入溝流量對灌水質量和水流特性的研究

胡 昊，李歡歡，汪順生，王 興，史 尚

(1.華北水利水電大學，鄭州 450045；2.江西省灌溉排水發展中心，南昌 330013)

數年來，有關地面灌溉技術取了很大的發展，特別是一體化壟作溝灌技術取得了較多的成果[1]。農業多年平均用水量約占全國總用水量的70%[2]，農田灌溉用水量占整個農業用水的91.36%，采取合理的灌溉技術措施已迫在眉睫[3]。而灌水質量可直接反映了灌溉水的利用效率，Blair[4]等對灌水質量綜合評價體系進行了定義，而林性粹[5,6]等對Blair定義的灌水質量評價體系進行了修正。Lewis 和Levien[7,8]分別應用水量平衡模型研究了畦灌和溝灌的地表水流推進過程，但該模型一般用于研究精度要求較低的地面灌溉問題。聶衛波(2010年)[9]建立基于水量平衡原理的溝灌水流推進解析模型，分析了地表儲水形狀系數不同取值對模型計算精度的影響。以上多是在模型的基礎上研究的，而且關于入溝流量對灌水質量和灌溉水流運動的研究在國內外少有報道。本文選取不同的入溝流量、溝寬、溝深、溝寬以及田面坡降來研究其對灌水質量和灌溉水流特性的影響，研究結果可為選擇合適的灌水技術參數和入溝流量從而達到節水增產的研究奠定基礎。

1 試驗與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2012年10月-2013年6月在華北水利水電大學河南省節水農業重點實驗室農水試驗場進行。地理位置為北緯34°47′，東經113°46′，海拔110.4 m。采用沉降法分析試驗區土壤顆粒，級配組成見表1。按照國際制分類標準，供試土壤質地為粉沙壤土。同時通過室內理化分析，測定土壤平均干密度為1.35 g/cm3，田間持水量為24%，試驗地塊長度為60 m，面積大約3 600 m2，田塊地勢平坦，灌排方便。試驗場內設有自動氣象站，自動檢測太陽輻射強度、空氣溫度與濕度、風速等相關氣象資料。

表1 供試土壤顆粒級配組成Tab.1 Grain size distribution of the tested soil

1.2 田間實驗設計

試驗選取壟寬110 cm，設置40、50和60 cm共3種不同溝寬，15、20和25 cm共3種不同溝深，0.000 1%、0.000 2%和0.000 3%共3種不同溝底縱坡，為了研究不同入溝流量對灌水質量的影響選取2.25、2.40和2.55 L/s 3種入溝流量，試驗4因素3水平正交表設計試驗方案，結合農田的灌溉經驗，灌水定額選450 m3/hm2。

1.3 試驗測定指標

(1)土壤含水率的測定：灌水結束12和24 h，采用土鉆取土、烘箱烘干的方法，分別測定沿灌水溝方向距離溝首10、30和50 m處測定溝、坡、壟不同層深(測深間隔20 cm)內的土壤含水率，測深為1 m，周年連作溝灌分別選取溝、坡、壟作為觀測點，土壤含水率取三者平均值。

(2)水流推進和消退的測定： 灌溉試驗開始前，沿灌水溝中線位置處，每隔10 m插入一根毫米刻度的塑料直尺，保持豎直，秒表歸零。灌溉水進入溝首的時開始計時，當水流推進前鋒鋒面的2/3水面寬度到達豎尺橫斷面時，作為水流推進到該觀測點處的推進時間，并讀取水流前鋒之前經過的觀測點的即時水深。在灌水結束，立刻讀取每隔觀測點的水深，之后每隔15 min進行一次水流消退水深的觀測，直至消退過程完全結束。

2 結果與分析

2.1 灌水質量評價指標研究

地面灌溉條件下，田間灌水質量是評價灌水技術參數是否合理的關鍵參數，通常情況下，灌水質量評價指標包括灌溉水有效利用效率Ea、灌水儲存率Es和灌水均勻度Ed3項內容。

灌水質量評價指標灌溉水有效利用效率Ea、儲水效率Es、灌水均勻度Ed的計算公式如下：

(3)

其中，W1的計算公式為：

(4)

