微潤管出流特性和流量預報方法研究

牛文全 張明智 許 健 鄒小陽 張若嬋 李 元

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.河南省水利科學研究院， 鄭州 450000； 4.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

微潤管出流特性和流量預報方法研究

牛文全1,2張明智3許 健2鄒小陽4張若嬋1李 元2

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.河南省水利科學研究院， 鄭州 450000； 4.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

為探明影響微潤管流量的主要因素，確定微潤管壓力與流量關系，通過田間試驗，研究不同土壤初始質(zhì)量含水率(13.83%、15.49%、16.27%、17.72%)和不同土壤容重(1.18、1.21、1.24、1.26 g/cm3)條件下不同壓力水頭(0、0.1、0.3、0.7、1.1、2.1 m)對微潤管流量的影響。結果表明：微潤管流量隨土壤質(zhì)量含水率變化有一定的自我調(diào)節(jié)作用，但微潤管流量受土壤質(zhì)量含水率變化影響較小，自我調(diào)節(jié)時間約為44 h。隨著灌水時間增加，微潤管流量呈先快速增加再減小后趨于穩(wěn)定平緩的趨勢，灌水后約48 h趨于穩(wěn)定狀態(tài)。工作壓力、土壤容重和初始質(zhì)量含水率均對微潤管流量有顯著影響，在一定工作壓力范圍內(nèi)(0～2.1 m水頭)，壓力與流量呈顯著性線性關系(P<0.05)，模型決定系數(shù)R2大于0.85，隨土壤初始質(zhì)量含水率與容重增加，微潤管流量呈減小趨勢，微潤管流量變化對工作壓力的敏感度逐漸下降；在壓力與流量線性回歸模型中微潤管的流量系數(shù)和壓力為零的流量b均非單純由產(chǎn)品自身特性決定，土壤初始質(zhì)量含水率和容重與流量系數(shù)呈顯著負相關關系(P<0.05)，容重與壓力為零的流量均存在顯著負相關關系(P<0.05)，可用土壤初始質(zhì)量含水率和容重確定流量系數(shù)和壓力為零時的流量值，最終實現(xiàn)微潤灌出流預報。通過灰色關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，壓力是影響微潤管流量的最主要因素，土壤容重次之，土壤初始質(zhì)量含水率對微潤管流量影響最小。

微潤管； 流量； 土壤； 壓力； 初始質(zhì)量含水率； 容重

引言

微潤管由填料(不與聚乙烯材料發(fā)生化學反應的材料，如輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣與超細二氧化硅；材料表面處理劑為脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7或脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-9)與高壓聚乙樹脂按預設質(zhì)量比形成混合材料進行攪拌，攪拌均勻后置入造粒機制成填充顆粒料，將該顆粒料置入預設制管設備以制成預成型管，再將預成型管導入高溫萃取機中，以水和十二烷基苯磺酸鈉的混合液為萃取劑對預成型管進行連續(xù)萃取而制成。管壁較厚((0.9±0.1) mm)，微潤管屬于線源持續(xù)性灌溉，是滲灌的一種。微潤灌技術結構簡單，動力消耗少，運行費用低，是一種具有廣闊應用前景的節(jié)水灌溉技術，關于微潤灌技術的應用及研究越來越多[1-6]。

微灌流量及其影響因素是決定灌水質(zhì)量的重要因素，選用適宜的技術參數(shù)對于有效調(diào)控土壤含水率十分重要。一般情況下，影響地埋式灌水器流量的因素有土壤、水力與灌水器的特征參數(shù)等，其中土壤質(zhì)地、容重、含水率和溫度以及灌水器的尺寸、堵塞程度、工作壓力、毛管埋深和布置間距等均對灌水器流量的影響較大[2,7-11]。對于地下滴灌，壓力是控制其流量的關鍵因素[2]，壓力與流量一般是冪函數(shù)關系，可由滴頭的流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)計算特定壓力下的流量，滴灌系統(tǒng)的滴頭流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)一般和滴頭的結構參數(shù)有關[12-14]。微潤灌與滴灌不同，前者壓力與流量呈顯著線性正相關關系[1,15]，管道布置間距、鋪設長度和埋深等均對流量有顯著影響[16-24]。隨微潤管埋深的增加，流量呈減小趨勢[2]。土壤類型、土壤初始質(zhì)量含水率等因素也是影響垂直線源入滲的重要因素[25-26]，流量與土壤入滲速率存在顯著正相關關系[27]。

