殊情況,即當(dāng)r≤h時(shí),式(4)和式(5)相同,因此無(wú)壓灌溉濕潤(rùn)體特征值模型可統(tǒng)一為式(5)的形式。在實(shí)際應(yīng)用中,可通過(guò)觀察土壤表層是否濕潤(rùn)來(lái)判斷濕潤(rùn)體形狀,即當(dāng)土壤表層濕潤(rùn)時(shí),濕潤(rùn)體形狀為球冠,此時(shí)可直接利用式(5)進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)土壤表層未濕潤(rùn)時(shí),濕潤(rùn)體形狀為球體,此時(shí)需將h=r代入式(5)后再進(jìn)行計(jì)算。2灌溉時(shí)灌溉體大小及含水率分布由上述分析可知,當(dāng)灌水器埋設(shè)深度一定時(shí),無(wú)壓灌溉濕潤(rùn)體內(nèi)含水率分布與濕潤(rùn)體特征值(r,V)均僅為灌溉水量的函數(shù),因此如果灌溉水量已知,則灌水后的濕潤(rùn)體大小及含水率分布情況都可計(jì)算出來(lái)。反之,當(dāng)濕潤(rùn)體大小已知時(shí),用式(5)可以計(jì)算出所需的灌溉水量,即一次灌溉的灌水定額。2.1前土壤含水率測(cè)定無(wú)壓灌溉是微灌的一種類型,按照微灌灌水定額計(jì)算方法:式中:W為灌水定額,mm;θ田、θ0分別為田間持水量和灌前土壤含水率,以干土重%計(jì);H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,cm;p為微灌土壤濕潤(rùn)比,%;γ為土壤干容重,t/m3。由式(6)可以看出,用該方法計(jì)算灌水定額時(shí)需要同時(shí)知道土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和濕潤(rùn)比。根據(jù)前文無(wú)壓灌溉土壤濕潤(rùn)體特征值的模擬模型,灌水定額也可用下式計(jì)算:由式(7)可以看出,用該方法計(jì)算灌水定額時(shí)只需要知道土壤濕潤(rùn)體半徑。2.2灌溉2.2.1作物特定生育期內(nèi)根系的分布特點(diǎn)在無(wú)壓灌溉技術(shù)的大田應(yīng)用中,為達(dá)到精確灌水,濕潤(rùn)體半徑要根據(jù)作物特定生育期內(nèi)根系的分布特點(diǎn)而定。假設(shè)單個(gè)出水孔控制的灌溉面積為A(長(zhǎng)為植株間距,寬為植株行距或根據(jù)作物根系分布規(guī)律所取的某一具體值),出水孔埋設(shè)深度為h,計(jì)劃濕潤(rùn)的土體半徑為r。(1)灌溉水量計(jì)算方法若由式(6)計(jì)算灌水定額,則計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為:計(jì)劃濕潤(rùn)的土壤體積為:計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)總土壤體積為:濕潤(rùn)比為:灌溉水量W為:若由特征值模型計(jì)算灌水定額,則灌溉水量W如式(7)所示。(2)灌溉水量計(jì)算若由式(6)計(jì)算灌水定額,則計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為:計(jì)劃濕潤(rùn)的土壤體積為:計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)總土壤體積為:濕潤(rùn)比為:灌溉水量W為:若由式(7)計(jì)算灌水定額,則把h=r代入式(7)可得灌溉水量W為:2.2.2已具備概況條件當(dāng)作物根系分布規(guī)律未知時(shí),常將濕潤(rùn)比(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值)作為已知條件。當(dāng)濕潤(rùn)比p已知時(shí),因用式(6)無(wú)法確定計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,用式(7)無(wú)法確定濕潤(rùn)體半徑,因此僅利用式(6)或式(7)均無(wú)法計(jì)算灌水定額,為此須將二式聯(lián)立求解。(1)當(dāng)濕地體為球冠時(shí)，濕地的半徑r由等式11確定將式(19)代入式(7)即可得灌溉水量W。(2)當(dāng)濕地體為球形時(shí)，從方程16中重新解釋濕潤(rùn)體的半徑r將式(20)代入式(7)即可得灌溉水量W。2.3含水率上下限對(duì)于某一特定的實(shí)際灌水定額設(shè)計(jì)問(wèn)題,作物類型、土壤、供水壓力、灌水器直徑和埋設(shè)深度已經(jīng)確定,這時(shí)可根據(jù)作物生長(zhǎng)的要求選取土壤含水率上下限。