灌溉土壤滲流量和持水量模擬裝置初研究

劉杰 趙興 賈文豪 劉宇男 梁麗青

摘 要：眾所周知，我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展必然離不開水資源，但由于地形和氣候等因素的影響，導(dǎo)致我國(guó)水資源在空間和時(shí)間上的分布極不均勻。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水不僅存在著水資源短缺問題，同時(shí)還存在著農(nóng)業(yè)灌溉用水的極大浪費(fèi)現(xiàn)象，因此發(fā)展節(jié)水灌溉是不可或缺的。那如何知道此時(shí)農(nóng)田應(yīng)澆多少水就顯得尤為重要，現(xiàn)在大部分的農(nóng)田灌溉都是根據(jù)常年的經(jīng)驗(yàn)。基于這些，設(shè)計(jì)了不同灌溉方式下滲流量和持水量模擬裝置。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田灌溉;用水效率;灌溉用水量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.210

1 引言

中國(guó)是一個(gè)干旱缺水的國(guó)家，人均淡水資源僅為世界平均水平的四分之一，是13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。在全國(guó)669座城市中，有400座供水不足，110座嚴(yán)重缺水，特大城市中30座嚴(yán)重缺水，14座沿海城市中，9個(gè)嚴(yán)重缺水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年，我國(guó)全年總用水量6080億m?，其中農(nóng)業(yè)用水所占比例高達(dá)61.5%，農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用率僅為45%[1]。因此，發(fā)展節(jié)水灌溉勢(shì)在必行。

2 滲流量和持水量的概念

滲流是指流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)，由顆粒狀或碎塊材料組成，含有許多孔隙或裂隙的物質(zhì)稱為孔隙介質(zhì)。滲流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過土中與滲透水流方向垂直的橫斷面的水量。

持水量是指某種狀態(tài)的土壤抵抗重力所能吸持的最大水量，用于比較土壤的保水能力，受土壤顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)特別是顆粒大小、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量影響。自然狀態(tài)下的土壤持水量稱為田間持水量，是決定植物有效水的上限值。

3 模擬目的

水是生命之源，人們?cè)谶M(jìn)行生產(chǎn)和生活時(shí)都是離不開水的，在我國(guó)農(nóng)業(yè)用水是第一用水大戶，用水量占水資源總量的73%，而水資源的灌溉利用上還存在著很大不足。

近年來，噴灌技術(shù)雖然在部分地區(qū)推廣使用，并取得了明顯的節(jié)水效果，但是受經(jīng)濟(jì)條件制約，對(duì)噴灌項(xiàng)目建設(shè)的投入仍顯不足。部分灌區(qū)還是土渠輸水，大水漫灌，而這些地區(qū)的灌溉水的有效利用率只有50%左右[2-3]，因此，還有很大的節(jié)水空間。

通過不同灌溉方式下滲流量和持水量模擬裝置，可得到某種狀態(tài)的土壤抵抗重力所能吸持的最大水量，通過此數(shù)據(jù)，就可知道此時(shí)土壤應(yīng)澆多少水，而如果繼續(xù)進(jìn)行灌溉不僅會(huì)造成灌溉水資源的浪費(fèi)，對(duì)植物也會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

4 工作流程及實(shí)施步驟

4.1 工作流程

工作時(shí)，不同灌溉方式下滲流量和持水量模擬裝置首先通過兩側(cè)的吸水裝置和抽水裝置將水抽至噴灑口處，由于進(jìn)行噴灑的裝置不同，從而進(jìn)行漫灌和噴灌的模擬;由土壤濕度測(cè)量?jī)x讀出開始時(shí)土壤的濕度、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中和最后穩(wěn)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并記錄;通過水量測(cè)量裝置測(cè)出經(jīng)由紗布和透水石流出的水量，獲得滲水量的數(shù)據(jù);后期處理實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，分析并給出實(shí)際土壤應(yīng)澆的水量。

4.2 實(shí)施步驟

實(shí)驗(yàn)開始前，首先將透水石、紗布等濕潤(rùn)以減少實(shí)驗(yàn)誤差，取要計(jì)算灌溉用水地區(qū)的土壤放入裝置中，并用土壤濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量出土壤最開始時(shí)的濕度，并記錄數(shù)據(jù)。

開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，用探針測(cè)土壤最底層的含水率并記錄數(shù)據(jù)，接著用吸水和抽水裝置分別進(jìn)行漫灌和噴灌兩種不同灌溉方式下的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，實(shí)施過程中土壤濕度測(cè)量?jī)x會(huì)實(shí)時(shí)顯示出所測(cè)區(qū)域的土壤濕度，當(dāng)土壤濕度測(cè)量?jī)x上顯示的數(shù)值不再變化時(shí)，便停止吸水和抽水裝置的工作，等一段時(shí)間，當(dāng)數(shù)值一直穩(wěn)定時(shí)便記下此時(shí)數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)記錄分析與計(jì)算。

數(shù)據(jù)記錄漫灌土壤和噴灌土壤吸水、抽水時(shí)所用的水量，土壤滲下流出的水量，將兩者進(jìn)行計(jì)算得出漫灌土壤和噴灌土壤分別吸收的水量，而這些水量便是植物可以從土壤中吸收的水分，經(jīng)過比例計(jì)算，從而得到灌溉用水地區(qū)在兩種不同的灌溉方式下整體應(yīng)澆的水量。

5 裝置優(yōu)勢(shì)及存在的不足

不同灌溉方式下滲流量和持水量模擬裝置適用于絕大部分土壤，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精確程度受土壤濕度測(cè)量?jī)x的影響較大，對(duì)土壤濕度測(cè)量?jī)x的要求較高。

現(xiàn)在的一些文獻(xiàn)和論文是對(duì)某一區(qū)域的整體研究，經(jīng)過分析給出的這一區(qū)域存在的問題、改進(jìn)的方案等，提出的是大范圍的灌溉分析規(guī)劃。而本裝置可以針對(duì)具體的某一灌溉地區(qū)進(jìn)行灌溉分析規(guī)劃，通過在裝置中放入不同地區(qū)的土壤，測(cè)得不同的數(shù)據(jù)，從而給出當(dāng)?shù)赝寥赖墓喔确治鲆?guī)劃。

本裝置可以根據(jù)不同時(shí)期農(nóng)作物的需水情況，給出合理的灌溉規(guī)劃方案，具有較強(qiáng)的實(shí)效性;實(shí)驗(yàn)分析受干旱等惡劣天氣的影響較小，因?yàn)檫M(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的是為找到最適宜的灌溉用水量，所以在發(fā)生澇災(zāi)時(shí)就不再需要此裝置。

6 結(jié)語

水是生命之源，人們的生產(chǎn)生活都離不開水資源，而農(nóng)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)灌溉一直是政府部門和群眾都很關(guān)注話題，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉用水的要求也在發(fā)生著變化，現(xiàn)在用水效率成了農(nóng)業(yè)灌溉中的共同關(guān)注的關(guān)鍵問題。因此，關(guān)于農(nóng)業(yè)的灌溉還需因地制宜，不同灌溉方式下滲流量和持水量模擬裝置就可根據(jù)不同地區(qū)的不同情況給出不同的灌溉規(guī)劃方案，而這樣也可以進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用率。

參考文獻(xiàn)：

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依托項(xiàng)目：吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目：不同灌溉方式下滲流量和持水量模擬裝置

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