本发明涉及土壤水分运移规律领域，尤其是地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移数据模型及其应用。
背景技术：
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2、华北地区是我国粮食主产区之一，但同时面临着水土资源不匹配的严重问题，导致地下水超采严重和地下水位迅速下降，并对生态环境产生危害。华北地区耕地面积占全国20%左右，而水资源量仅占3%左右，灌溉用水量占全国的10%。特别是冬小麦(triticumaestivum)和夏玉米(zeamays)轮作种植体系中，利用地下水进行灌溉是维持高产的关键。然而，传统的灌溉方式水分利用效率仍然较低，水资源短缺问题日益突显。通过改进灌溉技术提高水资源利用效率，成为该地区实现农业可持续发展的重要途径之一。
3、滴灌系统通常由首部系统和管道系统组成，一般首部系统投入5-10万不等，管道系统更是包含了基建、管路铺设人工和机械以及材料等费用，投入巨大。但地下滴灌技术采用管道系统输送水源，通过埋在地下毛管上的滴头将水分释放到根区的土壤，为作物提供水分，相对地表滴灌能减少更多的土壤蒸发，具有更为显著的节水效果；可连续使用多年并实现自动灌溉而具有更高的经济性和实用性，是一种极为高效的灌溉方法。地下滴灌技术相较于传统的地面灌溉方式，具有多方面的优势，如显著减少地表无效蒸发和深层渗漏，便于农田日常管理等。有研究表明，相较于地面灌溉，地下滴灌的灌溉水利用效率最高能达到90%，节水效果显著。
4、滴灌的水分运移规律与地面灌溉不同，而地下滴灌由于滴头埋深较大，水分运移也与地表滴灌有很大差异。不同质地土壤直接影响灌溉水的分布和植物根系对水分的吸收。例如，砂土具有较高的入渗率，但水分保持能力较弱，虽然水分能够更快速地渗透到土层深处，但需频繁灌溉以维持作物的水分需求。而黏土因水分传导性较低，能够更有效地保持水分并降低水分流失的风险，需要更为精细和持续的水分管理。
5、地下滴灌会在土壤中形成湿润体，由于湿润体形成于土壤中，无法直观看到，极易因灌溉参数选择不当导致过度灌溉或灌水不足而影响作物生长；土壤湿润体状况主要与土壤质地、滴头流量、灌水量、初始土壤含水率、滴头间距和滴灌频率等因素有关。而现有研究可能没有详细描述土壤湿润体的形状和扩散特性，大多数研究往往只针对特定条件下的研究，缺乏对不同灌溉量、不同土壤质地等重要变量条件下的研究。
6、因此，开发地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移数据模型，并基于该数据模型将其应用于灌溉传感系统空间布局、模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的装置及方法显得尤为重要，这不仅能够在显著减少人力、物力和财力的投入的同时有效完成滴灌研究中的水分运移试验，定量分析地下滴灌土壤湿润体在不同质地的土壤中的变化特征，还可与hydrus模型结合，为制定合理的灌溉制度和管带布设方案提供有效信息。
技术实现思路
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2、本发明要解决的技术问题是提供地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移数据模型及其应用，以期能够在显著减少人力、物力和财力的投入的同时有效完成滴灌研究中的水分运移试验，定量分析地下滴灌土壤湿润体在不同质地的土壤中的变化特征，还可与hydrus模型结合，为制定合理的灌溉制度和管带布设方案提供有效信息。
3、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
4、一种优化、链接hydrus系统不同壤质水分转移数据模型，其特征在于：该数据模型基于不同壤质、不同流量湿润锋的水平运移速率和垂直运移速率与入渗时间满足的幂函数构建一个数据范式用于链接、优化hydrus系统，所述幂式函数为：d=α∙t-β，所述数据范式为假设α和β与滴头流量q之间存在线性关系：α=a1q+b1；β=a2q+b2。
