基于濕潤體特征的無壓灌溉灌水定額計算

基于濕潤體特征的無壓灌溉灌水定額計算

0不同灌溉體制下濕無壓力灌溉是一種新型的高效集中灌溉技術(shù)，其特點是高效集中的灌溉。無壓灌溉利用土壤與灌水器之間的水勢梯度將水分運送到作物根區(qū),而且只有當(dāng)灌水器與濕潤鋒之間的水勢梯度達到一個很小的值時入滲過程才結(jié)束。因此無壓灌溉時,管道首部無需加壓,且整個濕潤土體內(nèi)的含水率值不會達到飽和含水量。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)很難達到的要求。濕潤體徑向最大濕潤距離x(t)、垂向最大濕潤距離h(t)和濕潤體體積v(t)是濕潤體的三個重要特征值。掌握特定灌水技術(shù)下的濕潤體特征值變化規(guī)律及其定量化解法,是進行灌溉系統(tǒng)設(shè)計和對作物進行高水平水分管理的前提和基礎(chǔ)。B-Asher等(1986年)利用通量密度場的概念,提出了地表三維點源入滲數(shù)學(xué)模型-等效半球模型,建立了表示土壤濕潤體半徑和入滲時間、滴頭流量及土壤含水率等因素的數(shù)學(xué)表達式。張振華等(2004年)對該點源入滲等效半球模型進行了推導(dǎo)和實驗驗證。雷廷武(1994年)根據(jù)濕潤比的合理定義,按照實際單個滴頭下濕潤體的形狀,提出了用地表濕潤面積(直徑)進行濕潤比計算的精確實用方法;李光永等(1995年)提出了一種計算地表點源滴灌土壤水分入滲濕潤體特征值的通用數(shù)值方法;張振華等(2003年)對地表滴灌土壤濕潤體特征值進行了研究,提出了一種基于易觀測的徑向最大濕潤距離的經(jīng)驗解模型。但是這些研究都是針對地表滴灌的灌水方式,而對難于直接進行觀測的地下灌溉土壤濕潤體特征值的研究較少。因此,對無壓灌溉土壤濕潤體特征值的研究有著很大的理論價值和現(xiàn)實意義。本文目的是:根據(jù)無壓地下灌溉土壤濕潤體形狀為球體,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,推導(dǎo)濕潤體特征值的表達式,并以該表達式為基礎(chǔ),找尋無壓灌溉灌水定額的計算方法。1水分運移對含水率的影響在無壓灌溉過程中,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;在水分運移過程中,重力相對于毛管力而言,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、水分運移過程中水的重力作用為零,則由土壤的各向同性可知,各個方向的水勢梯度將相同。于是,濕潤土體的形狀可近似認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的等勢面,即在各個球面上含水率值相等。由此可知,濕潤土體內(nèi)各點的含水率θ可表示為濕潤體半徑r的函數(shù),即:作者通過大量室內(nèi)試驗,對孔口出水速率趨于零時無壓灌溉土壤濕潤體形狀和濕潤體內(nèi)含水率分布規(guī)律進行了研究,并建立了模擬模型。結(jié)果表明,在水分運移過程中,濕潤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)。以濕潤體內(nèi)的實測含水率θ為因變量,以徑向最大濕潤距離和垂向最大濕潤距離計算的濕潤體半徑為自變量,所推導(dǎo)的表征濕潤體內(nèi)含水率分布規(guī)律的模擬模型為:式中:θ為土壤濕潤體內(nèi)任一等值面上的含水率(質(zhì)量比),%;a為經(jīng)驗系數(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所在等值面的濕潤體半徑,cm。式(2)表明,只要測量出灌水器周圍點的含水率值(c值)和其他任一點處的含水率值(a值),就可用該模型預(yù)測出整個濕潤體內(nèi)含水率的分布情況。若孔口出水速率趨于零時的入滲水量為W,濕潤體體積為V,濕潤體內(nèi)的平均體積含水率為γθ,則:根據(jù)無壓灌溉土壤濕潤體內(nèi)含水率沿等值面分布的特點,由下述的積分方程可推導(dǎo)得濕潤體特征值的模擬模型。(1)濕體為球體時(2)不同無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,式(4)和式(5)相同,因此無壓灌溉濕潤體特征值模型可統(tǒng)一為式(5)的形式。在實際應(yīng)用中,可通過觀察土壤表層是否濕潤來判斷濕潤體形狀,即當(dāng)土壤表層濕潤時,濕潤體形狀為球冠,此時可直接利用式(5)進行計算;當(dāng)土壤表層未濕潤時,濕潤體形狀為球體,此時需將h=r代入式(5)后再進行計算。2灌溉時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,無壓灌溉濕潤體內(nèi)含水率分布與濕潤體特征值(r,V)均僅為灌溉水量的函數(shù),因此如果灌溉水量已知,則灌水后的濕潤體大小及含水率分布情況都可計算出來。反之,當(dāng)濕潤體大小已知時,用式(5)可以計算出所需的灌溉水量,即一次灌溉的灌水定額。2.1前土壤含水率測定無壓灌溉是微灌的一種類型,按照微灌灌水定額計算方法: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;H為土壤計劃濕潤層深度,cm;p為微灌土壤濕潤比,%;γ為土壤干容重,t/m3。