黑土區地下暗灌濕潤鋒運移規律研究

劉道維，鄭文生，王 柏，孟 巖，孫彥君

（黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

地下暗灌是通過埋設于地下的灌水器以較小流量均勻、準確地直接將水和作物生長所需要的養分輸送到作物根部土壤附近的灌水方法［1－3］。地下暗灌濕潤鋒的運移規律是確定地下暗灌系統布置的最重要的理論依據，它決定了作物在有限水量條件下能否正常生長。因此，對土壤濕潤鋒運移規律進行研究，可以為地下暗灌技術提供合理的科學依據，從而促進地下暗灌技術的推廣應用，促進節水農業的健康發展［4－7］。

1 材料與方法

室內試驗系統包括土箱和供水單元兩部分組成（見圖1）。土箱是用有機玻璃制成，長方體無蓋土箱，尺寸為50cm×50cm×100cm（長×寬×高）；供水單元采用升降機設定恒位水頭的水箱，規格為50cm×50cm×100cm（長×寬×高）。試驗過程中保證灌水水頭恒定，以提供穩定的流量。暗灌管選用貼片式滴灌帶，滴灌帶選用滴頭流量分別為1．10L／h和1．38L／h，滴頭間距是30cm，作用水頭為3m。

土樣取自黑龍江省水利科技試驗研究中心的耕作土壤，為黑土，土壤平均干容重為1．33g／cm3，平均飽和含水率為34．58%，田間持水率為27．07%。土樣經風干、碾壓、篩分（過2mm標準土篩），混合均勻后制備成試驗土樣，分層填裝到土箱中，每層填裝高度為5cm，填裝上一層之前，將其下層的土壤表面鑿毛，然后再填裝，這樣使上下兩層接合更緊密，不至于分層，初始含水率為8．50%左右，土壤干容重控制在1．34g／cm3。

圖1 地下暗灌室內試驗裝置示意圖

試驗共設置了2個處理，見表1。

表1 地下暗灌室內試驗設置表

觀測項目：

（1）在試驗過程中，觀測并記錄水平濕潤鋒水平方向運移距離、濕潤鋒垂直向上和向下運移距離及整個濕潤體隨時間的變化情況，時間間隔本著先密后疏的原則，分別為5min、10min、30min、1h、1．5h、2h、3h、4h、5h、6h不等。

（2）試驗結束時采用圖2所示記錄土壤濕潤鋒形狀。

圖2 濕潤鋒記錄網格

2 結果與分析

2．1 濕潤鋒的變化規律

選擇T1處理分析濕潤鋒運移規律，T1的滴頭流量1．10L／h，滴頭間距30cm，布置2個滴頭，滴頭埋設深度30cm，初始土壤含水率8．50%，土壤干容重1．34g／cm3，灌水時間6h。此試驗可以認為是線源灌溉，根據其灌水后濕潤鋒運移過程繪制圖3地下暗灌濕潤鋒運移的二維剖面圖，圖中曲線為不同時間濕潤鋒運移曲線，為了清晰地顯示濕潤鋒的運移，重點標注了1h、2h、3h、4h、5h和6h時間的濕潤鋒曲線。

由圖3可知：

（1）地下暗灌濕潤鋒擴展速度隨灌水時間的延長而逐漸減小。這是由于在灌水開始的時候，灌水器周圍土壤含水率快速達到飽和，和周圍土層形成較大的土水勢梯度，驅使土壤水迅速向外運移，形成由內向外逐漸擴展的濕潤鋒，隨著濕潤鋒的擴展，其邊緣土壤含水率與四周土壤含水率之間的差異會逐步降低，其間的土水勢梯度也隨之減小，這樣，濕潤鋒的運移速度會隨著土水勢的減小而降低。

圖3 地下暗灌濕潤鋒運移圖

（2）在灌水開始的1h內三個方向的濕潤鋒運移距離基本上保持一致，濕潤鋒呈圓形，隨著灌水時間的延長，水平方向和垂直向上的濕潤鋒運移的距離差別不大，濕潤鋒向下的距離要大于其它兩個方向。這是因為在均質的土壤中，水分初期運移的主要驅動力來源于基模勢，而此時灌水器周圍各個方向上基模勢基本上是一致的，因此各個方向出現大致相等的濕潤鋒運移距離。但是隨著灌水時間的延長，重力作用逐漸顯著，重力增加了濕潤鋒向下的運移速度，而減緩了向上的運移速度，導致濕潤鋒向下的運移距離漸漸超過水平和向上方向的，而且隨著時間的推移，濕潤鋒呈橢圓形，向下運移的距離與其它兩個方向的差距逐步擴大，最終下方運移距離最大，水平運移的距離居中，向上運移距離最小［8－9］。