研究發(fā)現(xiàn)微潤管壓力與流量呈線性關系，容重與平均入滲速率(流量)呈負線性關系[2]，且隨土壤容重的增加，濕潤峰運移距離呈減小趨勢，隨土壤初始質(zhì)量含水率的增加，濕潤峰運移距離呈增加趨勢，土壤容重、初始質(zhì)量含水率與流量的關系通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重與流量呈負線性相關關系，其中R2=0.807；土壤初始質(zhì)量含水率與流量呈正線性相關關系，其中R2=0.866；二者的線性模型決定系數(shù)R2均較大，說明在該模型中土壤容重、初始質(zhì)量含水率均可解釋流量變化至少80%以上，二者是影響微潤管流量的主要因素[28]。

但總體而言，針對上述因素對微潤管流量影響的研究較少，不同影響因素對微潤管流量的影響也缺乏定量分析。目前，有研究認為痕量灌溉技術可根據(jù)土壤含水率自我調(diào)節(jié)流量[4,28]，為初步探明微潤灌是否也具有同樣的功能，有必要建立不同土壤性質(zhì)的微潤管壓力與流量關系。本文通過大田試驗，研究不同壓力、土壤初始質(zhì)量含水率與容重對微潤管流量的影響，以期為微潤灌溉科學設計和推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2015年6月份在陜西省楊凌西北農(nóng)林科技大學教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站(108°24′E、34°20′N，海拔高度521 m)進行，該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤氣候，全年無霜期221 d，年均日照時數(shù)2 163.80 h，年均降水量為600 mm，且多集中在7—9月份。試驗地土壤為楊凌塿土，土壤顆粒分析組成見表1，經(jīng)測定0～80 cm土層內(nèi)平均田間持水率(質(zhì)量分數(shù))為24.0%，飽和含水率(體積分數(shù))為60.1%，凋萎含水率(體積分數(shù))為8.5%，土壤容重為1.32 g/cm3，該試驗小區(qū)地下水埋深大于5 m[29]，因此，忽略地下水補給。

表1 供試土壤顆粒分析

1.2 試驗設計及過程

采用深圳市微潤灌溉有限公司生產(chǎn)的微潤管，管徑16 mm，如圖1a所示。試驗設計小區(qū)尺寸為6 m×2 m，各小區(qū)間距1 m，每小區(qū)內(nèi)鋪設微潤管6條，鋪設長度2 m，鋪設間距1 m，微潤管埋深0.20 m(圖1b)。試驗時，用馬氏瓶控制水位高度，當壓力較低時，微潤管流量受土壤含水率的影響較大，故按照由密到疏壓力布置原則，每個小區(qū)鋪設6條微灌管的工作壓力分別為0、0.1、0.3、0.7、1.1、2.1 m水頭。試驗考慮土壤初始質(zhì)量含水率和容重2個因素，各因素設置4個水平。預先設定目標初始土壤含水率為田間持水率的60%、65%、70%、75%，通過實際測量各小區(qū)土壤初始質(zhì)量含水率，由于田間土壤含水率分布不均勻，故試驗前取出各小區(qū)0～60 cm土層土壤，攪拌均勻，測量土壤含水率，并計算灌水量

M=100(θF-θi)γHp

(1)

