胡婧娟，樊貴盛

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

在高海拔低溫地區(qū)，日光溫室在越冬期間內(nèi)正常運(yùn)作面臨的一大難題是灌溉水水溫偏低。由于水的比熱大，灌溉水溫度在一定程度上影響著灌溉后土壤溫度，進(jìn)而影響農(nóng)作物的根系環(huán)境溫度。根系環(huán)境溫度的改變，會(huì)影響農(nóng)作物根系對(duì)土壤礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的積累、分解和轉(zhuǎn)化[1-3]，以及對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收[4]。如果灌溉水溫度較低，會(huì)降低灌溉水中溶解氧的含量，影響作物根系對(duì)土壤水分和礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用，以致影響農(nóng)作物的莖葉、果實(shí)等正常生長(zhǎng)。針對(duì)這一突出問(wèn)題，在季節(jié)性凍土地區(qū)，如果灌溉水是地表水，在日光溫室內(nèi)部設(shè)計(jì)并修建升溫池來(lái)提高越冬期灌溉水水溫[5]。地面灌溉水從水源地到日光溫室作物的根系，需歷經(jīng)取水樞紐、輸配水管(渠)道、蓄水池、升溫池、作物根系土壤，最后到達(dá)作物根系。灌溉水由水源地到日光溫室內(nèi)部升溫池的輸送過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不斷的熱量吸收或者散失，會(huì)有不同程度的升溫或降溫。然而在整個(gè)越冬期內(nèi)，日光溫室灌溉水水源地溫度、氣溫、輸配水網(wǎng)環(huán)境溫度、室內(nèi)氣溫、室內(nèi)地溫等都隨時(shí)間劇烈變化，所以，導(dǎo)致越冬期不同時(shí)期內(nèi)灌溉水進(jìn)棚溫度、最低的可灌溫度、所需的升溫時(shí)間、適宜的灌溉時(shí)間各不相同。但是，目前關(guān)于季節(jié)性凍土地區(qū)越冬期溫室大棚不同階段最低的可灌溫度、適宜的灌溉時(shí)間、所需的升溫池升溫時(shí)間等的研究還鮮有論述。

本文試圖以黃土高原區(qū)離石區(qū)設(shè)施蔬菜示范基地日光溫室群為載體，以試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用水土系統(tǒng)熱平衡和傳導(dǎo)理論，分析研究越冬期溫室大棚不同階段內(nèi)灌溉水最低的可灌溫度、適宜的灌溉時(shí)間，并借助CFD經(jīng)典軟件FLUENT工具，模擬分析日光溫室灌溉水升溫過(guò)程及預(yù)測(cè)不同時(shí)期內(nèi)灌溉水升溫時(shí)間。提出包括越冬期日光溫室可直接灌溉時(shí)間段、需升溫期的最低可灌溫度、需升溫期的最短升溫時(shí)間、適宜的灌溉時(shí)間在內(nèi)的日光溫室灌溉水升溫灌溉管理技術(shù)，為越冬期間日光溫室的正常運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 日光溫室與土壤

本試驗(yàn)日光溫室位于山西省呂梁市離石區(qū)信義鎮(zhèn)小神頭村。該地區(qū)屬典型的高海拔低溫山區(qū)，海拔在1 300 m以上，年平均氣溫為8.9 ℃，最高氣溫35 ℃，最低氣溫-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季較濕潤(rùn)且多風(fēng)，夏季炎熱，雨量集中，全區(qū)光能資源充足。設(shè)施蔬菜示范基地日光溫室為RWS-10-5型高效節(jié)能日光溫室。日光溫室坐北朝南，東西向長(zhǎng)60 m，南北向長(zhǎng)8 m，后墻高4.0 m。后墻及山墻為厚搗土墻，土體取自當(dāng)?shù)?，干容重?.47 g/cm3，體積含水量為12.15%～45.00%。室內(nèi)種植的植物為番茄。日光溫室內(nèi)的灌溉方式為膜下滴灌。

