青海湖沙漠地區節水器設計

王寧峰+鐵生年+鄒蜜

摘要： 負水頭毛細滲灌非常適合青海湖周邊沙漠地區的固沙植生，根據毛細滲灌原理對節水器進行設計，考慮植物的需水量，棉線毛細輸水量，沙子的輸水特性可確定節水器的輸水量及入滲點。

Abstract： Water infiltration under water supply of negative hydraulic heads is suited to irrigation in the deserts around Qinghai lake. According to water infiltration principle， one kind of water economizer is designed. Considering the water consumption of the plant， the water delivery of cotton， property of water capillary conductivity in sand， water conductivity magnitude and the position where water infiltration will begin from the water economizer are designed.

關鍵詞： 沙漠地區；植生；節水器

Key words： desert area；plant；water economizer

中圖分類號：TU821 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）19-0006-03

1 背景

青海湖是青海省重要的旅游資源，海拔3149-5170m，由于沙丘不斷增高加大，嚴重影響湖周邊的公路及公共設施。防止干旱地區土地的沙漠化趨勢需要固沙植生，而水的高效利用是植生的關鍵，由于青海湖周邊長住人口少，經濟不發達，缺少動力能源，制約了現有節水灌溉技術推廣應用（如滴灌、微噴、覆膜灌等）。此外這些技術成本太高，需要人維護，不適合青海湖周邊沙漠地區的植生固沙。

負水頭毛細滲灌是一種有潛在前途的灌溉方法[1]，因此可利用水在沙中的毛細力擴散作用，使節水器內的水流入沙漠中保持沙子的濕潤從而保障植生。沙中水量控制可根據作物的需水量，輸水的高度差和棉線多少限制輸水量，有利于水的高效利用。此外在輸水過程中要考慮植物的需水量，降水量以及沙子，輸水介質的吸水，滲水特性，以及含水量的分布。本文根據沙子的輸水特性設計一種負水頭節水器。

2 節水器結構及工作原理

結構如圖1所示設計筒體為10L的圓柱形筒體，有效的灌溉面積小于2平方米，引水管與筒體連接，引水管內裝有棉線，一端接觸毛氈，一端引入沙中供給植物去吸收水分，棉線所處吸水直管設成長度為34cm長。為了防止棉線長期浸在水中損壞棉線，在圓筒壁鋪設一層毛氈，毛氈的毛細速率大于棉線且不易腐爛，毛氈厚度為2cm，起到引水作用。輸水管設在圓桶中心，設計成直徑為5cm，輸水管頂端設計管帽。如圖1所示節水器包括1管帽，2輸水管3密封盤4螺栓5筒體6毛氈7內筒，8引水管。主要工作原理是水通過毛細作用濕潤毛氈，棉線被毛氈濕潤通過毛細作用傳入入滲點，水分從入滲點擴散到沙中，通過控制棉線的多少及垂直高度高度控制棉線的輸水量。毛氈的輸水速率要大于棉線，可使棉線的供水充足。

3 主要設計參數的確定

3.1 植被狀況及植物的需水量估算 環青海湖地區總面積2.96萬km2。區域海拔3000～5000m，多年平均氣溫-1.14～1.17，年降水量253～515mm，屬于典型的高寒干旱大陸性氣候[2]。青海湖周邊沙粒的主要由72～74%SiO2；7～8%Al2O3，5-8%CaO及其他雜質吸附物組成[3]。

以文獻[4]為例，油蒿（沙漠中典型植物）在4～6月是植物的快速生長階段，該階段油蒿的蒸散耗水量為55.6mm，7～9月植物進入旺盛生長階段，葉面積和覆蓋度逐漸達到最大，與之相應的植物蒸散耗水量也逐漸達到高峰，該階段中油蒿的蒸散耗水量為138.0mm。10～11月植物生長停止，根系吸水減少，該階段中油蒿的蒸散耗水量為24.4mm，可得油蒿全年耗水217.7mm，全年降水量159.6mm，滲漏量為21.2mm。根據式W=P-（ET+Q）可計算油蒿需水量（其中W為土壤儲水量變化，P為降水量，ET為蒸散量，Q為土壤滲漏水量）。按8個月計算，每月每平米平均需水10mm，換算成體積為0.010立方米，考慮4-6月每月加水1次半即可，7～9月植物進入旺盛生長期，同時降水量也較大，需水較大，半個月加一次即可。每平方米沙地需水，圓整后桶的體積為0.010立方米（10升）。