式中M——灌水量，m3/hm2θF——預先設定目標初始土壤質(zhì)量含水率θi——0～60 cm土層內(nèi)的平均質(zhì)量含水率

γ——土壤容重,g/cm3

p——土壤濕潤比，取0.9

H——計劃濕潤層深度，m

通過換算獲得各水平小區(qū)實際灌水量m。

圖1 微潤管及試驗小區(qū)示意圖Fig.1 Schematics of moistube and experiment plots

各小區(qū)實際灌水量m計算結果分別為0、0.12、0.18、0.28 m3，將該水分澆灑在相對應的小區(qū)取出土層的土壤中，攪拌均勻后整體均勻性回填，形成不同的土壤初始質(zhì)量含水率及容重，同時考慮回填過程中產(chǎn)生的誤差，采用6 m×2 m大型有機玻璃板整體均勻性壓實，各小區(qū)隨機選取6個采樣點進行采集，計算平均值，測定試驗小區(qū)實際土壤初始質(zhì)量含水率(w)分別為13.83%、15.49%、16.27%、17.72%(質(zhì)量含水率)；容重(ρb)分別為1.18、1.21、1.24、1.26 g/cm3，共計16個試驗小區(qū)，小區(qū)位置隨機排列，共96個處理(表2)，由于微潤管流量小，連續(xù)灌水時間短，故忽略各處理之間的土壤水分橫向滲透運移。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 流量q

微潤灌為管道壁面的微孔出流，其流量為單位時段內(nèi)單位長度的出水量。灌水3 d內(nèi)分別于灌水0、2、4、7、11、15、24、31、39、48、60、72 h時觀測記錄馬氏瓶水位線，計算各單位時段出流量

qi=s(Hi+1-Hi)/(Tid)

(2)

式中qi——第i時段內(nèi)的流量,cm3/(m·h)s——馬氏瓶底面積，cm2Hi+1、Hi——i時段開始和結束時馬氏瓶水位刻度值,cm

Ti——第i時段間隔，h

d——微潤管長度,m

微潤管平均流量q為各單位時段流量qi的算術平均值。

1.3.2 土壤含水率

根據(jù)有關研究[30-31]，微潤管周圍大部分土壤含水率介于田間持水率的80%～90%之間，毛管正上部5 cm左右的土壤質(zhì)量含水率基本保持在田間持水率的80%～90%之間，為防止采樣對微潤管的破壞，本研究采樣點集中在毛管正上部5～10 cm處。采樣時間均在記錄馬氏瓶水位線后立刻用土鉆采集土樣，采用干燥法測定土壤質(zhì)量含水率。

1.3.3 土壤容重

灌水前在微潤管正上部5～10 cm土層取樣，采用環(huán)刀法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 22.0進行逐步線性回歸分析，Excel進行灰色關聯(lián)度及方差分析，用OriginPro 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 微潤管流量隨時間的變化

微潤管流量受土壤含水率的影響微潤管流量隨灌水時間的變化而發(fā)生相應的改變[24]。圖2a為隨機選擇一組微潤管流量隨灌水時間的變化趨勢。

由圖2a可知，微潤管流量隨灌水時間的增加，基本均呈先增大再減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，壓力越大變化趨勢越明顯。灌水48 h后微潤管流量基本趨于穩(wěn)定。壓力越大，微潤管流量達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間越短。壓力相同時，土壤初始質(zhì)量含水 率與容重越小，土壤水分達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間就越長。隨土壤含水率的增加，微潤管流量呈先增加后減小再趨于穩(wěn)定的趨勢，說明微潤管流量隨土壤含水率變化有一定的自我調(diào)節(jié)作用，綜合分析發(fā)現(xiàn)，自我調(diào)節(jié)時間約為44 h。微潤管流量與土壤含水率約在灌水48 h后均趨于穩(wěn)定。

