CN108951532A - 灌排一体化农田暗管模拟装置及确定暗管组合的方法 - Google Patents

Abstract

灌排一体化农田暗管模拟装置及确定暗管组合的方法属于农业工程技术领域，目的在于解决现有技术存在的暗管间距、埋深确定方法复杂、耗时、费力以及农田非饱和条件下暗管排水困难的问题。本发明包括：箱本体；集水箱；和所述暗管插孔配合的插入式暗管或木塞；所述插入式暗管位于箱本体内部的部位设置有多个暗管水孔，所述插入式暗管一端通过暗管供水单元和所述集水箱连通，另一端和外部收集设施连通；地下水模拟结构，所述地下水模拟结构通过地下水供水单元和集水箱连通；设置在箱本体外表面所述传感器插入孔开孔处的气嘴；以及设置在所述箱本体一侧面中轴位置的一列由上至下布置的等高差的7个测压管。

Description

灌排一体化农田暗管模拟装置及确定暗管组合的方法

技术领域

本发明属于农业工程技术领域，具体涉及一种灌排一体化农田暗管模拟装置及确定暗管组合的方法。

背景技术

排水暗管因可以有效控制地下水上升、降低地下水矿化度、改善土壤理化性质、节约土地，增加粮食产量而被大量使用在防渍涝地区和盐碱地改良地区。暗管的间距和埋深制约着工程的排水效率和经济效益，直接影响到塑料暗管排水降渍技术的推广应用。暗管的埋深主要决定于保证作物正常生育所需要的地下水埋深，同时考虑必要的剩余水头。(引自邵孝侯，俞双恩，彭世彰.圩区农田塑料暗管埋深和间距的确定方法评述.灌溉排水，2000，19(1)：34—36.)

传统的排盐管间距的确定有三种方法：试验法、经验法、理论计算法。田间试验法具有一定针对性，符合试区所在条件，反映实际效应，是一种最可靠的暗管间距确定方法，但开展试验研究一般需要几年时间、费力、实施有一定的困难。经验法需大量走访调查，并研究整理其他地区的试验资料，归纳分析，总结各种情况产生的原因，分析暗管间距与其主要影响因素如暗管埋深、土壤质地等有决定影响的指标之间的关系，确定一个合理的暗管间距。理论计算法一般是根据水量平衡原理和渗流力学原理推导得出的。

传统的暗管滤层结构是暗管四周铺设一定厚度的滤料如细砂、卵石、煤矸石、炉渣等。事实证明传统的滤层结构暗管排水、排盐效果只有在土壤水饱和条件下得以体现，但是在非饱和土壤中很难起到作用。暗管排水只能依靠土壤水的重力作用和压力势，而这两种力在非饱和土壤中要么很小，要么不存在(引自李显溦，左强，石建初，等.新疆膜下滴灌棉田暗管排盐的数值模拟与分析Ⅱ:模型应用.水利学报，2016，47(5):616-625.)。非饱和条件下，如果采用完全包裹暗管的滤层结构，水分在滤层中所受到的脱水滞后阻力大于其在滤层中的绕流阻力，使得土壤水易绕流到暗管底部而无法排入暗管，难以发挥暗管排水作用(引自秦文豹，李明思，李玉芳，刘洪光。滴灌条件下暗管滤层结构对排水、排盐效果的影响。石河子大学，水利建筑工程学院，新疆，石河子832000.)。

上述只针对暗管排水条件下，利用暗管排水排盐效果的优劣来确定暗管埋深、间距以及滤层结构。而现有技术中缺少针对利用暗管进行灌排一体时，土壤的水分运移规律的研究，且利用土壤水分运移规律确定暗管埋深、间距以及滤层结构并不可见。因此，研究暗管灌排一体时土壤水分运移规律，以及用其确定暗管埋深、间距以及滤层结构是研究暗管工程设计提供参考依据所需要的。

现有的暗管间距、埋深确定方法复杂、耗时、费力，都是从暗管的排水排盐效果角度上说明暗管的最优间距和埋深，针对不同的土壤水分运移机理不具备普遍性；传统的暗管滤层结构排水时土壤水分会在暗管四周出现绕流现象，汇集到暗管底部，这主要是因为包裹暗管的滤层是同一质地的多孔介质，形成了围绕暗管的土水势梯度连续场，水分一旦绕流到暗管底部，要想进入暗管，只能依靠压力势的作用，所以在微灌条件下暗管排水效果不理想；土壤饱和垂向入渗速率试验方法一般有单环入渗、双环入渗法，两种方法在试验开始前使土壤饱和的手段是将土壤浸泡在水中一段时间使其饱和，但是实际上土壤饱和与否我们并不能准确的判断，因此试验中我们测得的土壤饱和垂向入渗速率比实际的入渗速率偏小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种灌排一体化农田暗管模拟装置及确定暗管组合的方法，解决现有技术存在的暗管间距、埋深确定方法复杂、耗时、费力以及农田非饱和条件下暗管排水困难的问题；从水分运移机理上确定暗管灌、排的最优间距与埋深，还可从箱本体外部直观的看出土壤水分运移过程。

为实现上述目的，本发明的灌排一体化农田暗管模拟装置包括：

箱本体，所述箱本体为方体结构，所述箱本体侧面下方开设有排水孔，所述排水孔和箱本体内部连通，所述箱本体任意相对的两个侧面相对设置多排多列暗管插孔，所述箱本体任意相对的两个面相对设置多排多列传感器插入孔，相邻两列传感器插入孔错位设置；

集水箱；

和所述暗管插孔配合的插入式暗管或木塞，当暗管插孔闲置时，和所述木塞配合封堵，当所述暗管插孔试验使用时，和所述插入式暗管配合；所述插入式暗管从箱本体一个侧面的暗管插孔插入并从另一个侧面相对的暗管插孔伸出，所述插入式暗管位于箱本体内部的部位设置有多个暗管水孔，所述插入式暗管一端通过暗管供水单元和所述集水箱连通，另一端和外部收集设施连通；

地下水模拟结构，所述地下水模拟结构通过地下水供水单元和集水箱连通；

设置在箱本体外表面所述传感器插入孔开孔处的气嘴；

以及设置在所述箱本体一侧面中轴位置的一列由上至下布置的等高差的7个测压管。

所述箱本体由有机玻璃制成。

所述插入式暗管为由光滑铜管制成的硬质管，所述插入式暗管两端靠近端部处均设置有标记指示线，当插入式暗管插入暗管插孔时，每个插入式暗管两端的标记指示线分别和箱本体两个侧面侧侧壁相对应。