3.2 棉線的輸水能力計算 毛細輸水可采用棉線作為中間介質傳遞水，棉線的環保性良好，價格便宜。根據多根棉線不同高度的輸水實驗，如圖3所示單根棉線輸水最大輸水速率為0.344g/h，棉線的輸水量隨垂直爬升距離增大而減小。可根據植物每天的需水量可確定棉線的根數。

3.3 含水量與入滲點的關系 不同種子發芽需要含水量不一樣[5]，不同植物的根系分布特點不同，布置棉線的入滲點需要綜合考慮沙子的含水量及分布情況。如圖4所示為單根棉線在塑料的包覆下引入沙中，端點緊貼玻璃在沙中入滲水，3天后濕潤的范圍保持相對穩定，從玻璃中觀察的結果，沿入滲點水平方向顏色較深說明的含水量最大，隨著與入滲點距離的增大含水量逐步減小，水平長約13cm，垂直方向高約8cm。隨著棉線的根數增多，潤濕的長度，高度會增大。

為了控制水的利用，同時又滿足植物的生長需求，必須掌握水在沙中的各方向的輸運速度以及含水量分布情況，設計實驗如下。

3.3.1 水份在沙子中的擴散特性實驗 實驗設備（環境）及要求：燒杯，棉線，秒表，透明塑料管，沙子，電子天平，烘箱，標尺。endprint

實驗步驟：

①將沙子裝入直徑1cm的透明塑料管，輕輕震蕩使沙子緊實，裝入量約90cm，兩端塞入棉花，下端用一根棉線引出，置于空燒杯200ml中。

②取若干小燒杯，在燒杯做上標記，標記上所對應的數字為沙柱的長度，并對各個標記燒杯進行稱量；將沙柱固定，同時在沙柱后面固定標尺，將沙柱分別水平擺放，垂直擺放。

③將水加入燒杯，浸過棉線，使水面與管口盡量近，當水潤濕棉花開始計時。

④記錄水潤濕峰面的位置和時間，靜置12小時使水充分潤濕沙。

⑤取下沙柱，將沙柱切割分段，取其中的濕沙子置于相應標號的燒杯中。

⑥將含濕沙的燒杯放在電子天平上依次測量，并記錄各個數據。

⑦將測量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小時后，取出燒杯，再次稱量各個質量，記錄數據。

3.3.2 實驗結果 將不同方向的實驗數據繪于同一圖中，如圖5水份在幾種沙柱中的擴散，縱橫坐標分別為，潤濕峰面所在沙柱位置及對應的擴散時間。如圖6水份在幾種沙柱中的擴散后的含水量縱橫坐標分別為沙柱充分潤濕后，各段含水量及相應位置。

對圖5各方向擬合方程求導可的各方向擴散速度。小流量垂直下滲的速率為常量0.0537cm/s，水平滲透的速率呈指數變化為u=0.522x-0.473cm/s，毛細上升的速率為u=3.3796x-1cm/s，可知初始階段水平滲透速率遠大于毛細上升及垂直下滲。這使得小水量在沙中擴散濕潤的范圍水平方向要大的多，與圖4一致。

由圖6可見含水量最大值約0.2，在距源點60cm內以水平滲透的含水量最大，隨著距離增大，含水量緩慢下降滿足線性分布規律。毛細上升含水量滿足二階多項式分布，隨距離上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力場作用會逐步下滲，造成上端部分的含水量隨時間的增加而減少但是保持一定的含水量，隨時間推移棉線會將燒杯中的水沿沙柱傳遞，而水平和毛細上升會達到一種相對穩定狀態，燒杯的水量不變，沙柱潤濕的長度幾乎不變。

4 總結

毛細輸水不需要動力，滲漏少，適合無人類活動的沙漠地區節水灌溉。

根據毛細滲灌原理，設計了一種節水灌溉器。通過實驗得到了棉線輸水量，沙子的滲水特性，以及各方向含水量的分布。根據實驗數據可設計節水器不同的輸水量，設計不同的入滲點滿足植物及種子發芽所需水量。

參考文獻：

[1]解迎革，薛緒掌，王國棟，李霞.負水頭供水條件下土壤水分一維入滲規律的研究[J].干旱地區農業研究，2007，25（5）：119-124.

