负压自动补给灌溉原理及可行性试验研究-水利学报

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1、水利学报2005年3月SHUILIXUEBAO第36卷第3期文章编号:0559-9350(2005)03-0298-05负压自动补给灌溉原理及可行性试验研究1121雷廷武，江培福，VincentF.Bralts，肖娟(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083;2.DepartmentofAgricultural&BiologicalEngineeringPurdueUniversity,WestLafayette,IN47907-1146,USA)摘要：本文提出了一种新型的负压节水灌溉技术，系统在水源高程低于灌水器高程(供水水头为负值)

2、情况下，无需动力加压设备，自动补给实现灌溉作业。理论分析了负压灌溉的基本原理。试验研究了水源与灌水器间不同高程差(H)对灌水效果的影响，试验结果表明：累计入渗量、最大水平和垂直湿润距离随时间呈幂函数变化关系，随高程差呈指数变化关系，相关系数均非常高；湿润锋开始时运移较快，等时间线较稀疏，后来运移变慢，等时间线变密，湿润体近似为椭球体。理论上和试验均说明只要灌水器与水源的高差不超过一定范围，负压灌溉是可行的。关键词：负压；灌溉；可行性试验；湿润锋；累计入渗量中图分类号：S275文献标识码：A近年来，为解决北方干早半干旱地区农业生产和人们生活用水的问题

3、，建立了各类水窖、水池、塘坝等小水源。用这样的小水源进行灌溉，要求珍惜每一滴水；同时，由于这类水源的水位往往低于作物种植面，当用传统的节水灌溉技术时，也要解决小型或微型提水加压设备问题，这无疑增加了灌溉系统的成本投资；另外，在边远经济不发达地区，动力能源的匮乏也制约了现有节水灌溉技术推广应用。于是，提出一种新型的负压自动补给灌溉系统，期望更好地解决这些地区的农业用水问题。[1～6]目前国内外有关负压灌溉的研究甚少。1996年，日本三菱化工集团推出了“负压灌溉器皿”。器皿由分为上下两层的容器构成，上层装填土壤用于种植植物，下层容器装水。多孔管埋入上层

4、容器内的土[7]壤中，一端与下层盛水容器连接。与多孔管相接触的土壤内的水势和多孔管内的水势差，形成了水由盛水容器向土壤流动的驱动力。该系统可用于作物的盆栽。1998年，该公司将“负压灌溉器皿”中多孔管改[8]为了多孔板。这些“负压灌溉器皿”只是一种装置，不是真正意义上的负压自动补给灌溉系统。查阅国内外文献，尚未见有负压灌溉系统方面的研究报导。本文的目的是：(1)从理论上分析负压自动补给灌溉的可行性和力能基础；(2)通过试验研究负压大小对灌溉效果的影响：(3)初步验证负压灌溉的可行性。1负压灌溉原理负压自动补给灌溉系统，是一种新型的将灌水器埋入地下的

5、节水灌溉技术。之所以称之为“负压”，是因为系统中灌溉水源的高程低于灌水器的高程，运行时供水水头为负值。图1为负压自动补给灌溉示意图。收稿日期：2003-12-10作者简介：雷廷武(1958-)，男，湖北洪湖人，研究员，CSAE高级会员，教授，主要从事农业水土工程研究。1水利学报2005年3月SHUILIXUEBAO第36卷第3期在图1所示的系统中，以灌水器为原点，建立如图所示坐标系。H为水源与灌水器之间的高程差。H>0(水源高于灌水器)为“正压”(有压)灌溉；H=0是为“无压”灌溉；H<0则为“负压”灌溉。现在对整个系统进行能量分析。在不计大气压的

6、情况下，灌水器内单位重量的水所具有的水势为ψ内=H(1)灌水器外单位重量小所具有的土水势为ψ外=ψm(2)[9]由非饱和土壤水达西定律，水由灌水器流入土壤只须满足ψ内>ψ外，即H>ψm(3)负压灌溉时，H、ψm均为负值，H受水柱的真空吸上高度限制，其最小值约为-7m水柱；但在土壤含水量较低时土水势可能更低。因此，负压灌溉是可以实现。在负压灌溉系统中，灌水器是土壤和灌溉系统的连接体，将水流划分为管道水流和土壤水流，是负压灌溉系统中最关键的部分。这些灌水器将不同于现有的灌溉用灌水器，对灌溉系统而言，灌水器必须具备“透水不透气”的特性，是指水可以通过输水

7、管从水源进入灌水器而后进入土壤，而空气不能进入系统；对土壤而言，灌水器必须能与土壤紧密接触，充分利用土壤吸力的作用，其透水性能要好。在土壤吸力作用下，灌水器内的水流入土壤，输水管内形成负压，在大气压的作用下，水从水源被“压入”输水管以补充流入土壤的水分，保证整个系统能不间断地运行。从而实现负压灌溉自动补给功能，无需提水加压设备。图1负压自动补给灌溉示意2材料和方法为验证负压自动补给灌溉系统的可行性，进行了初步室内试验。供试土壤取自北京永乐店试验田，为重粉质壤土，其中砂粒(0.05～1mm)占36.08%，粉粒(0.05～0.005mm)占42.61

8、%，黏粒(≤0.005mm)占21.31%。取通过2mm筛的风干土进行试验，按容重31.4g/cm填土，初始含水量接近零。