2.3.1土壤水分的測(cè)量同滲灌、滴灌等節(jié)水灌溉方式一樣,無(wú)壓灌溉技術(shù)為實(shí)現(xiàn)作物的精確、適時(shí)灌溉提供了可能,而利用張力計(jì)等監(jiān)測(cè)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化為適時(shí)灌溉提供了參考依據(jù)。但由于無(wú)壓灌溉條件下的土壤濕潤(rùn)特點(diǎn)不同于地面灌和噴灌,因此對(duì)土壤水分狀況的測(cè)量和評(píng)價(jià)提出了更高的要求。如何用局部土壤的水分狀況反映土壤對(duì)作物的整體供水能力,即如何埋設(shè)張力計(jì)問(wèn)題,許多學(xué)者對(duì)此作出了研究。Coelho通過(guò)數(shù)值模擬研究認(rèn)為土壤水分傳感器的測(cè)量效果主要受灌水時(shí)間間隔和作物生育期的影響,并且受灌水時(shí)間間隔的影響比受生育期的影響要大,但是這種方法的局限性在于找不到好的模型,而且模型參數(shù)的取得過(guò)程較為復(fù)雜。更多的研究者采用經(jīng)驗(yàn)方法,例如,Haise認(rèn)為應(yīng)將張力計(jì)放在根系活動(dòng)層的底部和頂部,Shock等認(rèn)為對(duì)于洋蔥應(yīng)放在20cm處,但這些方法都不具有通用性。在無(wú)壓灌溉結(jié)束后,根據(jù)濕潤(rùn)體形狀為球冠的特點(diǎn),可由式(3)計(jì)算出濕潤(rùn)體內(nèi)的平均含水率:將式(21)代入式(2)即可得平均含水率所在等值面的濕潤(rùn)體半徑ra。大田試驗(yàn)中,若將張力計(jì)等監(jiān)測(cè)土壤水分的儀器埋設(shè)在距離灌水器ra處,就可象地面灌溉一樣適時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分變化并用于指導(dǎo)灌溉。例如,當(dāng)供水壓力為-3cm,灌水器直徑為6mm,埋設(shè)深度為10cm時(shí),由參考文獻(xiàn)中的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知,入滲速率趨于零時(shí)的濕潤(rùn)體半徑為20.28cm,最大含水率為27.91%,,經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a為-0.02366,則濕潤(rùn)體內(nèi)的平均含水率為22.317%,平均含水率所在等值面的濕潤(rùn)體半徑ra為16.62cm。2.3.2濕濕度設(shè)計(jì)及灌溉水量的確定作物為結(jié)果期番茄,株距30cm,行距50cm,供水壓力為-3cm,灌水器直徑為6mm,灌水器埋設(shè)深度為10cm。土壤為陜西楊凌的塿土,干土體積質(zhì)量為1.4g/cm3,田間持水量為23.46%,灌水下限為70%的田間持水量。根據(jù)結(jié)果期番茄根系主要集中在30cm耕作層以內(nèi)的分布特點(diǎn),將濕潤(rùn)體半徑設(shè)計(jì)為20.28cm,則由上述分析可知,番茄結(jié)果期張力計(jì)應(yīng)埋設(shè)在半徑為16.62cm處,考慮到根系的主要分布區(qū)域及張力計(jì)埋設(shè)太淺容易受到破壞的原因,建議張力計(jì)埋設(shè)深度為20cm,距灌水器的水平距離為13.27cm。當(dāng)張力計(jì)讀數(shù)達(dá)到下限值時(shí)即開始灌水。此時(shí)若用微灌法計(jì)算灌溉水量,則由式(8)～(12)可得:計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為30.28cm,計(jì)劃濕潤(rùn)的土壤體積為29342.27cm3,計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)總土壤體積為45420cm3,濕潤(rùn)比為64.602%,灌溉水量為19.274mm。當(dāng)用特征值模型計(jì)算灌溉水量時(shí),則由式(7)可得灌溉后濕潤(rùn)體內(nèi)的總水量為9503.612g。此時(shí),因濕潤(rùn)體內(nèi)的平均初始含水率為70%的田間持水量,即16.422%,所以由式(3)可計(jì)算得灌溉前濕潤(rùn)體內(nèi)的水量為6746.022g。故所需的灌溉水量為2757.59g,即18.384mm。與微灌法計(jì)算結(jié)果相比,相對(duì)誤差為4.618%。3計(jì)算結(jié)果對(duì)比通過(guò)對(duì)無(wú)壓灌溉土壤濕潤(rùn)體特征值模擬模型的研究可以發(fā)現(xiàn),濕潤(rùn)體特征值僅是灌溉水量的函數(shù),因此該模型可作為無(wú)壓灌溉技術(shù)灌水定