何　靖,白　丹,郭　霖,王新端

(西安理工大學 水利水電學院,陜西 西安 710048)

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豎管灌水器入滲特性影響因素分析

何靖,白丹,郭霖,王新端

(西安理工大學 水利水電學院,陜西 西安 710048)

豎管灌水器是一種用于地下灌溉系統(tǒng)的新型灌水器,本文研究影響豎管灌水器入滲特性的四個因素:壓力水頭、豎管灌水器直徑、土壤初始含水率和土壤容重等,為了研究這些因素對粉質(zhì)壤土累積入滲量的影響程度,采用正交試驗安排試驗方案;而對于砂質(zhì)壤土主要研究壓力水頭和豎管灌水器直徑對累積入滲量的影響。根據(jù)豎管灌水器入滲試驗結(jié)果,采用灰色關聯(lián)度分析對影響粉質(zhì)壤土累積入滲量的影響因素進行關聯(lián)度計算,表明壓力水頭對入滲量的影響起主導作用,其次依次為豎管灌水器直徑、土壤初始含水率、土壤容重;砂質(zhì)壤土試驗結(jié)果表明:壓力水頭和豎管灌水器直徑與累積入滲量呈正相關關系,但隨著壓力水頭和豎管灌水器直徑的增大,累積入滲量的增大幅度減小。這一研究結(jié)果對進一步研究豎管灌水器入滲規(guī)律具有重要意義。

豎管灌水器; 累積入滲量; 壓力水頭; 豎管灌水器直徑; 灰色關聯(lián)度分析

地下灌溉技術具有節(jié)水、節(jié)能、投資小、灌水均勻及使用壽命長等優(yōu)點,依據(jù)灌水器的類型,地下灌溉可分為地下滴灌[1-5]、無壓灌溉[6-7]和負水頭灌溉[8-9]等。地下灌溉技術的入滲影響因素較多,現(xiàn)有的對灌水器水力參數(shù)的分析方法主要有基于計算流體動力學CFD數(shù)值模擬分析[10-11]和基于流體力學的理論分析[12]、試驗分析[13],這些分析方法都是基于現(xiàn)有的一些模型對灌水器水力參數(shù)的一種數(shù)值模擬計算。為了分析豎管灌水器入滲影響因素的主次順序,本文在室內(nèi)試驗的基礎上,采用灰色關聯(lián)分析法分析了豎管灌水器入滲試驗中幾種主要影響因素對累積入滲量的影響,并對這幾個影響因素進行了主次排序,以確定豎管灌水器入滲的主要影響因素。對豎管灌水器的入滲規(guī)律的進一步研究提供一定的理論基礎。

1　入滲試驗

1.1豎管灌水器

豎管灌水器是一種新型地下灌溉灌水器,以該灌水器為核心的灌溉系統(tǒng)同現(xiàn)有的地下灌溉系統(tǒng)的唯一區(qū)別在于灌水器。豎管灌水器為長度30 cm的PVC管,其上端與毛管相連,下端開敞與土壤接觸,形成一個圓形的水土接觸面。豎管灌水器如圖1所示。

1.毛管; 2.豎管灌水器; 3.豎管灌水器剖面圖1　豎管灌水器Fig.1　Schematic diagram of vertical tube emitter

1.2試驗材料及方法

1.2.1試驗材料及裝置

試驗用土選用西安周邊的粉質(zhì)壤土及新疆的砂質(zhì)壤土。西安粉土的土壤顆粒粒徑小于0.001的含量為3.817%,小于0.002的含量為8.566%,小于0.005的含量為19.857%,小于0.01的含量為34.065%,小于0.1的含量占到總量的99.868%,小于0.2的含量為99.997%。新疆砂質(zhì)壤土的土壤顆粒粒徑小于0.001的含量0.63%,小于0.002的含量為1.46%,小于0.05的含量為30.47%,小于0.1的含量為61.23%,小于0.5的含量為94.87%。

試驗裝置主要由馬氏瓶(長×寬×高:7×6×60 cm)、試驗土箱(四周為10 mm鋼化玻璃,底部為5 mm鋼板,尺寸:長41 cm×寬31 cm×高55 cm)、高度可調(diào)鐵架及核心部件豎管灌水器(豎管直徑分別為4 mm、8 mm、12 mm)。試驗裝置如圖2所示。

