基于湿润体特征的无压灌溉灌水定额计算

基于湿润体特征的无压灌溉灌水定额计算

0不同灌溉体制下湿无压力灌溉是一种新型的高效集中灌溉技术，其特点是高效集中的灌溉。无压灌溉利用土壤与灌水器之间的水势梯度将水分运送到作物根区,而且只有当灌水器与湿润锋之间的水势梯度达到一个很小的值时入渗过程才结束。因此无压灌溉时,管道首部无需加压,且整个湿润土体内的含水率值不会达到饱和含水量。这样的含水率分布特征,不仅能够满足作物的正常需水,还能有效的防止深层渗漏,这是其他灌水技术很难达到的要求。湿润体径向最大湿润距离x(t)、垂向最大湿润距离h(t)和湿润体体积v(t)是湿润体的三个重要特征值。掌握特定灌水技术下的湿润体特征值变化规律及其定量化解法,是进行灌溉系统设计和对作物进行高水平水分管理的前提和基础。B-Asher等(1986年)利用通量密度场的概念,提出了地表三维点源入渗数学模型-等效半球模型,建立了表示土壤湿润体半径和入渗时间、滴头流量及土壤含水率等因素的数学表达式。张振华等(2004年)对该点源入渗等效半球模型进行了推导和实验验证。雷廷武(1994年)根据湿润比的合理定义,按照实际单个滴头下湿润体的形状,提出了用地表湿润面积(直径)进行湿润比计算的精确实用方法;李光永等(1995年)提出了一种计算地表点源滴灌土壤水分入渗湿润体特征值的通用数值方法;张振华等(2003年)对地表滴灌土壤湿润体特征值进行了研究,提出了一种基于易观测的径向最大湿润距离的经验解模型。但是这些研究都是针对地表滴灌的灌水方式,而对难于直接进行观测的地下灌溉土壤湿润体特征值的研究较少。因此,对无压灌溉土壤湿润体特征值的研究有着很大的理论价值和现实意义。本文目的是:根据无压地下灌溉土壤湿润体形状为球体,且球内含水率在以灌水器为中心的同心球面上等值分布的特点,推导湿润体特征值的表达式,并以该表达式为基础,找寻无压灌溉灌水定额的计算方法。1水分运移对含水率的影响在无压灌溉过程中,供水压力变化小,因此灌水器出水主要是灌水器内外水势梯度的作用,即灌水器周围的土壤含水率低于饱和含水率;在水分运移过程中,重力相对于毛管力而言,其作用较小,不是主导因素。若假设供试土壤为均质土、土壤初始含水率均一、水分运移过程中水的重力作用为零,则由土壤的各向同性可知,各个方向的水势梯度将相同。于是,湿润土体的形状可近似认为是以灌水器为中心的球体,且以灌水器为中心的一族同心球面是土壤水势的等势面,即在各个球面上含水率值相等。由此可知,湿润土体内各点的含水率θ可表示为湿润体半径r的函数,即:作者通过大量室内试验,对孔口出水速率趋于零时无压灌溉土壤湿润体形状和湿润体内含水率分布规律进行了研究,并建立了模拟模型。结果表明,在水分运移过程中,湿润体形状受灌水器埋设深度(h)和灌水量大小的影响,分别表现为球体和球冠两种形式(图1)。以湿润体内的实测含水率θ为因变量,以径向最大湿润距离和垂向最大湿润距离计算的湿润体半径为自变量,所推导的表征湿润体内含水率分布规律的模拟模型为:式中:θ为土壤湿润体内任一等值面上的含水率(质量比),%;a为经验系数,其值与技术参数(压力、孔径、埋深等)的组合有关,-a表征含水率沿r方向的变化加速度,cm-2;c为经验系数,其值与技术参数(压力、孔径、埋深等)的组合有关;θmax为土壤湿润体内最大含水率(质量比),通常分布在灌水器周围,%;θ0为土壤湿润体内任一位置处的土壤含水率(质量比),且θmax≠θ0,%;r0为θ0所在等值面的湿润体半径,cm。式(2)表明,只要测量出灌水器周围点的含水率值(c值)和其他任一点处的含水率值(a值),就可用该模型预测出整个湿润体内含水率的分布情况。若孔口出水速率趋于零时的入渗水量为W,湿润体体积为V,湿润体内的平均体积含水率为γθ,则:根据无压灌溉土壤湿润体内含水率沿等值面分布的特点,由下述的积分方程可推导得湿润体特征值的模拟模型。(1)湿体为球体时(2)不同无压灌溉温湿度体特征值模型的建立式中:W为入渗水量,g;γ为土壤容重,g/cm3;h为灌水器埋设深度,cm。从数学角度讲,球体是球冠的一种特殊情况,即当r≤h时,式(4)和式(5)相同,因此无压灌溉湿润体特征值模型可统一为式(5)的形式。在实际应用中,可通过观察土壤表层是否湿润来判断湿润体形状,即当土壤表层湿润时,湿润体形状为球冠,此时可直接利用式(5)进行计算;当土壤表层未湿润时,湿润体形状为球体,此时需将h=r代入式(5)后再进行计算。2灌溉时灌溉体大小及含水率分布由上述分析可知,当灌水器埋设深度一定时,无压灌溉湿润体内含水率分布与湿润体特征值(r,V)均仅为灌溉水量的函数,因此如果灌溉水量已知,则灌水后的湿润体大小及含水率分布情况都可计算出来。反之,当湿润体大小已知时,用式(5)可以计算出所需的灌溉水量,即一次灌溉的灌水定额。2.1前土壤含水率测定无压灌溉是微灌的一种类型,按照微灌灌水定额计算方法:式中:W为灌水定额,mm;θ田、θ0分别为田间持水量和灌前土壤含水率,以干土重%计;H为土壤计划湿润层深度,cm;p为微灌土壤湿润比,%;γ为土壤干容重,t/m3。