遠(yuǎn)程智能控制滴灌土壤入滲多參數(shù)節(jié)水效果試驗(yàn)研究

楊 洋，孫兆軍,2

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021 ；2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，銀川 750021)

土壤水分在土壤中的入滲是自然界最重要的水循環(huán)之一，是指土壤水浸入到土壤中的過程中，涉及土壤侵蝕、化肥和農(nóng)藥等隨著土壤水分的運(yùn)移、灌溉后土壤水分布、地表產(chǎn)流以及土壤侵蝕等，它是土壤水全部或者部分地向下流動(dòng)的整個(gè)過程[1]。針對(duì)揚(yáng)黃灌區(qū)的土壤水分運(yùn)移和透水性的研究，有益于改善揚(yáng)黃灌區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)環(huán)境，并合理指導(dǎo)農(nóng)業(yè)耕地方式的決策和大田灌溉。滴灌灌溉是目前在多種灌溉模式中運(yùn)用具有顯著節(jié)水增產(chǎn)和環(huán)境友好等特點(diǎn)的現(xiàn)代灌溉方式，它被稱為在整個(gè)灌溉方式中比較高效的典范。但是隨著科技的進(jìn)步，不同區(qū)域運(yùn)用的情況不同，因此出現(xiàn)了一系列需要亟待解決的問題。在內(nèi)蒙古地區(qū)[2]，甘肅大禹節(jié)水公司對(duì)馬鈴薯嘗試推廣應(yīng)用淺埋滴灌，避免了滴灌帶暴露在空氣中，受太陽長(zhǎng)期的直射，導(dǎo)致滴灌帶被灼傷，出現(xiàn)老化等現(xiàn)象，水流在經(jīng)過滴灌帶時(shí)出現(xiàn)漏水，無法正常的工作運(yùn)行，同時(shí)還非常有效地解決了灌溉中根系入侵堵塞、灌出苗水難和膜下滴灌管(帶)易灼傷等問題[3,4]。本文主要針對(duì)揚(yáng)黃灌區(qū)不同的2種類型土壤，基于不同壓力、埋深程度研究土壤水分入滲速度、濕潤(rùn)鋒、時(shí)間等。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)1區(qū)位于寧夏早作節(jié)水農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)(同心縣王團(tuán)鎮(zhèn))，該地區(qū)在2016年屬于寧夏南部山區(qū)中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔約1 200 m，年平均降水量為272.6 mm，年平均大氣溫度8.4 ℃，平均每年日照3 024 h，并且無霜期200 d左右，80%保證率≥10 ℃的積溫不少于3 010 ℃，熱量充足、晝夜溫差大、蒸發(fā)量大，田間持水率24.21%，土壤密度1.43 g/cm3。土壤的主要理化性質(zhì)見表1。

表1 同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)試驗(yàn)基地土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)2區(qū)于寧夏銀川市西夏區(qū)寧夏大學(xué)A區(qū)科技綜合樓實(shí)驗(yàn)室，該地區(qū)屬于黃河上游寧夏平原中部中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔約1 100 m，年平均降水量203 mm，無霜期157 d左右，年平均氣溫8.5 ℃，熱量充足、晝夜溫差大、蒸發(fā)量大，土壤大部分為風(fēng)沙土，田間持水率13.8%，土壤密度1.51 g/cm3。土壤的主要理化性質(zhì)見表2。

表2 寧夏大學(xué)A區(qū)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)

1.2 供試材料

本試驗(yàn)所用土槽系有機(jī)玻璃槽，有機(jī)玻璃板厚度為1 cm，制成的土槽規(guī)格為100 cm×100 cm×50 cm，密閉恒溫空間，有機(jī)玻璃槽底部鉆有小孔，防止入滲水過多，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)，底下由角鐵固定，有這樣土槽6個(gè)，為3次重復(fù)。

本試驗(yàn)采用的管道為北京普泉科技有限公司痕量貼片式滴灌帶。痕量滴灌帶是通過創(chuàng)造性的雙層結(jié)構(gòu)控水，以任意微小的速率(1～1 000 mL/h)直接將水或營(yíng)養(yǎng)液輸送到植物根系附近，濕潤(rùn)根層土壤的新型灌溉技術(shù)，經(jīng)測(cè)量滴灌帶出水均勻度0.88，貼片式滴灌帶長(zhǎng)10 m，外徑16 mm，壁厚0.2 mm。

遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配置了多個(gè)環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)等采集設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、服務(wù)器、控制計(jì)算機(jī)、智能移動(dòng)終端等處理控制設(shè)備，通過智能控制軟件和互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田，大棚集中控制灌溉和實(shí)時(shí)監(jiān)控，建成統(tǒng)一的信息集成平臺(tái)，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息共享與交換，確保管理信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性與唯一性，這里主要使用即插拔測(cè)定土壤含水量和土壤溫度。圖1為智能化灌溉系統(tǒng)設(shè)備圖，圖2為實(shí)驗(yàn)室布局圖。

圖1 智能化灌溉系統(tǒng)設(shè)備

圖2 實(shí)驗(yàn)室布局 注：1-溫度控制器；2-增溫器；3-水源；4-供水管；5-總水閥；6-壓力表；7-干管；8-水表；9-磁閥；10-土槽；11-滴灌帶；12-信號(hào)線(二、四芯)；13-溫濕傳感器；14-控制器；15-保溫箱；16-室內(nèi)溫度計(jì)；17-攝像頭；18-無線網(wǎng)絡(luò)；19-移動(dòng)設(shè)備終端

1.3 試驗(yàn)用土的準(zhǔn)備及裝土

試驗(yàn)用土來源于試驗(yàn)2區(qū)和試驗(yàn)1區(qū)。土壤風(fēng)干后，先取0～20 cm深度的土壤，為沙壤土，用直徑為2 mm銅篩篩一遍，后用碾土器碾壓一遍，如此反復(fù)，到完全通過該銅篩為止，填入供試土壤，均勻壓實(shí)。試驗(yàn)于2016年6月5日下午14時(shí)裝土。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將貼片式滴灌帶管道埋在裝有試驗(yàn)1區(qū)和試驗(yàn)2區(qū)的土槽中，并將土壓實(shí)，滴灌管道在有機(jī)玻璃槽埋深分別為5、10、15 cm，CK為0，測(cè)試壓力分別為0.10、0.15、0.20 MPa，試驗(yàn)環(huán)境為恒溫，模擬大氣光照使用遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)測(cè)定土壤相對(duì)的濕度、溫度的變化情況，根據(jù)不同的壓力測(cè)定2種土壤入滲速度、濕潤(rùn)鋒之間的關(guān)系。土壤性質(zhì)、壓力水頭以及管道埋深特性等是灌溉條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要影響因素[5,6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭對(duì)土壤水入滲規(guī)律的影響

在土體中，累計(jì)入滲量均隨壓力水頭的增大而增多，相同水頭下，土壤溫度越高，累計(jì)入滲量越大。至入滲結(jié)束，壓力水頭為0.10、0.15、0.20 MPa 的累計(jì)入滲量隨著時(shí)間的增大而增大。圖3和圖4分別為試驗(yàn)1區(qū)和試驗(yàn)2區(qū)基于不同壓力水頭下，相同時(shí)間內(nèi)，累計(jì)的土壤入滲量曲線和土壤入滲速度曲線。由圖3、圖4可以得出：無論在試驗(yàn)1區(qū)的土壤還是試驗(yàn)2區(qū)的土壤中，不同的壓力水頭對(duì)土壤水分的入滲有很大的影響，并且隨著壓力水頭的降低, 其水分入滲能力明顯降低，試驗(yàn)2區(qū)的土壤累計(jì)入滲量明顯大于試驗(yàn)1區(qū)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)2區(qū)入滲速度大于試驗(yàn)1區(qū)，說明累計(jì)入滲量還與土壤的理化性質(zhì)有關(guān)。

圖3 不同壓力的土壤累計(jì)入滲曲線

圖4 不同壓力的土壤水分入滲速度曲線

試驗(yàn)1區(qū)和試驗(yàn)2區(qū)的土壤水分入滲速度隨著時(shí)間的變化基本相同，試驗(yàn)2區(qū)的土壤入滲速度大于試驗(yàn)1區(qū)，而且兩者之間的入滲速度關(guān)系剛開始在很短的時(shí)間內(nèi)很陡峭，后期慢慢變平緩，在趨近于平緩中發(fā)現(xiàn)，速率趨近于穩(wěn)定入滲速度。同時(shí)還可以得出：隨著壓力水頭的增加，土壤水分入滲速度也在相應(yīng)地增加，且壓力0.20 MPa時(shí)入滲速度最大；壓力可以提高土壤的入滲能力，水頭壓力為0.10 MPa時(shí)，入滲速度最低，至入滲結(jié)束，土壤穩(wěn)定入滲速度的大小依次為0.20 MPa>0.15 MPa>0.10 MPa。不同土壤其入滲速度也不相同，這一變化，反映了壓力不僅影響土壤的入滲速度，不同土壤也會(huì)影響土壤入滲速度。

