负压灌溉供水器供水速率与供水高度关系研究

摘 要：该文提出了一种新型的负压灌溉供水器。以土壤水吸力与土壤含水率的关系为依据进行理论分析，建立负压灌溉供水器供水速率与供水高度关系的数学模型；在过水断面面积足够大的条件下，设置三个不同的供水高度，研究负压灌溉供水器供水速率与供水高度的关系。在灌溉过程中，土壤含水量呈非饱和状态，可抑制土表湿润导致的无效蒸发和深层渗漏导致的无效灌溉；不会破坏土壤结构，从而使灌溉水量得到充分利用，同时还可以收集雨水并用于农业灌溉。

关键词：负压灌溉 耗水强度 供水高度 供水器 供水速率 非饱和土壤

中图分类号：S275 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（b）-0005-04

众所周知，中国农业用水面临资源短缺的问题，同时农业用水浪费现象非常严重，目前条件下不可能通过单纯增加新水源来缓解农业用水的紧缺状况。为此人们提出负压灌溉系统。可根据不同农作物需水要求，提供不同规格的供水装置。该装置可用于农作物的栽培，生长过程中能有效控制土壤水分，不需要人为的灌溉和看护，不用担心灌水量的多少对农作物生长和品质的影响；可提高植树成活率，提高农作物的产量，同时也减少了灌溉等人力物力的投入。在灌溉过程中，土壤含水量呈非饱和状态，可抑制土表湿润导致的无效蒸发和地下渗漏导致的无效灌溉；不会破坏土壤结构，从而使灌溉水量得到充分利用，同时还可以收集雨水应用与农业灌溉。因此，装置在节水农业的发展过程中大范围、大面积推广应用前景十分可观。在一定程度上能够实现灌溉供水的自动调节，能够根据作物的需水量自动供水灌溉，能够达到节水、节能的效果，产生较高的经济效益。

国内外对负压灌溉进行了一定的研究，1908年Livingston首先提出了负压灌溉[1]，Richards（1942）和Read（1962）利用这一原理对自动灌水钵进行了研究[2-3]。日本三菱化工集团于1996年[4]推出了“负压灌溉器皿”，该系统可用于作物盆栽，并于1998年将“负压灌溉器皿”中多孔管改为多孔板[5]。2008年李邵等人为了总结负压灌溉系统的供水规律，进行了负压灌溉与常规灌溉条件下栽培番茄的实验，分析了负压灌溉系统不同吸力值下的土壤含水率动态变化，同时分析了负压灌溉与常规灌溉耗水量以及植株蒸腾的差异[6]。

1 材料与方法

1.1 设备及测试方法描述

该实验采用对比实验的方法，在过水断面面积足够大的条件下，设置三个不同的供水高度，进行实验。该实验的负压灌溉供水系统及测试装置，包括实验箱，盛土容器（半径分别为R1=15 cm，R2=14.5 cm，R3=13.5 cm；土层厚度分别为 H1=10 cm，H2=20 cm ，H3=30 cm）（含经过必要处置，如风干、碾碎、过筛的实验土），供水箱，马氏瓶（r=3.15 cm），连接软管以及用于蒸发对比的、与供水箱相同尺寸的水箱；还包括实验过程中，采集实验相关数据用到的量筒，烧杯等仪器。

以供水高度H=10cm为例，实验过程中，可观测到当供水时间为4天时，水上升到土壤表面，并开始在土壤表层扩散；当供水时间为5天时，水完全浸湿了土壤表层。

测试项目：（1）马氏瓶中水面的下降高度；（2）用于蒸发对比实验的水箱中水分的蒸发量；（3）随着实验时间的增加，盛土容器中水分上升的高度。

测试过程：实验仪器组装完毕后，正式开始采集实验数据，并进行实验记录。前期实验，由于土壤需水量较大，导致马氏瓶中水面下降较快，采取每两小时进行马氏瓶内水位数据的观测、记录以及补充水量。同时进行数据处理，得出一段时间内土壤的需水量，进而得出绘制实验曲线所需的相关参数。随着实验的不断进行，由于土壤水分含量逐渐接近饱和含水率，其需水量逐渐开始下降，对实验进程进行了调整，由前期的一天多次测量，改为一天两次进行量测，使盛土容器中表层土壤逐渐达到饱和含水率。