所述插入式暗管的外径小于暗管插孔的内径，所述插入式暗管上的暗管水孔开孔率不小于1000mm²/m。

所述插入式暗管和所述暗管插孔配合处设置有橡胶止水带；所述插入式暗管外表面包裹一层无纺布。

所述箱本体上和每个暗管插孔对应位置设置有限位器，当所述木塞和所述暗管插孔配合时，通过所述限位器限位。

所述地下水模拟结构包括：

设置在所述箱本体内部下方的地下水出水暗管，所述地下水出水暗管上均布多个出水孔；所述地下水出水暗管和箱本体相对的两个侧面上的两个连接孔内孔口连接；

两端和所述箱本体相对的两个侧面上的两个连接孔的外孔口连接的地下水供水硬管，所述地下水供水硬管任意位置通过地下水供水单元和所述集水箱连通；

竖直设置在箱本体内部的多个可拆卸式地下水汇水管，所述地下水汇水管上均匀分布多个汇水孔；

以及包裹在所述地下水汇水管外表面的无纺布。

所述地下水供水单元包括：

一端和所述地下水供水硬管连通的地下水供水管；

和所述地下水供水管另一端连通的地下水供水瓶，所述地下水供水瓶通过地下水输水管以及地下水水泵和集水箱连通；

以及设置在所述地下水供水瓶上的地下水液位传感器。

所述暗管供水单元包括：

一端和所述插入式暗管连通的暗管供水管；

和所述暗管供水管另一端连通的暗管供水瓶，所述暗管供水瓶通过暗管输水管以及暗管水泵和集水箱连通；

以及设置在所述暗管供水瓶上的暗管液位传感器。

所述模拟装置还包括可拆卸钢架，所述箱本体设置在所述可拆卸钢架形成的内部空间内。

基于灌排一体化农田暗管模拟装置的确定暗管组合的方法包括以下步骤：

步骤一：制备回填土体：

依次取农田不同深度的原位土壤作为回填土体，将不同深度的多个土层的回填土体用密封袋密封，并分别测得每个土层的原位土壤的容重r；

步骤二：将回填土体回填至箱本体中：

1)在箱本体最下部填装10cm厚的强透水材料；

2)在强透水材料上放置尼龙丝网；

3)垂直箱本体底面放置地下水汇水管，随土体一起填埋；

4)按深度顺序依次将多个土层的回填土体按照容重为r填入箱本体尼龙丝网上部，其中每层回填土体在箱本体的填入深度h为对应土层在农田中实际深度的四分之一；

步骤三：在箱本体上布置插入式暗管：

在箱本体中间一排暗管插孔在下端的一个插入插入式暗管，插入式暗管的一端通过暗管供水单元和集水箱连接，另一端封堵；

步骤四：在箱本体中埋入机械式张力计，并放置一天；

步骤五：测量并获得土壤含水率与土壤水吸力的关系曲线，具体为：

1)关闭模拟装置的暗管供水单元和地下水供水单元，利用马氏瓶原理提供并保持箱本体上部恒定水压力，即恒定的水位高度，保持水分的入渗；

2)从供水时刻起，每间隔10min读取机械式张力计的读数，作为土壤水吸力S；

3)打开传感器插入孔的气嘴，从箱本体外部与机械式张力计的陶土头最接近的传感器插入孔插入土壤湿度传感器，读取2)中同一时刻该点的土壤含水率θ；

4)在坐标轴上，横坐标为土壤含水率θ，单位为％，纵坐标为土壤水吸力S，以大气压表示，绘制土壤含水率与土壤水吸力的关系曲线；

步骤六：通过正交试验设计暗管组合，方案设计见表1：

表1正交试验暗管组合设计方案

以上每一种A_iB_j均代表一种暗管组合，其中i和j分别代表暗管埋深和间距的编号；选取一种暗管组合进行试验；

步骤七：开启模拟装置全部功能，监测土壤湿度，记录当前暗管组合下排水与灌溉的试验数据，具体为：

根据步骤六中暗管组合设计方案结果，选择A_iB_j组合；选择已知农作物根系层内关键深度的含水率θ_K作为试验系统的供水单元的开关，可以根据现有资料查找并确定；

1)根据关键深度的含水率θ_K，模拟暗管排水过程的试验；模拟土壤经历一次大雨，插入式暗管上部土体全部饱和，此时需及时排出根系层多余的水分，并降至θ_K，当含水率θ低于θ_K，关闭暗管排水通道；具体做法为：

土体上部持续浸水，当插入式暗管以上的土体全部饱和时，饱和时的标志为测压管中液面高度与土体上部的液面高度一致，当某只测压管液面高度达到这一前提时，说明该只测压管以上的土体全部饱和，此时开启暗管排水通道，测定在当前暗管组合情况下，插入式暗管间全部土体根系层的含水率经过多多长时间达到θ_K，以此时间t_AiBj作为当前暗管组合下排水的评价指标；

2)根据关键深度的含水率θ_K，模拟根系层受地下水上升高度影响下；模拟当地地下水较浅，地下水在吸渗作用下，根系层土体全部饱和；具体做法为：

a、打开地下水供水单元，抬高地下水供水瓶的液位高度，使地下水供水瓶液位高于箱本体的插入式暗管高度，利用马氏瓶原理向地下水供水瓶内供水，保持地下水位高度，使地下水位高于插入式暗管，地下水上升高度超过地表；

b、打开暗管排水通道，以根系层土壤的饱和含水率降至θ_K的时间t和地下水实际上升的最高点至插入式暗管的距离h_AiBj作为当前暗管组合排水的评价指标；

3)根据关键深度的含水率θ_K，模拟暗管灌溉试验；以根系层下垫面作为灌溉暗管布置的平面；此时灌溉暗管和排水暗管可以分开布设为上下两层，浅层灌溉，深层排水；具体做法为：

a、经过一定时期，根系层土壤的含水率降低，不满足作物生长需求，此时打开暗管供水单元，以θ_K作为暗管供水单元的开关信号；

b、记录暗管供水单元将根系层含水率保持在θ_K时所用的水量Q_AiBj作为当前暗管组合灌溉的评价指标；

步骤八：依次更换步骤六中的不同暗管组合，重复步骤七，直到得到全部暗管组合的评价指标t_AiBj、h_AiBj、Q_AiBj；

步骤九：根据上述步骤得出的实验数据，评价各暗管组合的综合效益，确定最优暗管组合；

通过上述步骤，可得到每一组暗管间距和埋入深度的灌溉、排水效率；具体做法为：

1)暗管组合为A_iB_i，此时实际埋深H_AiBj，实际间距D_AiBj已知，以此计算单位面积的田块使用的暗管总长L_AiBj，此时暗管的灌溉用水量为Q_AiBj，排水时间t_AiBj，地下水实际上升的最高点至暗管的距离h_AiBj；

在单一利用暗管排水的情况下，排除暗管间根系层土壤含水率无法在2d内达到θ_K的组合，排除暗管间根系层土壤受到地下水上升影响的组合，剩余组合中，根系层含水率最快达到θ_K的组合得100分，最慢的组合0分，在直角坐标系中，以时间t为横坐标，得分P_t为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，根系层含水率最快达到θ_K的组合得100分，记为(t_min,100)最慢的组合0分，记为(t_max,0)，在直角坐标系中，该直线可以表示为P_t＝[(0-100)/(t_max-t_min)]*t+100，其余各组的得分以每组的时间自变量t＝t_AiBj在得分线上查找得分P_tAiBj；

地下水实际上升的最高点至暗管的距离h最大者得100分，记为(h_max,100)，最小者0分，记为(h_min,0)在直角坐标系中，以高度h_AiBj为横坐标，得分P_h为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，该直线可以表示为P_h＝[(0-100)/(h_min-h_max)]*h其余各组的得分以每组的高度自变量h＝h_AiBj在得分线上查找得分P_hAiBj；

