滴灌水分运动研究进展

王 博

(甘肃省水土保持科学研究所，兰州 730020)

滴灌水分运动研究进展

王 博

(甘肃省水土保持科学研究所，兰州 730020)

水资源短缺问题严重的制约着干旱半干旱地区农业和经济的可持续发展，高效的节水技术是缓解水资源紧张的重要手段。滴灌是目前最有效的一种节水灌溉技术，并广泛的应用在干旱半干旱地区。为了更好的利用该技术，许多专家和学者对该技术条件下的水分运移规律进行了大量的研究。本文将详细介绍这些研究方法和成果，为今后的研究提供一些参考。

水资源短缺；滴灌有效；节水；水分运移

0 引 言

1856年法国工程师Darcy 通过试验建立了土壤水分运动方程，这为今后探索土壤中水分的运动奠定了坚实的理论基础。随着社会的快速发展，水资源短缺问题异常突出。而对于干旱半干旱地区，解决该问题则显得迫在眉睫。

20世纪60年代，以色列人发明了滴灌技术，经过几十年的不断发展，该技术被认为是一种高效的节水技术。它的优势体现在：节水增产、提高土壤温度、自动化程度高和综合效益高等[1-3]。

从20世纪90年代，新疆引进该技术。为了更好的发挥该技术，国内外的许多专家和学者对该技术条件下的水分运动规律进行了大量的研究，下面对这些研究成果进行详细的描述。

1 滴灌单点源水分运动研究

滴灌条件下的水分运动是三维问题，与一维、二维水分运动同样遵循非饱和达西定律和质量守恒定律。为了适应多变复杂的实际问题，并能更好的进行分析，方程的表达形式包括以下3种：

1)以基质势为因变量的基本方程。

2)以含水量为因变量的基本方程。

3)以坐标为因变量的基本方程。

以上3种形式的运动方程都是建立在直角坐标系内建立的，对于研究某些土壤水分运动问题，采用柱坐标和球坐标则更为方便。

湿润锋(体)的尺寸大小反映水分的运移情况，为了更好的掌握其变化规律，国内外的研究人员进行了大量的研究。目前，经验模型、解析方程和数值模型是研究湿润锋的主要手段。

Schwartzman和Zur(1986)通过试验发现湿润锋和灌水量之间符合幂函数关系，并且建立了湿润锋与灌水量、滴头流量和导水率的函数关系。Lazarovitch等(2007)利用瞬时解析法描述地下滴灌湿润锋。

随着计算机技术的快速发展，数值模型作为一种有效的方法用于解决土壤水分运移，其中以HYDRUS模型最具有代表性。

相对于国外的研究，我国对滴灌水分运动的研究较晚，直到上世纪90年代才开始[4]。随着研究的不断开展，我国对湿润锋的研究也取得丰硕的成果。李光永和曾德超(1997)发现土壤湿润锋特征值可以通过数值算法获得。

张振华等(2004)建立了地表滴灌土壤湿润体特征值的经验公式，并发现湿润体体积和灌水量之间存在显著的线性关系。胡和平等(2010)通过试验建立了滴灌条件下湿润体的经验模型。

另外，研究发现湿润锋的大小与很多因素(滴头流量、灌水量、不同土质、不同初始含水量)有关。这些研究成果为更好的研究水分运移提供了良好的基础[5]。

干旱少雨，蒸发量大对膜下滴灌在干旱区的应用产生了一定的影响。为了解决这个问题，膜下滴灌技术随之产生，它是覆膜种植技术与滴灌技术的组合，具有滴灌技术优点的同时，它的优势在于减少了无效水量和抑制土壤盐分的增长。

该技术产生于新疆，目前被广泛的应用于我国的干旱半干旱地区。膜下滴灌与常规滴灌中水分运移规律的基本相同。由于膜下滴灌水分运动不易观测，应用中子仪、水分传感器等先进的仪器进行实时监测。

