Surfer軟件在膜孔灌溉土壤含水率繪制中的應用

張中海

(陜西省涇陽縣水利局，陜西 涇陽713700)

Surfer軟件在膜孔灌溉土壤含水率繪制中的應用

張中海

(陜西省涇陽縣水利局，陜西 涇陽713700)

利用Surfer軟件可以繪制各類等值線圖，通過膜孔灌溉試驗研究，以入滲時間分別為20 min、79 min和135 min的膜孔入滲數據為例，采用Surfer軟件繪制等值線圖。實踐證明軟件的應用不僅能提高工作效率，而且也能減少由于人為原因造成的誤差，提高水量分布圖的質量。具有一定的應用和推廣意義。

Surfer軟件;膜孔灌溉;含水率

覆膜灌是利用地膜輸水，通過作物孔和專用灌水孔入滲進行灌溉的一種節水型地面灌溉新技術［1］。地膜覆蓋最早是由日本于1955年開始用于農業生產。其后，美國、法國、意大利、英國和德國等國也相繼采用了該技術。八十年代初，新疆引進地膜覆蓋栽培技術后，近十年來又在地膜覆蓋栽培的基礎上，研究了新的地膜覆蓋灌水方法，它包括膜側、膜上和膜下等三類灌水方法。其中膜上灌，也稱膜孔灌溉，是在膜側灌溉的基礎上，改壟背鋪膜為溝(畦)中鋪膜，使灌溉水流在膜上流動，通過作物放苗孔或專用灌水孔滲入到作物根部的土壤中。與此同時，全國其它一些省市也進行了覆膜灌溉試驗研究，山東、河北、河南、甘肅等地還研究出了小麥套種情況下的覆膜灌溉方式［2］。

膜孔灌入滲為充分供水條件下的三維點源入滲，它不同于滴灌條件下的非充分供水點源入滲。土壤含水率的確定對進行土壤水分特性研究，揭示土壤水運移機制方面都有重要的意義。針對膜孔灌溉目前含水率的測定方法，要得到大量的詳盡的含水率是比較困難的，因此本文結合Surfer在繪制等值線圖的優勢，在測定的原始含水率數據基礎上，進行網格化插值計算，從而獲得令人滿意的土壤含水率分布圖。

1 濕潤體內土壤含水率的分布

本試驗采用西安粉土對膜孔灌溉入滲進行研究，具體試驗過程參見文獻［3］。圖1、圖2和圖3表示膜孔直徑為36 mm、土壤容重為1.3 g/cm3、初始重量含水率為1.94%試驗條件下，在入滲時間分別為20 min、79 min和135 min的膜孔入滲濕潤體土壤含水率分布圖。可以看出:在入滲時間為20 min時，膜孔入滲處于自由入滲階段，膜孔入滲的濕潤鋒形狀為半橢圓型，隨著膜孔入滲時間的延長，濕潤半徑不斷增大，當入滲時間為79 min和135 min時，膜孔入滲已發生交匯，而膜孔附近的飽和區也隨之不斷增大。土壤的初始含水率為1.94%，因而含水率為1.94%的等值線即為濕潤鋒曲線。從圖中可以看出，在含水率為20.53%到濕潤鋒曲線之間的土壤含水率變化梯度最大。

經分析，土壤含水率和濕潤鋒運移距離之間滿足指數關系，即:

式中:θx、θy分別為水平方向土壤含水率和垂直方向土壤含水率，(%);α、β、η、λ 均為擬合參數;x、y分別為水平濕潤鋒運移距離和垂直濕潤鋒運移距離。

圖1 膜孔入滲濕潤體土壤含水率分布圖(t=20 min)

圖2 膜孔入滲濕潤體土壤含水率分布圖(t=79 min)

圖3 膜孔入滲濕潤體土壤含水率分布圖(t=135 min)

對圖1資料擬合得:

對圖2資料擬合得:

對圖3資料擬合得:

上述相關系數R2均大于0.99，說明土壤含水率與水平濕潤鋒運移距離和垂直濕潤鋒運移距離之間都具有良好的指數關系［4］。

圖4為對應于圖1、圖2和圖3的土壤含水率在入滲時間t=20 min、79 min、135 min時分布圖，表示土壤初始含水率;表示接近于飽和含水率的含水率值。可以看出:由于膜孔灌屬于積水入滲，在膜孔附近土壤含水率很快的從初始含水率增大到一最大值，在土壤濕潤層深度方向上，土壤含水率隨著濕潤層深度的增大，土壤含水率不斷減小，其值變化范圍在～，在本試驗條件下，其值范圍為1.94% ～38.8%，并且在土壤濕潤層某一深度，隨著入滲歷時的增長，土壤含水率也隨之增大，濕潤鋒坡度愈來愈緩。

本文還針對具有不同土壤初始含水率1.94%、7.84%和12.82%做了對比試驗分析，結果發現:在相同的入滲時間內，不同土壤初始含水率的濕潤鋒運移距離不同，隨著初始含水率的增大，濕潤鋒運移的愈慢，這主要是由于隨著土壤初始含水率的增大，濕潤鋒前后的土水勢梯度減小，導致濕潤鋒運移速率變慢［3］。