日光溫室內(nèi)土壤質(zhì)地較輕，土壤的沙粒(0.05～1.00 mm)含量為55%～65.2%，粉粒(0.01～0.05 mm)含量為24.6%～33.9%，黏粒(<0.01 mm)含量為10.2%～17.5%。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的土壤質(zhì)地分類(lèi)系統(tǒng)[6]，從耕作層到犁底層土壤質(zhì)地均為沙質(zhì)壤土。試驗(yàn)區(qū)土壤容重為1.27～1.40 g/cm3，土壤含水率為16.13%～18.96%。試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較少，為1.82%～1.86%，pH值為7.5～7.7[7]，土壤總磷和總氮含量分別為7.93%～13.66%和0.46%。試驗(yàn)區(qū)土壤的全鹽量為1 881.2～2 383.7 mg/kg。

1.2 灌溉水升溫設(shè)施

試驗(yàn)區(qū)日光溫室升溫池為敞口地下長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，蓄水池長(zhǎng)2.8 m，寬1.75 m，深1.2 m。升溫池儲(chǔ)水部分建造在地面以下，蓄水位與地面齊平，可同時(shí)接受日光溫室內(nèi)空氣熱量和地?zé)?。采用磚石結(jié)構(gòu)，池壁厚為0.12 m。M7.5水泥砂漿砌筑，池底及四周設(shè)土工膜防滲，為避免人誤跌入升溫池，升溫池壁頂高出地面0.1 m。敞口地下升溫池位于日光溫室的東北角，升溫池墻體距日光溫室后墻和側(cè)墻的距離分別為0.55 m和0.24 m。

1.3 灌溉水源與越冬期水溫

日光溫室試驗(yàn)園區(qū)灌溉水水源為三川河中的小東川河的淺層地表水。在河道灘地人工開(kāi)鑿一口潛水井，河水經(jīng)地下河床砂卵石介質(zhì)進(jìn)入潛水井中，然后通過(guò)輸水管道自流到日光溫室東北高程為1 000 m的一座容量為300 m3的蓄水池中，再由已經(jīng)鋪設(shè)好的干管和支管將灌溉水輸送到每個(gè)溫室的升溫池中。越冬期間，地表河水溫度變化為-3.5～2.6 ℃，潛水井水溫度變化為6.1～7.2 ℃，進(jìn)棚水溫變化為5.20～8.10 ℃，最高溫度8.1 ℃出現(xiàn)在2013年11月9日，最低溫度5.20 ℃出現(xiàn)在2014年1月14日。日光溫室內(nèi)種植的作物為番茄，番茄正常生長(zhǎng)所能耐受的最低溫度為10 ℃[8]。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)開(kāi)始于2013年11月，2014年3月底結(jié)束。

監(jiān)測(cè)目標(biāo)：獲取整個(gè)越冬期內(nèi)灌溉水溫及其相關(guān)參數(shù)、指標(biāo)的變化過(guò)程。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容：進(jìn)棚水溫、升溫池內(nèi)水溫、氣溫、室內(nèi)地溫在整個(gè)越冬期內(nèi)的變化過(guò)程。

監(jiān)測(cè)頻次：在歷時(shí)5個(gè)月的越冬期內(nèi)，每隔7～10 d測(cè)試一次；在每個(gè)監(jiān)測(cè)日，每2 h監(jiān)測(cè)一次，其測(cè)試時(shí)間點(diǎn)分別為0∶00、2∶00、4∶00、6∶00、8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00、22∶00和24∶00。中午12∶00-14∶00由于氣溫變化幅度較大，增大觀測(cè)頻率，每小時(shí)觀測(cè)一次。

