滴灌水分運(yùn)動(dòng)研究進(jìn)展

王 博

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，蘭州 730020)

滴灌水分運(yùn)動(dòng)研究進(jìn)展

王 博

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，蘭州 730020)

水資源短缺問(wèn)題嚴(yán)重的制約著干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，高效的節(jié)水技術(shù)是緩解水資源緊張的重要手段。滴灌是目前最有效的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，并廣泛的應(yīng)用在干旱半干旱地區(qū)。為了更好的利用該技術(shù)，許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)該技術(shù)條件下的水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。本文將詳細(xì)介紹這些研究方法和成果，為今后的研究提供一些參考。

水資源短缺；滴灌有效；節(jié)水；水分運(yùn)移

0 引 言

1856年法國(guó)工程師Darcy 通過(guò)試驗(yàn)建立了土壤水分運(yùn)動(dòng)方程，這為今后探索土壤中水分的運(yùn)動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺問(wèn)題異常突出。而對(duì)于干旱半干旱地區(qū)，解決該問(wèn)題則顯得迫在眉睫。

20世紀(jì)60年代，以色列人發(fā)明了滴灌技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，該技術(shù)被認(rèn)為是一種高效的節(jié)水技術(shù)。它的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：節(jié)水增產(chǎn)、提高土壤溫度、自動(dòng)化程度高和綜合效益高等[1-3]。

從20世紀(jì)90年代，新疆引進(jìn)該技術(shù)。為了更好的發(fā)揮該技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)該技術(shù)條件下的水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，下面對(duì)這些研究成果進(jìn)行詳細(xì)的描述。

1 滴灌單點(diǎn)源水分運(yùn)動(dòng)研究

滴灌條件下的水分運(yùn)動(dòng)是三維問(wèn)題，與一維、二維水分運(yùn)動(dòng)同樣遵循非飽和達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律。為了適應(yīng)多變復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，并能更好的進(jìn)行分析，方程的表達(dá)形式包括以下3種：

1)以基質(zhì)勢(shì)為因變量的基本方程。

2)以含水量為因變量的基本方程。

3)以坐標(biāo)為因變量的基本方程。

以上3種形式的運(yùn)動(dòng)方程都是建立在直角坐標(biāo)系內(nèi)建立的，對(duì)于研究某些土壤水分運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，采用柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)則更為方便。

濕潤(rùn)鋒(體)的尺寸大小反映水分的運(yùn)移情況，為了更好的掌握其變化規(guī)律，國(guó)內(nèi)外的研究人員進(jìn)行了大量的研究。目前，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、解析方程和?shù)值模型是研究濕潤(rùn)鋒的主要手段。

Schwartzman和Zur(1986)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒和灌水量之間符合冪函數(shù)關(guān)系，并且建立了濕潤(rùn)鋒與灌水量、滴頭流量和導(dǎo)水率的函數(shù)關(guān)系。Lazarovitch等(2007)利用瞬時(shí)解析法描述地下滴灌濕潤(rùn)鋒。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模型作為一種有效的方法用于解決土壤水分運(yùn)移，其中以HYDRUS模型最具有代表性。

相對(duì)于國(guó)外的研究，我國(guó)對(duì)滴灌水分運(yùn)動(dòng)的研究較晚，直到上世紀(jì)90年代才開(kāi)始[4]。隨著研究的不斷開(kāi)展，我國(guó)對(duì)濕潤(rùn)鋒的研究也取得豐碩的成果。李光永和曾德超(1997)發(fā)現(xiàn)土壤濕潤(rùn)鋒特征值可以通過(guò)數(shù)值算法獲得。

張振華等(2004)建立了地表滴灌土壤濕潤(rùn)體特征值的經(jīng)驗(yàn)公式，并發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)體體積和灌水量之間存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系。胡和平等(2010)通過(guò)試驗(yàn)建立了滴灌條件下濕潤(rùn)體的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

另外，研究發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒的大小與很多因素(滴頭流量、灌水量、不同土質(zhì)、不同初始含水量)有關(guān)。這些研究成果為更好的研究水分運(yùn)移提供了良好的基礎(chǔ)[5]。

干旱少雨，蒸發(fā)量大對(duì)膜下滴灌在干旱區(qū)的應(yīng)用產(chǎn)生了一定的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，膜下滴灌技術(shù)隨之產(chǎn)生，它是覆膜種植技術(shù)與滴灌技術(shù)的組合，具有滴灌技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它的優(yōu)勢(shì)在于減少了無(wú)效水量和抑制土壤鹽分的增長(zhǎng)。

該技術(shù)產(chǎn)生于新疆，目前被廣泛的應(yīng)用于我國(guó)的干旱半干旱地區(qū)。膜下滴灌與常規(guī)滴灌中水分運(yùn)移規(guī)律的基本相同。由于膜下滴灌水分運(yùn)動(dòng)不易觀測(cè)，應(yīng)用中子儀、水分傳感器等先進(jìn)的儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 滴灌交匯條件下水分運(yùn)動(dòng)研究