暗管总长L_AiBj最小的组合得100分，记为(L_min,100)，最大者得0分，记为(L_max,0)，在直角坐标系中，以暗管长度L为横坐标，得分P_L为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，该直线可以表示为P_L＝[(0-100)/(L_max-L_min)]*L+100其余各组的得分以每组的暗管长度自变量L＝L_AiBj在得分线上查找得分P_LAiBj；

在利用暗管灌排一体的情况下，加入经济指标灌溉用水量Q_AiBj，用水量最小得100分，记为(Q_min,100)，最大得0分，记为(Q_max，0)，在直角坐标系中，以灌溉用水量Q为横坐标，得分P_Q为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，该直线可以表示为P_Q＝[(0-100)/(Q_max-Q_min)]*Q+100其余各组的得分以每组的灌溉用水量Q＝Q_AiBj在得分线上查找得分P_QAiBj；

2)根据公式(一)计算在单一利用暗管排水情况下每个组合的得分；

Π_AiBj＝(0.4*P_t+0.3*P_L)/0.3*P_h (一)

式中：Π_AiBj——暗管组合的总得分；

P_t——暗管的排水时间得分；

P_L——暗管的使用量得分；

P_h——暗管的地下水控制程度的得分；

0.4、0.3——各得分项的权重系数；

选取总分最高的组合为最优组合；

3)根据公式(一)计算在利用暗管灌排一体的情况下每个组合的得分；

Π_AiBj＝(0.6*P_t+0.7*P_L+0.3P_Q)/0.4*P_h (二)

式中：Π_AiBj——暗管组合的总得分；

P_t——暗管的排水时间得分；

P_L——暗管的使用量得分；

P_h——暗管的地下水控制程度的得分；

P_Q——暗管的灌溉效益指标得分；

0.6、0.7、0.4、0.3——各得分项的权重系数。

选取总分最高的组合为最优组合；

步骤十：将步骤九中确定的最优组合的暗管埋深和间距均扩大4倍，即为实际田间暗管布设的间距和埋深。

本发明的有益效果为：本发明研究农田地下暗管灌排一体化，优化地下暗管布局，实现暗管灌溉与排水双重功能，提高资源利用率。通过本发明的装置，在不同质地的土壤中根据需要变换暗管组合的埋深和间距，测定装置内不同位置的土壤含水率θ、土壤水吸力S，确定拟种植作物根系层深度后，以根系层土壤含水率作为最终唯一前提，根据不同暗管组合对于地下水、地表水的利用程度、排水效率、灌溉用水量等条件，得出暗管组合的最优间距和埋深的结论。

本发明研究不同土壤质地土壤含水率θ与土壤水吸力S关系曲线，即土壤水分特征曲线。实现暗管灌排一体；不同滤层结构对暗管灌、排效果的影响研究；本发明从水分运移机理上确定暗管灌、排的最优间距与埋深，还可以从箱体外部直观的看出土壤水分运移过程；为解决农田非饱和条件下暗管排水困难的问题，本发明可以通过改变暗管周围滤层结构，探寻能够在暗管周围产生局部饱和并向暗管中排水的手段，为微灌条件下暗管排水工程设计提供试验依据；本发明还可以结合测压管可以准确的判断试验土壤是处于饱和状态还非饱和状态，减少误差，使得实验值更接近实际值；本发明还可以模拟不同土壤质地时，土壤含水率θ与土壤水吸力S之间的关系曲线。

本发明为解决农田非饱和条件下暗管排水困难的问题，在具体实施时，明通过改变暗管周围滤层结构，探寻能够在暗管周围产生局部饱和并向暗管中排水的手段，为微灌条件下暗管排水工程设计提供试验依据；利用测压管可以准确的判断试验土壤是处于饱和状态还非饱和状态，减少误差，使得实验值更接近实际值；本发明还可以模拟不同土壤质地时，土壤含水率θ与土壤水吸力S之间的关系曲线，即土壤水分特征曲线。

附图说明

图1为本发明的灌排一体化农田暗管模拟装置整体结构示意图；

图2为本发明的灌排一体化农田暗管模拟装置纵剖面图；

图3为本发明的灌排一体化农田暗管模拟装置暗管插入孔和传感器插入孔分布图；

图4为本发明的灌排一体化农田暗管模拟装置中插入式暗管结构示意图；

其中：1、箱本体，101、排水孔，102、暗管插孔，103、传感器插入孔，2、集水箱，3、插入式暗管，301、暗管水孔，302、标记指示线，4、地下水模拟结构，401、地下水供水硬管，402、地下水汇水管，403、地下水出水暗管，5、暗管供水单元，501、暗管供水管，502、暗管供水瓶，503、暗管输水管，504、暗管水泵，505、暗管液位传感器，6、地下水供水单元，601、地下水供水管，602、地下水供水瓶，603、地下水输水管，604、地下水水泵，605、地下水液位传感器，7、测压管，8、可拆卸钢架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1-附图4，本发明的灌排一体化农田暗管模拟装置包括：

箱本体1，所述箱本体1为方体结构，所述箱本体1侧面下方开设有排水孔101，所述排水孔101和箱本体1内部连通，所述箱本体1任意相对的两个侧面相对设置多排多列暗管插孔102，所述箱本体1任意相对的两个面相对设置多排多列传感器插入孔103，相邻两列传感器插入孔103错位设置；

集水箱2；

和所述暗管插孔102配合的插入式暗管3或木塞，当暗管插孔102闲置时，和所述木塞配合封堵，当所述暗管插孔102试验使用时，和所述插入式暗管3配合；所述插入式暗管3从箱本体1一个侧面的暗管插孔102插入并从另一个侧面相对的暗管插孔102伸出，所述插入式暗管3位于箱本体1内部的部位设置有多个暗管水孔301，所述插入式暗管3一端通过暗管供水单元5和所述集水箱2连通，另一端和外部收集设施连通；

地下水模拟结构4，所述地下水模拟结构4通过地下水供水单元6和集水箱2连通；

设置在箱本体1外表面所述传感器插入孔103开孔处的气嘴；

以及设置在所述箱本体1一侧面中轴位置的一列由上至下布置的等高差的7个测压管7。

所述箱本体1由有机玻璃制成。

所述插入式暗管3为由光滑铜管制成的硬质管，所述插入式暗管3两端靠近端部处均设置有标记指示线302，当插入式暗管3插入暗管插孔102时，每个插入式暗管3两端的标记指示线302分别和箱本体1两个侧面侧侧壁相对应。

所述插入式暗管3的外径小于暗管插孔102的内径，所述插入式暗管3上的暗管水孔301开孔率不小于1000mm²/m。

所述插入式暗管3和所述暗管插孔102配合处设置有橡胶止水带；所述插入式暗管3外表面包裹一层无纺布。

所述箱本体1上和每个暗管插孔102对应位置设置有限位器，本装置中使用市面上常见的3M圆形强力胶贴作为限位器，吸附力强，无痕可移除，使用时贴于木塞外表面。当所述木塞和所述暗管插孔102配合时，通过所述限位器限位。

