胡婧娟，樊贵盛

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030024；2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

日光温室小气候的各种因素中，温度是对作物生长影响最大的因素[1]。但是在低温地区，越冬期日光温室农作物种植的一大难题是灌溉水水温偏低。尤其在高海拔的山丘区，农业灌溉更多利用的是出露的小泉小水、河水或河流滩地的浅层地下潜水。这些灌溉水水源的共同特点是水温低，不能满足植物正常生长的要求。因为水的比热大，灌溉水温度在一定程度上影响着土壤温度，进而影响农作物的根系温度。根系温度的改变，会影响农作物根系对土壤矿物质营养积累分解和转化，以及对土壤水分和养分的吸收[2]。同时如果灌溉水温度较低，会降低灌溉水中溶解氧的含量，影响作物根系对土壤水分和矿物质营养元素的吸收和利用，以致影响农作物的茎叶、果实等正常生长。

根据对国内外文献资料的研究发现，现行的使用最广泛的提高灌溉水水温的方式多集中在日光温室的外部，充分利用太阳辐射来提升灌溉水水温，如使用宽浅式渠道、修建晒水池、延长渠道长度等[3-7]。但是这些方式只适用于非冬季、输配水方式为渠道的灌溉方式，并不适用于高海拔低温地区管道输水的输水方式。越冬期灌溉水由管道输送进日光温室大棚，外界温度较低，辐射不强，并不能使用以上方法使灌溉水升温。灌溉水从水源地到日光温室输运的过程中，由于灌溉水与周围环境存在温度差异，存在热量的传递，导致灌溉水水温在供水系统中不断发生变化。分析研究灌溉水在供水系统中的温度变化特性，可有效利用周围环境热量保持或者提升灌溉水水温，对提升日光温室入口处灌溉水水温具有重要意义。国内外的文献中对越冬期间日光温室灌溉水在供水系统中的保温升温和措施鲜有论述。

本研究以山西省吕梁市离石区设施蔬菜示范基地日光温室棚区为载体，在着重测试分析日光温室供水系统中灌溉水水温的时空变化特性，并提出灌溉水在供水系统中的保温升温措施。研究成果可以为越冬期间提升日光温室灌溉水水温提供理论基础，并且为越冬期间灌溉水管理提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 日光温室

本试验日光温室位于山西省吕梁市离石区信义镇小神头村。该地区属典型的高海拔低温山区，海拔在1 300 m以上，年平均气温为8.9 ℃，最高气温35 ℃，最低气温-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季多风干旱少雨，夏季炎热，雨量集中，全区光能资源充足。设施蔬菜示范基地日光温室为RWS-10-5型高效节能日光温室。日光温室坐北朝南，东西向长60 m，南北向长8 m，后墙高4.0 m。前屋面覆盖物为醋酸乙烯(EVA)高效保温无滴防尘日光温室专用膜，不透明保温覆盖材料为多层复合保温被。夜间前屋面盖保温被保温，中午通风。室内种植的作物为番茄，番茄及其植株正常生长所需的最低温度为10 ℃[8]。

1.2 供水系统

试验区日光温室的灌溉水供水系统由灌溉水源井、输配水管道、蓄水池、输水管道4部分组成。

日光温室园区水源为小东川河浅层地表水，整个越冬期，地表河水温度在-3.5～2.6 ℃之间[9]。水源开发工程为潜水浅井，利用河道地面水在地层中的侧渗作用，进入人工开凿的水井。水井是一个矩形结构的水井，水井宽3.27 m，长3.48 m，埋深2.7 m。潜水井距河水主流的直线距离是27 m，与日光温室园区的高差为24 m。管道输水5 800 m后，进入日光温室园区东北方向台地高程为1 000 m的300 m3的蓄水池，再经由已铺设好的配水管网进入日光温室内，经布置好的滴灌系统对作物进行灌溉。其中，输水管道的埋深为1.7 m。通过供水系统流入日光温室内部的灌溉水量完全能满足作物的灌溉需求。供水系统各组成部分的具体布置如图1所示。

