CN108680470A - 微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，包括水入渗深度均匀度测定和水量分布均匀度测定。包括以下步骤：准备试验区，并测量土壤物理及水动力参数性质；测定微喷头的喷洒水量分布及试验区初始土壤含水率；对试验区进行喷洒，在水中溶解了碘化钾，一定时间后，依次挖开剖面，并做显色处理，拍照记录；形成剖面时，测量喷洒水量分布、土壤含水量和水入渗深度，计算可得水入渗深度均匀度和水量分布均匀度。本方法能够通过测定微喷灌条件下的水入渗深度均匀度和水量分布均匀度，来评价水入渗分布效率；并分析微喷灌系统的喷洒水量均匀度和水入渗后水量分布均匀度之间的关系，探讨微喷灌条件下水入渗分布的影响因素。

Description

微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法

技术领域

本发明属于土壤水入渗分布技术领域，尤其涉及一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法。

背景技术

田间灌水有效利用率、田间灌溉储存有效利用率、田间灌水均匀度等灌水效率的评价指标是建立在入渗水在土壤中分布的基础之上。Flury等采用染色示踪剂在14种土壤条件下开展的水流运动示踪试验结果显示，均匀入渗边界条件下，具有结构发育的土壤中入渗水分布表现出明显的不均匀性，即使在无结构发育、介质相对均匀的条件下，由于水流运动的非线性(如入渗流动的不稳定性)，仍然将导致入渗水分布不均匀。

此外，对于微灌系统，通常将化肥溶解于水中，水量喷洒的同时进行施肥，尽管在水动力弥散的作用下，化肥运动规律并不完全与水流运动相同，然而，水流运动是化肥迁移的直接驱动力，因而，考虑微喷灌系统工作参数的同时，调查喷洒水入渗后水分的分布状况，对于系统灌水质量和效率的评价才更为全面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，能够有效地、准确地测定并评价微喷灌条件下土壤水入渗分布效率，依次评价微喷灌系统的喷洒质量与效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，包括以下步骤，步骤一，布置试验区，测定土壤物理及水动力参数性质；步骤二，测定微喷头的喷洒水量分布(喷洒均匀度)以及试验区中初始土壤含水率，并且将喷洒区域表面进行水平处理，以防止局部积水；步骤三，采用水箱供水，水中溶解示踪剂，喷洒后将试验区使用防水和隔热材料覆盖；步骤四，24-48小时后，挖除未喷洒区域形成工作区，然后在轴线位置逐层形成剖面，并依次在每个剖面做显色处理并拍照记录；步骤五，测量各剖面的土壤含水量和水入渗深度，计算得到水入渗深度均匀度和水量分布均匀度，以此评价水入渗分布效率。

按上述技术方案，所述步骤五中计算水入渗深度均匀度具体为，1)进行水入渗深度测量，在逐层形成剖面，并完成剖面显色处理后，测量实际最大水入渗深度x_i，计算实际最大水入渗深度平均值2)进行入渗模式分析，根据拍照记录下的剖面，对比各剖面的水流动模式、最大水入渗深度及最大水入渗深度位置和最大喷洒水量位置的相对关系，分析水入渗模式；3)进行水入渗深度均匀度计算，根据1)所测定的实际最大水入渗深度x_i和计算所得的实际最大水入渗深度平均值由公式(1)计算水入渗深度均匀度。

其中，N为测量剖面数，n为在剖面垂直方向的分层数。

按上述技术方案，所述步骤五中计算水量分布均匀度具体为，步骤A，在逐层形成剖面并未做显色处理时，测量各剖面在不同深度位置显色区和非显色区的土壤含水率；步骤B，根据公式(1)所测数据，由公式(2)计算显色区含水率平均变化量由公式(3)计算显色区含水率变化量标准差

式中，Δh_j、Δθ_j和f_j分别为剖面内垂向分层厚度(10cm等距离分层)、垂直分层内显色区土壤含水率的平均变化量和显色区域面积比例；步骤C，根据公式(2)计算所得数据，由公式(4)计算水量分布均匀度，

式中，为显色区含水率平均变化量，显色区含水率变化量标准差。

根据水入渗深度均匀度和水量分布均匀度，可以对微喷灌条件下，土壤水入渗分布效率进行评价；并根据入渗模式的分析，探讨微喷灌条件下，水入渗分布的影响因素。

按上述技术方案，所述示踪剂为碘化钾。

本发明产生的有益效果是：本发明微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法能够有效地、准确地测定并评价微喷灌条件下土壤水入渗分布效率，依次评价微喷灌系统的喷洒质量与效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法的试验示意图；