所述地下水模拟结构4包括：

设置在所述箱本体1内部下方的地下水出水暗管403，所述地下水出水暗管403上均布多个出水孔；所述地下水出水暗管403和箱本体1相对的两个侧面上的两个连接孔内孔口连接；

两端和所述箱本体1相对的两个侧面上的两个连接孔的外孔口连接的地下水供水硬管401，所述地下水供水硬管401任意位置通过地下水供水单元6和所述集水箱2连通；装置在使用时，供水系统的供水瓶液面高度需要高于箱本体1底高程一定距离，记为x，而抬高供水瓶底高程，提高x，使供水瓶底面高程高于箱本体1底高程，使用这一段硬管为抬高供水系统的底面高程，这样供水瓶的长度便可适当减少，节约材料。

竖直设置在箱本体1内部的多个可拆卸式地下水汇水管402，所述地下水汇水管402上均匀分布多个汇水孔；

以及包裹在所述地下水汇水管402外表面的无纺布。

所述地下水供水单元6包括：

一端和所述地下水供水硬管401连通的地下水供水管601；

和所述地下水供水管601另一端连通的地下水供水瓶602，所述地下水供水瓶602通过地下水输水管603以及地下水水泵604和集水箱2连通；

以及设置在所述地下水供水瓶602上的地下水液位传感器605。

所述暗管供水单元5包括：

一端和所述插入式暗管3连通的暗管供水管501；

和所述暗管供水管501另一端连通的暗管供水瓶502，所述暗管供水瓶502通过暗管输水管503以及暗管水泵504和集水箱2连通；

以及设置在所述暗管供水瓶502上的暗管液位传感器505。

所述模拟装置还包括可拆卸钢架8，所述箱本体1设置在所述可拆卸钢架8形成的内部空间内。

本发明的箱本体1长4050mm，宽300mm，高800mm，由有机玻璃构成，前后各开有直径30mm的箱本体1底部自由排水孔101孔中心距箱本体1底面35mm；位于箱本体1左起第1列暗管插入孔距箱部左端150mm，第2～7列暗管插入孔与第1列的水平间距依次为1000、1500、2000、2500、3000、3750mm，并分别命名为第1、2、3、4、5、6、7列，由于本装置尺寸与实际田间状况的设计比例为1:4，因此调整暗管的插入位置，即可模拟实际田间暗管间距为4、5、6、7、8、9、10、11、12、15m(例如选择第1和2列插入暗管，第2和4列，第3和5列，第4和6列，两者平间距均为1000mm，扩大4倍后，即为模拟田间暗管间距4000mm时的情况；选择第5、7列插入暗管，装置内间距1250mm，模拟实际田间5000mm的情况；选择第1和3列，第2和5列，第3和6列，装置内间距1500mm，模拟实际田间6000mm的情况；选择第4和7列，装置内间距1750mm，模拟实际田间7000mm的情况；选择第1和4列，选择2和6列，装置内间距2000mm，模拟实际田间8000mm的情况；选择第3和7列，装置间距2250mm，模拟实际田间9000mm；选择第1和5列，装置间距2500mm，模拟间距10000mm；选择第2和7列，装置间距2750mm，模拟间距11000mm，选择第1和6列，装置间距3000mm，模拟间距12000mm；选择第1和7列，装置间距3750mm，模拟间距15000mm。)，同时可根据需要增加实验组；本实验组暗管插入孔共5排，自上而下第一排暗管插入孔的孔中心与箱本体1顶面的距离为200mm，5排孔等间距，孔中心间距25mm，孔径30mm，第5排暗管插入孔的孔中心与箱本体1顶面的距离为400mm，根据装置比例，当填入箱本体1的土壤距箱本体1顶面的距离为100mm时，调整暗管插入位置，即可模拟实际田间暗管埋深0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m，同时可根据需要增加实验组；当暗管插入孔闲置时，用软木塞顶堵，并设置限位器。

箱本体1前后面设置有镜像对称的传感器插入孔103，其作用是插入三针式土壤湿度、盐度传感器，传感器插入孔103由孔组成，孔径3mm，孔中心间距12mm，左起第1列传感器插入孔103中孔距箱部左端150mm，其余每列孔中孔的水平间距为125mm，采取错位布置，相邻两列孔的垂向间距25mm，值得指出的是，与暗管插入孔位于同一列的传感器插入孔103，处于相邻两个暗管插入孔的中间。传感器插入孔103在箱本体1外表面开孔处均设置有气嘴，当需要插入传感器测量数据时打开气嘴，其它情况下气嘴均处于常闭状态。

插入式暗管3为硬质管，插入箱本体1暗管插孔102中，外径略微小于暗管插入孔孔径，长度500mm，其处于箱本体1内部的长度与箱本体1宽度相等，前端和尾端各加长100mm，并设置有位置标记指示线302，插入式暗管3开孔率可根据研究需要，自行决定开孔数目，但开孔应不小于1000mm²/m，本装置中，长度300mm的插入式暗管3共布置了5排口径2mm的暗管水孔301，每排22个暗管水孔301，开孔为1151.7mm²/m。使用时，插入式暗管3包裹一层500g/m²的无纺布，根据标记指示线302插入箱本体1，与箱本体1外部接缝处设置橡胶止水带，一端连接供水系统中暗管供水单元5，另一端连接排水收集设施。

箱本体1两侧底部设有开孔，外部孔口与地下水供水硬管401连通，内部孔口与地下水出水暗管403相连。地下水供水硬管401首端连接地下水出水暗管403，为地下水出水暗管403供水。地下水出水暗管403为硬质管，每250mm设置1个出水单元，1个出水单元由2排直径2mm的圆孔组成，每排8个孔，2排孔错位布置，单排孔的每个孔中心的夹角为45°，2排孔的孔中心的水平间距为5mm。目的是为了模拟地下水位，调整暗管供水瓶502中的液面高度，从而模拟不同的地下水水位。地下水汇水管402设置于箱本体1内，为可拆卸式活动结构，管体上开有汇水孔，使用时管体外表面包裹一层500g/m²的无纺布，装填土壤时一同布置与箱本体1内，地下水汇水管402与箱本体1内部底面垂直，距箱本体1底部200mm，水平位置可以根据试验需要改变，其目的是指示箱本体1内地下水水位上升和稳定时的高度；测压管7单侧布置于箱本体1侧面中轴位置，自上而下布置，首管在箱本体1的开孔位置距箱本体1顶面75mm，之后每个管孔间距50mm，共布置7根测压管7，其目的是，当整个实验装置布设完成后，测定土壤在只有上部恒定水压力作用下，土壤的导水率，具体实施方法见后文所述。

暗管液位传感器505可以根据实验需要设定液位高度，当液面不满足预先设定高度时，通过信号传输控制暗管水泵504的进水开关，从而保证暗管供水瓶502中的液面恒定，即本申请中，暗管水压力恒定。

