膜缝沟灌技术要素试验研究

薛 雁,李援农,刘建强

(1.山东省水利科学研究院,山东济南250013;2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)

0 引 言

膜上灌溉是20世纪80年代后期我国新疆地区在地膜栽培基础上发展起来的一种新型节水地面灌溉技术。多年来的实践证明,不仅具有地膜种植的所有优点,而且还具有显著的节水、增产和防止土肥流失等效果。膜缝沟灌是将地膜铺在沟坡上,沟底两膜相会处留有窄缝,通过放苗孔和膜缝向作物供水,膜缝沟灌的沟长为50 m左右[1]。对于膜缝沟灌技术,樊惠芳、张朝晖等[2-5]对其入渗规律做了一些试验研究,而对其技术要素较少有相关研究和报道。

1 试验和方法

1.1 试验材料

试验在教育部农业水土工程研究所西北农林科技大学灌溉试验站进行,试验用土为重粉质粘土,土壤密度为2.715 g/cm3。土壤级配及颗粒组成如表1所示。

表1 土壤级配及颗粒组成情况

1.2 试验布置与方法

试验前将土按设计的含水率配好后,按设计密度分层(5 cm厚)夯实装入试验土箱内(见图1)。试验土箱选用有机玻璃模型槽,其规格为100 cm×3 cm×70 cm(长×宽×高)。装完土后,按试验要求的沟宽和沟深挖出灌水沟,沟底宽为25 cm,沟深为20 cm。灌水沟的形状采用常见的梯形形状。做好灌水沟后,在沟中铺上按试验要求剪好膜缝的薄膜。为了防止漏水和飘膜,在铺膜时薄膜与玻璃壁之间做了处理。为了防止阻气灌溉,在土箱的一侧设置若干排气孔。试验由马氏瓶供水[6]。

本试验选择了膜缝宽度、土壤初始含水率、土壤密度及水深四个参数为试验因素,采用四因素三水平正交表设计试验方案[7],试验设计正交表见表2,因素及水平具体为膜缝宽度A1(5 cm)、A2(10 cm)、A3(15 cm);土壤初始含水率 B1(9%)、B2(12%)、B3(15%);土壤密度C1(1.35 g/cm3)、C2(1.40 g/cm3)、C3(1.45 g/cm3);水深 D1(4 cm)、D2(8 cm)、D3(12 cm)。

图1 试验装置图

表2 膜缝沟灌灌溉技术要素试验设计正交表

1.3 试验步骤

试验开始时,向灌水沟快速注入表2中设计水深的水量,然后打开马氏瓶供水开关并同时计时。供水过程中观察不同时刻湿润峰的发展趋势,记录不同时刻的入渗量,并绘出不同时刻的湿润峰。供水结束后,用烘干法测定土壤含水率。

试验结果采用正交试验极差分析法中的综合平衡法对试验数据进行分析。

极差分析方法是正交试验设计的一种常用的方法,它直观形象、简单易懂,通过非常简单的计算和判断就可以求出试验的优化成果——主次因素、优化水平、优搭配及最优组合,能比较完满地达到试验要求。

综合平衡法是先把各项试验指标,按单指标分别单独进行分析,然后再根据分析结果进行综合平衡,做出合理的结论[8]。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

为了防止深层渗漏,根据以往经验及膜缝沟灌的入渗规律,本试验采用入渗速率和水平与垂向湿润锋推进距离之比为评价指标,为了表达简单,在此用横纵比来代替水平与垂向湿润锋推进距离的比值。将试验结果制成表3。

根据表3的计算结果,可绘出试验因素与评价指标的趋势图。图2、图3分别为4个技术要素对主要指标的影响趋势图。通过对试验数据的极差分析[8]可知:对入渗速率而言主次因素分别为A、B、C、D,优水平为A1、B2、C3、D3,最优组合为 A1B2C3D3;对横纵比而言主次因素为别为B、A、C、D,优水平为A3、B1、C3、D3,最优组合为A3B1C3D3。

表3 试验结果分析表

图2 技术要素对入渗速率的影响

图3 技术要素对横纵比的影响

2.2 综合平衡确定最优组合

由于两个指标单独分析出来的最优条件不一致,必须根据因素的两个指标影响的主次顺序,综合考虑确定出最优组合条件。

A因素:对入渗速率的影响排在第一位,优水平为A1;对横纵比的影响排第二位,优水平为A3,因此A可取A1。

B因素:对入渗速率的影响大小排第二位,优水平为B2;对横纵比的影响排第一位,优水平为B1,故综合考虑B应取B1。

C因素:对两个指标的影响来说,C因素都排在第三位,优水平都为C3,C因素对两个指标来说都是次要因素,排位相同,因此C应取C3。

D因素:同C因素情况相似,对两个指标的影响来说,D因素都排在第四位,属次要因素,优水平都为D3,故D 应取D3。

所以,本试验的最优组合为A1B1C3D3,即膜缝宽度为5 cm,土壤初始含水率为9%,土壤密度为1.45 g/cm3,水深为12 cm。

2.3 最优组合指标值的估算

最优组合不在本试验的9组处理组合中,需要估计在最优组合下的试验指标值(入渗速率、纵宽比),为今后的推广应用提供理论依据。根据正交试验设计中指标值的预估,对每次试验来讲,虽然指标值都不一样,但他们是一般平均 μ和各因素作用效应的线性和,因此只要求得这些一般平均与效应的估计值,指标值的估计值就可以获得。采用最小二乘法的方法来估计一般平均及各因素的效应[8-9]。

根据微积分中求极值的方法将Q分别对参数的估计值求导,并令其为零,解方程就可得到各参数的估计值。由于本试验的最优组合为A1B1C3D3,可以估计灌水效率理论值为:

式中:ui为该正交试验组合下所计算的入渗速率(i=1,2,3……9);^a1为该试验组合中,膜缝宽度为5 cm;¯uA1膜缝宽度为5 cm水平下入渗速率的平均值;¯uB1为土壤初始含水率为9%水平下入渗速率的平均值;¯uC3为土壤密度为1.45 g/cm3水平下入渗速率的平均值;¯uD3为水深为12 cm水平下入渗速率的平均值。

横纵比的计算同上。

估算到最优组合A1B1C3D3的入渗速率可达2.24 mm/min,横纵比达到2.24。

3 结 论

通过本试验的研究得知,在膜缝沟灌的影响因素中,膜缝宽度与土壤初始含水率对入渗主要指标的影响较大,土壤密度与水深对入渗主要指标的影响较小。

最后选择的最优组合:当初始含水率为9%、土壤密度为1.45 g/cm3时,最优膜缝宽度为5 cm,最佳水深为12 cm的A1B1C3D3组合。

由于室内扰动土试验与大田原状土的入渗特性有一定差别,大田试验存在土壤空间变异性[10-12],加之此方法本身存在着各种误差以及人为因素等,所以室内的入渗参数不能代表整个灌溉田面的平均入渗参数量值,要得到能代表实际田块的土壤平均入渗参数,虽然可以采用“标定”理论与方法对其进行处理[13],但需要一定数量的单膜缝试验,才能为标定提供必要的依据,这样做不仅单个膜缝入渗试验工作量大、费工费时,且无法消除入渗仪设备本身的误差;其次是入渗试验采用静水入渗的试验方法,这显然与实际灌溉田面水流运动特性有一定差别,从而影响入渗参数的代表性和灌水技术要素设计及灌水质量评价结果。因此,在今后的研究工作中,对室内实验装置的还需进一步研究,以使室内实验的研究条件与田间实际情况进一步吻合。

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