王志強(qiáng)，黃思宇，潘昶江，張清濤*

?灌溉技術(shù)與裝備?

蓄雨屋頂超纖滲灌系統(tǒng)土壤含水率分布特征

王志強(qiáng)1,2,3，黃思宇2,4，潘昶江2,4，張清濤1,2,3*

（1.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.中山大學(xué) 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275；3.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519082；4.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 510275）

【目的】灌溉難是城市綠色屋頂發(fā)展的一個(gè)重要限制因素。為了克服屋頂灌溉難題，本文提出了一種新型的自動節(jié)水滲灌技術(shù)，即超細(xì)纖維毛細(xì)芯滲灌（超纖滲灌）?！痉椒ā客ㄟ^屋頂試驗(yàn)研究了該滲灌系統(tǒng)的土壤含水率分布特征，并評估了方向盤式超纖滲灌、環(huán)狀超纖滲灌、直芯超纖滲灌的灌水均勻度?！窘Y(jié)果】土壤含水率按照方向盤式超纖滲灌、環(huán)狀超纖滲灌、直芯超纖滲灌方式遞減，且3 種超纖滲灌的平均土壤含水率比無滲灌高出46.7%。環(huán)狀超纖滲灌與方向盤式超纖滲灌的克里斯琴森均勻系數(shù)CUC相差不大。方向盤式超纖滲灌平臺以及環(huán)狀超纖滲灌平臺土壤含水率高于5%的時(shí)間大于95%。供水半徑為25、20、15、10 cm 和5 cm 處，環(huán)狀超纖滲灌比直芯超纖滲灌CUC分別高1.6%、4.2%、4.8%、4.3%和9.3%?！窘Y(jié)論】超纖滲灌供水能力良好，具備自動灌溉、提高以及穩(wěn)定土壤含水率的能力，將會緩解屋頂植被缺水干旱現(xiàn)象并促進(jìn)綠色屋頂?shù)慕】颠\(yùn)行。

超纖滲灌；土壤含水率；供水均勻度；克里斯琴森均勻系數(shù)；屋頂灌溉

0 引 言

【研究意義】綠色屋頂是低影響開發(fā)的重要措施，對雨水徑流控制管理[1]、城市水質(zhì)改善[2]、節(jié)能降噪、緩解城市熱島效應(yīng)[3]均至關(guān)重要。水分是影響屋頂植物生長的主要環(huán)境因素，僅依靠土壤蓄存雨水無法滿足植物正常生長需求[4-5]，即使在華南地區(qū)的綠色屋頂植物也會遭受嚴(yán)重的水分脅迫以及死亡風(fēng)險(xiǎn)[6]。因此，在有限的水資源條件下，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)與屋頂綠化的有機(jī)結(jié)合，是推廣屋頂綠化的重要保證條件。

【研究進(jìn)展】屋頂綠化現(xiàn)有的灌溉方式大致分為傳統(tǒng)灌溉與智能灌溉，傳統(tǒng)灌溉方式主要有噴灌、滴灌、滲灌[7]。Sun 等[3]開發(fā)了一套智能灌溉模塊，發(fā)現(xiàn)智能灌溉綠色屋頂可以提高屋頂熱性能、增強(qiáng)綠色屋頂蒸散發(fā)，但灌溉成本很高。在歐洲國家，屋頂?shù)喂鄳?yīng)用很廣泛[8-9]，但成本較高且滴頭易堵塞。噴灌雖然可以改善屋頂小氣候但受風(fēng)影響很大且容易造成屋頂積水，進(jìn)而應(yīng)用受限[10]。國外的綠色屋頂也流行墊管灌溉[11]，即將土工織物纏繞在管道上，連接一個(gè)墊子，將其埋在植物根部，類似于芯吸。滲灌已經(jīng)被應(yīng)用于屋頂綠化中，但滲灌技術(shù)目前主要受限于滲灌管的堵塞問題[12]。譚圣林等[13]研究發(fā)現(xiàn)，目前滲灌也容易在根區(qū)形成點(diǎn)源局部灌溉，造成土壤含水率分布不均勻。超細(xì)纖維毛細(xì)芯（超纖，Microfiber Capillary Wicking，MCW）滲灌技術(shù)利用超纖連接水源和土壤層，受到土壤—植物耦合誘導(dǎo)，借助毛細(xì)管力克服重力和土壤水勢梯度緩慢而持續(xù)的浸潤土壤，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)函數(shù)高利用率自動調(diào)節(jié)供水[14-17]。超纖滲灌不耗能、解決滲灌管道堵塞問題、減少土壤無效蒸發(fā)、不會導(dǎo)致土壤硬化，具有廣闊的應(yīng)用前景。孫伊博等[18]在寧夏田間葡萄試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超纖滲灌比溝灌能更有效地降低水分脅迫，從而增加產(chǎn)量、含糖量、糖酸比和花色苷量。