可拆卸钢架8独立于试验装置，属于加强装置结构整体性和稳定性的部件，由角钢组成，能够提升装置的强度。

基于灌排一体化农田暗管模拟装置的确定暗管组合的方法包括以下步骤：

步骤一：制备回填土体：

取农田实地0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm、120～140cm、140～160cm、160～180cm、180～200cm、200～220cm、220～240cm、240～260cm、280～280cm深度原位土壤，将不同深度的多个土层的回填土体用密封袋密封，用密封袋封存，以免土壤中水分及其他物质流失，并分别测得每个土层的原位土壤的容重r；根据《公路土工试验规程JTG E40-2007》中T0107-1993P.38-39，通过烘干法测定土壤容重，容重是田间自然垒结状态下单位容积土体(包括土粒和孔隙)的质量或重量，测定容积后，根据容重确定单位容积内需要填入干土的质量。箱本体1填入土壤后，由于不经夯实土壤松散，需压实到一定程度，可根据填入土壤的质量，确定需压实到的体积，由于箱体底面积固定，压实土壤至某一高度值，满足原始土壤容重值，即可保证试验土壤与原位土壤的相似性并分别测得每个土层的原位土壤的容重r；因此土壤容重的作用是保证试验土壤与原位土壤的相似性；

步骤二：将回填土体回填至箱本体1中：

1)在箱本体1最下部填装10cm厚的强透水材料，强透水材料为直径5～6mm的玻璃珠，目的是为出流提供良好条件；

2)在强透水材料上放置尼龙丝网作为支撑网以防止上部土体介质流失；

3)箱体距顶部10～70cm按照70～65cm、65～60cm、60～55cm、55～50cm、50～45cm、45～40cm、40～35cm、35～30cm、30～25cm、25～20cm、20～15cm、15～10cm、10～5cm、5～0cm对应步骤一制备好的回填土体从深到浅按照对应土层深度容重r依次回填；

步骤三：在箱本体1上布置插入式暗管3：

在箱本体1中间一排暗管插孔102在下端的一个插入插入式暗管3，插入式暗管3外侧采用无纺布包裹起滤水和防淤堵作用；插入式暗管3的一端通过暗管供水单元5和集水箱2连接，为暗管灌溉时的进水口，另一端封堵，有助于灌水时水分从管孔均匀入渗到作物根层；

步骤四：在箱本体1中埋入机械式张力计，并放置一天；

在土体中与前后传感器插入孔103并列，但不与暗管插入孔并列的位置，孔中心距前后壁的距离相同，用钻孔器垂直钻入深度20cm的孔，插入机械式张力计，轻压张力计使张力计陶土管与土壤接触紧密，填入钻出的部分土壤使张力计能够固定于土壤中；使用由北京顺龙科技发展有限公司生产的机械式张力计；

步骤五：测量并获得土壤含水率与土壤水吸力的关系曲线，具体为：

1)关闭模拟装置的暗管供水单元5和地下水供水单元6，利用马氏瓶原理提供并保持箱本体1上部恒定水压力，即恒定的水位高度，保持水分的入渗；

2)从供水时刻起，每间隔10min读取机械式张力计的读数，作为土壤水吸力S；

3)打开传感器插入孔103的气嘴，从箱本体1外部与机械式张力计的陶土头最接近的传感器插入孔103插入土壤湿度传感器，读取2)中同一时刻该点的土壤含水率θ；所用的土壤湿度传感器为威海精讯畅通电子科技有限公司生产的三针式土壤湿度传感器4-20MA；

4)在坐标轴上，横坐标为土壤含水率θ，单位为％，纵坐标为土壤水吸力S，以大气压表示，绘制土壤含水率与土壤水吸力的关系曲线；也称土壤水分特征曲线；

这一步中，插入箱体内土壤的机械式张力计不限于一支；

步骤六：通过正交试验设计暗管组合，方案设计见表1：

表1正交试验暗管组合设计方案

以上每一种A_iB_j均代表一种暗管组合，其中i和j分别代表暗管埋深和间距的编号；选取一种暗管组合进行试验；每次试验仅进行其中一种暗管布置的情况下的试验。

步骤七：根据步骤六中暗管组合设计方案结果，选择A_iB_j组合；选择已知农作物一个关键深度的含水率θ_K作为试验系统的供水单元的开关，可以根据现有资料查找并确定；关键深度是指，土壤中水分随深度变化是不同的，即在作物根系层内，含水率是不均匀的，由于表层土壤的蒸发作用，随这深度增加，土壤的含水率会增大，监测根系层含水率保障作物在生长期内根系水分充足，此时如果选择表层土壤的含水率作为供水开关的信号，那根系层的含水率必然会过大，一方面增加了用水量，另一方面会造成涝灾；选择根系层最大深度含水率作为监测值时，这一深度以上即根系层整体的含水率会有比植物需要的水分少，植物的生长发育受到限制。选择土壤表层至根系层最大深度之间的一个深度值，则在整个根系层剖面上，任意深度的含水率均满足作物生长需求；

本专利的前提是已经确定预埋设暗管的农田，利用本装置对田间土壤进行室内等比例缩小的暗管的灌溉与排水模拟试验，确定某一暗管组合的灌溉和排水效率，选择综合效益最好的暗管组合科学布设暗管，鉴于上述原因，农田种植的作物类型、排水要求、灌溉条件已知，通过已知条件和试验参数综合确定暗管组合：

已知农田的主要作物为甲，则其根系层深度(地面至平均根系最大深度)、作物在全生育期内所需的土壤含水率适宜范围已知，根据步骤三中暗管组合设计方案结果，选择A_iB_j组合进行试验。以根系层深度含水率作为暗管运行的最终根据，当大于该含水率范围上限时，根系层需要排出水分；当小于该含水率范围下限时，根系层需要灌溉水分。选择一个关键深度的含水率θ_K作为试验系统的供水单元的开关，可以根据现有资料查找并确定；

鉴于此，以根系层中某一点的含水率作为暗管系统的控制开关，这一点的含水率含义是：根系层的含水率不能为土壤墒情(适宜植物生长发育的湿度)的底限值，尽管这样做能够节约灌溉用水量，但这样势必导致作物的生长受限；土壤墒情的上限值会使作物得到优良的产量，但用水也随之增加。由于限阶段强调粮食增产和节约农业用水，但灌区规模扩大，如果用水量和粮食增产的量得不到平衡，只会造成用水量进一步增大，提倡高效节水的同时，必须保证粮食增产，节水技术才能得到推广；

这个值只能通过农田现场试验测得，而且相关研究丰富，可以根据地区农业资料和相关论文确定直接确定；

1)根据关键深度的含水率θ_K，模拟暗管排水过程的试验；模拟土壤经历一次大雨，插入式暗管3上部土体全部饱和，此时需及时排出根系层多余的水分，并降至θ_K，当含水率θ低于θ_K，关闭暗管排水通道；具体做法为：

土体上部持续浸水，当插入式暗管3以上的土体全部饱和时，饱和时的标志为测压管7中液面高度与土体上部的液面高度一致，当某只测压管7液面高度达到这一前提时，说明该只测压管7以上的土体全部饱和，此时开启暗管排水通道，测定在当前暗管组合情况下，插入式暗管3间全部土体根系层的含水率经过多多长时间达到θ_K，以此时间t_AiBj作为当前暗管组合下排水的评价指标；