图2为微喷头喷洒水量分布及观测垂直剖面位置；

图3为D剖面的水入渗后的流动模式；

图4为H剖面的水入渗后的流动模式；

图5为S剖面的水入渗后的流动模式；

图6为喷洒水量分布；

图7为图6中喷洒水量分布对应位置垂直剖面流动模式；

图8为显色区含水率变化量均值；

图9为图8中显色区含水率变化量均值的标准差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中提供一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，包括以下步骤，步骤一，布置试验区，测定土壤物理及水动力参数性质；步骤二，测定微喷头的喷洒水量分布(喷洒均匀度)以及试验区中初始土壤含水率，并且将喷洒区域表面进行水平处理，以防止局部积水；步骤三，采用水箱供水，水中溶解示踪剂，喷洒后将试验区使用防水和隔热材料覆盖；步骤四，24-48小时后，挖除未喷洒区域形成工作区，然后在轴线位置逐层形成剖面，并依次在每个剖面做显色处理并拍照记录；步骤五，测量各剖面的土壤含水量和水入渗深度，计算得到水入渗深度均匀度和水量分布均匀度，以此评价水入渗分布效率。

进一步地，所述步骤五中计算水入渗深度均匀度具体为，1)进行水入渗深度测量，在逐层形成剖面，并完成剖面显色处理后，测量实际最大水入渗深度x_i，计算实际最大水入渗深度平均值2)进行入渗模式分析，根据拍照记录下的剖面，对比各剖面的水流动模式、最大水入渗深度及最大水入渗深度位置和最大喷洒水量位置的相对关系，分析水入渗模式；3)进行水入渗深度均匀度计算，根据1)所测定的实际最大水入渗深度x_i和计算所得的实际最大水入渗深度平均值由公式(1)计算水入渗深度均匀度。

其中，N为测量剖面数，n为在剖面垂直方向的分层数。

进一步地，所述步骤五中计算水量分布均匀度具体为，步骤A，在逐层形成剖面并未做显色处理时，测量各剖面在不同深度位置显色区和非显色区的土壤含水率；步骤B，根据公式(1)所测数据，由公式(2)计算显色区含水率平均变化量由公式(3)计算显色区含水率变化量标准差

式中，Δh_j、Δθ_j和f_j分别为剖面内垂向分层厚度(10cm等距离分层)、垂直分层内显色区土壤含水率的平均变化量和显色区域面积比例；步骤C，根据公式(2)计算所得数据，由公式(4)计算水量分布均匀度，

式中，为显色区含水率平均变化量，显色区含水率变化量标准差。

根据水入渗深度均匀度和水量分布均匀度，可以对微喷灌条件下，土壤水入渗分布效率进行评价；并根据入渗模式的分析，探讨微喷灌条件下，水入渗分布的影响因素。

进一步地，所述示踪剂为碘化钾。

以下进一步通过一个较佳的实例来详细阐述本发明的测试方案，具体实施步骤如下：

1)布置如图1所示的试验区，微喷头有一定的喷洒范围，为270°；先前开挖区是在试验结束24小时后挖除的未喷洒90°区域，挖除后形成工作区；在形成工作区后，沿垂直方向逐层形成多个剖面，测量相关数据并拍照记录。并测定试验土壤物理及水动力参数，如表1所示；准备喷洒用水，采用水箱供水，水中溶解20g/L碘化钾，单喷头喷洒，工作压力20KPa，喷洒半径1.0m，喷洒区域270°；将喷洒区域表面进行了水平处理，以防止局部积水，用剪刀小心地将表面植物剪除，避免破坏原状土结构；测定微喷头的喷洒水量分布(喷洒均匀度)以及试验区初始土壤含水率。表1为试验土壤物理及水动力性质。试验前，测定试验土壤的物理及水动力参数性质。

表1

2)进行喷洒试验，喷洒强度0.0048mm/s，喷洒时间140min，总喷洒水量40.2mm²；喷洒结束后将试验区用防水和隔热材料覆盖。

3)24小时后，沿轴线方向将未喷洒90°区域挖除，形成工作区，即图1所示先前开挖区；在轴线位置逐层形成剖面，剖面深度为80cm，为每个剖面标号并记录剖面位置，如图2所示，共19个垂直剖面。

4)先在淀粉溶液中加入25g/L硝酸铁(用以氧化碘化钾，得到碘)；然后在轴线位置逐层形成剖面，并逐层测量各剖面在不同深度位置显色区和未显色区的土壤含水率，如表2所示，列出了试验后1～7剖面的土壤含水率；在测量结束后，逐层喷洒淀粉溶液，10分钟后，待流动区域完全显现出深蓝色，拍照记录(拍照时进行遮光处理和散光处理)，共记录下19个沿轴线的垂直剖面。表2为试验后1～7剖面土壤含水率。试验后，于不同深度位置测量了全部垂直剖面的显色区和未显色区土壤含水率，列举出1～7垂直剖面显色区和未显色区土壤含水率。

表2

5)入渗模式分析：如图2所示，用不同程度的灰度标识出喷洒区域中微喷头喷洒水量的分布情况；并标识出了试验中依次逐层形成的剖面标号和位置，共19个垂直剖面。为测定的喷洒水量分布等线值图(3次测定取平均值)和19个垂直剖面的相对位置；如图3-图5所示，为D、H、S剖面的水入渗后的流动模式(左边为轴心位置)。列举了D、H、S剖面，分别在水平方向和垂直方向分析水入渗模式；根据图2比较D、H、S三个剖面位置最大喷洒水量位置和最大入渗深度位置。根据图2可知，各轴线位置(即半径方向)喷洒水量分布较为一致，表现为抛物线分布；然而根据图3-图5可知，各剖面在水入渗后的水流动模式表现出明显的非均匀性(仅地表以下10cm内完全显色，出现局部流动通道后，显色面积迅速下降，水流未流经区域面积随深度的增加而增大)，并且各剖面水流动模式明显不同(垂直方向：最大入渗深度位置不同；水平方向：流动通道不连续且各不相同)。

