[发明专利]灌排一体化农田暗管模拟装置及确定暗管组合的方法

权利要求书

1.利用灌排一体化农田暗管模拟装置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)的下端安装插入式暗管(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，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；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_AiBj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_j，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，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)，以上述两点为基础绘制得分线，在直角坐标系中，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，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(二)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；

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)。