2)根据关键深度的含水率θ_K，模拟根系层受地下水上升高度影响下；模拟当地地下水较浅，地下水在吸渗作用下，根系层土体全部饱和；具体做法为：

a、打开地下水供水单元6，抬高地下水供水瓶602的液位高度，使地下水供水瓶602液位高于箱本体1的插入式暗管3高度，利用马氏瓶原理向地下水供水瓶602内供水，保持地下水位高度，使地下水位高于插入式暗管3，地下水上升高度超过地表；

b、打开暗管排水通道，以根系层土壤的饱和含水率降至θ_K的时间t和地下水实际上升的最高点至插入式暗管3的距离h_AiBj作为当前暗管组合排水的评价指标；

需指出的是，这一步中，由于实际田间的地下水矿化程度不同，地下水能否作为灌溉水源需进一步判断。当地下水矿化程度较高时，地下水不能作为灌溉水源，地下水实际上升的高度需在根系层下部；

3)根据关键深度的含水率θ_K，模拟暗管灌溉试验；以根系层下垫面作为灌溉暗管布置的平面；此时灌溉暗管和排水暗管可以分开布设为上下两层，浅层灌溉，深层排水；具体做法为：

a、经过一定时期，根系层土壤的含水率降低，不满足作物生长需求，此时打开暗管供水单元5，以θ_K作为暗管供水单元5的开关信号；

b、记录暗管供水单元5将根系层含水率保持在θ_K时所用的水量Q_AiBj作为当前暗管组合灌溉的评价指标；

需指出的是，当实际田间的灌溉条件优良时，无需布设灌溉暗管；当根系层含水率大于θK，灌溉暗管和排水暗管能够同时起到排水作用；

4)实际田间情况是复杂的，往往由多种情况组成，即底面降水量大导致的涝，地下水水位高导致的盐，底面蒸发量大导致的旱，因此该装置能够模拟地面降水量大，地下水水位高时暗管布置的最优情况，具体做法为：

a、打开地下水供水单元6，抬升地下水位，使得地下水活动范围保持在根系层，并模拟一次强降雨，即在土体上部保持一定水位，至根系层土壤全部饱和，饱和时的标志为测压管7中液面高度与土体上部的液面高度一致，当某只测压管7液面高度达到这一前提时，说明该只测压管7以上的土体全部饱和，暗管上部土体全部饱和时停止对土体上部供水；

b、打开暗管排水系统，记录在当前暗管组合下将根系层的含水率降至θ_K的时间t；

c、当含水率＝θ_K时，关闭排水暗管开关，经过一段时间，在较强的地面蒸发作用下，根系层的含水率下降，此时暗管供水开关打开，具体做法同本步骤3)；

步骤八：依次更换步骤六中的不同暗管组合，重复步骤七，直到得到全部暗管组合的评价指标t_AiBj、h_AiBj、Q_AiBj；

步骤九：根据上述步骤得出的实验数据，评价各暗管组合的综合效益，确定最优暗管组合；

通过上述步骤，可得到每一组暗管间距和埋入深度的灌溉、排水效率；具体做法为：

1)暗管组合为A_iB_i，此时实际埋深H_AiBj，实际间距D_AiBj已知，以此计算单位面积的田块使用的暗管总长L_AiBj，此时暗管的灌溉用水量为Q_AiBj，排水时间t_AiBj，地下水实际上升的最高点至暗管的距离h_AiBj；单位面积的田块指长和宽已知的田块，实际田间的情况是已知的，例如实际田块为矩形，宽30m，长100m，则暗管的长度就是30m，在100m的田块上，暗管间距D_AiBj＝10m，则放置100m/10m＝10根暗管，暗管总长L_AiBj＝10*30m＝300m；

在单一利用暗管排水的情况下，排除暗管间根系层土壤含水率无法在2d内达到θ_K的组合，排除暗管间根系层土壤受到地下水上升影响的组合，根据规范GB 50288要求，本行业人员均熟知，2d内排不出去多余的水分就会造成涝灾，植物就会涝死，2d是上限，超过该值则该组合已经不满足行业需求，必须排除，剩余组合中，根系层含水率最快达到θ_K的组合得100分，最慢的组合0分，在直角坐标系中，以时间t_AiBj为横坐标，得分P_t为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，根系层含水率最快达到θ_K的组合得100分，记为(t_min,100)最慢的组合0分，记为(t_max,0)，在直角坐标系中，该直线可以表示为P_t＝[(0-100)/(t_max-t_min)]*t+100，其余各组的得分以每组的时间自变量t_AiBj在得分线上查找得分P_tAiBj；

地下水实际上升的最高点至暗管的距离h_AiBj最大者得100分，最小者0分，在直角坐标系中，以高度h_AiBj为横坐标，得分P_h为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，其余各组的得分以每组的高度自变量h_AiBj在得分线上查找得分P_hAiBj；

暗管总长L_AiBj最小的组合得100分，最大者得0分，在直角坐标系中，以暗管长度L_AiBj为横坐标，得分P_L为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，其余各组的得分以每组的暗管长度自变量L_AiBj在得分线上查找得分P_LAiBj；

在利用暗管灌排一体的情况下，加入经济指标灌溉用水量Q_AiBj，用水量最小得100分，最大得0分，在直角坐标系中，以灌溉用水量Q_AiBj为横坐标，得分P_Q为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，其余各组的得分以每组的灌溉用水量Q_AiBj在得分线上查找得分P_QAiBj；

2)根据公式(一)计算在单一利用暗管排水情况下每个组合的得分；

Π_AiBj＝(0.4*P_t+0.3*P_L)/0.3*P_h (一)

式中：Π_AiBj——暗管组合的总得分；

P_t——暗管的排水时间得分；

P_L——暗管的使用量得分；

P_h——暗管的地下水控制程度的得分；

0.4、0.3——各得分项的权重系数；

选取总分最高的组合为最优组合；

3)根据公式(一)计算在利用暗管灌排一体的情况下每个组合的得分；

Π_AiBj＝(0.6*P_t+0.7*P_L+0.3P_Q)/0.4*P_h (二)

式中：Π_AiBj——暗管组合的总得分；

P_t——暗管的排水时间得分；

P_L——暗管的使用量得分；

P_h——暗管的地下水控制程度的得分；

P_Q——暗管的灌溉效益指标得分；

0.6、0.7、0.4、0.3——各得分项的权重系数。

选取总分最高的组合为最优组合；

步骤十：将步骤九中确定的最优组合的暗管埋深和间距均扩大4倍，即为实际田间暗管布设的间距和埋深。

本发明的实施原理为：该装置在试验阶段，第一步并未开启供水系统，此时暗管无灌溉或排水能力，同时不存在地下水上升的影响，填入装置内的土壤具有一定湿度但并未饱和，土体在上部恒定水压力作用下，水分向深层土壤运移。自土体上部开始进水时，至首只测压管7中的液面高度达到土体上部的液面高度这一时间段内，即说明首只测压管7所处平面以上的土壤均未饱和，真空计和土壤湿度传感器配合使用即可测得土壤含水率与土壤水吸力θ～S的关系，并最终绘制成土壤水分特征曲线。

第二步确定暗管组合的排水能力。当选定一组暗管组合时，为探究暗管排水的能力，此时暗管至少应处于地下水毛细上升的范围内，并且达到模拟根系层深度的范围，具体情况根据试验需要和拟种植作物种类做出调整，可调整地下水位高度大于地面高程。地下水毛细上升高度与土壤质地等因素有关，本装置中调整供水瓶液面高度，设置非接触式液位传感器的液位监测高度，并通过地下水汇水管402中的浮漂观察地下水位高度，观察记录地下水上升高度，负反馈调节液位传感器高度，以满足试验需求。