監(jiān)測(cè)方法與儀器設(shè)備：氣溫采用溫度計(jì)(WNY03，誤差±0.1 ℃)直接測(cè)定。地溫的測(cè)試點(diǎn)位于日光溫室中部，地溫采用熱敏電阻與直角五支組地溫計(jì)(誤差±0.1 ℃)相結(jié)合的方法，0～0.4 m范圍內(nèi)的土壤溫度用五支組地溫計(jì)測(cè)量，0.40～1.40 m范圍內(nèi)的土壤溫度用熱敏電阻測(cè)量。日光溫室升溫池灌溉水水溫的測(cè)量采用溫度計(jì)與熱敏電阻(電阻值誤差±0.5 Ω)相結(jié)合的測(cè)量方法。用UT-56型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量即時(shí)的熱敏電阻值后，利用公式換算成溫度值。UT-56型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電阻時(shí)量程為200 Ω～20 MΩ，其測(cè)量精度為±(0.8%+5)。經(jīng)公式(1)將實(shí)測(cè)阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，精確度達(dá)到0.02 ℃，完全能滿足本實(shí)驗(yàn)的研究要求。

(1)

式中：Rx，R25為實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)電阻和溫度為25 ℃時(shí)的電阻值，Ω；x為實(shí)時(shí)溫度值，℃；B為常數(shù)，一般取3 000。

1.5 CFD模型簡(jiǎn)介

CFD (Computational Fluid Dynamics)即計(jì)算流體力學(xué)，是建立在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門(mén)新型獨(dú)立學(xué)科，在日光溫室內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛。目前，CFD軟件集中用來(lái)模擬分析日光溫室內(nèi)不同類(lèi)型、不同通風(fēng)形式下溫室內(nèi)的氣流狀況[9-12]，通風(fēng)條件下溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)[13-15]以及墻體材料對(duì)日光溫室的影響[16-18]。2017年，胡婧娟[19]等首次利用CFD軟件模擬預(yù)測(cè)了升溫池內(nèi)灌溉水的升溫過(guò)程，并取得了良好的模擬精度。

使用CFD建立的灌溉水升溫模型計(jì)算出的模擬值和試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值相比，相關(guān)系數(shù)都在0.96以上，絕對(duì)誤差的最大值都小于1.64 ℃，相對(duì)誤差的均值都在5.46%以下，用CFD模擬灌溉水在升溫池中的升溫過(guò)程是切實(shí)可行的。所以，本文利用此模型計(jì)算越冬期不同時(shí)期內(nèi)升溫池灌溉水升溫到適宜植物正常生長(zhǎng)溫度所需的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

越冬期間，日光溫室室內(nèi)地溫、灌溉水進(jìn)棚水溫都在不斷變化。灌溉水經(jīng)過(guò)滴灌系統(tǒng)進(jìn)入植物根部的過(guò)程中，由于灌溉水與土壤溫度存在溫差，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)熱量傳遞的過(guò)程。熱量傳遞結(jié)束后逐漸達(dá)到平衡，這時(shí)灌溉水和土壤溫度基本一致和相對(duì)穩(wěn)定。只要平衡后的溫度大于植物正常生長(zhǎng)所需的最低溫度，此時(shí)的灌溉水水溫就能達(dá)到要求，即灌溉水進(jìn)入日光溫室后不需要升溫即可進(jìn)行灌溉；另一種情況是灌溉后，根系周?chē)臏囟炔荒苓_(dá)到植物正常生長(zhǎng)所需的最低溫度，即在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)需要對(duì)灌溉水進(jìn)行升溫，由于越冬期的不同時(shí)期地溫不同，所需的灌溉水升溫后的最低溫度也不同，導(dǎo)致升溫時(shí)間也不同。本文就以整個(gè)越冬期的室內(nèi)地溫、進(jìn)棚水溫為依據(jù)，以半個(gè)月為單位，分析計(jì)算越冬期各旬可直接灌溉時(shí)間段、需升溫期各旬最低可灌溫度、需升溫期各旬升溫最短時(shí)間。