圖5和圖6分別是1區(qū)和2區(qū)的在100 min內(nèi)，不同的壓力水頭下，土壤入滲濕潤(rùn)鋒在垂直向下的方向H和水平方向R運(yùn)移的距離隨著時(shí)間t的變化曲線。

圖5 試驗(yàn)1區(qū)濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖6 試驗(yàn)2區(qū)濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖7 水頭壓力為0.10 MPa的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移變化過程圖

圖8 水頭壓力為0.15 MP的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移變化過程圖

由圖5、圖6可知，在100 min灌水時(shí)間中，垂直向下運(yùn)移的濕潤(rùn)鋒和水平運(yùn)移的濕潤(rùn)鋒與水頭壓力成正比例關(guān)系，并且不管是垂直運(yùn)移的速率還是水平運(yùn)移的速率在開始速率較快，后期逐漸緩慢，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是隨著給予壓力的增加，滴灌帶出水口處的壓力勢(shì)也在增高，而土壤中的初始含水率和基質(zhì)勢(shì)比較低，土壤中的水吸力卻又大，所以產(chǎn)生的滴灌帶口處內(nèi)外水勢(shì)梯度增高，這樣隨著壓力的增加，水勢(shì)梯度也增大，導(dǎo)致滴灌帶出水量也相應(yīng)地增加，同時(shí)垂直運(yùn)移和水平運(yùn)移的距離也在增加，隨著時(shí)間的推移，土壤濕度不斷地增加，土壤中水勢(shì)力的差異在逐漸減小，同時(shí)水吸力也在減少，產(chǎn)生的滴灌帶口處內(nèi)外水勢(shì)梯度在減少，所以土壤水的入滲量在減少，最終達(dá)到運(yùn)移速率出現(xiàn)先陡峭后緩慢的特點(diǎn)。不同土壤結(jié)構(gòu)其濕潤(rùn)鋒也不相同。

圖9 水頭壓力為0.20 MPa的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移變化過程

原點(diǎn)為滴灌帶出水口的所在位置，圖7、圖8、圖9分別表示壓力水頭為0.10、0.15、0.20 MPa下，水平運(yùn)移和垂直向下運(yùn)移的濕潤(rùn)鋒變化過程。從圖7～圖9可以看出，各種情況下的水入滲體近似1/4圓，不同的壓力對(duì)于其形狀的影響并不明顯。在剛剛開始的10 min內(nèi)，水平與垂直距離的位移相差不大，從入滲10 min以后一直到結(jié)束，無論是水平方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離還是垂直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，在一定程度上都保持一致的距離，相差不大。本次試驗(yàn)采用的是淺埋入滲滴入式的灌溉，圖8的濕潤(rùn)體半徑要小于圖9的濕潤(rùn)體半徑，圖8的濕潤(rùn)體是在水頭壓力為0.15 MPa的情況下形成的，而圖9的濕潤(rùn)體是在水頭壓力為0.20 MPa的情況下形成的，從而得知水頭壓力是影響濕潤(rùn)體大小的重要因素。這是因?yàn)樗^壓力不同，其入滲速度就不同，而土壤之間的孔隙壓力會(huì)隨著入滲速度的增大而增大，從而影響了水運(yùn)動(dòng)的通道的大小，最終導(dǎo)致了土壤濕潤(rùn)體體積的不同。

2.2 不同埋深對(duì)土壤水入滲規(guī)律的影響

在恒定的壓力水頭下，用不同深度的土壤進(jìn)行入滲試驗(yàn)，設(shè)置4個(gè)不同的埋深水平(0、5、10、15 cm)其中0為CK。埋深是通過對(duì)滴灌帶上層覆蓋土層厚度實(shí)現(xiàn)，為了更加準(zhǔn)確地記錄不同時(shí)刻的濕潤(rùn)鋒輪廓，當(dāng)灌溉滴口埋入土中就立即開始記錄。下面將記錄的土壤入滲通過圖標(biāo)的方式表現(xiàn)，見圖10。在入滲初期，其入滲速度趨于平穩(wěn)，20 min后，入滲速度急劇減小，這是因?yàn)槿霛B深度達(dá)到了土壤固結(jié)力的最大值，入滲口周圍的土體已經(jīng)充分吸收水分，周圍土體壓力增大，在一定程度上阻止入滲，而隨著時(shí)間的推移，入滲速度逐漸趨于平穩(wěn)，最終進(jìn)行平穩(wěn)入滲。不同埋深深度的滴灌帶達(dá)到穩(wěn)定入滲所需時(shí)間不同。