5、进一步优选的，所述数据范式中根据滴头流量q即可预测不同土壤类型的入渗系数α和指数β，具体如下：
6、α砂土=4.2345q+14.8922；
7、β砂土=−0.0287q+0.7812；
8、α壤土=3.2985q+11.8467；
9、β壤土=−0.0373q+0.9633；
10、α黏土=0.5868q+3.7665；
11、β黏土=−0.0211q+0.4263。
12、一种基于权利要求1所述数据模型的灌溉传感系统空间布局方法，包括土壤水分传感器、灌溉系统，根据土壤水分传感器测得的湿度，当土壤湿度低于预设阈值时自动启动灌溉系统，以补充土壤水分，当湿度高于阈值时，则自动停止灌溉；其特征在于：根据砂土、壤土、黏土的质地，土壤水分传感器的空间布局不同，即土壤水分传感器距离最近滴灌点的直线距离、角度不同，其中放置的直线距离上：砂土d1>壤土d2>黏土d3，放置角度上：砂土θ1<壤土θ2<黏土θ3。
13、一种用于权利要求1所述数据模型的模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的装置，其特征在于：该装置包括带盖刻度桶、a段硅胶管、蠕动泵、中央控制器、b段硅胶管、滴箭、土壤水分传感器、数据采集器、2mm筛网、压实锤，其中所述蠕动泵包括水源输入端和水源输出端；
14、所述a段硅胶管一端置于所述带盖刻度桶内，另一端与所述蠕动泵的水源输入端连接，所述中央控制器的信号输出端与所述蠕动泵连接，通过处理器发送指令至信号输出端以控制蠕动泵，所述水源输出端与所述b段硅胶管的一端连接，所述滴箭与所述b段硅胶管另一端连接，所述土壤水分传感器的信号传输线与所述数据采集器的传感器接口连接，所述通信接口将采集到的数据传输到计算机；
15、核心的，该装置还包括四分之一圆柱体有机玻璃箱，所述土壤水分传感器的探头与所述四分之一圆柱体有机玻璃箱连接，所述滴箭根据特定处理深度放置在四分之一圆柱体有机玻璃箱的圆心角处，滴箭出水处深度距离四分之一圆柱体有机玻璃箱上表面25~30cm。
16、进一步优选的，在所述四分之一圆柱体有机玻璃箱的一侧钻安置孔，与轴向侧边距离5cm处开始，横向和纵向均间隔10cm，用于放置土壤水分传感器。
17、进一步优选的，所述安置孔直径取值范围为1-2cm。
18、进一步优选的，在设置所述安置孔的箱壁内侧上用纸胶带和透明胶带密封或涂上一层密封剂，然后覆盖一层沙子，以防止土壤在传感器口流失。
19、一种模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
20、a.取土：①取壤土、沙土、黏土；②风干后的均质土壤过2mm筛网，得到试验用土壤；③土壤大量风干，以备填土；
21、b.填土：①在四分之一圆柱体有机玻璃箱的一侧以预定间隔布设钻安置孔；②填土前，在设置安置孔的箱壁内侧上用纸胶带和透明胶带密封或涂上一层密封剂，然后覆盖一层沙子，以防止土壤在传感器口流失；③将风干后的均质土壤以5cm为一层装入四分之一圆柱体有机玻璃箱中，使用压实锤压实，壤土、沙土、黏土填1m深；
22、c.浇土：中央控制器发送指令，控制蠕动泵通过a段硅胶管从带盖刻度桶内抽水，再通过蠕动泵把水输送到b段硅胶管内，b段硅胶管末端与滴箭连接，将滴箭插入在四分之一圆柱体有机玻璃箱圆心角的25-30cm深处，使用滴箭滴水；
23、d.多土壤类型和多流量条件下水分运移试验的数据记录：①采用壤土、沙土、黏土三种不同土壤，均采用0.39l/h、0.9l/h、1.38l/h三种不同流速，按照先密后疏的原则，在不同的入渗时刻，用记号笔在有机玻璃箱上分别画出该时刻下湿润体的轮廓，入渗结束后根据记录的轮廓线测量湿润锋横向、垂直向上和垂直向下运移距离；②将土壤水分传感器的探头插在四分之一圆柱体有机玻璃箱的安置孔内，感知土壤水分含量，并通过信号传输线将感应元件产生的信号传输到数据采集器，最后将采集到的数据传输到计算机；③处理土壤水分传感器数据，利用hydrus-2d模拟土壤水分动态。
24、进一步优选的，步骤b中在四分之一圆柱体有机玻璃箱的一侧以预定间隔布设钻安置孔，其中第一行孔洞设于距离四分之一圆柱体有机玻璃箱上表面5cm处，第一列孔洞设于距离四分之一圆柱体有机玻璃箱最左侧边缘5cm处；所述土壤水分传感器根据观测深度需求布设于所述安置孔内，各土壤水分传感器横向埋入所述安置孔内土壤的深度为5cm。