2.1 室內(nèi)地溫和進(jìn)棚水溫的變化特性

日光溫室種植的蔬菜根系大多分布在距地表0.5 m土壤層次之內(nèi)，蔬菜的計(jì)劃濕潤(rùn)層厚度為0.4 m，分析以旬為跨度的室內(nèi)地溫變化規(guī)律時(shí)，采用0.6 m內(nèi)的土壤為研究層次。并且計(jì)算灌溉水與土壤熱量平衡時(shí)，為偏于安全考慮，土壤溫度應(yīng)選用各層次土壤溫度的最低值。0.6 m范圍內(nèi)的室內(nèi)地溫最低值和進(jìn)棚水溫變化過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 越冬期氣溫、溫室內(nèi)地溫和進(jìn)棚水溫的季節(jié)變化過(guò)程圖Fig.1 Seasonal changes of air temperature, soil temperature and water temperature coming into the greenhouse in wintering period

由圖1可以看出：

(1)室內(nèi)地溫、進(jìn)棚水溫和氣溫具有相似的季節(jié)變化規(guī)律。在整個(gè)越冬期內(nèi)，氣溫、室內(nèi)地溫和進(jìn)棚水溫都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，且峰值、谷值同期。其不同點(diǎn)表現(xiàn)在日平均氣溫的變化幅度遠(yuǎn)大于室內(nèi)地溫、進(jìn)棚水溫的變化幅度。變化趨勢(shì)的相似，說(shuō)明室內(nèi)地溫和進(jìn)棚水溫受氣溫的影響和控制。

(2)越冬期間，無(wú)論地溫還是進(jìn)棚水溫都存在不滿足灌溉溫度要求期。室內(nèi)地溫在越冬期的大部分時(shí)間內(nèi)均大于10 ℃，但在1月10日至1月31日低于10 ℃；而進(jìn)棚水溫在整個(gè)越冬期間均小于10 ℃，變化范圍為5.20～8.10 ℃，都達(dá)不到灌溉所需的最低水溫要求。

(3)在整個(gè)越冬期內(nèi)，室內(nèi)地溫最低值均大于進(jìn)棚水溫。由圖1可以看出：室內(nèi)地溫最低值曲線始終位于進(jìn)棚水溫之上，表明室內(nèi)地溫最低值均大于進(jìn)棚水溫，也說(shuō)明灌溉時(shí)溫度梯度的方向是土壤→灌溉水，也就是熱量傳遞的方向。也就是在灌溉過(guò)程中，室內(nèi)土地土壤向灌溉水傳導(dǎo)熱量，使灌溉水溫度上升，直到2者溫度相等，達(dá)到熱量平衡。

2.2 越冬期進(jìn)棚水可直接灌溉時(shí)間段的確定

番茄植株及其根系正常生長(zhǎng)所需的最低溫度為10 ℃。越冬期各個(gè)時(shí)期室內(nèi)地溫不同，進(jìn)棚水溫也不同，只要灌溉水與土壤溫度達(dá)到平衡后大于10 ℃，認(rèn)為灌溉水水溫適宜灌溉，以此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃定越冬期進(jìn)棚水可直接灌溉時(shí)間段。即以熱量平衡方程為基礎(chǔ)，計(jì)算越冬期各時(shí)期土壤與灌溉水平衡后的溫度，以此來(lái)確定越冬期可直接灌溉時(shí)間段。計(jì)算中假定：灌溉水從地表到作物根部的時(shí)間足夠長(zhǎng)，在到達(dá)作物根部時(shí)可以與土壤達(dá)到熱量平衡。熱量平衡方程為：

c水m水(t平-t水)=c土m土(t土-t平)

(2)

式中：c水、c土分別為灌溉水與土壤的比熱容，J/(kg·℃)；m水、m土分別為灌溉水與土壤的質(zhì)量，根據(jù)土壤類(lèi)型，灌溉后含水率按33%計(jì)算，灌溉前的土壤平均含水率為17.4%，適宜土壤含水率的上限為33%，根據(jù)土壤類(lèi)型選擇，所以在公式中，m水/m土=0.156；t水、t土、t平分別為灌溉水初始溫度、土壤初始溫度、平衡溫度，℃。

根據(jù)式(2)計(jì)算得出灌溉后的土壤溫度見(jiàn)表1。從表1可以看出：

(1)進(jìn)棚地面灌溉水全天無(wú)需升溫可直接灌溉時(shí)期為11月整月；需在溫室升溫池升溫后方可進(jìn)行灌溉的時(shí)期為12月中旬到次年3月中旬，其中12月上旬、3月下旬，灌溉水在全天的部分時(shí)段內(nèi)需要進(jìn)行升溫后灌溉。