6)入渗模式的影响因素：如图6、图7所示，为剖面1～6在轴线位置(即半径方向)喷洒水量分布和对应入渗模式的轮廓线。根据图6、图7可知，各个剖面位置喷洒水量分布与入渗模式显著不同，6个剖面中土壤最大入渗深度位置普遍小于喷洒水量最大位置，相比喷洒水量分布，实际最大入渗位置更接近于轴心，最大喷洒水量位置和最大入渗深度位置之间的距离为0.154～0.504r(r为半径长度)。试验结果显示，粘土条件下，实际入渗模式与喷洒水量的分布无关，土壤质地和流动非均匀性(入渗锋不稳定性)在很大程度上影响了入渗水的分布模式。

7)计算水入渗深度均匀度：根据试验记录的剖面照片，测量出最大水入渗深度x_i，计算出最大水入渗深度平均值再由公式(1)计算得到水入渗深度均匀度。本实例根据试验结果计算得到的水入渗深度均匀度为0.653。

8)显色区土壤含水率变化趋势分析：如图8、图9所示，为显色区含水率平均变化量和标准差。根据图8、图9可知，0～20cm含水率平均变化量较为一致，20cm20cm以下，含水率平均变化量随着深度表现出递减的趋势，而含水率平均变化量标准差并未随深度不同表现出明显的差异。由于入渗后显色面积随深度增加而减小，入渗水量的分布取决于流动区域和区域内土壤含水率的变化，显色区随着入渗深度的增加表现出不同的变化趋势，因此实际上含水率分布的离散程度是增加的，入渗后流动的不均匀性表现出随深度的增加而增大的趋势。

9)计算水量分布均匀度：根据试验记录的土壤含水率数据，由公式(2)计算显色区含水率平均变化量由公式(3)计算显色区含水量变化率标准差由公式(4)计算得到水量分布均匀度。本实例根据试验结果计算得到的水量分布均匀度为0.592。

10)结论：①入渗后土壤水分布的不均匀性表现在入渗模式和流动区域土壤含水率分布不均匀性两个方面；本实例在喷洒均匀度为0.745情况下的实际入渗深度均匀度为0.653，水量分布均匀度为0.592；可以以此评价微喷灌条件下水入渗分布效率；

②入渗模式与喷洒水量分布无关，土壤质地和流动非均匀性在很大程度上影响了入渗模式；

③实际入渗后水量分布的均匀性要小于喷洒均匀性，进一步考虑含水率的影响，则入渗水的分布更不均匀。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，布置试验区，测定土壤物理及水动力参数性质；步骤二，测定微喷头的喷洒水量分布以及试验区中初始土壤含水率，并且将喷洒区域表面进行水平处理；步骤三，采用水箱供水，水中溶解示踪剂，喷洒后将试验区使用防水和隔热材料覆盖；步骤四，24-48小时后，挖除未喷洒区域形成工作区，然后在轴线位置逐层形成剖面，并依次在每个剖面做显色处理并拍照记录；步骤五，测量各剖面的土壤含水量和水入渗深度，计算得到水入渗深度均匀度和水量分布均匀度，以此评价水入渗分布效率。

2.根据权利要求1所述的微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，其特征在于，所述步骤五中计算水入渗深度均匀度具体为，1)进行水入渗深度测量，在逐层形成剖面，并完成剖面显色处理后，测量实际最大水入渗深度x_i，计算实际最大水入渗深度平均值2)进行入渗模式分析，根据拍照记录下的剖面，对比各剖面的水流动模式、最大水入渗深度及最大水入渗深度位置和最大喷洒水量位置的相对关系，分析水入渗模式；3)进行水入渗深度均匀度计算，根据1)所测定的实际最大水入渗深度x_i和计算所得的实际最大水入渗深度平均值由公式(1)计算水入渗深度均匀度。

其中，N为测量剖面数，n为在剖面垂直方向的分层数。

3.根据权利要求2所述的微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，其特征在于，所述步骤五中计算水量分布均匀度具体为，步骤A，在逐层形成剖面并未做显色处理时，测量各剖面在不同深度位置显色区和非显色区的土壤含水率；步骤B，根据公式(1)所测数据，由公式(2)计算显色区含水率平均变化量由公式(3)计算显色区含水率变化量标准差

式中，Δh_j、Δθ_j和f_j分别为剖面内垂向分层厚度、垂直分层内显色区土壤含水率的平均变化量和显色区域面积比例；步骤C，根据公式(2)计算所得数据，由公式(4)计算水量分布均匀度，

式中，为显色区含水率平均变化量，显色区含水率变化量标准差。

4.一种微喷灌条件下土壤水入渗分布测试方法，其特征在于，所述示踪剂为碘化钾。