1.馬氏瓶; 2.固定夾; 3.進氣閥; 4.出水口; 5.鐵架; 6.土箱;7.豎管灌水器圖2　試驗裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of experimental equipment

1.2.2試驗方法

本次室內(nèi)試驗中,粉質(zhì)壤土主要考慮壓力水頭h、豎管灌水器的豎管直徑d、土壤初始含水率θ和土壤容重γ四個因素。試驗過程中,豎管灌水器的出水口處埋深均為20 cm,每組試驗的地觀測時間為420 min,進行3次重復取其平均值進行分析。根據(jù)正交試驗設計表L9(34)設計試驗方案(見表1)。

表1　試驗方案

砂質(zhì)壤土主要考慮壓力水頭和豎管直徑對入滲的影響。壓力水頭取1.0 m、2.0 m、3.0 m,豎管直徑取4 mm、8 mm、12 mm,埋深20 cm,初始含水率10%,容重1.35 g/cm3進行試驗研究,記錄300 min,進行3次重復取其平均值進行分析。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1試驗結(jié)果

根據(jù)表1的安排進行試驗,獲得了在表中所述4個因素的影響下各組的累積入滲量隨時間的變化情況,如圖3(a)所示。砂質(zhì)壤土給出了2.0 m壓力水頭及豎管直徑8 mm下的試驗結(jié)果,如圖3(b)、(c)所示。

圖3　累積入滲量與時間的關系Fig.3　The relationship between cumulative infiltration and time

2.2試驗結(jié)果分析

2.2.1粉質(zhì)壤土結(jié)果分析

為了明確粉質(zhì)壤土入滲試驗中4個因素對累積入滲量的影響程度,本文采用灰色關聯(lián)分析法對這一試驗結(jié)果進行了分析。

由于4個因素與累積入滲量的量綱不同,在分析之前首先需要進行無量綱化處理。無量綱化處理有多種方法,如初值化、均值化等方法,本文采用均值化無量綱化處理。對各數(shù)列進行無量綱化處理,所得結(jié)果如表2所示。其中I表示累積入滲量。

由于要考慮的是各因素對累積入滲量的影響,所以將累積入滲量作為參考數(shù)列,各因素數(shù)列作為對比數(shù)列。

表2　均值化值

根據(jù)表2中的均值化數(shù)值,計算各比較數(shù)列同參考數(shù)列的絕對差。計算步驟如下。

試驗1:

根據(jù)上述計算步驟,再分別計算出其余8組試驗的絕對差,結(jié)果如表3所示。

由表3中可以獲得最大和最小絕對差值分別為:Δmax=0.938 7，Δmin=0.015 4。

表3　絕對差序列

由此可以計算各因素對累積入滲量的關聯(lián)系數(shù),在計算關聯(lián)系數(shù)時,分辨系數(shù)ρ取值0.05[14-15]。計算步驟如下:

計算結(jié)果如表4所示。

表4　關聯(lián)系數(shù)值

從表4中,可以知道任意一組試驗中任一因素對累積入滲量的關聯(lián)系數(shù),基于此,進行關聯(lián)度r的計算。關聯(lián)度計算步驟如下:

對計算得到的4個關聯(lián)度數(shù)值按照大小進行排序:r(01)>r(02)>r(03)>r(04),即:4個因素對累積入滲量的關聯(lián)度的排序為壓力水頭h、豎管灌水器的豎管直徑d、土壤的初始含水率θ、土壤容重γ。由此可以看出:在多因素影響豎管灌水器入滲試驗中,壓力水頭居于主導地位,對累積入滲量的變化影響最大;豎管灌水器的豎管直徑和土壤初始含水率對于累積入滲量的關聯(lián)度處在同一數(shù)值水平上,對累積入滲量起到次要的影響作用;土壤容重的影響程度居于末位。

2.2.2砂質(zhì)壤土結(jié)果分析

由圖3(b)中可以看出,在壓力水頭一定的條件下,隨著豎管直徑的增大累積入滲量也在增大。最大累積入滲量依次為2.24 L、2.69 L和3.06 L,4 mm管徑時的累積入滲量最小,12 mm時的累積入滲量最大,表明管徑對累積入滲量有一定的影響程度。經(jīng)過計算,12 mm管徑較之8 mm管徑的累積入滲量增大了13.8%,8 mm管徑較之4 mm管徑的累積入滲量增大了20.1%;累積入滲量呈現(xiàn)正相關關系,即隨管徑增大,累積入滲量增大。