[2]嚴德行，朱寶文，謝啟玉等.青海湖地區氣溫變化特征[J].氣象科技， 2011，39（1）：33-37.

[3]鐵生年，馬麗莉，楊興學.青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質研究青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質研究[J].青海大學學報，2011，29（5）：17-20.

[4]馮金朝，陳荷生，康躍虎，劉元波.騰格里沙漠沙坡頭地區人工植被蒸散耗水與水量平衡的研究[J].植物學報，1995，37（10）：815-821.

[5]徐娜，張眾，龐敏娜.不同土壤含水量對根莖冰草幼苗生長發育的影響[J].內蒙古農業大學學報，2011，32（2）：297-299.endprint

實驗步驟：

①將沙子裝入直徑1cm的透明塑料管，輕輕震蕩使沙子緊實，裝入量約90cm，兩端塞入棉花，下端用一根棉線引出，置于空燒杯200ml中。

②取若干小燒杯，在燒杯做上標記，標記上所對應的數字為沙柱的長度，并對各個標記燒杯進行稱量；將沙柱固定，同時在沙柱后面固定標尺，將沙柱分別水平擺放，垂直擺放。

③將水加入燒杯，浸過棉線，使水面與管口盡量近，當水潤濕棉花開始計時。

④記錄水潤濕峰面的位置和時間，靜置12小時使水充分潤濕沙。

⑤取下沙柱，將沙柱切割分段，取其中的濕沙子置于相應標號的燒杯中。

⑥將含濕沙的燒杯放在電子天平上依次測量，并記錄各個數據。

⑦將測量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小時后，取出燒杯，再次稱量各個質量，記錄數據。

3.3.2 實驗結果 將不同方向的實驗數據繪于同一圖中，如圖5水份在幾種沙柱中的擴散，縱橫坐標分別為，潤濕峰面所在沙柱位置及對應的擴散時間。如圖6水份在幾種沙柱中的擴散后的含水量縱橫坐標分別為沙柱充分潤濕后，各段含水量及相應位置。

對圖5各方向擬合方程求導可的各方向擴散速度。小流量垂直下滲的速率為常量0.0537cm/s，水平滲透的速率呈指數變化為u=0.522x-0.473cm/s，毛細上升的速率為u=3.3796x-1cm/s，可知初始階段水平滲透速率遠大于毛細上升及垂直下滲。這使得小水量在沙中擴散濕潤的范圍水平方向要大的多，與圖4一致。

由圖6可見含水量最大值約0.2，在距源點60cm內以水平滲透的含水量最大，隨著距離增大，含水量緩慢下降滿足線性分布規律。毛細上升含水量滿足二階多項式分布，隨距離上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力場作用會逐步下滲，造成上端部分的含水量隨時間的增加而減少但是保持一定的含水量，隨時間推移棉線會將燒杯中的水沿沙柱傳遞，而水平和毛細上升會達到一種相對穩定狀態，燒杯的水量不變，沙柱潤濕的長度幾乎不變。

4 總結

毛細輸水不需要動力，滲漏少，適合無人類活動的沙漠地區節水灌溉。

根據毛細滲灌原理，設計了一種節水灌溉器。通過實驗得到了棉線輸水量，沙子的滲水特性，以及各方向含水量的分布。根據實驗數據可設計節水器不同的輸水量，設計不同的入滲點滿足植物及種子發芽所需水量。

參考文獻：

[1]解迎革，薛緒掌，王國棟，李霞.負水頭供水條件下土壤水分一維入滲規律的研究[J].干旱地區農業研究，2007，25（5）：119-124.

[2]嚴德行，朱寶文，謝啟玉等.青海湖地區氣溫變化特征[J].氣象科技， 2011，39（1）：33-37.

