动态水压坡地喷灌水分调控机理与技术参数优化

Slope land plays an important role in Chinese agricultural production. However, the productivity of slope land is low and unstable, because it is easily affected by drought, and it is difficult to use traditional surface irrigation. It is one of most important reasons for the poor in mountain area. Sprinkler irrigation is fit for slope land, but compared with sprinkler irrigation in the flat field, there is a low allowable application rate, irrigation quality and water utilization rate, resulting in the poor production efficiency. Therefore, the pulsating pressure will be innovatively used in sprinkler irrigation on slope land. The relationship among the kinetic energy intensity of droplet, water distribution and soil moisture infiltration will be studied under the condition of pulsating pressure. The model of soil water infiltration will be established and the calculation method of allowable application rate will be proposed for sprinkler irrigation on slope land. Soil moisture redistribution will be also studied to build the irrigation quality evaluation model for sprinkler irrigation on sloping land, combining with sprinkler water distribution on slope land. So the mechanism of water use will be revealed for sprinkler irrigation on slope land using pulsating pressure. On the basis of the calculation method of allowable application rate and the irrigation quality evaluation model, sprinkler irrigation technology parameters will be optimized for slope land using the index of water. The suitable pulsating pressure sprinkler irrigation system will be constructed to promote the popularization and application of sprinkler irrigation technology and improve the agricultural production efficiency on slope land.

坡耕地在我国农业生产中占有重要地位，但易受旱，且难以采用传统地面灌溉技术，因此产量低而不稳，是山区贫困的重要原因。坡地宜采用喷灌，但与平地喷灌相比，存在允许喷灌强度小、灌溉质量低和水利用率不高等问题，致使其增产效益难以充分发挥。为此，本项目创新性地将动态水压供水技术应用于坡地喷灌，在动态水压条件下，研究坡地喷灌水滴打击动能强度、水量分布和土壤水分入渗特性，分别建立坡地喷灌水量分布模型和土壤水分入渗模型，应用水文学中的坡面产流基本原理，提出坡地允许喷灌强度确定方法；研究坡地喷灌土壤水分再分布过程，结合坡面喷灌水量分布，构建以土壤湿润均匀度为核心的喷灌质量评价模型；从而揭示动态水压对坡地喷灌水分调控机理。以构建的允许喷灌强度确定方法和喷灌质量评价模型为基础，结合水利用率指标，优化坡地喷灌技术参数，构建适宜的坡地动压喷灌系统，从而促进喷灌技术在坡地上的推广应用，提高坡地农业生产效益。

坡耕地在我国农业生产中占有重要地位，但易受旱，且难以采用传统地面灌溉技术，因此产量低而不稳，是山区贫困的重要原因。坡地宜采用喷灌，但与平地喷灌相比，存在允许喷灌强度小、灌溉质量低和水利用率不高等问题，致使其增产效益难以充分发挥。为此，本项目创新性地将动态水压供水技术应用于坡地喷灌，以实测平地喷头径向水量分布数据为基础，基于有限元思想和水量守恒原理，结合动态水压周期与喷头旋转速度的耦合关系，构建了动态水压坡地喷灌水量分布计算模型，采用动态水压可使系统喷灌均匀度提高4%。建立了动态水压下水滴速度、落地角度与水滴直径之间的关系，明晰了动态水压坡地喷灌水滴动能强度分布规律，并基于非饱和土壤水动力学理论与地表水量分布数据建立了考虑水滴打击动能的坡地喷灌土壤水分入渗模型；在此基础上，依据水文学产流原理，通过求解土壤入渗速率与喷灌强度的关系，提出坡地允许喷灌强度确定方法，灌水定额为30mm时，建议平地黏土的允许喷灌强度控制在8.05mm/h以内，砂土的允许喷灌强度控制在31.43mm/h以内；允许喷灌强度可根据坡度进行折减，建议坡度每升高5%，允许喷灌强度下降11.69%；灌水定额大于30 mm时，允许喷灌强度宜降低50%。研究了地形坡度、喷头工作压力、喷头布置方式对坡地喷灌土壤湿润均匀度的影响，并以喷头工作压力和喷头间距为投入指标，以土壤湿润均匀度、初始投资和年运行费为产出指标，采用对抗型交叉评价建立了以土壤湿润均匀度为核心的坡地喷灌质量评价模型，地表水量分布均匀度与地下土壤湿润均匀度之间存在较强的对数函数关系，且地表水量分布均匀度比土壤湿润均匀度平均低10.3%。应用数据包络分析法，以喷头间距、布置方式和动压参数（基础水压、振幅）等技术参数为投入指标，以平均喷灌强度、喷灌均匀度、初始投资和年运行费为产出指标，构建了多目标动态水压坡地喷灌技术参数优化方法。本项目研究结果对推动喷灌技术在坡地推广和应用，提高坡地农业生产效益具有重要作用。