由圖3(c)可以看出,在豎管直徑一定的條件下,壓力水頭對豎管地下灌溉土壤累積入滲量具有明顯的作用。土壤的累積入滲量隨著壓力水頭的增大而增大。在實際應用中,可以根據(jù)不同作物的需水要求,選擇適宜的壓力水頭。開始灌水3 h后,壓力水頭3.0 m的豎管灌溉累積入滲量比2.0 m的大15.7%、8.2%和7.6%(管徑由小到大),壓力水頭2.0 m的比1.0 m的大71.4%、16.1%和10.0%,5 h后,依次為31.0%、6.3%和6.0%;4.3%、10.4%和10.4%;57.1%、15.2%和9.4%。從以上數(shù)據(jù)可以看出,隨入滲時間增加,壓力水頭對累積入滲量變化的影響程度減小。因為在灌水初期,土壤含水率較低,土壤水分擴散為非飽和入滲[16],灌溉水分入滲主要受土壤基質(zhì)勢的作用;隨著水分的不斷入滲,水土結(jié)合面周圍的土壤含水率逐漸增大,在水土結(jié)合面周圍形成一個土壤含水率趨于飽和[17]的飽和帶,在該過程中灌溉水受基質(zhì)勢和壓力勢的共同作用,基質(zhì)勢的作用逐漸減小,壓力勢的作用逐漸增大;當土壤達到飽和含水率時,基質(zhì)勢為零,此時灌溉水入滲主要受壓力勢的作用。

3　結(jié)　論

1) 粉質(zhì)壤土試驗通過灰色關聯(lián)法分析,確定四種影響因素的影響程度大小順序為:壓力水頭、豎管直徑、土壤初始含水率、土壤容重;壓力水頭是影響豎管灌水器水分入滲的主要因素,豎管灌水器的豎管直徑和土壤初始含水率為次要因素,土壤容重居于末位。

2) 砂質(zhì)壤土試驗得出:豎管直徑和壓力水頭均對累積入滲量呈現(xiàn)為正相關影響,但隨著時間的增加,影響程度逐漸減小。

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(責任編輯王緒迪，王衛(wèi)勛)

Study on influence factors of vertical tube emitter’s infiltration characteristics

HE Jing,BAI Dan,GUO Lin,WANG Xinduan

(School of Water Resources and Hydroelectric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Vertical tube emitter is a new type emitter applied for sub-irrigation system, in order to analyze the importance for cumulative infiltration of silt loam by influence factors which including pressure head, diameter of vertical tube, initial soil moisture content and soil bulk density. So as to the laboratory test have the accuracy, universal and representativeness, the nine groups of the experimental schemes designed based on the orthogonal experimental design table L9(34). In addition, the experiment of effects on sandy loam cumulative infiltration with influence factors of pressure head and diameter of vertical tube carried out. A Mariotte bottle used to regulate the pressure head. The total infiltration time was 7h for every treatment of silt loam and 5h for sandy loam, and the interface-between soil and outlet of emitter—was buried 20cm for every test. According to the results of experiments for silt loam, used grey correlational analysis method to calculate incidence degree between influence factors and cumulative infiltration. The incidence degree pointed out that pressure head was the main influence factor and the order of factors with incidence degree was pressure head>diameter of vertical tube>initial soil moisture content>soil bulk density. The experimental results of sandy loam showed that pressure head and diameter of vertical tube had a positive effect on cumulative infiltration; with the increasing of pressure head and diameter of vertical tube the rangeability of cumulative infiltration decreases. This research has an important significance on further study on infiltration law of vertical tube emitter.

vertical tube emitter; cumulative infiltration; pressure head; diameter of vertical tube emitter; gray correlation analysis

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.018

2015-12-04

國家自然科學基金資助項目(41571222,5129156);高等學校博士學科點專項科研基金聯(lián)合資助課題(20116118110010);陜西省農(nóng)業(yè)科技攻關項目(2010K02-08)

何靖,男,碩士生,研究方向為節(jié)水灌溉理論與技術研究。E-mail:18700409806@163.com

白丹,男,博士,教授,博導,研究方向為節(jié)水灌溉理論與技術。E-mail:baidan@xaut.edu.cn

S275.4

A

1006-4710(2016)03-0354-05