表2 試驗處理

2.2 土壤含水率隨時間的變化

圖2b為微潤管上部5～10 cm平均土壤含水率隨灌水時間變化的趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，隨灌水時間的增加，土壤含水率呈先快速增加后趨于平緩穩(wěn)定的趨勢，灌水60 h后土壤含水率基本趨于穩(wěn)定，土壤含水率隨工作壓力增大而增大，工作壓力為2.1 m水頭時土壤質(zhì)量含水率最大，約為24%；工作壓力水頭為零時最小，土壤質(zhì)量含水率約為20%。工作壓力越大，土壤含水率達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越短。土壤初始質(zhì)量含水率越小，土壤水分達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越長，初始土壤質(zhì)量含水率分別為13.83%和17.72%時，土壤含水率達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間相差約為20 h。土壤容重對土壤含水率達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間的影響與初始質(zhì)量含水率類似。

圖2 微潤管流量與土壤質(zhì)量含水率隨時間的變化曲線Fig.2 Changing curves of moistube flow and soil mass moisture content with time

2.3 壓力對微潤管流量的影響

通過對試驗中16個小區(qū)96組試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，壓力與流量在一定范圍內(nèi)呈線性增加趨勢，即

q=kh+b

(3)

式中k——流量系數(shù)，cm3/(m2·h)h——水頭，mb——壓力為零時的平均流量，cm3/(m·h)

參數(shù)見表3。

表3 不同處理下微潤管流量與流量系數(shù)

注：*、** 分別表示自變量在回歸模型中P<0.05和P<0.01水平上顯著相關，下同。ρb1、ρb2、ρb3和ρb4分別表示土壤容重為1.18、1.21、1.24、1.26 g/cm3。

2.4 土壤容重對流量的影響

通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重對微潤管流量有顯著影響(P<0.05)。隨土壤容重的增加，微潤管流量呈減小趨勢(表3)。Pearson相關分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重對k和b值影響的Pearson相關系數(shù)分別為-0.776、-0.893，均達顯著水平(P<0.05)。隨土壤容重的增大，流量系數(shù)k基本呈減小趨勢，說明隨土壤容重的增加，微潤管流量變化對工作壓力的敏感度逐漸下降，在壓力與流量線性關系式(3)中，增加1.0 m壓力時，流量q增加量等于流量系數(shù)k，當土壤容重增加1.00 g/cm3時，流量系數(shù)k減小100.01 cm3/(m2·h)，k的減小導致微潤管流量的增加量也相應減小。隨土壤容重的增大，壓力為零時流量b也基本呈減小趨勢。

2.5 土壤初始質(zhì)量含水率對流量的影響

通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，土壤初始質(zhì)量含水率對微潤管流量有顯著影響(P<0.05)，隨土壤初始質(zhì)量含水率的增加，微潤管流量基本呈減小趨勢。由表3可知，隨初始質(zhì)量含水率的增加，流量系數(shù)k和壓力為零時的流量b基本均呈減小趨勢，說明隨土壤初始質(zhì)量含水率的增加，微潤管流量變化對工作壓力的敏感度呈逐漸下降趨勢，在壓力與流量線性關系中，壓力增加1.0 m流量增加量等于流量系數(shù)k，當土壤初始質(zhì)量含水率增加1個百分點時，流量系數(shù)k減小1.10 cm3/(m2·h)，k的減小導致微潤管流量的增加量也相應減小。流量系數(shù)k、壓力為零的流量b與土壤初始質(zhì)量含水率w的Pearson相關系數(shù)分別為-0.523、-0.225，說明k、b均與w呈負相關關系，其中流量系數(shù)k與土壤初始質(zhì)量含水率(w)呈顯著相關關系(P<0.05)。

微潤管流量受諸多因素影響，各因素對其影響程度不同。在諸多因素影響程度尚不清楚的情況下，宜采用灰色關聯(lián)法分析壓力、土壤初始質(zhì)量含水率與容重對微潤管流量的影響(表4)。

表4 壓力、土壤初始質(zhì)量含水率、容重與微潤管流量的灰色關聯(lián)度和方差分析

由表4可知，根據(jù)灰色關聯(lián)度排序，對微潤管流量的關聯(lián)程度由大到小依次為：壓力水頭、容重、土壤初始質(zhì)量含水率，該結果表明影響微潤管流量較大的因素是壓力。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，壓力、初始質(zhì)量含水率和容重均對微潤管流量有顯著影響，壓力F值最大，容重次之，初始質(zhì)量含水率最小。