由式(6)可以看出,用该方法计算灌水定额时需要同时知道土壤计划湿润层深度和湿润比。根据前文无压灌溉土壤湿润体特征值的模拟模型,灌水定额也可用下式计算:由式(7)可以看出,用该方法计算灌水定额时只需要知道土壤湿润体半径。2.2灌溉2.2.1作物特定生育期内根系的分布特点在无压灌溉技术的大田应用中,为达到精确灌水,湿润体半径要根据作物特定生育期内根系的分布特点而定。假设单个出水孔控制的灌溉面积为A(长为植株间距,宽为植株行距或根据作物根系分布规律所取的某一具体值),出水孔埋设深度为h,计划湿润的土体半径为r。(1)灌溉水量计算方法若由式(6)计算灌水定额,则计划湿润层深度为:计划湿润的土壤体积为:计划湿润层内总土壤体积为:湿润比为:灌溉水量W为:若由特征值模型计算灌水定额,则灌溉水量W如式(7)所示。(2)灌溉水量计算若由式(6)计算灌水定额,则计划湿润层深度为:计划湿润的土壤体积为:计划湿润层内总土壤体积为:湿润比为:灌溉水量W为:若由式(7)计算灌水定额,则把h=r代入式(7)可得灌溉水量W为:2.2.2已具备概况条件当作物根系分布规律未知时,常将湿润比(根据经验取值)作为已知条件。当湿润比p已知时,因用式(6)无法确定计划湿润层深度,用式(7)无法确定湿润体半径,因此仅利用式(6)或式(7)均无法计算灌水定额,为此须将二式联立求解。(1)当湿地体为球冠时，湿地的半径r由等式11确定将式(19)代入式(7)即可得灌溉水量W。(2)当湿地体为球形时，从方程16中重新解释湿润体的半径r将式(20)代入式(7)即可得灌溉水量W。2.3含水率上下限对于某一特定的实际灌水定额设计问题,作物类型、土壤、供水压力、灌水器直径和埋设深度已经确定,这时可根据作物生长的要求选取土壤含水率上下限。2.3.1土壤水分的测量同渗灌、滴灌等节水灌溉方式一样,无压灌溉技术为实现作物的精确、适时灌溉提供了可能,而利用张力计等监测土壤水分的动态变化为适时灌溉提供了参考依据。但由于无压灌溉条件下的土壤湿润特点不同于地面灌和喷灌,因此对土壤水分状况的测量和评价提出了更高的要求。如何用局部土壤的水分状况反映土壤对作物的整体供水能力,即如何埋设张力计问题,许多学者对此作出了研究。Coelho通过数值模拟研究认为土壤水分传感器的测量效果主要受灌水时间间隔和作物生育期的影响,并且受灌水时间间隔的影响比受生育期的影响要大,但是这种方法的局限性在于找不到好的模型,而且模型参数的取得过程较为复杂。更多的研究者采用经验方法,例如,Haise认为应将张力计放在根系活动层的底部和顶部,Shock等认为对于洋葱应放在20cm处,但这些方法都不具有通用性。在无压灌溉结束后,根据湿润体形状为球冠的特点,可由式(3)计算出湿润体内的平均含水率:将式(21)代入式(2)即可得平均含水率所在等值面的湿润体半径ra。大田试验中,若将张力计等监测土壤水分的仪器埋设在距离灌水器ra处,就可象地面灌溉一样适时监测土壤水分变化并用于指导灌溉。例如,当供水压力为-3cm,灌水器直径为6mm,埋设深度为10cm时,由参考文献中的室内试验结果可知,入渗速率趋于零时的湿润体半径为20.28cm,最大含水率为27.91%,,经验系数a为-0.02366,则湿润体内的平均含水率为22.317%,平均含水率所在等值面的湿润体半径ra为16.62cm。2.3.2湿湿度设计及灌溉水量的确定作物为结果期番茄,株距30cm,行距50cm,供水压力为-3cm,灌水器直径为6mm,灌水器埋设深度为10cm。土壤为陕西杨凌的塿土,干土体积质量为1.4g/cm3,田间持水量为23.46%,灌水下限为70%的田间持水量。根据结果期番茄根系主要集中在30cm耕作层以内的分布特点,将湿润体半径设计为20.28cm,则由上述分析可知,番茄结果期张力计应埋设在半径为16.62cm处,考虑到根系的主要分布区域及张力计埋设太浅容易受到破坏的原因,建议张力计埋设深度为20cm,距灌水器的水平距离为13.27cm。当张力计读数达到下限值时即开始灌水。此时若用微灌法计算灌溉水量,则由式(8)～(12)可得:计划湿润层深度为30.28cm,计划湿润的土壤体积为29342.27cm3,计划湿润层内总土壤体积为45420cm3,湿润比为64.602%,灌溉水量为19.274mm。当用特征值模型计算灌溉水量时,则由式(7)可得灌溉后湿润体内的总水量为9503.612g。此时,因湿润体内的平均初始含水率为70%的田间持水量,即16.422%,所以由式(3)可计算得灌溉前湿润体内的水量为6746.022g。故所需的灌溉水量为2757.59g,即18.384mm。与微灌法计算结果相比,相对误差为4.618%。3计算结果对比通过对无压灌溉土壤湿润体特征值模拟模型的研究可以发现,湿润体特征值仅是灌溉水量的函数,因此该模型可作为无压灌溉技术灌水定