图1 日光温室灌溉水供水系统具体布置图Fig.1 The layout of irrigation water supply system of greenhouse

1.3 试验仪器及方法

灌溉水水温的测量采用温度计及热敏电阻(电阻值误差±0.5 Ω)相结合的测量方法。地温采用热敏电阻和直角五支组地温计相结合的方法，0～0.4 m范围内的土壤温度用五支组地温计测量，0.4 m以下的土壤温度用热敏电阻测量。用UT-56型数字万用表测量即时的热敏电阻值后，利用公式换算成温度值。UT-56型数字万用表测量电阻时量程为200 Ω～20 MΩ，其测量精度为±(0.8%+5)，精确值达到0.02 ，完全能满足本实验的研究要求。

(1)

式中：Rx，R25分别为实时实测电阻和温度为25 ℃时的电阻值，Ω；x为实时温度值，℃；B为常数，一般取3 000。

1.4 试验测点的布置

河流地表水水温：河面不结冰时，将温度计直接插入河水测量；当河面结冰后，打破冰盖，将温度计插入河水中测量水温。

潜水井水温：潜水井东南角处，由井口到井底，分别在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.4、1.8、2.2、2.6 m处设置测试点。

蓄水池入口处及分层水温：测试点位于蓄水池入口处，从蓄水池入口处到池底分别在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.4、1.8、2.2、2.6、3.0 m处设置测试点。

日光温室入口处水温：在配水管道出口处设置测试点。

地温：由土壤表面到土壤深层分别在0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.40、0.60、0.80、1.00、1.40、1.80、2.20 m处设置测试点。

1.5 试验时间

本试验从2013年11月开始，到2014年3月底结束。横跨整个越冬期，每隔7～10 d测试一次，每天温度测试的测试时间点为0∶00-24∶00，即每2 h观测一次。中午12∶00-14∶00之间由于气温变化幅度较大，增大观测频率，每小时观测一次。

2 结果与分析

2.1 灌溉水水温的空间变化特性

2.1.1 小东川河～潜水井中灌溉水水温的变化特性

日光温室试验园区灌溉水水源为三川河中的小东川河的浅层地表水。在河道滩地人工开凿一口潜水井，河流的浅层地表水经河床砂卵石介质，通过渗透作用进入潜水井中。潜水井水位保持在距井口1.27 m处。图2为整个越冬期河流浅层地表水水温、潜水井水温的变化规律示意图。其中，当地室外气温、河流浅层地表水水温、潜水井水温均为典型日的平均温度。

图2 越冬期内潜水井水温季节变化规律Fig.2 The seasonal variation of water temperature in diving well during wintering period

由图2可知：①在整个越冬期，潜水井水温的变化趋势与1.40～2.60 m处的河床介质温度的变化趋势是一致的，水温和河床介质温度进入越冬期后呈下降的趋势，在2014年1月30日左右达到最小值，之后开始回升。潜水井水温和河床介质温度在整个越冬期的变化幅度很小；而当地室外气温和河流地表水水温的变化趋势一致，进入越冬期后，气温和河流水温持续下降，到2014年1月14日左右达到最小值，然后温度迅速回升，气温和河流水温的变幅较大。②在整个越冬期内，气温、河床介质温度、河流浅层地表水水温、潜水井水温的大小分布为：河床介质温度>潜水井水温>河流浅层地表水水温>气温。受气温和河床介质温度的影响，灌溉水从河道测渗到潜水井的过程中水温升高。显然，河床介质温度对灌溉水水温的影响明显大于气温。为了进一步说明这一点，拟合潜水井水温与土壤温度的相关方程，如图3所示。令潜水井水温为T水，土壤温度为T土，其拟合方程如下所示。潜水井水温与土壤温度符合明显的线性关系。

T水=0.620T土+ 1.933R2=0.872

(1)

图3 越冬期内潜水井水温与河床介质温度相关关系Fig.3 The relationship between water temperature in diving well and river bed temperature

