农田微喷灌有效湿润层空间土壤含水量均匀性探析

李玉刚

（甘肃洮河土木工程设计咨询有限公司,甘肃 兰州 730030）

微喷灌是利用微喷头将灌溉水均匀地喷洒到灌溉区域的微灌形式，以其雾化程度高、灌水均匀、适应性强等特点被广泛应用于小麦、大豆、蔬菜、花卉、草坪、果园及扦插育苗等节水灌溉工程[1]。其中，微喷头是微喷灌系统的核心部件[2-3]。评价微喷灌质量的重要指标之一是喷头的组合喷灌均匀度[4]，而该指标不能很直观的反应喷灌土壤水分空间再分布特性[5-8]。因此，本文将以有效湿润层空间土壤含水量均匀度为对象，进一步对微喷灌土壤水分空间再分布特性进行研究分析，以期为深入研究喷灌质量评价指标提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

选取苗期小麦田作为试验用地，土壤为壤土，试验区域地表平整、无杂物。试验在野外无风条件下进行，选用喷嘴直径为1.2mm的旋转微喷头，额定工作压力 200kPa，流量 120L/h，喷洒半径为2.8m。图1为试验装置示意图，以正方形形式布置2个喷头，布置间距5.6m。采用精度为0.4级的精密压力表控制喷头工作压力，精度为0.5级的电磁流量计控制流量。以每个喷头正下方为中心，径向各布置7个测点，相邻测点间距0.8m。各测点在地面下 5cm、15cm、25cm、35cm 和 45cm 处埋设 TDR探头，测定土壤含水量。灌水结束后1h测定各点不同深度的土壤含水量[6]，用以测定土壤中水分再分布后的均匀性。

图1 试验装置示意图

1.2 计算方法

1.2.1 土壤含水量均匀度系数

不同剖面深度土层土壤含水量均匀系数计算式1进行测算。

式中：CUS——土壤含水量均匀系数，%；

θi——第i个观测点土壤含水量观测值，%；

n——观测点数。

1.2.2 有效湿润层土壤含水量均匀系数

有效湿润层土壤含水量均匀系数计算式（2）进行测算。

式中：SU——有效湿润层土壤含水量均匀系数，%；

CUSi——喷洒面积内第i个深度层的土壤含水量均匀系数，%；

N——喷洒面积内作物根系主要分布区域的土壤含水量测试的分层数目，N=5；

Pi——喷洒面积内第i个深度层土壤含水量均匀系数的权重系数，即作物根系在主要分布区域空间各深度层的分布密度百分比 （以早熟禾草坪为例，5cm、15cm、25cm、35cm 和 45cm 土层根系体积分别占根系总体积的30.2%、26.5%、20.8%、11.4%和 11.1%）；

θij——第i个深度层第j个测试点的土壤含水量测试值；

n——观测点数。

2 试验结果分析

2.1 土壤水分空间分布均匀性

各测试点不同深度土层土壤含水量均匀系数在90.3%～98.8%之间变化见表1。其中，各土层土壤含水量均匀系数均表现为测试点7和8最高，测试点1和14较低，各土层土壤含水量均匀系数以喷头为中心向喷洒边缘呈递减趋势；可见，相邻喷头喷洒区域适当重叠能够提高各层深度土壤含水量均匀性。各测点较高的土壤含水量均匀系数均出现在15～25cm之间，各点5cm和35cm土层的土壤含水量均匀性次之，且除测试点4和11外，其余各点二者均匀系数基本相当，45cm土层的土壤含水量均匀性最低，这与喷洒水分在土壤中经过1h的垂直下渗和水平扩散而获得再分布直接相关。

图2进一步展示了各测点不同土层土壤含水量均匀系数变化，由图可以看出，除测试点1和14外，其余各点土壤含水量均匀系数随土层深度变化呈单峰曲线，且峰值出现在25cm土层；“边缘点”1和14从25cm土层起，随着土层深度的加深，土壤含水量均匀系数大幅下降，在喷灌系统设计中应引起足够的重视，即旋转微喷头喷头布置间距不应超过0.85R（R为喷头喷洒半径）。

2.2 有效湿润层土壤含水量均匀性

表1 各测试点不同深度土层土壤含水量均匀系数实测值

图2 各测点不同土层土壤含水量均匀系数变化

图3 平均土壤含水量均匀系数与有效湿润层土壤含水量均匀系数关系图

有效湿润层土壤含水量均匀系数计算结果见表2，其与平均土壤含水量均匀系数的变化关系如图3所示。由图3可以看出，有效湿润层土壤含水量均匀系数Su变化趋势基本与平均土壤含水量均匀系数吻合。Su最大值出现在测试点7和8，均达到98%以上；最小值在测试点出现在1、5、10和14，均在95%以下；除测试点4和11外，其余各点有效湿润层土壤含水量均匀系数均略高于平均土壤含水量均匀系数。可见，有效湿润层土壤含水量均匀系数更能客观地反应作物根系区土壤水分空间再分布状况，这对于节水喷灌工程系统的喷灌质量评价、节水喷灌工程系统优化都具有较大的现实意义。

表2 各测点平均土壤含水量均匀系数与有效湿润层土壤含水量均匀系数表

3 结论与讨论

1）相邻喷头喷洒区域适当重叠能够提高各层深度土壤含水量均匀性，旋转微喷头喷头布置间距不应超过0.85R。

2）旋转微喷头的土壤含水量均匀系数较高值出现在15～25cm土层，特别适用于小麦、蔬菜、花卉及人工草坪等浅根作物的灌溉。

3）有效湿润层土壤含水量均匀系数更能客观地反应作物根系区土壤水分空间再分布状况，可较好的用于喷灌质量评价和系统优化。

本文仅对旋转微喷头在一般农田壤土的土壤水分空间再分布特性进行研究分析，而针对不同喷头型式、组合方式在不同土质特点的土壤水分空间再分布特性，还有待于进一步研究。