为了确保实验在自然条件下进行，更贴近生产生活实际，实验装置布设在室外；同时为使实验通风性良好，采取了将实验箱打孔的方法。实验过程中，盛土容器中表层土壤逐渐达到饱和含水率，土壤表面开始出现了一些细小的裂缝，随后不断扩张为较大的裂缝，分析其发生开裂的原因可能是土壤结构被扰动所致，即在土样采集和筛选过程中，破坏了土壤原来的性状。为确保实验的准确度，采取了将土样重新风干、装桶，并从土壤表面人工加水，直至水完全渗透全部土层等措施。在土壤结构重新建立以后，又进行为期20多天的实验记录与观测，以保证数据的可靠性，准确性。

1.2 理论计算方法

在潜水埋深较浅，且相对稳定的条件下，潜水蒸发可看做是稳定蒸发，即地表处的蒸发强度与任意断面处的土壤水分通量相等，此通量即为潜水蒸发强度。

如图2，坐标原点定在潜水面处，向上为正。

潜水蒸发强度可利用非饱和土壤水分达西定律计算，其定解问题可写为，

（1）

（2）

对式（1）积分，并利用条件式（2），可得出

（3）

式中：为土壤饱和含水率，当非饱和土壤扩散率导水率已知时，式（3）给出了稳定蒸发强度为E时土壤含水率分布。

若用土壤水吸力s表示位置函数，则有

（4）

（5）

对式（4）积分，并利用条件式（5），可得出

（6）

式中：当非饱和含水率K（s）已知时，式（6）给出了稳定蒸发强度为E时土壤含水率分布。

令式（3）中的Z等于潜水埋深，即Z=H，可得到

（7）

由式（7）可计算不同潜水埋深H条件下的蒸发强度E和，进而可给出以H为参数的关系。

根据公式（7）可以计算得出不同负压高度条件下的耗水强度。其计算方法有两种，一种是利用非饱和土壤扩散率和导水率，一种是利用土壤水分特征曲线。

1.2.1 利用非饱和土壤水扩散率和导水率确定耗水强度与土壤含水率的关系

如某重壤土，其饱和含水率=0.4751，非饱和土壤扩散率，导水率。可用数值积分的方法由式（7）确定关系。其计算过程如下：

针对某一潜水埋深（H=10cm），可假定一表土含水率；

采用数值方法对式（7）右端做积分计算。将区间[]等分为n个 小区间；

采用梯形求积方法。令

（8）

式（3）可写为

（9）

1.2.2 利用土壤水分特征曲线确定耗水强度与土壤含水率的关系

这里土壤水分特征曲线采用van Genchten（1980）―Mualem（1976）模式计算，即

（10）

（11）

（12）

（13）

式中，为土壤基质势（为土壤吸力）；，，分别为土壤含水率、饱和含水率和残余含水率，均以体积含水率（cm3/cm3）表示；（cm/d）为土壤饱和导水率；C（g/cm3）为土壤比水容量；和n为参数。在理论计算中，采用河北石家庄重壤土的参数，=0.45，=0.0712，=0.011456，n=3，=8.25×10-6。

1.3 数据的分析方法

观测并记录马氏瓶中水的下降高度h（cm），将其乘以马氏瓶的底面积S1（cm2）得到土壤的耗水量Q（cm3），再除以供水器的底面积S2（cm2）和时间t（d）的乘积，进而可以计算得到土壤的耗水强度q（cm/d），即供水速率v（cm/d）。

2 结果与分析

2.1 理论分析

利用某重壤土土壤水扩散率（）和导水率（），采用EXCEL软件计算不同供水高度下，耗水强度随表土含水率的变化关系，计算结果如表1，并绘制其变化关系图，如图3。

从图3可看出，在负压灌溉系统中当供水高度一定时，供水速率随着表土土壤含水率的增大而减小，呈负相关；当土壤含水率一定时，供水速率随着供水高度的增大而减小。

为了分析土壤质地的影响，根据某中壤土的土壤水分特征曲线，采用数值积分方法，并用EXCEL软件进行计算，得到不同供水高度下，耗水强度与表土含水率的变化关系，如表2，并绘制其变化关系图，如图4。