2.1.2 输水管道中灌溉水水温的变化特性

从潜水井到蓄水池之间的输水管道总长5 800 m，从取水口开始到蓄水池，输水管道的材料前2 800 m为90PE管，剩余3 000 m为63PE管，输水管道的埋深为1.7 m。本节用潜水井出水口处水温与蓄水池水温的差异表示灌溉水水温在输水管网中的变化。潜水井出口处的水温采用潜水井0.63 m高度处的水温，蓄水池水温采用蓄水池入水口处的水温，如图4所示。

图4 越冬期内输水管网水温季节变化示意图Fig.4 The seasonal variation of water temperature in water pipe network during wintering period

由图4可知：①在整个越冬期内，潜水井出口处水温、蓄水池入口处水温与输水管道埋深处地温的变化趋势是一致的。进入越冬期后，地温、潜水井出口处水温、蓄水池入口处水温处于不断下降的趋势，在2014年1月30日左右降到最低值，随后开始回升。②灌溉水水温在输水管道中的空间变化趋势与地温的高低直接相关。输水管道全部埋藏在地面以下，与空气隔绝，所以，输水管道中水温直接并且只受地温的影响。在2014年1月30日之前，地温大于潜水井出口处的水温，在输水的过程中，灌溉水的水温出现了上升的趋势，蓄水池入口处水温大于潜水井出口处水温，经过输水管道提高的灌溉水温度分别为0.18、0.35 、0.33、0.29、0.12 ℃；相反的，在2014年1月30日之后，地温小于潜水井出口处的水温，在输水的过程中，灌溉水水温出现了下降的趋势，蓄水池入口处水温小于潜水井出口处水温，经过输水管道降低的温度分别为0.13、0.15、0.19 ℃。③蓄水池入口处水温与潜水井出口处水温相关性较好。图5拟合了越冬期间蓄水池入口处水温与潜水井出口处水温的相关关系。令蓄水池入口处水温为T蓄，潜水井出口处水温为T潜，其拟合方程如下所示。蓄水池入口处水温与潜水井出口处水温具有明显的线性相关关系。

T蓄=0.916T潜+0.767R2=0.887

(2)

图5 越冬期内蓄水池入口处水温与潜水井出口处水温相关关系Fig.5 The relationship between the water temperature at the entrance of the storage well and the water temperature at the outlet of the diving well in wintering period

2.1.3 配水管道灌溉水水温的变化特性

灌溉水经由蓄水池自流进入日光温室，配水管道全部是Φ32PE管。日光温室中留有给水龙头，控制灌溉水进入日光温室。本节以灌溉水从蓄水池到日光温室入口处水温变化来反映灌溉水水温在配水管网中的变化特性。在测试周期内，作灌溉水水温在配水管网水温变化规律图，如图6所示。

图6 配水管网水温变化规律Fig.6 The water temperature variation of water distribution network

由图6可知，在整个测试周期内，日光温室入口处水温与蓄水池水温变化规律基本一致，但是日光温室入口处水温低于蓄水池水温，也就是说灌溉水在配水管网运输的过程中，水温降低。出现这种现象的原因是，灌溉水自蓄水池出水口流出后，管道有一部分埋置在地面以下。在日光温室园区内设有一个出水口，往各个温室输水时，需要将PE管接到出水口处。也就是说这一部分PE管是裸露在地面以上的。由图6可知，整个越冬期内，当地室外气温远远低于蓄水池水温，由于温度梯度的存在，灌溉水在输水管道中不断向室外空气散发热量，导致自身温度降低。以至于到日光温室入口处，温度降低0.32～1.24 ℃。

2.1.4 结 果

灌溉水从水源地到日光温室升温池，灌溉水水温有明显的空间变化特性(见图7)。

图7 灌溉水水温空间变化规律Fig.7 The spatial variation of irrigation water temperature

温度梯度的存在直接导致了热量的迁移，温度梯度的方向决定了热量传递的方向，在灌溉水水温的空间变化趋势中，有以下两种温度变化以及热量迁移情况：①灌溉水水温在迁移的过程中出现降低的情况，灌溉系统向周围环境散发热量。出现这种情况的灌溉系统路线为：蓄水池入口处到蓄水池、蓄水池到日光温室，当地温小于管道埋深处水温时，灌溉系统也向周围环境散发热量。②灌溉水水温在迁移的过程中出现升高的情况，周围环境向灌溉水补给热量。出现这种情况的灌溉系统路线为：河流到潜水井，当地温大于管道埋深处水温时，灌溉系统向周围环境吸收热量。表1为测试周期内灌溉水水温从水源地到日光温室的变化范围。