圖4 土壤含水率分布過程線

2 surfer軟件概述

2.1 原始數據的格式及輸入

Surfer自己帶有打開和編輯數據文件的工作表格worksheet，可以通過它輸入和編輯數據文件，但其功能有限，對于文本格式的數據文件有時會讀成錯誤的排列方式或出現亂碼，通過Microsoft Execl轉換成擴展名為xls或ASCII格式擴展名為dat的數據文件后，Surfer都能正常打開。

2.2 網格化插值計算

網格化插值模型是軟件繪制等值線的核心，網格化插值計算采用一定的網格化方法(即數學模型)對不規則分布的原始數據點進行插值，生成在原始數據分布范圍內規則間距的數據點分布。Surfer軟件給出了多種網格化插值計算方法，包括反距離加權插值法、克里金插值法、最小曲率法、改進謝別德法、自然鄰點插值法、最近鄰點插值法、謝別德法、多元回歸法、徑向基函數插值法、三角網線性插值法等九種等值線繪制的數學模型，幾乎包括了目前所有的插值方法［5］。利用它可根據數據源情況和制圖要求，繪制符合要求的等值線圖。

3 surfer軟件在膜孔灌溉土壤含水率繪制中的應用

3.1 數據的網格化插值計算

膜孔灌溉試驗中，得到圖3含水率分布圖，以此為基礎，利用surfer進行網格化插值，以便取得更加詳盡的含水率分布圖。打開surfer軟件，在軟件主界面打開Grid菜單的Data選項，輸入存放試驗數據的文件名(mks.xls)，接著出現一個網格化參數對話框，選用克里金(Kriging)網格插值法，對話框中自動給出網格參數，確定數據分布范圍(0，5.4;0，5.6)，在x與y軸取值范圍內取100個離散點，進行網格化插值計算，就可以生成更密網格的數據，在“Output GridFile”中輸入輸出文件名(mks.grd)

3.2 含水率分布圖的繪制

在Surfer軟件主界面中打開Map菜單，選Contour項，在出現的對話框中選定前面生產的插值文件(mks.grd)，在繪圖前再對等值線的線型、顏色、標記等進行修改，這樣就可以繪制出膜孔灌溉土壤含水率插值等值線圖，見圖5、圖6和圖7所示。圖中X代表水平濕潤鋒運移距離，Y代表垂直濕潤鋒運移距離。

圖5 膜孔灌溉土壤含水率插值圖(t=20 min)

4 結論

通過膜孔灌溉室內試驗數據分析，可知土壤含水率與水平濕潤鋒運移距離和垂直濕潤鋒運移距離之間都具有良好的指數關系，并且在土壤濕潤層某一深度，隨著入滲歷時的增長，土壤含水率隨之增大，濕潤鋒坡度愈來愈緩。

針對膜孔灌溉目前含水率的測定方法，要得到大量詳盡的含水率是比較困難的。因此，本文將Surfer軟件應用到膜孔灌溉土壤含水率分布圖的繪制中，可以得到更密的等值線圖，避免了以往要得到詳盡的分布圖要測定試驗土樣很多點才能得到，這樣不僅節省時間、提高工作效率，而且也減少了由于人為原因造成的誤差，提高了水量分布圖的質量，是膜孔灌溉土壤水分特性分析方法的重要改進，具有重要的應用推廣意義。

圖6 膜孔灌溉土壤含水率插值圖(t=79 min)

圖7 膜孔灌溉土壤含水率插值圖(t=135min)

［1］徐首先、梁軍.膜孔灌簡介［J］.節水灌溉，1999(5):34 －36.

［2］李守謙.穴播地膜小麥栽培技術［M］.科學出版社，1998:1－7.

［3］李發文.膜孔灌交匯入滲特性及其影響因素研究［D］.西安理工大學，2002.

［4］李發文、馮平、費良軍.膜孔灌溉三種入滲方式對比試驗研究［J］.灌溉排水學報，2007，26(3):57 －59.

［5］白世彪、陳曄、王建.等值線繪圖軟件SURFER7.0中九種插值法介紹［J］.物探化探計算技術，2002，24(2):157－162.

Application on Surfer Software to Plotting Percentage of Moisture Isoline Map in Film Hole Irrigation

ZHANG Zhong－hai
(Water Resources in Jingyang County of Shaanxi Province Jingyang 713700，Shaanxi)

Surfer software package can be used to draw various isograms.The article is based on film hole irrigation test，the film hole infiltration data of 20min，79min and 135min were taken as a case to introduce the method and steps how to plot isoline with Surfer.The application of software not only improves work efficiency，but also decreases manual error and improves quality of percentage of moisture isoline maps.These research have laid a foundation for further research of film hole infiltration.

Surfer software;film hole irrigation and percentage of moisture

S275.9

A

1004－1184(2011)05－0027－03

2011－05－25

張中海(1964－)，男，陜西涇陽人，助理工程師，主要從事農田水利工程設計及管理工作。