【切入點(diǎn)】在屋頂綠化中，傳統(tǒng)灌溉方式大多耗時(shí)費(fèi)力、能耗大、不能隨需灌水。其智能灌溉方式雖然避免人工管理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、精量、及時(shí)灌溉，但技術(shù)復(fù)雜、普及困難、首次投入成本高。蓄雨屋頂超纖滲灌不失為一種簡單、性價(jià)比高、能夠存儲替代灌溉源（如雨水或灰色水）進(jìn)行自動調(diào)控供水的優(yōu)選灌溉方式。但目前尚不清楚蓄雨屋頂超纖滲灌的土壤含水率分布特征、灌水均勻度及其灌溉能力。

【擬解決的問題】灌水均勻度是檢測和評判灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)好壞的重要依據(jù)，也是進(jìn)行系統(tǒng)管理的基礎(chǔ)，還可作為診斷系統(tǒng)設(shè)施完好與否的重要參考[19-20]。為了有效評估灌水均勻度，需要采用合適的灌溉評估指標(biāo)。常用的指標(biāo)有克里斯琴森均勻系數(shù)（CUC）、分布均勻系數(shù)（DU）、赫爾曼—海因均勻系數(shù)（CUH）以及灌溉變異系數(shù)（CV）。因此本研究基于對蓄雨屋頂3 種不同結(jié)構(gòu)（方向盤式、環(huán)狀、直芯）超纖滲灌均勻性的研究，通過土壤含水率分布情況評估超纖滲灌的灌溉能力，為超纖滲灌在屋頂綠化的設(shè)計(jì)和運(yùn)行推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)布置

超纖滲灌試驗(yàn)設(shè)置在廣州市中山大學(xué)校園屋頂（23.092°N，113.301°E，100.7 kPa；高程10 m），位置開闊，屋面搭建小型氣象站。屋頂平均溫度在19.2～25.3 ℃之間變化；最冷月份為1月，月平均最低溫度為15.6 ℃，7月平均溫度為32.8 ℃；年降雨量大約為1 700 mm，年降雨時(shí)間超過165 d，集中降雨時(shí)間是4—9月，占全年降雨量的80%，雨熱同期，降雨季節(jié)分布不均；年平均相對濕度為75.6%～79.3%。