表1 灌溉水水温空间变化范围 ℃

在整个越冬期间，灌溉水水源地平均水温在-3.50～2.60 ℃之间，在整个越冬期内，河流浅层地表水水温的最小值出现在2014年1月14日，为-4.0 ℃；最大值出现在2014年3月24日，为8 ℃。灌溉水在从水源地到日光温室升温池自流的过程中，由于温度梯度的作用，与土壤或者空气进行了热量交换，分别经历了升温、升温或降温、降温、降温的过程，到日光温室入口处，水温在5.20～8.10 ℃之间变化。在整个越冬期内，日光温室入口处水温的最小值出现在2014年1月14日，为5.20 ℃；最大值出现在11月，为8.20 ℃，并不能达到作物正常生长对灌溉水温度的要求。

2.2 灌溉水保温升温措施

根据以上灌溉水水温在供水系统中的时空变化规律，为了尽可能维持或者提升灌溉水水温，提出以下灌溉水升温保温措施。

(1)增大潜水井与水源地河流之间的距离，延长多孔介质向灌溉水传热的时间。在越冬期间的测试期内，同一时刻潜水井水温明显高于河流水温。这是由于在河流地面水向潜水井渗流的过程中，由于地温大于河流水温，对渗流水具有热量补给。由工程热力学可知，温度梯度是热量传递的动力，并且决定热量传递的方向，而时间可以决定热量传递的数量。所以在条件允许的情况下，增大潜水井与河流的距离，延长渗流路径，使渗流水与土壤颗粒充分接触传递热量，可以在一定程度上提高渗流水进入潜水井的温度，达到提升灌溉水水温的效果。在越冬期的整个测试周期内，灌溉水水温从河流到潜水井上升的平均值为0.28 ℃。现在潜水井距河水主流的直线距离是27 m，建议将距离增大5 m，增大到32 m，灌溉水水温在理论上能够上升1.4 ℃。

(2)增大输水管网的埋深，选用导热系数大的管材。输水管网的埋深为1.7 m，输水管网中灌溉水水温的变化与埋深处的地温密切相关。如果地温大于管道中灌溉水水温，则灌溉水水温沿输水管网升高；反之则水温降低。图8为输水管道埋深处、距土壤表面2.20 m处地温、距土壤表面2.60 m处地温以及输水管网入口处水温的在整个越冬期间的变化规律。如图8所示，2014年1月14日为整个越冬期间气温最低的一日，在此日之前，管道埋深处地温大于输水管道入口处水温；此日之后，管道埋深处地温小于输水管道入口处水温。为了使灌溉水水温在输水管网中得以升温，需增大输水管网的埋深，使地温在整个越冬期间均大于输水管道入口处水温。如图所示，距地表2.20、2.60 m处地温在整个越冬期间均大于灌溉水水温，可以对灌溉水进行热量补给。同时应考虑工程造价、施工方便等因素，因此，建议增大输水管网埋深0.50 m，即距地表2.20 m埋设输水管道。

图8 输水管道埋深处地温及埋深以下几个层次地温值Fig.8 The soil temperature at the same depth of the pipeline and below

从潜水井到蓄水池之间的输水管道总长5 800 m，从取水口开始到蓄水池，输水管道的材料前2 800 m为90PE管，剩余3 000 m为63PE管。PE为聚乙烯的缩写，PE管材是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。PE给水管材具有使用寿命长、卫生性好、耐腐蚀、柔韧性好、抗冲击强度高、重量轻、安装便捷等优点。但是PE管材的导热系数为0.48 W/(m·K)，就为了使灌溉水升温这一目的来看，PE管材的导热性能不如金属管材，例如给水钢管。为了使土壤热量能够顺利传递给输水管道中的灌溉水，建议选用导热系数大的管材。