圖10 不同管道埋深對(duì)土壤入滲速度的影響

圖11 不同管道埋深對(duì)土壤累計(jì)入滲量的影響

圖11為不同埋深(0、5、10、15 cm)條件下土壤累計(jì)入滲量在灌水100 min內(nèi)隨時(shí)間的變化過程。可以看出埋深對(duì)土壤濕潤(rùn)體與作物根系的有效匹配至關(guān)重要，不同埋深導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和濕潤(rùn)體水分特性不同。采用單一量法分析，就是固定一個(gè)量，觀察其他量。在這組試驗(yàn)中，固定灌溉時(shí)間。在累計(jì)入滲量方面，地面滴灌的累計(jì)入滲量比不上新型的地埋式滴灌帶，但是新型地埋式滴灌帶的埋深越大，周圍土體的阻力就越大，從而導(dǎo)致其入滲量就隨之越小。灌水100 min后，對(duì)于試驗(yàn)1區(qū)，埋深5 cm的累計(jì)入滲量比埋深0的增大了22.4%。埋深為5 cm的滴灌帶累計(jì)入滲量比埋深10 cm的大9.2%，埋深10 cm的比15 cm的增大了0.05%。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)2區(qū)，埋深5 cm的累計(jì)入滲量比埋深0的增大了17.9%，埋深為5 cm的滴灌帶累計(jì)入滲量比埋深10 cm的大12.9%，埋深10 cm的比15 cm的增大了10.2%。通過以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：滴灌帶流量的影響因素之一就是土壤壓力。在一定程度上，滴灌帶的流量由于土壤壓力的存在而得到了增大，土壤壓力以及土的吸水性導(dǎo)致了埋入土壤的滴灌帶流量要大很多，相對(duì)來說，放置在空氣中的滴灌帶的流量就小一些。而滴灌帶入土深度越大，周圍土體的壓力增大，進(jìn)而固持力也增大，從而導(dǎo)致了流量的減小。

3 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤水分入滲的研究很多，但是各個(gè)研究的條件、環(huán)境以及方法的不同，在一定程度上得出的結(jié)論也各有不同[7,8]。本試驗(yàn)采用宏觀方法，利用遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)測(cè)定不同壓力、管道埋深，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，得到以下結(jié)論。

(1)累計(jì)入滲量與壓力水頭呈正相關(guān)關(guān)系，隨著壓力水頭的增加, 其水分入滲能力明顯增加，并且與土壤的理化特性和結(jié)構(gòu)都有關(guān)。相同壓力情況下，試驗(yàn)2區(qū)累計(jì)入滲量明顯高于試驗(yàn)1區(qū)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)2區(qū)入滲速度大于試驗(yàn)1區(qū)。

(2)隨著壓力水頭增加，向下和水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均增大，而2方向距離增大的速率相差不多，所以導(dǎo)致差距也并不明顯，并且在初期，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的速率相對(duì)比較快，但是隨著時(shí)間的推移，速率逐漸變慢。所以說濕潤(rùn)運(yùn)移速率呈現(xiàn)出先快后慢的特點(diǎn)。

(3)壓力水頭對(duì)微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體形狀影響較小，各處理濕潤(rùn)體橫剖面都近似為半圓形。土壤水分在各方向上流動(dòng)較為均勻[9]，濕潤(rùn)鋒水平方向和垂直方向的縫暈距離是相同的，其體形近似半圓。由于此試驗(yàn)是在沙壤土上進(jìn)行的，其土壤的孔隙分布比較均勻，從而導(dǎo)致土壤水勢(shì)梯度在各方向上的差別不明顯。滴灌帶出水口處濕潤(rùn)體是否為“半球狀”還有待進(jìn)一步研究。

(4)如果采用與工作壓力呈一定線性關(guān)系的貼片式滴灌帶，那么就會(huì)出現(xiàn)流量變小的情況。如果采用地埋貼片式滴灌帶，其流量將大大增加。這一現(xiàn)象說明土壤在一定程度上是影響滴灌流量的重要因素。

(5)埋深對(duì)土壤濕潤(rùn)體與作物根系的有效匹配至關(guān)重要，不同埋深導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和濕潤(rùn)體水分特性不同。陳鵬等[10]在文章中得出結(jié)論，最適合植物根系生長(zhǎng)的埋深距離是5～15 cm，這個(gè)距離的濕潤(rùn)體大小以及位置都非常合適。但是埋深必須大于5 cm，不然土壤表面會(huì)出現(xiàn)濕潤(rùn)從而導(dǎo)致地表的蒸發(fā)量增大，最終導(dǎo)致水分蒸發(fā)快，利用率低。再根據(jù)土壤濕潤(rùn)程度來看，埋深10 cm為最佳，同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也符合岳兵等[11]根據(jù)作物需求確定的地下滴灌毛管埋深建議值。

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