(2)越冬期內(nèi)，進(jìn)棚灌溉水溫度可直接灌溉與否遵循以下變化過(guò)程：灌溉水無(wú)需升溫可直接灌溉→全天部分時(shí)段可直接灌溉→全天不可直接灌溉→全天部分時(shí)段可直接灌溉。這種變化過(guò)程由越冬期的氣候所決定。在越冬期的初期和末期，氣溫、地溫、進(jìn)棚水溫都處在一個(gè)相對(duì)較高的水平，并且這個(gè)時(shí)期的土壤和灌溉水之間的溫度差也大于其他時(shí)期，在進(jìn)棚水溫和溫度差都較大的情況下，灌溉水進(jìn)入土壤進(jìn)行熱量平衡時(shí)，接受的熱量多，灌溉水溫度升高幅度大，平衡之后土壤和水的溫度可以達(dá)到農(nóng)作物正常生長(zhǎng)所需的最低溫度。在越冬期的中期，氣溫、地溫、進(jìn)棚水溫都處于下降過(guò)程中，且土壤與灌溉水之間的溫度差也變小，在進(jìn)棚水溫和溫度差都較小的情況下，灌溉水進(jìn)入土壤進(jìn)行熱量平衡時(shí)，接受的熱量少，灌溉水溫度升高幅度小，平衡之后土壤和水的溫度難以達(dá)到或達(dá)不到農(nóng)作物正常生長(zhǎng)所需的最低溫度要求。

表1 灌溉后土壤溫度 ℃

(3)一日內(nèi)部分不可直接灌溉時(shí)間段多出現(xiàn)在早上和上午。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，受氣溫日變化規(guī)律的影響，進(jìn)棚水溫和地溫呈現(xiàn)以日為周期余弦變化規(guī)律[20]，進(jìn)棚水溫和表層土壤溫度在早上8∶00左右達(dá)到日最低值，在中午13∶00左右達(dá)到日最高值，所以在早晨和上午，地溫和進(jìn)棚水溫都較低的情況下，達(dá)到熱量平衡后，灌溉水水溫不能達(dá)到農(nóng)作物正常生長(zhǎng)所需的最低溫度，不可直接灌溉。

2.3 灌溉水需升溫期最低可灌溫度的確定

根據(jù)以上分析，12月中旬到3月中旬，灌溉后土壤溫度不能達(dá)到作物需求的最低溫度，在不升溫的狀況下，全天均不可灌溉，需要對(duì)灌溉水進(jìn)行升溫后方可灌溉。據(jù)2.2節(jié)所述的能量守恒原理、假定和計(jì)算方法，計(jì)算得到灌溉水需升溫期各旬灌溉水最低可灌溫度見(jiàn)表2。

表2 灌溉水需升溫期最低可灌溫度表 ℃

由表2可知，越冬期內(nèi)每日內(nèi)每個(gè)時(shí)間段的地溫不同，得出的灌溉水各旬灌溉水最低可灌溫度也不相同。若進(jìn)棚水溫在升溫池進(jìn)行升溫后可以達(dá)到整日內(nèi)各個(gè)時(shí)間段的最低可灌溫度，則可以在一日內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行灌溉。所以計(jì)算灌溉水需升溫期最低可灌溫度時(shí)，偏于安全考慮，以及保證升溫的效果以及灌溉能順利進(jìn)行，選取灌溉水每日所有時(shí)間段中要求最高溫度作為此日的最低可灌溫度。則12月16日至12月31日、1月1日至1月15日、1月16日至1月31日、2月1日至2月15日、2月15日至2月28日、3月1日至3月15日，灌溉水需升溫期最低可灌溫度分別為8.5、10.8、9.8、9.1、8.0、7.5 ℃。最低可灌溉的最高值出現(xiàn)在1月上旬和中旬，最低可灌溉的最低值出現(xiàn)在2月下旬和3月上旬。