綜上，對流量系數(shù)k與初始質(zhì)量含水率w、容重ρb，壓力為零時的流量b與初始質(zhì)量含水率w、容重ρb進行逐次線性回歸分析，結果見表5。

由表5可知，流量系數(shù)k與初始質(zhì)量含水率w、 容重ρb存在二元線性回歸關系，壓力為零時的流量b與容重ρb存在一元線性回歸關系，其回歸方程分別為

k=-1.40w-100.04ρb+175.42

表5 回歸模型與參數(shù)

(R2=0.88，P<0.05)

(4)

b=-40.29ρb+61.17 (R2=0.80，P<0.05)

(5)

k與w、ρb回歸的決定系數(shù)R2=0.88，表明該模型中w與ρb可解釋k的程度達88%，可以用w與ρb共同實現(xiàn)對系數(shù)k的估計。b與ρb回歸的決定系數(shù)R2=0.80，表明該模型中ρb可解釋b的程度達80%，可以用ρb來實現(xiàn)對常數(shù)b的估計。上述2個回歸方程的顯著性P<0.05，說明自變量與因變量之間具有顯著的線性關系，w、ρb對k的貢獻率分別為52%和78%，回歸方程(4)能夠解釋k變化的86%。ρb對b的貢獻率為89%，回歸方程(5)能夠解釋b變化的78%。但k與w、ρb，b與ρb的剩余因子e均較大，分別為0.35和0.45，說明對k和b的影響因子除w與ρb外，還有其他影響因素，有待進一步研究。

將式(4)、(5)代入式(3)可確定微潤管流量

q=(-1.40w-100.04ρb+175.42)h-40.29ρb+61.17

(6)

3 討論

由于微潤管壁厚且微孔尺寸小、數(shù)目多、相互連通的特殊結構，在管壁內(nèi)外壓力差的作用下，水分完全穿過管壁上所有微小且路徑曲折復雜的微通道或?qū)崿F(xiàn)全部孔口出流需要一定時間，工作壓力越大，管壁內(nèi)外壓力差越大，水流速較快，易打通所有微孔，微潤管流量達到穩(wěn)定流量狀態(tài)所需時間越短。圖2中當微潤管管壁微孔全部打開前，約在灌水前4 h，微潤管的流量增加主要受打通微孔數(shù)量即過水斷面面積決定，而受管壁外側(cè)土水勢變化的影響較小，因此，微潤管流量呈增加趨勢。在特定的工作壓力下，當微潤管流量達到最大時，隨灌水時間的增加，管壁周圍土壤含水率逐漸增加，抑制微潤管微孔出流，因此，本試驗灌水4 h后微潤管流量存在一個較短的下降趨勢，但隨灌水時間進一步增加，約灌水48 h后，管壁周圍土壤質(zhì)量含水率趨于穩(wěn)定，管壁內(nèi)外的壓力差也趨于穩(wěn)定，微潤管流量也隨之呈穩(wěn)定狀態(tài)[7,13]。說明在灌水過程中，隨土壤含水率的增加微潤管流量呈減小趨勢。灌水過程中，微潤管流量也隨土壤含水率的逐漸提高而發(fā)生一定的變化，但變化幅度較小。通過分析發(fā)現(xiàn)，在灌水過程中，微潤管流量根據(jù)土壤含水率的變化自我調(diào)節(jié)時間約為44 h。當灌水48 h后，微潤管流量與土壤含水率均不再變化，此時影響微潤管流量的主要因素為工作壓力，如當工作壓力為2.1 m水頭時，土壤質(zhì)量含水率約為24%，此時，微潤管的穩(wěn)定流量約為65.00 cm3/(m·h)，當工作壓力為0.1 m水頭時，土壤質(zhì)量含水率約為20%(穩(wěn)定流量約為18.00 cm3/(m·h)，遠小于壓力為2.1 m水頭時的流量。圖2中微潤管流量隨時間增加個別出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象，這可能與試驗微潤管(微孔直徑、微孔密度等)、氣候(溫度、空氣濕度、風速等)、土壤質(zhì)地(孔隙度、土壤含水率等)以及水源(泥沙含量、礦物質(zhì)含量、酸堿度等)有關，這些還有待進一步進行試驗探究，定性、定量分析研究。