从图4可看出，与重壤土类似，在负压灌溉系统中当供水高度一定时，供水速率随着土壤含水率的增大而减小，也呈负相关关系；当土壤含水率一定时，供水速率随着供水高度的增大而减小。只是耗水强度的数值有所不同。

2.2 测试结果

根据2014年6月3日到6月25日的实验观测数据，可绘制出土壤耗水强度随时间的变化过程图，如图5所示。

由图5可以看出，不论供水高度如何，供水强度随时间的延长总体呈下降趋势。同时，土壤耗水强度随土层厚度的减小而增大。水面蒸发强度除少数测试点外，普遍大于土壤表明耗水强度。

2.3 理论计算与实验测试结果的比较

首先根据理论计算的耗水强度与土壤含水率关系图（如图3所示）找出H=10 cm、20 cm、30 cm相对应的=5.54 cm/d、2.78 cm/d、1.85 cm/d，将前5天实测数据得到的马氏瓶中水的下降高度值（cm）（见表3）转化为不同土层厚度H下的土壤耗水强度（cm/d） （见表4）并将其代入式（14）

（14）

推求出相应的1=0.338、

2 =0.782、3 =1.085。

再把求出的1、2 和3后期的实测数据代入式（15），

（15）

可得出土壤蒸发强度E，绘制理论计算得到的耗水强度和水面蒸发强度随时间变化过程图，如图6所示。

由图6可知：当时间（即日期）相同时，供水强度与供水高度成反比关系，即供水高度越高，其相应的供水强度越小。

将同一高度下的理论计算耗水强度与实测的耗水强度随时间的变化过程图绘制在一起，如图7、图8和图9所示。

由图7可知，理论计算与实验测试得到的耗水强度大多集中在0.05cm/d到0.2cm/d之间，实验测试的耗水强度在6月14日达到最大。

由图8可知，实验测试的耗水强度在理论计算得到耗水强度值附近波动，实验测试的耗水强度与理论计算的耗水强度在6月9日到6月10日基本吻合。

由图9可知，理论计算与实验测试得到的耗水强度大多集中在0.1cm/d到0.4cm/d之间，实验测试的耗水强度在6月9日到6月10日达到最大值，同时在6月14日达到极值点。

由图7、图8和图9可以看出实验测试得到的土壤耗水强度关系图与理论计算得到的土壤耗水强度关系曲线有交叉，实验曲线围绕理论曲线上下波动，说明理论计算是合理的。

3 结语

（1）由于受大气蒸发的作用，不论供水高度如何，供水强度总是随时间变化的，且供水强度随供水高度的增大而减小。

（2）实验测试得到的土壤耗水强度随时间的变化过程与理论计算得到的土壤耗水强度随时间的变化过程曲线有交叉，说明理论计算结果与实测结果一致，理论计算结果是合理的。

参考文献

[1] Lvingston B E. A method of controlling plant moisture[J]. Plant World， 1908，11：39-40.

[2] Richard L A， Loomis W E. Limitation of auto-irrigations for controlling soil moisture under growing plant [J].Plant Physicol， 1942，17：223-235.

[3] Read D W L.Self-irrigation Greenhouse[J].Pots，AgronJ， 1962，54：467-468.

[4] MTTSUBISHI CHEM CROP （MTTU）.Negative pres-sure difference irrigation system has pair of pipes which connect ends of porous pipe， embedded in soil layer， to separate reservoirs， arranged at lower， to perform forced water flow.Japan，JP10323133-A[P].1998-09-15.

[5] Aderaldo Silva De Souza， et al. Irrigaci?n par Potes de Barro： Descripci?n del M?todo y Pruebas Preliminares[M].Petrolina， PE， Brasil，1982.

[6] 李邵.薛绪掌.郭文善，等.负水头灌溉系统供水规律研究[J].灌溉排水学报，2008（5）：55-58.

[7] 王仰仁.灌溉排水工程学[M].中国水利水电出版社，2014.

[8] 王仰仁.孙小平.山西农业节水理论与作物高效用水模式[M].中国科学技术出版社，2003.

[9] 王康.非饱和土壤水流运动及溶质迁移[M].北京：科学出版社，2010.

[10] 郭元裕.农田水利学[M].3版.北京：中国水利水电出版社，1997.