對(duì)于種植密度較高的作物，在滴灌灌溉過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相鄰滴頭產(chǎn)生的濕潤(rùn)鋒發(fā)生交匯的現(xiàn)象，水分運(yùn)動(dòng)由單一的點(diǎn)源三維運(yùn)動(dòng)變成了二維、三維共存的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，因此，了解該條件下的水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)有著重要的影響[6]。

我國(guó)的研究人員通過(guò)室內(nèi)、田間的試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究。

1)鄭園萍等(2008)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，交匯面處的濕潤(rùn)鋒與入滲時(shí)間呈現(xiàn)多項(xiàng)式的關(guān)系。交匯條件下濕潤(rùn)鋒的距離比單點(diǎn)源形成的濕潤(rùn)鋒大。

2)孫海燕和王全九(2007)通過(guò)對(duì)不同土質(zhì)、不同滴頭流量、不同灌水量交匯條件下水分運(yùn)動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，交匯面處濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率大于滴頭中心處濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率，交匯面濕潤(rùn)鋒水平和豎向距離與入滲時(shí)間之間呈線(xiàn)性關(guān)系，交匯處剖面含水量均高于同等深度的含水量[7-8]。

3)王維娟等(2010)對(duì)不同滴頭間距、交匯時(shí)間、交匯處含水量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度和濕潤(rùn)體的變化進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)交匯時(shí)間隨滴頭間距的增加而減少，交匯時(shí)間隨滴頭間距的增大呈指數(shù)級(jí)增加，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度與滴頭間距符合冪函數(shù)關(guān)系，隨著滴頭間距的增加，濕潤(rùn)體的形狀也由半球體向近似半藥囊形、半花生殼形及2個(gè)分離的近似半球體轉(zhuǎn)變。

4)谷新寶等(2009)通過(guò)對(duì)大田試驗(yàn)的模擬分析發(fā)現(xiàn)，在其它條件相同的情況下，增加灌水量或減少滴頭間距，有利于提高滴頭處和交匯處濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度，同時(shí)提高灌水均勻度。

大量的試驗(yàn)結(jié)果為研究提供了理論基礎(chǔ)，為了了解更多情況下點(diǎn)源交匯水分運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，借助計(jì)算機(jī)模型模擬是十分必要的。

Shan等(2010)利用HYDRUS-3D模型成功的模擬了不同灌水量、滴頭間距條件下水分的運(yùn)移情況。這些研究成果將為設(shè)計(jì)合理的滴灌系統(tǒng)提供理論保障[9-10]。

3 結(jié) 語(yǔ)

滴灌技術(shù)對(duì)緩解農(nóng)業(yè)用水緊張和提高作物產(chǎn)量產(chǎn)生了重要的影響。對(duì)于單點(diǎn)源滴灌條件下的水分運(yùn)移規(guī)律也研究較為深入，這為生產(chǎn)實(shí)際中設(shè)計(jì)合理的滴灌系統(tǒng)提供必要的依據(jù)。

然而，對(duì)于多點(diǎn)源交匯條件下的有些問(wèn)題研究還不夠深入，如：交匯區(qū)濕潤(rùn)鋒及濕潤(rùn)面積的計(jì)算。只有掌握了滴灌中不同條件下的水分運(yùn)移規(guī)律，才能更好的發(fā)揮該技術(shù)的作用，盡快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

[1]顧烈烽，榮航儀，鐘杰敏.兵團(tuán)大田棉花膜下滴灌技術(shù)的形成與發(fā)展[J].新疆農(nóng)墾科技：2002(05)：29-31.

[2]李代鑫.最新農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

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[5]李光永，曾德超.滴灌土壤濕潤(rùn)體特征值的數(shù)值算法[J].水利學(xué)報(bào)，1997(07)：1-6.

[6]張振華，蔡煥杰，楊潤(rùn)亞.地表滴灌土壤濕潤(rùn)體特征值的經(jīng)驗(yàn)解[J].土壤學(xué)報(bào)，2004，41(06)：870-875.

[7]胡和平，高龍，田富強(qiáng).地表滴灌條件下土壤濕潤(rùn)體運(yùn)移經(jīng)驗(yàn)方程[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，50(06)：839-843.

[8]王全九，葉海燕，史曉南，等.土壤初始含水量對(duì)微咸水入滲特征影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2004，18(01)：51-53.

[9]李道西，羅金耀.地下滴灌技術(shù)的研究及其進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(07):15-18.

[10]徐林，李楊瑞，黃海榮.地下滴灌技術(shù)的研究進(jìn)展[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008,39(06):800-804.

1007-7596(2014)01-0171-02

2013-11-21

王博(1983-)，女，陜西西安人，工程師，從事水土保持科研與生態(tài)建設(shè)規(guī)劃研究工作。

S275.4

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