壓力是控制微灌流量的關鍵因素[2]，隨壓力增大，入滲速率增加，土壤入滲界面承受壓力增大，導致入滲界面土壤結構發(fā)生變化，該區(qū)域飽和導水率發(fā)生改變，反過來動態(tài)影響流量[12-13]。本研究發(fā)現(xiàn)工作壓力是決定微潤管流量的關鍵因素。微潤管由于特殊的制作工藝，使微潤管壁面上形成縱橫交錯、相互連接的微孔，據(jù)測量微孔孔徑為10～900 nm，每平方厘米至少有10萬個微孔，這些微孔是水流從管內(nèi)向外滲出的通道[1]。因此，微潤管內(nèi)工作壓力決定了管壁內(nèi)外的壓力差，進而決定微潤管流量，這與地下滴灌滴頭流量受壓力控制的原理基本相似[2,32]。然而，地下滴灌滴頭孔口尺寸與微潤管微孔相差幾個數(shù)量級，且相鄰滴頭相對獨立工作，因此，壓力對地下滴灌滴頭和微潤管流量的影響規(guī)律并不完全一致。滴灌滴頭工作壓力主要消耗于克服迷宮流道內(nèi)的局部水頭損失，滴頭流量幾乎不受土壤容重和初始質(zhì)量含水率的影響，壓力與流量是冪函數(shù)關系[12]，非壓力補償式滴頭流態(tài)指數(shù)一般在0.50～1.00之間。而微潤管微孔不具備迷宮特性，且微孔相互連接，微潤管壓力與流量基本是線性關系，即其流態(tài)指數(shù)約為1.00，大于滴頭的流態(tài)指數(shù)，說明微潤管流量對壓力變化的敏感度大于滴灌。由于微潤管壁出流孔多且小，與土壤密切接觸，增大了土壤因素(容重、初始質(zhì)量含水率等)對微潤管內(nèi)外壓力差的影響，從而顯著影響微潤管流量。

土壤容重是土壤的一個重要物理特征參數(shù)，土壤容重越大，土壤密實度越大，長時間灌水會使土壤中細小顆粒或離子吸附在管壁，影響微孔出流，同時土壤容重增加，大孔隙會減少，土壤孔隙中的氣體也較難排到大氣中，增加了入滲過程中的氣相阻力[33-35]，土壤水分不易快速擴散到遠處，在灌水過程中，微潤管外壁附近土壤越易形成高含水率區(qū)域，微潤管管壁內(nèi)外壓差減小，微潤管出流阻力增大[7]，因此，本研究中隨土壤容重的增加，微潤管流量呈減小趨勢，與牛文全等[2]和薛萬來等[28]在室內(nèi)土箱試驗的結果基本一致。

土壤水分運動的主要動力來自土壤水勢梯度[4]。土壤水勢受基質(zhì)勢、溶質(zhì)勢、溫度勢和重力勢影響，本試驗各處理土壤水勢的差異主要來自基質(zhì)勢，基質(zhì)勢越大，土壤含水率越小，土壤水吸力增大，流量增加[36]。另外，土壤團聚體快速濕潤會產(chǎn)生致使團聚體破碎的崩解力，土壤初始質(zhì)量含水率越小崩解力越大，團聚體崩解會減小土壤孔隙度，增加固體顆粒數(shù)量與毛細管數(shù)量[37-38]。初始質(zhì)量含水率越小，土壤孔隙填充所需的水分越多[39]，因此，本試驗中微潤管流量隨土壤初始質(zhì)量含水率減小略有增加。