(3)配水管网埋入土壤。灌溉水经由蓄水池自流全部以Φ32PE管进入温室，灌溉水自蓄水池出水口流出后，管道有一部分埋置在地面以下。在日光温室园区内设有一个出水口，日光温室中留有给水龙头，往各个温室输水时，需要将PE管接到出水口处，这部分PE管在地面以上。

根据以上的分析，灌溉水水温从蓄水池到日光温室入口处都有不同程度的下降，也就是沿配水管网水温不断下降。部分配水管网的PE管裸露在地面以上，当地室外气温远远小于蓄水池水温，即配水管网入口处水温。所以水温会沿配水管网不断下降。建议将配水管埋入地下，减少热量损失。

(4)输配水管网外部的保温措施。灌溉水从水源地到日光温室，通过输配水管网输送，在运输的过程中，无可避免地会遇到一些建筑物以及其他的地下管网，输配水线路需要跨越建筑物或者凌空建造时，需要在输配水管网外部增设保温层。越冬期间室外气温远远低于地温，在管道外部增设保温层有利于保持灌溉水水温，较少热量损失。

(5)蓄水井上方及裸露在地面以上的蓄水井外墙的保温措施。在整个越冬期内，蓄水池中灌溉水的平均水温均小于蓄水池入口处的水温，说明灌溉水在蓄水池中放置的这段时间内，出现了热量的散失现象。蓄水池中灌溉水通过蓄水池旁土壤吸收热量；通过蓄水池池顶和井口释放热量。并且释放的热量大于吸收的热量，导致蓄水池中灌溉水温度降低。为了维持蓄水池中灌溉水水温，甚至提升灌溉水水温，就要做好蓄水池池顶、蓄水池高出地面部分的防寒保暖工作。应在蓄水池池顶及蓄水池裸露在地表以上部分增设保温设施，并且应该注意井口的保暖工作。

(6)在日光温室内部需要增设专门提升灌溉水水温的升温设施。由以上分析可知，整个越冬期内，日光温室入口处灌溉水水温在5.20～8.10 ℃之间变化，并不能达到室内作物正常生长所需要的最低灌溉水温度。所以要在日光温室内部增设专门提升灌溉水水温的升温措施，以保证作物正常成活和生长，提高作物的品质产量。

3 结 语

本文利用越冬期间跟踪观测的实测数据对低温区日光温室灌溉水水温在供水系统中的时空变化规律展开研究，可以得出以下结论：

(1)越冬期灌溉水水温受到水源地取水、蓄水、输配水等环节或过程的强力影响。灌溉水从水源地自流到日光温室的过程中，由于灌溉水与外界环境存在温差，导致灌溉水水温不断发生变化。灌溉水从河流测渗到潜水井，河床介质补给水体热量，水温升高；灌溉水输水管道自流的过程中，水温大于管道埋深处地温时，灌溉水向土壤释放热量，水温降低，反之水体从周围土壤吸收热量，水温升高；灌溉水从蓄水池到升温池在配水管道自流的过程中，灌溉水向周围环境释放热量，水温降低。

(2)根据越冬期内灌溉水水温的时空变化规律，以及热量传递的方向和过程，提出以下灌溉水升温保温措施：在水源地取水过程中，增长渗径可以充分利用地热对灌溉水进行升温；在输配水管网中，提高水温的技术有增大输水管网的埋深、选用导热系数大的管材、增强输配水管网外的保温设施；在调节池蓄水过程中，减少灌溉水热量损失的措施有增设蓄水池上方以及井口处的保温设施；在日光温室内部，提高灌溉水水温的措施有建造专门用来提升灌溉水水温的升温设施。

(3)本文研究成果对于越冬期间日光温室灌溉水水温的升高和保持具有重要的理论意义，可以为越冬期间灌溉水管理提供技术支持。