2.4 灌溉水升溫時(shí)間的確定

灌溉水升溫時(shí)間，指的是灌溉水從進(jìn)入升溫池開(kāi)始，在太陽(yáng)輻射、氣溫、地溫?zé)醾鲗?dǎo)的作用下，升溫到最低可灌溫度所需的時(shí)間。本文利用筆者由CFD經(jīng)典軟件FLUENT建立的日光溫室升溫池內(nèi)灌溉水升溫模型對(duì)灌溉水升溫時(shí)間進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)[19]，計(jì)算出灌溉水需升溫期的升溫時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 灌溉水需升溫期升溫時(shí)間Tab.3 Warming up time of irrigation temperature in warming up period

由表3可見(jiàn)，在越冬期灌溉水需升溫期間，不同時(shí)間段需要不同的升溫時(shí)間，灌溉水升溫所需的時(shí)間變化為5～51 h。在越冬期的初期和末期(12月和次年3月中、下旬)升溫時(shí)間變化為5～8 h，在越冬期中期(1月上旬到2月下旬)升溫時(shí)間變化為24～51 h。其中，1月灌溉水需升溫時(shí)間最長(zhǎng)，分別為51 h和47 h。升溫時(shí)間較長(zhǎng)原因有2個(gè)：一是進(jìn)棚水溫低。與其他時(shí)期相比，將進(jìn)棚水溫提升至可灌溫度所需的熱量較多。二是灌溉水與補(bǔ)熱源間溫度差減小。灌溉水水溫能夠升高，主要靠接受來(lái)自太陽(yáng)輻射、與之相接觸的土壤以及空氣的熱量，1月份室內(nèi)地溫以及氣溫均處于相對(duì)較低的狀況，溫度差也較小。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律[21]可知，單位面積單位時(shí)間內(nèi)傳遞熱量的多少主要取決于導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度，所以在導(dǎo)熱系數(shù)一定的情況下，地溫、氣溫與水溫之間的溫度梯度小，單位面積單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量少，導(dǎo)致所需的升溫時(shí)間長(zhǎng)。

2.5 日光溫室灌溉水升溫管理技術(shù)

日光溫室灌溉水升溫管理技術(shù)包括灌溉制度、灌溉水需升溫期和非升溫期的劃定、需升溫期的最低可灌溫度、升溫時(shí)間以及灌溉時(shí)間。

2.5.1 灌溉制度

(1)設(shè)計(jì)灌水定額由下式進(jìn)行計(jì)算:

m設(shè)=0.1ZP(θmax-θmin)/η

(3)

式中：Z為計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度，蔬菜取0.4 m；P為設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比，蔬菜取80%；θmax、θmin分別為適宜土壤含水率上、下限(占土壤體積的百分?jǐn)?shù))，根據(jù)土壤類(lèi)型，取33%和26.4%；η為灌溉水有效利用系數(shù)，按0.95計(jì)。

由上式計(jì)算得設(shè)計(jì)灌水定額為22.2 mm，取22 mm。

(2)設(shè)計(jì)灌水周期由下式進(jìn)行計(jì)算：

T=(m設(shè)/E0)η

(4)

式中：E0為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，在越冬期間日耗水強(qiáng)度較低，按2.0 mm/d計(jì)。

由上式計(jì)算得設(shè)計(jì)灌水周期T=7.3 d，取7 d。

(3)一次灌水延續(xù)時(shí)間由下式進(jìn)行計(jì)算：

t=m設(shè)SeSc/q滴

(5)