25、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
26、本发明通过构建基于幂函数的数据范式，能够更精确地模拟和预测不同土壤类型在不同流量条件下的水分运移速率，模型中参数 α和 β与滴头流量q 的线性关系使得灌溉系统可以根据实时或预测的需求自动调整，从而优化水资源的使用，减少过量灌溉或水分不足的情况；
27、本发明根据不同土壤类型（砂土、壤土、黏土）调整土壤水分传感器的放置深度和角度，可以更准确地监测到各类型土壤的实际水分状态，有助于提高水资源使用效率；
28、本发明通过设置四分之一圆柱体有机玻璃箱，可以从直观地观测不同土壤类型中土壤水分在不同时间和方向上的运移情况；通过设置土壤水分传感器，可以准确的记录土壤水分随时间和空间的变化过程；通过与蠕动泵链接，可以精准的控制水量的流速、时间和总量，精准度可达0.1 ml/min (1%)；通过获取不同土壤类型和流量下的试验数据，可与hydrus模型结合，为模拟不同场景的土壤水分运移规律提供验证，进而为滴灌的理论与技术发展提供支撑。
1.一种优化、链接hydrus系统不同壤质水分转移数据模型，其特征在于：该数据模型基于不同壤质、不同流量湿润锋的水平运移速率和垂直运移速率与入渗时间满足的幂函数构建一个数据范式用于链接、优化hydrus系统，所述幂式函数为：d=α∙t-β，所述数据范式为假设α和β与滴头流量q之间存在线性关系：α=a1q+b1；β=a2q+b2。
2.根据权利要求1所述的一种优化、链接hydrus系统不同壤质水分转移数据模型，其特征在于：所述数据范式中根据滴头流量q即可预测不同土壤类型的入渗系数α和指数β，具体如下：
3.一种基于权利要求1所述数据模型的灌溉传感系统空间布局方法，包括土壤水分传感器、灌溉系统，根据土壤水分传感器测得的湿度，当土壤湿度低于预设阈值时自动启动灌溉系统，以补充土壤水分，当湿度高于阈值时，则自动停止灌溉；其特征在于：根据砂土、壤土、黏土的质地，土壤水分传感器的空间布局不同，即土壤水分传感器距离最近滴灌点的直线距离、角度不同，其中放置的直线距离上：砂土d1>壤土d2>黏土d3，放置角度上：砂土θ1<壤土θ2<黏土θ3。
4.一种用于权利要求1所述数据模型的模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种用于权利要求1所述数据模型的模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的装置，其特征在于：在所述四分之一圆柱体有机玻璃箱（11）的一侧钻安置孔（111），与轴向侧边距离5cm处开始，横向和纵向均间隔10cm，用于放置土壤水分传感器（7）。
6.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述数据模型的模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的装置，其特征在于：所述安置孔（111）直径取值范围为1-2cm。
7.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述数据模型的模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的装置，其特征在于：在设置所述安置孔（111）的箱壁内侧上用纸胶带和透明胶带密封或涂上一层密封剂，然后覆盖一层沙子，以防止土壤在传感器口流失。
8.一种模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种模拟地下滴灌多土壤类型和多流量条件下水分运移的方法，其特征在于，步骤b中在四分之一圆柱体有机玻璃箱（11）的一侧以预定间隔布设钻安置孔（111），其中第一行孔洞设于距离四分之一圆柱体有机玻璃箱（11）上表面5cm处，第一列孔洞设于距离四分之一圆柱体有机玻璃箱（11）最左侧边缘5cm处；所述土壤水分传感器（7）根据观测深度需求布设于所述安置孔（111）内，各土壤水分传感器（7）横向埋入所述安置孔（111）内土壤的深度为5cm。