试验开始时，开启地下水供水单元6，关闭暗管供水阀门和排水阀门，调整供水瓶中液面高度，观察地下水汇水管402中的液面高度，记录地下水上升高度，多次试验后记录供水瓶液位与箱体内实际液位的差值，确定折减系数，修正供水瓶液位，调整之后试验中供水瓶的液位。

保持地下水位恒定，打开暗管排水阀门，收集排水量，记录根系层中含水率降至θ_K所需的时间，记录地下水实际上升的最高点至暗管的距离h。

第三步确定在地下水影响下，暗管灌排一体的的作用效果。国际上发达国家的农业灌溉模式采用暗管灌排一体化，其优势在于资源利用率高，调控效果明显，经济效益巨大而被广泛应用，而目前国内农业工程中采用暗管灌溉的报道极少。

试验阶段，调整地下水水位，方法同第二步，暗管埋设可以选用单层或双层布置，当采用双层布置时，原则是“浅层灌溉，深层排水”。同时打开暗管的进水和出水阀门，监测两两暗管之间土壤的湿度，根据实验需要，还可以模拟地表降水，并根据根系层所需的土壤湿度确定灌、排时间，记录集水箱2111中水量的变化，收集箱体暗管排水的水量和箱体底部自由出水孔的水量，通过装置中进出流量、灌溉模数、排水模数综合确定最优暗管组合。

这一步的原则是：合理利用地下水，需要灌溉时优先考虑地下水，地下水不足时暗管灌溉；地下水水位较高、地表降水量过大时，能够控制地下水活动范围，并及时排出多余的地表水，防止渍、涝灾害的发生。

值得指出的是，装置在使用期间，暗管的进、出水阀门均由计算机控制，控制开关信号由拟根系层中的土壤湿度传感器实时监测传输。

Claims (10)

1.灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，包括：

箱本体(1)，所述箱本体(1)为方体结构，所述箱本体(1)侧面下方开设有排水孔(101)，所述排水孔(101)和箱本体(1)内部连通，所述箱本体(1)任意相对的两个侧面相对设置多排多列暗管插孔(102)，所述箱本体(1)任意相对的两个面相对设置多排多列传感器插入孔(103)，相邻两列传感器插入孔(103)错位设置；

集水箱(2)；

和所述暗管插孔(102)配合的插入式暗管(3)或木塞，当暗管插孔(102)闲置时，和所述木塞配合封堵，当所述暗管插孔(102)试验使用时，和所述插入式暗管(3)配合；所述插入式暗管(3)从箱本体(1)一个侧面的暗管插孔(102)插入并从另一个侧面相对的暗管插孔(102)伸出，所述插入式暗管(3)位于箱本体(1)内部的部位设置有多个暗管水孔(301)，所述插入式暗管(3)一端通过暗管供水单元(5)和所述集水箱(2)连通，另一端和外部收集设施连通；

地下水模拟结构(4)，所述地下水模拟结构(4)通过地下水供水单元(6)和集水箱(2)连通；

设置在箱本体(1)外表面所述传感器插入孔(103)开孔处的气嘴；

以及设置在所述箱本体(1)一侧面中轴位置的一列由上至下布置的等高差的7个测压管(7)。

2.根据权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述箱本体(1)由有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述插入式暗管(3)为由光滑铜管制成的硬质管，所述插入式暗管(3)两端靠近端部处均设置有标记指示线(302)，当插入式暗管(3)插入暗管插孔(102)时，每个插入式暗管(3)两端的标记指示线(302)分别和箱本体(1)两个侧面侧侧壁相对应。

4.根据权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述插入式暗管(3)的外径小于暗管插孔(102)的内径，所述插入式暗管(3)上的暗管水孔(301)开孔率不小于1000mm²/m。

5.根据权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述插入式暗管(3)和所述暗管插孔(102)配合处设置有橡胶止水带；所述插入式暗管(3)外表面包裹一层无纺布。

6.根据权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述箱本体(1)上和每个暗管插孔(102)对应位置设置有限位器，当所述木塞和所述暗管插孔(102)配合时，通过所述限位器限位。

7.根据权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述地下水模拟结构(4)包括：

设置在所述箱本体(1)内部下方的地下水出水暗管(403)，所述地下水出水暗管(403)上均布多个出水孔；所述地下水出水暗管(403)和箱本体(1)相对的两个侧面上的两个连接孔内孔口连接；

两端和所述箱本体(1)相对的两个侧面上的两个连接孔的外孔口连接的地下水供水硬管(401)，所述地下水供水硬管(401)任意位置通过地下水供水单元(6)和所述集水箱(2)连通；

竖直设置在箱本体(1)内部的多个可拆卸式地下水汇水管(402)，所述地下水汇水管(402)上均匀分布多个汇水孔；

以及包裹在所述地下水汇水管(402)外表面的无纺布。

8.根据权利要求1或7所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述地下水供水单元(6)包括：

一端和所述地下水供水硬管(401)连通的地下水供水管(601)；

和所述地下水供水管(601)另一端连通的地下水供水瓶(602)，所述地下水供水瓶(602)通过地下水输水管(603)以及地下水水泵(604)和集水箱(2)连通；

以及设置在所述地下水供水瓶(602)上的地下水液位传感器(605)。

9.根据权利要求8所述的灌排一体化农田暗管模拟装置，其特征在于，所述暗管供水单元(5)包括：

一端和所述插入式暗管(3)连通的暗管供水管(501)；

和所述暗管供水管(501)另一端连通的暗管供水瓶(502)，所述暗管供水瓶(502)通过暗管输水管(503)以及暗管水泵(504)和集水箱(2)连通；

以及设置在所述暗管供水瓶(502)上的暗管液位传感器(505)。

10.基于权利要求1所述的灌排一体化农田暗管模拟装置的确定暗管组合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制备回填土体：

依次取农田不同深度的原位土壤作为回填土体，将不同深度的多个土层的回填土体用密封袋密封，并分别测得每个土层的原位土壤的容重r；

步骤二：将回填土体回填至箱本体(1)中：

1)在箱本体(1)最下部填装10cm厚的强透水材料；

2)在强透水材料上放置尼龙丝网；

3)垂直箱本体(1)底面放置地下水汇水管(402)，随土体一起填埋；

4)按深度顺序依次将多个土层的回填土体按照容重为r填入箱本体(1)尼龙丝网上部，其中每层回填土体在箱本体(1)的填入深度h为对应土层在农田中实际深度的四分之一；

步骤三：在箱本体(1)上布置插入式暗管(3)：

在箱本体(1)中间一排暗管插孔(102)在下端的一个插入插入式暗管(3)，插入式暗管(3)的一端通过暗管供水单元(5)和集水箱(2)连接，另一端封堵；

步骤四：在箱本体(1)中埋入机械式张力计，并放置一天；

步骤五：测量并获得土壤含水率与土壤水吸力的关系曲线，具体为：

1)关闭模拟装置的暗管供水单元(5)和地下水供水单元(6)，利用马氏瓶原理提供并保持箱本体(1)上部恒定水压力，即恒定的水位高度，保持水分的入渗；

2)从供水时刻起，每间隔10min读取机械式张力计的读数，作为土壤水吸力S；

3)打开传感器插入孔(103)的气嘴，从箱本体(1)外部与机械式张力计的陶土头最接近的传感器插入孔(103)插入土壤湿度传感器，读取2)中同一时刻该点的土壤含水率θ；