超纖滲灌試驗(yàn)時(shí)間為2017年5月27日—8月29日。試驗(yàn)屋頂布置了4 個(gè)150 cm×150 cm×50 cm 的有機(jī)玻璃蓄雨平臺，標(biāo)號為A（方向盤式超纖滲灌平臺）、B（環(huán)狀超纖滲灌平臺）、C（直芯超纖滲灌平臺）、D（無滲灌平臺）。如圖1 所示，4 個(gè)有機(jī)玻璃蓄雨平臺自上而下按植物層、15 cm 土壤層、5 cm 過濾層、10 cm 蓄雨層的垂直結(jié)構(gòu)鋪設(shè)[21]。土壤層土壤基質(zhì)按園土配比，即腐殖質(zhì)∶河沙∶草木灰∶蛭石=4∶3∶2∶1，土壤體積質(zhì)量約為0.96 g/cm3，土壤pH 值略小于7，田間持水率約為28%（體積含水率）。所有的蓄雨平臺過濾層由1 層5 cm 厚的固定多孔板固定，上面鋪設(shè)2 層土工布，防止土壤掉入蓄水層中；另外，10 cm 蓄雨層常常蓄雨不滿，有幾厘米的空氣層，所以土壤毛細(xì)作用也無法直接從蓄水層中吸水。為了能使蓄雨層支撐起擋水板以上的質(zhì)量，本試驗(yàn)中使用陶粒填滿蓄雨層。陶粒疏松多孔，具有水分吸收率大、密度小、抗壓性強(qiáng)等特點(diǎn)。陶?？梢詫⑺治諆Υ嬖诙嗫捉Y(jié)構(gòu)內(nèi)，同時(shí)當(dāng)蓄雨層的水干涸之后，緩慢釋放出體內(nèi)儲存的水分供超纖滲灌使用，縮短了植被遭受干旱的時(shí)間。為了防止土壤層飽和，試驗(yàn)平臺在過濾層上邊界處設(shè)置了6 個(gè)15 cm 高度（直徑5 mm）的排水口，因此蓄雨層能夠正常蓄水。

在標(biāo)號為A、B、C 的有機(jī)玻璃蓄雨平臺內(nèi)依次分別放置土壤埋深8 cm 的3 個(gè)外徑為16 cm 的方向盤式超細(xì)纖維毛細(xì)芯（方向盤式超纖，steering wheel Microfiber Capillary Wicking，swMCW）、3 個(gè)外徑為16 cm 的環(huán)狀超細(xì)纖維毛細(xì)芯（環(huán)狀超纖，cyclic annular Microfiber Capillary Wicking，caMCW）以及3 個(gè)超細(xì)纖維毛細(xì)直芯（直芯超纖，straight Microfiber Capillary Wicking，sMCW），平臺D內(nèi)設(shè)置空白對照，不放置毛細(xì)芯（無滲灌，None）。超纖的中心間距均為50 cm。使用ML3-HH2 便攜式土壤水分儀（Delta-T，英國）圓柱式防水探頭分別記錄距離供水軸心5、10、15、20 cm 以及25 cm 處的土壤含水率；以環(huán)狀超纖滲灌為例，每一供水半徑處實(shí)測3 個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)平臺內(nèi)測量3 組（圖2）。ML3-HH2 便攜式土壤水分儀測量范圍為0～100%（體積含水率），測量精度為±1%。

試驗(yàn)過程中，除了剛布置完蓄雨平臺時(shí)往蓄雨層補(bǔ)充過水分以外，其余時(shí)間只通過蓄積的雨水作為滲灌水源。

圖1 有機(jī)玻璃蓄雨平臺內(nèi)超纖滲灌系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.1 The vertical structure schematic profile of microfiber capillary wicking infiltrating irrigation in plexiglass water storage platform

圖2 環(huán)狀超纖滲灌系統(tǒng)水分供水半徑測點(diǎn)布局Fig.2 The different water supply radius test site layout in cyclic annular microfiber capillary wicking infiltrating irrigation system

1.2 灌溉均勻度基本公式

克里斯琴森均勻系數(shù)（CUC）、分布均勻系數(shù)（DU）、赫爾曼—海因均勻系數(shù)（CUH）以及灌溉變異系數(shù)（CV）是用來確定灌溉系統(tǒng)均勻性的常用指標(biāo)。

1）土壤含水率橫向移動的均勻系數(shù)采用克里斯琴森均勻系數(shù)（CUC）[22]進(jìn)行計(jì)算，該系數(shù)描述的是測點(diǎn)土壤含水率與平均土壤含水率偏差的絕對值之和與總土壤含水率的比值，可以較好地表征整個(gè)系統(tǒng)水量分布與平均值偏差的情況。CUC計(jì)算見式（1）。

式中：