青海湖沙漠地区节水器设计
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摘要： 负水头毛细渗灌非常适合青海湖周边沙漠地区的固沙植生，根据毛细渗灌原理对节水器进行设计，考虑植物的需水量，棉线毛细输水量，沙子的输水特性可确定节水器的输水量及入渗点。
Abstract： Water infiltration under water supply of negative hydraulic heads is suited to irrigation in the deserts around Qinghai lake. According to water infiltration principle， one kind of water economizer is designed. Considering the water consumption of the plant， the water delivery of cotton， property of water capillary conductivity in sand， water conductivity magnitude and the position where water infiltration will begin from the water economizer are designed.
关键词： 沙漠地区；植生；节水器
Key words： desert area；plant；water economizer
中图分类号：TU821 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）19-0006-03
1 背景
青海湖是青海省重要的旅游资源，海拔3149-5170m，由于沙丘不断增高加大，严重影响湖周边的公路及公共设施。防止干旱地区土地的沙漠化趋势需要固沙植生，而水的高效利用是植生的关键，由于青海湖周边长住人口少，经济不发达，缺少动力能源，制约了现有节水灌溉技术推广应用（如滴灌、微喷、覆膜灌等）。此外这些技术成本太高，需要人维护，不适合青海湖周边沙漠地区的植生固沙。
负水头毛细渗灌是一种有潜在前途的灌溉方法[1]，因此可利用水在沙中的毛细力扩散作用，使节水器内的水流入沙漠中保持沙子的湿润从而保障植生。沙中水量控制可根据作物的需水量，输水的高度差和棉线多少限制输水量，有利于水的高效利用。此外在输水过程中要考虑植物的需水量，降水量以及沙子，输水介质的吸水，渗水特性，以及含水量的分布。本文根据沙子的输水特性设计一种负水头节水器。
2 节水器结构及工作原理
结构如图1所示设计筒体为10L的圆柱形筒体，有效的灌溉面积小于2平方米，引水管与筒体连接，引水管内装有棉线，一端接触毛毡，一端引入沙中供给植物去吸收水分，棉线所处吸水直管设成长度为34cm长。为了防止棉线长期浸在水中损坏棉线，在圆筒壁铺设一层毛毡，毛毡的毛细速率大于棉线且不易腐烂，毛毡厚度为2cm，起到引水作用。输水管设在圆桶中心，设计成直径为5cm，输水管顶端设计管帽。如图1所示节水器包括1管帽，2输水管3密封盘4螺栓5筒体6毛毡7内筒，8引水管。主要工作原理是水通过毛细作用湿润毛毡，棉线被毛毡湿润通过毛细作用传入入渗点，水分从入渗点扩散到沙中，通过控制棉线的多少及垂直高度高度控制棉线的输水量。毛毡的输水速率要大于棉线，可使棉线的供水充足。
3 主要设计参数的确定
3.1 植被状况及植物的需水量估算 环青海湖地区总面积2.96万km2。区域海拔3000～5000m，多年平均气温-1.14～1.17，年降水量253～515mm，属于典型的高寒干旱大陆性气候[2]。青海湖周边沙粒的主要由72～74%SiO2；7～8%Al2O3，5-8%CaO及其他杂质吸附物组成[3]。
以文献[4]为例，油蒿（沙漠中典型植物）在4～6月是植物的快速生长阶段，该阶段油蒿的蒸散耗水量为55.6mm，7～9月植物进入旺盛生长阶段，叶面积和覆盖度逐渐达到最大，与之相应的植物蒸散耗水量也逐渐达到高峰，该阶段中油蒿的蒸散耗水量为138.0mm。10～11月植物生长停止，根系吸水减少，该阶段中油蒿的蒸散耗水量为24.4mm，可得油蒿全年耗水217.7mm，全年降水量159.6mm，渗漏量为21.2mm。根据式W=P-（ET+Q）可计算油蒿需水量（其中W为土壤储水量变化，P为降水量，ET为蒸散量，Q为土壤渗漏水量）。按8个月计算，每月每平米平均需水10mm，换算成体积为0.010立方米，考虑4-6月每月加水1次半即可，7～9月植物进入旺盛生长期，同时降水量也较大，需水较大，半个月加一次即可。每平方米沙地需水，圆整后桶的体积为0.010立方米（10升）。