2 滴灌交汇条件下水分运动研究

对于种植密度较高的作物，在滴灌灌溉过程中，经常会出现相邻滴头产生的湿润锋发生交汇的现象，水分运动由单一的点源三维运动变成了二维、三维共存的复杂运动，因此，了解该条件下的水分运动规律对实现作物的高产有着重要的影响[6]。

我国的研究人员通过室内、田间的试验进行了大量的研究。

1)郑园萍等(2008)通过试验发现，交汇面处的湿润锋与入渗时间呈现多项式的关系。交汇条件下湿润锋的距离比单点源形成的湿润锋大。

2)孙海燕和王全九(2007)通过对不同土质、不同滴头流量、不同灌水量交汇条件下水分运动的研究发现，交汇面处湿润锋运移速率大于滴头中心处湿润锋运移速率，交汇面湿润锋水平和竖向距离与入渗时间之间呈线性关系，交汇处剖面含水量均高于同等深度的含水量[7-8]。

3)王维娟等(2010)对不同滴头间距、交汇时间、交汇处含水量、湿润锋运移速度和湿润体的变化进行了模拟，研究发现交汇时间随滴头间距的增加而减少，交汇时间随滴头间距的增大呈指数级增加，湿润锋运移速度与滴头间距符合幂函数关系，随着滴头间距的增加，湿润体的形状也由半球体向近似半药囊形、半花生壳形及2个分离的近似半球体转变。

4)谷新宝等(2009)通过对大田试验的模拟分析发现，在其它条件相同的情况下，增加灌水量或减少滴头间距，有利于提高滴头处和交汇处湿润锋的运移速度，同时提高灌水均匀度。

大量的试验结果为研究提供了理论基础，为了了解更多情况下点源交汇水分运动问题，借助计算机模型模拟是十分必要的。

Shan等(2010)利用HYDRUS-3D模型成功的模拟了不同灌水量、滴头间距条件下水分的运移情况。这些研究成果将为设计合理的滴灌系统提供理论保障[9-10]。

3 结 语

滴灌技术对缓解农业用水紧张和提高作物产量产生了重要的影响。对于单点源滴灌条件下的水分运移规律也研究较为深入，这为生产实际中设计合理的滴灌系统提供必要的依据。

然而，对于多点源交汇条件下的有些问题研究还不够深入，如：交汇区湿润锋及湿润面积的计算。只有掌握了滴灌中不同条件下的水分运移规律，才能更好的发挥该技术的作用，尽快实现农业可持续发展的目标。

[1]顾烈烽，荣航仪，钟杰敏.兵团大田棉花膜下滴灌技术的形成与发展[J].新疆农垦科技：2002(05)：29-31.

[2]李代鑫.最新农田水利工程规划设计手册[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]邵光成，蔡焕杰，吴磊，等.新疆大田膜下滴灌的发展前景[J].干旱地区农业研究，2010，19(03)：122-127.

[4]刘晓英，杨振刚，王天俊.滴灌条件下土壤水分运动规律的研究[J].水利学报，1990(01)：11-22.

[5]李光永，曾德超.滴灌土壤湿润体特征值的数值算法[J].水利学报，1997(07)：1-6.

[6]张振华，蔡焕杰，杨润亚.地表滴灌土壤湿润体特征值的经验解[J].土壤学报，2004，41(06)：870-875.

[7]胡和平，高龙，田富强.地表滴灌条件下土壤湿润体运移经验方程[J].清华大学学报：自然科学版，2010，50(06)：839-843.

[8]王全九，叶海燕，史晓南，等.土壤初始含水量对微咸水入渗特征影响[J].水土保持学报，2004，18(01)：51-53.

[9]李道西，罗金耀.地下滴灌技术的研究及其进展[J].中国农村水利水电，2003(07):15-18.

[10]徐林，李杨瑞，黄海荣.地下滴灌技术的研究进展[J].广西农业科学，2008,39(06):800-804.

1007-7596(2014)01-0171-02

2013-11-21

王博(1983-)，女，陕西西安人，工程师，从事水土保持科研与生态建设规划研究工作。

S275.4

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