4 結論

(1)微潤管流量隨土壤質(zhì)量含水率變化有一定的自我調(diào)節(jié)作用，隨土壤初始質(zhì)量含水率的增大，微潤管流量略有減小。但微潤管流量受土壤質(zhì)量含水率變化的影響較小，自我調(diào)節(jié)時間較短，約為44 h。隨灌水時間的增加，微潤管流量呈先快速增加再減小后趨于平緩穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)工作壓力、土壤容重和初始質(zhì)量含水率均對微潤管流量有顯著影響。在一定工作壓力范圍內(nèi)(0～2.1 m水頭)，微潤管壓力與流量呈顯著性線性關系。隨土壤初始質(zhì)量含水率與容重的增加，微潤管流量呈減小趨勢，同時微潤管流量對工作壓力變化的敏感度逐漸下降。初始質(zhì)量含水率、容重與流量系數(shù)k，容重與壓力為零時的流量b均存在顯著負相關關系，可用土壤初始質(zhì)量含水率和容重確定流量系數(shù)和壓力為零時的流量值，實現(xiàn)微潤灌出流預報。

(3)灰色關聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，工作壓力對微潤管流量影響最大，容重次之，初始質(zhì)量含水率的影響最小。

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Prediction Methods and Characteristics of Flow for Moistube

NIU Wenquan1,2ZHANG Mingzhi3XU Jian2ZOU Xiaoyang4ZHANG Ruochan1LI Yuan2

(1.CollegeofWaterResourceandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofSoilandWaterConservation，NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100，China3.HenanProvincialWaterConservancyResearchInstitute,Zhengzhou450000,China4.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100，China)

In order to understand the main factors influencing the flow of moistube and determine the relationship between flow and pressure, in the case of different soil initial mass moisture contents(13.83%, 15.49%, 16.27% and 17.72%)and soil bulk densities(1.18 g/cm3, 1.21 g/cm3, 1.24 g/cm3and 1.26 g/cm3), the completely random experiment design in field of arable land was used to test the influence of different pressures (0 m, 0.1 m, 0.3 m, 0.7 m, 1.1 m and 2.1 m) on moistube flow. The results showed that the moistube had a weak and short duration of self-regulation function of flow with the change of soil moisture content, which was about 44 h. The moistube flow was increased quickly and then decreased to steady state, the soil moisture content was increased and then tended to stable state at the beginning of irrigation, it would be in steady state when after 48 h of irrigation. Moistube flow was significantly influenced by pressure, soil bulk density and soil initial mass moisture content. Moistube flow was mainly controlled by pressure, there was a significantly liner relationship between pressure and flow within a certain range (the water head was varied from 0 m to 2.1 m), the determination coefficientR2>0.85, when soil initial mass moisture content and bulk density was increased, moistube flow kept a downtrend, meanwhile the moistube flow change on the sensitivity of the working pressure was gradually decreased. Moistube flow coefficientkand flowbwith zero pressure were not simply determined by the moistube’s characteristics in the model of liner relationship between pressure and flow. The soil initial mass moisture content and bulk density with moistube flow coefficientkshowed a significant negative correlation respectively (P<0.05), bulk density with flowbwith zero pressure had a significant negative correlation (P<0.05), Moistube flow coefficientkand flowbwith zero pressure can be determined by soil initial mass moisture content and bulk density, thus the moistube flow can be predicted. According to correlation analysis and variance analysis, pressure was the most important factor affecting the moistube flow, then the soil bulk density and soil initial mass moisture content was the least.

moistube; flow; soil; pressure; initial mass moisture content; bulk density

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.028

2016-09-12

2016-11-20

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0400202)和國家自然科學基金項目(51679205)

牛文全(1971—)，男，研究員，博士生導師，主要從事灌溉理論與節(jié)水技術研究，E-mail： nwq@nwsuaf.edu.cn

S275.9

A

1000-1298(2017)06-0217-08