3.2 棉线的输水能力计算 毛细输水可采用棉线作为中间介质传递水，棉线的环保性良好，价格便宜。根据多根棉线不同高度的输水实验，如图3所示单根棉线输水最大输水速率为0.344g/h，棉线的输水量随垂直爬升距离增大而减小。可根据植物每天的需水量可确定棉线的根数。
3.3 含水量与入渗点的关系 不同种子发芽需要含水量不一样[5]，不同植物的根系分布特点不同，布置棉线的入渗点需要综合考虑沙子的含水量及分布情况。如图4所示为单根棉线在塑料的包覆下引入沙中，端点紧贴玻璃在沙中入渗水，3天后湿润的范围保持相对稳定，从玻璃中观察的结果，沿入渗点水平方向颜色较深说明的含水量最大，随着与入渗点距离的增大含水量逐步减小，水平长约13cm，垂直方向高约8cm。随着棉线的根数增多，润湿的长度，高度会增大。
为了控制水的利用，同时又满足植物的生长需求，必须掌握水在沙中的各方向的输运速度以及含水量分布情况，设计实验如下。
3.3.1 水份在沙子中的扩散特性实验 实验设备（环境）及要求：烧杯，棉线，秒表，透明塑料管，沙子，电子天平，烘箱，标尺。
实验步骤：
①将沙子装入直径1cm的透明塑料管，轻轻震荡使沙子紧实，装入量约90cm，两端塞入棉花，下端用一根棉线引出，置于空烧杯200ml中。
②取若干小烧杯，在烧杯做上标记，标记上所对应的数字为沙柱的长度，并对各个标记烧杯进行称量；将沙柱固定，同时在沙柱后面固定标尺，将沙柱分别水平摆放，垂直摆放。
③将水加入烧杯，浸过棉线，使水面与管口尽量近，当水润湿棉花开始计时。
④记录水润湿峰面的位置和时间，静置12小时使水充分润湿沙。
⑤取下沙柱，将沙柱切割分段，取其中的湿沙子置于相应标号的烧杯中。
⑥将含湿沙的烧杯放在电子天平上依次测量，并记录各个数据。
⑦将测量后含沙柱段的玻璃片放入烘箱，烘干4小时后，取出烧杯，再次称量各个质量，记录数据。
3.3.2 实验结果 将不同方向的实验数据绘于同一图中，如图5水份在几种沙柱中的扩散，纵横坐标分别为，润湿峰面所在沙柱位置及对应的扩散时间。如图6水份在几种沙柱中的扩散后的含水量纵横坐标分别为沙柱充分润湿后，各段含水量及相应位置。
对图5各方向拟合方程求导可的各方向扩散速度。小流量垂直下渗的速率为常量0.0537cm/s，水平渗透的速率呈指数变化为u=0.522x-0.473cm/s，毛细上升的速率为u=3.3796x-1cm/s，可知初始阶段水平渗透速率远大于毛细上升及垂直下渗。这使得小水量在沙中扩散湿润的范围水平方向要大的多，与图4一致。
由图6可见含水量最大值约0.2，在距源点60cm内以水平渗透的含水量最大，随着距离增大，含水量缓慢下降满足线性分布规律。毛细上升含水量满足二阶多项式分布，随距离上升含水量迅速下降。垂直方向由于水在重力场作用会逐步下渗，造成上端部分的含水量随时间的增加而减少但是保持一定的含水量，随时间推移棉线会将烧杯中的水沿沙柱传递，而水平和毛细上升会达到一种相对稳定状态，烧杯的水量不变，沙柱润湿的长度几乎不变。
4 总结
毛细输水不需要动力，渗漏少，适合无人类活动的沙漠地区节水灌溉。
根据毛细渗灌原理，设计了一种节水灌溉器。通过实验得到了棉线输水量，沙子的渗水特性，以及各方向含水量的分布。根据实验数据可设计节水器不同的输水量，设计不同的入渗点满足植物及种子发芽所需水量。
参考文献：
[1]解迎革，薛绪掌，王国栋，李霞.负水头供水条件下土壤水分一维入渗规律的研究[J].干旱地区农业研究，2007，25（5）：119-124.
[2]严德行，朱宝文，谢启玉等.青海湖地区气温变化特征[J].气象科技， 2011，39（1）：33-37.
[3]铁生年，马丽莉，杨兴学.青海湖周边沙漠化沙粒表面性质研究青海湖周边沙漠化沙粒表面性质研究[J].青海大学学报，2011，29（5）：17-20.
[4]冯金朝，陈荷生，康跃虎，刘元波.腾格里沙漠沙坡头地区人工植被蒸散耗水与水量平衡的研究[J].植物学报，1995，37（10）：815-821.
[5]徐娜，张众，庞敏娜.不同土壤含水量对根茎冰草幼苗生长发育的影响[J].内蒙古农业大学学报，2011，32（2）：297-299.