4)在坐标轴上，横坐标为土壤含水率θ，单位为％，纵坐标为土壤水吸力S，以大气压表示，绘制土壤含水率与土壤水吸力的关系曲线；

步骤六：通过正交试验设计暗管组合，方案设计见表1：

表1正交试验暗管组合设计方案

以上每一种A_iB_j均代表一种暗管组合，其中i和j分别代表暗管埋深和间距的编号；选取一种暗管组合进行试验；

步骤七：开启模拟装置全部功能，监测土壤湿度，记录当前暗管组合下排水与灌溉的试验数据，具体为：

根据步骤六中暗管组合设计方案结果，选择A_iB_j组合；选择已知农作物根系层内关键深度的含水率θ_K作为试验系统的供水单元的开关，可以根据现有资料查找并确定；

1)根据关键深度的含水率θ_K，模拟暗管排水过程的试验；模拟土壤经历一次大雨，插入式暗管(3)上部土体全部饱和，此时需及时排出根系层多余的水分，并降至θ_K，当含水率θ低于θ_K，关闭暗管排水通道；具体做法为：

土体上部持续浸水，当插入式暗管(3)以上的土体全部饱和时，饱和时的标志为测压管(7)中液面高度与土体上部的液面高度一致，当某只测压管(7)液面高度达到这一前提时，说明该只测压管(7)以上的土体全部饱和，此时开启暗管排水通道，测定在当前暗管组合情况下，插入式暗管(3)间全部土体根系层的含水率经过多多长时间达到θ_K，以此时间t_AiBj作为当前暗管组合下排水的评价指标；

2)根据关键深度的含水率θ_K，模拟根系层受地下水上升高度影响下；模拟当地地下水较浅，地下水在吸渗作用下，根系层土体全部饱和；具体做法为：

a、打开地下水供水单元(6)，抬高地下水供水瓶(602)的液位高度，使地下水供水瓶(602)液位高于箱本体(1)的插入式暗管(3)高度，利用马氏瓶原理向地下水供水瓶(602)内供水，保持地下水位高度，使地下水位高于插入式暗管(3)，地下水上升高度超过地表；

b、打开暗管排水通道，以根系层土壤的饱和含水率降至θ_K的时间t和地下水实际上升的最高点至插入式暗管(3)的距离h_AiBj作为当前暗管组合排水的评价指标；

3)根据关键深度的含水率θ_K，模拟暗管灌溉试验；以根系层下垫面作为灌溉暗管布置的平面；此时灌溉暗管和排水暗管可以分开布设为上下两层，浅层灌溉，深层排水；具体做法为：

a、经过一定时期，根系层土壤的含水率降低，不满足作物生长需求，此时打开暗管供水单元(5)，以θ_K作为暗管供水单元(5)的开关信号；

b、记录暗管供水单元(5)将根系层含水率保持在θ_K时所用的水量Q_AiBj作为当前暗管组合灌溉的评价指标；

步骤八：依次更换步骤六中的不同暗管组合，重复步骤七，直到得到全部暗管组合的评价指标t_AiBj、h_AiBj、Q_AiBj；

步骤九：根据上述步骤得出的实验数据，评价各暗管组合的综合效益，确定最优暗管组合；

通过上述步骤，可得到每一组暗管间距和埋入深度的灌溉、排水效率；具体做法为：

1)暗管组合为A_iB_i，此时实际埋深H_AiBj，实际间距D_AiBj已知，以此计算单位面积的田块使用的暗管总长L_AiBj，此时暗管的灌溉用水量为Q_AiBj，排水时间t_AiBj，地下水实际上升的最高点至暗管的距离h_AiBj；

在单一利用暗管排水的情况下，排除暗管间根系层土壤含水率无法在2d内达到θ_K的组合，排除暗管间根系层土壤受到地下水上升影响的组合，剩余组合中，根系层含水率最快达到θ_K的组合得100分，最慢的组合0分，在直角坐标系中，以时间t为横坐标，得分P_t为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，根系层含水率最快达到θ_K的组合得100分，记为(t_min,100)最慢的组合0分，记为(t_max,0)，在直角坐标系中，该直线可以表示为P_t＝[(0-100)/(t_max-t_min)]*t+100，其余各组的得分以每组的时间自变量t＝t_AiBj在得分线上查找得分P_tAiBj；

地下水实际上升的最高点至暗管的距离h最大者得100分，记为(h_max,100)，最小者0分，记为(h_min,0)在直角坐标系中，以高度h_AiBj为横坐标，得分P_h为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，该直线可以表示为P_h＝[(0-100)/(h_min-h_max)]*h其余各组的得分以每组的高度自变量h＝h_AiBj在得分线上查找得分P_hAiBj；

暗管总长L_AiBj最小的组合得100分，记为(L_min,100)，最大者得0分，记为(L_max,0)，在直角坐标系中，以暗管长度L为横坐标，得分P_L为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，该直线可以表示为P_L＝[(0-100)/(L_max-L_min)]*L+100其余各组的得分以每组的暗管长度自变量L＝L_AiBj在得分线上查找得分P_LAiBj；

在利用暗管灌排一体的情况下，加入经济指标灌溉用水量Q_AiBj，用水量最小得100分，记为(Q_min,100)，最大得0分，记为(Q_max，0)，在直角坐标系中，以灌溉用水量Q为横坐标，得分P_Q为纵坐标，以上述两点为基础绘制得分线，该直线可以表示为P_Q＝[(0-100)/(Q_max-Q_min)]*Q+100其余各组的得分以每组的灌溉用水量Q＝Q_AiBj在得分线上查找得分P_QAiBj；

2)根据公式(一)计算在单一利用暗管排水情况下每个组合的得分；

Π_AiBj＝(0.4*P_t+0.3*P_L)/0.3*P_h (一)

式中：Π_AiBj——暗管组合的总得分；

P_t——暗管的排水时间得分；

P_L——暗管的使用量得分；

P_h——暗管的地下水控制程度的得分；

0.4、0.3——各得分项的权重系数；

选取总分最高的组合为最优组合；

3)根据公式(一)计算在利用暗管灌排一体的情况下每个组合的得分；

Π_AiBj＝(0.6*P_t+0.7*P_L+0.3P_Q)/0.4*P_h (二)

式中：Π_AiBj——暗管组合的总得分；

P_t——暗管的排水时间得分；

P_L——暗管的使用量得分；

P_h——暗管的地下水控制程度的得分；

P_Q——暗管的灌溉效益指标得分；

0.6、0.7、0.4、0.3——各得分项的权重系数。

选取总分最高的组合为最优组合；

步骤十：将步骤九中确定的最优组合的暗管埋深和间距均扩大4倍，即为实际田间暗管布设的间距和埋深。