2．2 不同流量條件下濕潤鋒運移距離與時間的關系

根據試驗記錄結果繪制T1和T2濕潤鋒在水平方向、垂直向上和垂直向下三個方向隨時間運移距離與灌水時間關系的曲線（圖4），由圖4（a）可知，灌水器流量1．10L／h的處理濕潤鋒推進距離與時間關系的曲線開始斜率較大，1h以后開始變得平緩，這說明濕潤鋒三個方向的運移距離開始是快速增加，而隨著時間的延長增加的速度開始下降，在前1h時間內水平方向、垂直向上、垂直向下三個方向的差距不大，這是由于灌水初期，灌水器周圍土壤含水率較低，土壤吸力是土壤水分運移的主要動力，3個方向吸力大致相同。1h以后，3個方向上的距離變化出現差異，垂直向上運移距離最小，水平方向居中，而垂直向下的運移距離最大，這主要是重力作用的結果，降低了向上的動力，而增加了向下的動力，使水分降低了向上的運移，加速了向下運移。由圖4（b）可以看出1．38L／h處理的總體趨勢與1．10L／h相似，因為灌水器流量的增加，水平方向、垂直向上、垂直向下三個方向運移的距離全部大于灌水器流量為1．10L／h的處理，運移距離全部增加，垂直向下方向增加的最大，增加了10．1cm，達到30．5cm的位置，所以地下暗灌灌水器的流量要根據土壤的性質和類型控制在一個合理的范圍，既要保證水量，又要防止深層滲漏。

圖4 濕潤鋒運移距離與時間的關系

表2是相同灌水時間（6h）不同流量的濕潤鋒運移距離。由表2可知，灌水器流量為1．38L／h處理的三個方向上的運移距離均大于1．10L／h處理，分別增加了34．44%、34．86%和49．51%，可見濕潤鋒的運移距離均隨灌水器流量的增大而增加，灌水器流量對垂直向下運移距離的影響大于對其它二個方向運移距離的影響。由此可見重力對地下暗灌濕潤鋒的運移影響較大。

表2 灌水結束時各方向濕潤鋒的運移距離

2．3 不同流量條件下濕潤鋒運移速度與灌水時間的關系

圖5為濕潤鋒運移速度與灌水時間的關系圖。由圖可知，灌水開始時濕潤鋒運移速度最快，而且各個方向保持一致，其中灌水器流量為1．38L／h條件下，濕潤鋒運移速度可以達到55．1cm／h，而1．10L／h處理的濕潤鋒的運移速度為41．0cm／h，在1h內，濕潤鋒的運移速度由最大值快速下降，在1～3h之間濕潤鋒的運移速度下降的速率顯著降低，濕潤鋒運移速度趨于緩慢，在超過3h后濕潤鋒運移速度基本達到穩定的狀態，運移速度基本上保持在1．3～3．2cm／h之間。

從不同流量對濕潤鋒的運移速度影響來看，流量增加會加速濕潤鋒運移的速度，由圖5（a）和圖5（b）可以看出，流量增加對水平和垂直向上的運移速度增加不顯著；由圖5（c）可以看出，在垂直向下的方向上，在0～1．5h時段內流量大的會明顯提高濕潤鋒運移速度。1．5h后趨于一致。

圖5 濕潤鋒運移速度與灌水時間的關系

3 結 論

（1）在灌水初期濕潤鋒呈圓形，而隨著時間的推移，向下運移的距離與其它兩個方向的差距逐步擴大，最終向下方運移距離最大，水平運移的距離居中，向上運移距離最小。

（2）灌水開始時濕潤鋒運移速度最快，而且各個方向保持一致，隨著灌水時間的推移，濕潤鋒的運移速度先是快速下降，然后是緩慢下降，最后是達到穩定的狀態。

（3）從不同流量對濕潤鋒的運移速度影響來看，流量增加會加速濕潤鋒運移的速度，流量增加對水平和垂直向上的運移速度增加的不顯著；在垂直向下的方向上，在0～1．5h時段內流量大的會明顯提高濕潤鋒運移速度，1．5h后趨于一致。

［1］劉曉英，楊振剛，王天俊，等．滴灌條件下土壤水分運動規律的研究［J］．水利學報，1990，21（1）：11－21．

［2］汪志榮，王文焰，王全九．點源入滲土壤水分運動規律實驗研究［J］．水利學報，2000，31（6）：39－44．

［3］張振華，蔡煥杰，郭永昌，等．滴灌土壤濕潤體影響因素的實驗研究［J］．農業工程學報，2002，18（2）：17－20．

［4］陳渠昌，吳忠渤，佘國英．滴灌條件下沙地土壤水分分布與運移規律［J］．灌溉排水學報，1999，18（1）：28－31．

［5］李明思，康紹忠，孫海燕．點源滴灌滴頭流量與濕潤體關系研究［J］．農業工程學報，2006，22（4）：32－35．

［6］李援農．不同灌溉方式入滲條件下的土壤空氣阻滲特性試驗研究［D］．西安：西安理工大學，2007．

［7］孫海燕，李明思，張杰，等．點源滴灌滴頭流量設計模式的試驗研究［J］．石河子大學學報，2005，23（1）：81－84．

［8］王超，李援農．地下暗灌土壤水分運移分布規律試驗研究［J］．灌溉排水學報，2011，30（1）：136－138．

［9］王超，李援農．地下暗灌條件下濕潤體特性的試驗研究［J］．中國農村水利水電，2011（3）：38－40．