式中：Se為滴頭間距，取30 cm；Sc為毛管間距，取平均值60 cm；q滴為滴頭設(shè)計(jì)流量，2 L/h。

由上式計(jì)算得：當(dāng)種植行播作物時(shí)一次灌水延續(xù)時(shí)間為1.98 h。

日光溫室內(nèi)的升溫水池容量約為5.88 m3，而整個(gè)日光溫室一次灌溉所需水量約為9.2 m3，所以1池水不夠同時(shí)灌溉整個(gè)日光溫室，需要分為2次來(lái)進(jìn)行輪灌，將日光溫室內(nèi)種植區(qū)平均分為2部分，東西向0～30 m為第1灌水區(qū)，30～60 m為第2灌水區(qū)，第1池水通過(guò)第1條支管來(lái)灌溉第1區(qū)，第2池水通過(guò)第2條支管來(lái)灌溉第2區(qū)。敞口地下長(zhǎng)方形升溫池中的灌溉水水量均不能滿足所有作物的灌溉水量，需要分2次進(jìn)行輪灌。

2.5.2 可直接灌溉時(shí)間段、最低可灌溫度、升溫時(shí)間、灌溉時(shí)間

灌溉水需升溫期和非升溫期的劃定、需升溫期的最低可灌溫度、升溫時(shí)間以及灌溉時(shí)間匯總見(jiàn)表4。統(tǒng)一設(shè)定灌溉水進(jìn)入升溫池的時(shí)間為上午11∶00，此時(shí)段氣溫地溫都較高，有利于提升灌溉水的升溫速率。

表4 越冬期適宜灌溉時(shí)間匯總Tab.4 The comparison of suitable irrigation time in wintering period

在實(shí)際的種植、灌溉、生產(chǎn)過(guò)程中，要嚴(yán)格按照表4規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行灌溉。在不需升溫可直接灌溉時(shí)段，要在可灌時(shí)段進(jìn)行灌溉；在灌溉水需升溫時(shí)段，灌溉水必須在升溫池按照表4中規(guī)定時(shí)間進(jìn)行升溫后，方可灌溉，實(shí)際升溫時(shí)間可大于等于表中規(guī)定升溫時(shí)間。

3 結(jié) 論

(1)以越冬期日光溫室內(nèi)地溫和進(jìn)棚水溫為基礎(chǔ)，利用熱量平衡方程，計(jì)算出灌溉水進(jìn)入根系時(shí)的溫度值，劃分了越冬期間灌溉水可直接灌溉時(shí)間段和需升溫時(shí)間段。河流地面灌溉水無(wú)需升溫可直接灌溉時(shí)期為11月整月，需在溫室升溫池升溫后方可進(jìn)行灌溉的時(shí)期為12月中旬到次年3月中旬。

(2)利用熱量平衡原理，計(jì)算出灌溉水需升溫期，進(jìn)棚水溫在通過(guò)與土壤進(jìn)行熱量交換后達(dá)到作物正常生長(zhǎng)溫度所需的最低可灌溫度。灌溉水需升溫期間，可灌溉的最低溫度為7.5～10.8 ℃，最低可灌溉的最高值出現(xiàn)在1月上旬和中旬，最低可灌溉的最低值出現(xiàn)在2月下旬和3月上旬。

(3)利用CFD經(jīng)典軟件FLUENT灌溉水升溫模型，計(jì)算出了灌溉水在越冬期需升溫時(shí)間段的升溫時(shí)間。河流地面灌溉水需升溫期間，不同時(shí)間段需要不同的升溫時(shí)間，灌溉水升溫所需的時(shí)間變化為5～51 h，從1月上旬到2月下旬升溫時(shí)間變化為24～51 h，12月和次年3月中、下旬升溫時(shí)間變化為5～8 h。

(4)提出了日光溫室灌溉水升溫灌溉管理技術(shù)。升溫灌溉管理技術(shù)包括灌溉制度以及灌溉時(shí)間等技術(shù)。在越冬期，在對(duì)棚內(nèi)作物進(jìn)行灌溉時(shí)，要嚴(yán)格遵守灌溉水放水時(shí)間、灌溉制度、可直接灌溉時(shí)期、升溫時(shí)間以及灌溉時(shí)間的規(guī)定，以達(dá)到作物安全生產(chǎn)的目的。

計(jì)算結(jié)果可以推廣到高海拔低溫地區(qū)的設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，具有重要的實(shí)踐意義，能為高海拔低溫地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉水管理提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

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