由式(6)可以看出,用該方法計算灌水定額時需要同時知道土壤計劃濕潤層深度和濕潤比。根據(jù)前文無壓灌溉土壤濕潤體特征值的模擬模型,灌水定額也可用下式計算:由式(7)可以看出,用該方法計算灌水定額時只需要知道土壤濕潤體半徑。2.2灌溉2.2.1作物特定生育期內(nèi)根系的分布特點在無壓灌溉技術(shù)的大田應(yīng)用中,為達到精確灌水,濕潤體半徑要根據(jù)作物特定生育期內(nèi)根系的分布特點而定。假設(shè)單個出水孔控制的灌溉面積為A(長為植株間距,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,計劃濕潤的土體半徑為r。(1)灌溉水量計算方法若由式(6)計算灌水定額,則計劃濕潤層深度為:計劃濕潤的土壤體積為:計劃濕潤層內(nèi)總土壤體積為:濕潤比為:灌溉水量W為:若由特征值模型計算灌水定額,則灌溉水量W如式(7)所示。(2)灌溉水量計算若由式(6)計算灌水定額,則計劃濕潤層深度為:計劃濕潤的土壤體積為:計劃濕潤層內(nèi)總土壤體積為:濕潤比為:灌溉水量W為:若由式(7)計算灌水定額,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,常將濕潤比(根據(jù)經(jīng)驗取值)作為已知條件。當(dāng)濕潤比p已知時,因用式(6)無法確定計劃濕潤層深度,用式(7)無法確定濕潤體半徑,因此僅利用式(6)或式(7)均無法計算灌水定額,為此須將二式聯(lián)立求解。(1)當(dāng)濕地體為球冠時，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，從方程16中重新解釋濕潤體的半徑r將式(20)代入式(7)即可得灌溉水量W。2.3含水率上下限對于某一特定的實際灌水定額設(shè)計問題,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,這時可根據(jù)作物生長的要求選取土壤含水率上下限。2.3.1土壤水分的測量同滲灌、滴灌等節(jié)水灌溉方式一樣,無壓灌溉技術(shù)為實現(xiàn)作物的精確、適時灌溉提供了可能,而利用張力計等監(jiān)測土壤水分的動態(tài)變化為適時灌溉提供了參考依據(jù)。但由于無壓灌溉條件下的土壤濕潤特點不同于地面灌和噴灌,因此對土壤水分狀況的測量和評價提出了更高的要求。如何用局部土壤的水分狀況反映土壤對作物的整體供水能力,即如何埋設(shè)張力計問題,許多學(xué)者對此作出了研究。Coelho通過數(shù)值模擬研究認為土壤水分傳感器的測量效果主要受灌水時間間隔和作物生育期的影響,并且受灌水時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)的取得過程較為復(fù)雜。更多的研究者采用經(jīng)驗方法,例如,Haise認為應(yīng)將張力計放在根系活動層的底部和頂部,Shock等認為對于洋蔥應(yīng)放在20cm處,但這些方法都不具有通用性。在無壓灌溉結(jié)束后,根據(jù)濕潤體形狀為球冠的特點,可由式(3)計算出濕潤體內(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體半徑ra。大田試驗中,若將張力計等監(jiān)測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監(jiān)測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,由參考文獻中的室內(nèi)試驗結(jié)果可知,入滲速率趨于零時的濕潤體半徑為20.28cm,最大含水率為27.91%,,經(jīng)驗系數(shù)a為-0.02366,則濕潤體內(nèi)的平均含水率為22.317%,平均含水率所在等值面的濕潤體半徑ra為16.62cm。2.3.2濕濕度設(shè)計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,將濕潤體半徑設(shè)計為20.28cm,則由上述分析可知,番茄結(jié)果期張力計應(yīng)埋設(shè)在半徑為16.62cm處,考慮到根系的主要分布區(qū)域及張力計埋設(shè)太淺容易受到破壞的原因,建議張力計埋設(shè)深度為20cm,距灌水器的水平距離為13.27cm。當(dāng)張力計讀數(shù)達到下限值時即開始灌水。此時若用微灌法計算灌溉水量,則由式(8)～(12)可得:計劃濕潤層深度為30.28cm,計劃濕潤的土壤體積為29342.27cm3,計劃濕潤層內(nèi)總土壤體積為45420cm3,濕潤比為64.602%,灌溉水量為19.274mm。當(dāng)用特征值模型計算灌溉水量時,則由式(7)可得灌溉后濕潤體內(nèi)的總水量為9503.612g。此時,因濕潤體內(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)可計算得灌溉前濕潤體內(nèi)的水量為6746.022g。故所需的灌溉水量為2757.59g,即18.384mm。與微灌法計算結(jié)果相比,相對誤差為4.618%。3計算結(jié)果對比通過對無壓灌溉土壤濕潤體特征值模擬模型的研究可以發(fā)現(xiàn),濕潤體特征值僅是灌溉水量的函數(shù),因此該模型可作為無壓灌溉技術(shù)灌水定