[3]鐵生年，馬麗莉，楊興學.青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質研究青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質研究[J].青海大學學報，2011，29（5）：17-20.

[4]馮金朝，陳荷生，康躍虎，劉元波.騰格里沙漠沙坡頭地區人工植被蒸散耗水與水量平衡的研究[J].植物學報，1995，37（10）：815-821.

[5]徐娜，張眾，龐敏娜.不同土壤含水量對根莖冰草幼苗生長發育的影響[J].內蒙古農業大學學報，2011，32（2）：297-299.endprint

實驗步驟：

①將沙子裝入直徑1cm的透明塑料管，輕輕震蕩使沙子緊實，裝入量約90cm，兩端塞入棉花，下端用一根棉線引出，置于空燒杯200ml中。

②取若干小燒杯，在燒杯做上標記，標記上所對應的數字為沙柱的長度，并對各個標記燒杯進行稱量；將沙柱固定，同時在沙柱后面固定標尺，將沙柱分別水平擺放，垂直擺放。

③將水加入燒杯，浸過棉線，使水面與管口盡量近，當水潤濕棉花開始計時。

④記錄水潤濕峰面的位置和時間，靜置12小時使水充分潤濕沙。

⑤取下沙柱，將沙柱切割分段，取其中的濕沙子置于相應標號的燒杯中。

⑥將含濕沙的燒杯放在電子天平上依次測量，并記錄各個數據。

⑦將測量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小時后，取出燒杯，再次稱量各個質量，記錄數據。

3.3.2 實驗結果 將不同方向的實驗數據繪于同一圖中，如圖5水份在幾種沙柱中的擴散，縱橫坐標分別為，潤濕峰面所在沙柱位置及對應的擴散時間。如圖6水份在幾種沙柱中的擴散后的含水量縱橫坐標分別為沙柱充分潤濕后，各段含水量及相應位置。

對圖5各方向擬合方程求導可的各方向擴散速度。小流量垂直下滲的速率為常量0.0537cm/s，水平滲透的速率呈指數變化為u=0.522x-0.473cm/s，毛細上升的速率為u=3.3796x-1cm/s，可知初始階段水平滲透速率遠大于毛細上升及垂直下滲。這使得小水量在沙中擴散濕潤的范圍水平方向要大的多，與圖4一致。

由圖6可見含水量最大值約0.2，在距源點60cm內以水平滲透的含水量最大，隨著距離增大，含水量緩慢下降滿足線性分布規律。毛細上升含水量滿足二階多項式分布，隨距離上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力場作用會逐步下滲，造成上端部分的含水量隨時間的增加而減少但是保持一定的含水量，隨時間推移棉線會將燒杯中的水沿沙柱傳遞，而水平和毛細上升會達到一種相對穩定狀態，燒杯的水量不變，沙柱潤濕的長度幾乎不變。

4 總結

毛細輸水不需要動力，滲漏少，適合無人類活動的沙漠地區節水灌溉。

根據毛細滲灌原理，設計了一種節水灌溉器。通過實驗得到了棉線輸水量，沙子的滲水特性，以及各方向含水量的分布。根據實驗數據可設計節水器不同的輸水量，設計不同的入滲點滿足植物及種子發芽所需水量。

參考文獻：

[1]解迎革，薛緒掌，王國棟，李霞.負水頭供水條件下土壤水分一維入滲規律的研究[J].干旱地區農業研究，2007，25（5）：119-124.

[2]嚴德行，朱寶文，謝啟玉等.青海湖地區氣溫變化特征[J].氣象科技， 2011，39（1）：33-37.

[3]鐵生年，馬麗莉，楊興學.青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質研究青海湖周邊沙漠化沙粒表面性質研究[J].青海大學學報，2011，29（5）：17-20.

[4]馮金朝，陳荷生，康躍虎，劉元波.騰格里沙漠沙坡頭地區人工植被蒸散耗水與水量平衡的研究[J].植物學報，1995，37（10）：815-821.

[5]徐娜，張眾，龐敏娜.不同土壤含水量對根莖冰草幼苗生長發育的影響[J].內蒙古農業大學學報，2011，32（2）：297-299.endprint