式中：γ為土壤干密度，g/cm3；i為土壤分層號數，無量綱；n為土壤分層總數，無量綱；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1、θi2分別為第i層土壤灌水前、后的土壤含水率，%。

2.2 入溝流量對灌水質量的影響

2.2.1入溝流量對灌水質量影響的試驗方案

入溝流量對灌水質量的影響采用4因素3水平的正交試驗，其試驗方案如表2所示。

表2 灌溉技術參數試驗方案設計正交表Tab.2 The design orthogonal table of irrigation technical parameters testing scheme

注：A1代表入溝流量為2.25 L/s，A2代表入溝流量為2.4 L/s ，A3代表入溝流量為2.55 L/s；B1代表溝深15 cm，B2代表溝深20 cm，B3代表溝深25 cm；C1代表溝底縱坡0.000 1%，C2代表溝底縱坡0.000 2%，C3代表溝底縱坡0.000 3%;D1代表溝寬40 cm，D2代表溝寬50 cm，D3代表溝寬60 cm。

2.2.2入溝流量對灌水質量影響的極差分析

極差分析[10]是在正交試驗結果的基礎上進行的，分析各因素與試驗指標之間的關系，判斷各個因素對試驗指標影響的顯著程度，并可判斷出各個影響因素的主次順序，其中ki為各因素在第i水平下所對應試驗指標的平均值，本試驗指標有灌水均勻度Ed、灌水效率Ea、儲水效率Es，各因素有3個水平，由ki值的大小可以判斷該因素的優水平和各因素的優水平組合，即最優組合[1]。R為各因素的極差值，R為各因素在各水平下的試驗指標的最大值與最小值之差，R的大小反映各因素的水平波動，以及相應試驗指標的變化幅度，R值越大說明該因素對相應試驗指標的影響越大，通過R值的大小可以判斷各因素的主次關系。

灌水質量評價指標灌水均勻度Ed、灌水效率Ea、儲水效率Es，溝灌各處理的灌水均勻度Ed、灌水效率Ea、儲水效率Es、的計算公式分別為公式(1)～(3)。正交試驗結果及極差分析結果如表3所示。

表3 灌水質量正交試驗評價指標結果Tab.3 The calculation result of water quality of the orthogonal experiment evaluation index

表4～表6是根據表3經過極差分析得出的各因素在相應水平ki條件下的指標值和R值，由表4～表6知，入溝流量和溝寬對灌水均勻度Ed的影響較小，溝底縱坡對灌水均勻度Ed的影響最大，其次是溝深；入溝流量對灌水效率Ea的影響最大，其次是溝底縱坡，溝寬和溝深對其影響最小；入溝流量對儲水效率影響最大，其次依次為：溝底縱坡、溝深和溝寬。

表4 灌水均勻度Ed在各因素相應水平下通過極差分析的值 %

表5 灌水效率Ea在各因素相應水平下通過極差分析的值 %

表6 儲水效率Es在各因素相應水平下通過極差分析的值 %

綜上可知：入溝流量對灌水效率和儲水效率的影響最大，而對灌水均勻度的影響最小；溝底縱坡對灌水均勻度的影響最大，對灌水效率和儲水效率的影響次之。由表4～表6知，灌水均勻度、灌水效率和儲水效率都隨著溝底縱坡的增大而減小，隨溝寬的增大呈先增大后減小的趨勢，故溝底縱坡應選擇0.000 1%，溝寬應選擇50 cm；而灌水效率和儲水效率隨入溝流量的增大呈先增大后減小的趨勢，灌水均勻度則隨入溝流量的增大而呈減小的趨勢，過大或過小的入溝流量都達不到高效節水的目的，因此應選擇的入溝流量為2.4 L/s。綜合考慮灌水質量最優的組合為入溝流量為2.4 L/s、溝底縱坡0.000 1%、溝寬50 cm、溝深20 cm，且此組合的灌水質量3項評價指標之和最大。

2.3 入溝流量對水流特性的影響

2.3.1入溝流量對水流推進過程的影響

本試驗對不同入溝流量的水流推進數據進行測定分析，觀察表7可知，5種入溝流量的水流推進過程均符合冪函數[9]t=axb分布，其中t為推進時間(s)，x為推進距離(m)，a，b均為擬合指數，擬合相關度全部在0.99以上，其中推進指數b值范圍為1.062 8～1.255 4，a值范圍3.810 9～5.782 3，并存在較高的相關性，不同入溝流量的水流推進過程如圖1所示。

表7 水流推進距離與水流推進時間的函數關系Tab.7 The function relation between water flow advance distance and time

從圖1可看出，各流量處理下的水流耗時差別很大，且水流推進時間隨著入溝流量的增大逐漸減少，推進速度逐漸加快，流量為1.65 L/s的水流推進耗時在推進到距溝首60 m出分別較1.80、2.00、2.20、2.40 L/s增加了12.76%、23.02%、37.35%、43.10%。相同流量下的水流推進速度均在水流推進前期較快，但隨著水流前鋒推進距離的增大，地面水流推進的速度減小。以2.00 L/s的入溝流量為例，水流推進至距溝首20 m時，水流推進速度為0.138 9 m/s，水流推進至40 m時，推進速度為0.123 5 m/s，水流推進至溝尾時，推進速度為0.107 9 m/s。

圖1 不同入溝流量下水流推進距離與時間的關系Fig.1 The relationship between water advance distance and time under the condition of different flows

2.3.2入溝流量對水流消退過程的影響

本試驗對不同入溝流量的水流消退數據進行測定分析，不同入溝流量的水流消退進程如圖2所示。

由圖2可知，水流消退耗時受入溝流量的影響較大，各處理的水流消退耗時差異較顯著，消退耗時隨入溝流量的增大而逐漸增大，消退速度隨入溝流量的增大而逐漸減小，流量為2.40 L/s的消退耗時分別較1.65、1.80、2.00、2.25 L/s增加38、29、19和10 min，盡管入溝流量的增大會導致瞬間的水深加深，此會使溝中水流的重力勢增大，有利于垂直入滲，但灌水歷時也大大減小，這嚴重削弱了灌溉過程中的水平和垂直入滲，致使入溝流量大的處理消退歷時變大。

圖2 不同入溝流量下水流消退時間與距離的關系Fig.2 The relationship between water flow recession time and the distance under the condition of different flows

分析圖3中的數據可知，溝灌不同入溝流量的地面面水流消退時間與距溝首距離呈冪函數關系，其關系為：

t=axb

(5)

式中：t為水流消退時間，min；x為觀測入滲點距溝首的距離，m；a、b為擬合參數，通過實測資料確定。

圖3是不同入溝流量條件下的水流消退時間與距溝首距離的擬合回歸分析結果，其擬合相關系數全部大于0.98，其中推進指數b值范圍為0.291 0～0.327 4，水流消退時間與距溝首距離的相關性較好。

圖3 不同入溝流量條件下的水流消退時間與距離的函數關系Fig.3 The function relation between water flow recession time and the distance on the condition of different flows

3 結 語

本試驗是在一體化壟作溝灌的條件下通過控制灌水技術參數來進行的，通過試驗和分析可得出以下結論。

(1)通過極差分析知，入溝流量對灌水效率和儲水效率的影響最大，而對灌水均勻度的影響最小；溝底縱坡對灌水均勻度的影響最大，對灌水效率和儲水效率的影響次之。

(2)以灌水質量的綜合評價為指標，并通過極差分析可知， 110 cm壟寬的灌水技術參數的最優組合為入溝流量2.4 L/s，溝底縱坡為0.000 1%，溝寬為50 cm、溝深為25 cm。且此組合條件下的灌水均勻度為88.48%、灌水效率為93.87%、儲水效率為80.56%。

(3)入溝流量與水流推進時間呈冪函數關系，二者相關性甚好，相關程度均大于0.99， 水流推進時間隨著入溝流量的增大逐漸減少，推進速度逐漸加快，同流量下的水流推進速度均在水流推進前期較快，但隨著水流前鋒推進距離的增大，地面水流推進的速度逐漸減小。

(4)入溝流量與水流推進時間呈冪函數關系，二者相關性較好，相關程度均大于0.98，消退耗時隨入溝流量的增大而逐漸增大，消退速度隨入溝流量的增大而逐漸減小。

(5)雖然本次試驗研究的時間有限，但研究成果可為一體化壟作溝灌的入溝流量以及水流特性的研究提供一定的理論基礎。當應用于不同地區時，應根據當地的具體情況而運用，進而達到節水增產的目的。

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