供水壓力對微孔陶瓷滲灌土壤水分運移的影響

任改萍，吳普特，張 林，朱德蘭，陳俊英

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學 中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

微孔陶瓷滲灌是以陶瓷材料制成的地埋式灌水器代替普通塑料灌水器安裝在輸水管道上，以陶瓷灌水器內外水勢差為其主要驅動因素，通過土壤含水率變化調節自身出流，最終以小流量緩慢精準濕潤植物根系土壤的一種地下滴灌技術。它結合傳統的陶罐灌水與現在最先進的滴灌技術于一體，價格低廉，節水環保，被認為是目前最為節水的灌水方式之一，在干旱、半干旱地區應用前景廣闊[1-3]。目前，尚未有微孔陶瓷灌水器在土壤中的出流狀況及水分運移規律的相關研究，制約了微孔陶瓷灌水技術的推廣。

土壤水分入滲是反應灌水器灌水性能的重要體現，微孔陶瓷灌水器出流受其內部供水壓力和外部周圍土水勢和自身結構的共同作用，因此供水壓力是影響微孔陶瓷灌水器灌入滲的主要因素之一。研究表明，陶瓷灌水器在空氣中的流量與供水壓力呈顯著的線性關系，而壓力對陶瓷灌水器在土壤中出流的影響研究很少[4]。國外對利用陶瓷滲水管灌溉下的土壤中入滲研究頗多，Siya等采用室內試驗和數值模擬相結合的方法對陶瓷滲水管在25～200 cm之間不同壓力下灌溉時的土壤水分運移做了一定的研究，研究表明壓力越大，土壤濕潤體越大，但未對濕潤體及濕潤鋒運移規律做深入研究[5,6]；Gupta等研究表明對于特定的土壤，滲水管出流量隨著壓力的增大而增大，土壤毛管吸力會隨著土壤含水率的增大而逐漸減小，進而影響土壤水分運移[7]。目前國內外對于陶瓷灌水器的研究主要集中于負壓灌溉，Khan等[8]人模擬了蒸發條件下微孔陶瓷灌水器在土壤中的滲水情況，表明其濕潤體形狀為不規則的截球體；趙亞楠等利用多孔陶土板制成的灌水器進行了負壓灌溉室內試驗，研究表明隨著壓力的增大，累計入滲量、土壤濕潤體、濕潤鋒運移速率均隨著增大[9-11]；叢萍等、江培福等研究陶瓷頭負壓滲水性能，研究表明陶土頭在土壤中出流形成的濕潤體呈豎直橢球體，累計入滲量、水平和垂直最大濕潤距離隨時間呈冪函數關系變化[12,13]。但以上研究中的陶瓷灌水器僅埋于土壤表面以下，埋深較淺。徐增輝等通過對具有一定埋深的微孔陶瓷灌水器在土壤中滲流的初步研究，表明灌水器的入滲流量隨著灌水歷時的增加逐步趨于穩定，但并未對土壤水分運移規律加以探究[14]。微孔陶瓷灌水器作為一種新型的灌水器，埋于地下灌水的土壤入滲規律與上述研究均有差異，因此有必要對有一定埋深的微孔陶瓷灌水器灌水條件下的土壤水分入滲情況進行深入研究。

本研究以西北農林科技大學自主研發的微孔陶瓷灌水器[15]為對象，通過室內試驗模擬低壓范圍內具有一定埋深的微孔陶瓷灌水器入滲過程，探索在微孔陶瓷灌水器灌水條件下，供水壓力對土壤水分運移規律的影響差異，為合理確定微孔陶瓷灌水器灌水技術參數提供了一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院灌溉水力學實驗大廳進行。試驗系統由供水裝置和土箱組成，模擬裝置如圖1所示。試驗采用恒壓水箱供水。為便于觀測和記錄濕潤鋒，采用10 mm厚的有機玻璃制作矩形土箱，箱體規格大小為50 cm×50 cm×70 cm(長×寬×高)，其底部設置若干排氣孔，以防止氣阻。試驗設置3個供水壓力，分別為1、1.5、2 m，每個處理重復3次，試驗結果取平均值。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Layout of the experimental platforms

1.2 供試材料

試驗用水為楊凌示范區灌溉用水，試驗用土為楊凌本地土，土樣經自然風干，碾壓、粉碎過孔徑2 mm篩，進行顆分試驗，測定供試土壤的物理性質(結果見表1)，試驗前對土壤進行均勻噴水并攪拌，將土壤初始含水率調至12.5%左右備用。

試驗灌水器采用西北農林科技大學自主研制的微孔陶瓷灌水器，灌水器高7 cm，外徑2.7 cm，內徑2.0 cm。試驗開始前測定微孔陶瓷灌水器在空氣中的流量，測得壓力1、1.5、2 m時的流量分別為5.8、8.4、10.6 L/h。試驗裝土深度為70 cm，按設計干密度以5 cm為一層分層裝入土箱中，微孔陶瓷灌水器放于土箱的一角，埋深25 cm，土箱裝土結束后上表面用薄膜覆蓋，防止水分蒸發，用該裝置模擬無蒸發條件下灌溉形成濕潤體的1/4。試驗開始后，打開止水夾進行供水，持續灌水6 h。

表1 供試土壤的物理性質Tab.1 Physical properties of the test soil

1.3 測定指標與方法

累計入滲量和入滲速率：設定重量傳感器的采集間隔為2 s，實時監測土箱重量，計算時段內的累計入滲量。待試驗結束后，根據累計入滲量和時間間隔計算微孔陶瓷灌土壤水分入滲速率。

濕潤鋒運移：依先密后疏的原則，用秒表計時，將不同時刻的土體濕潤鋒用記號筆描繪在土箱外壁上，試驗結束后用硫酸紙、坐標紙等描繪到電腦中。

土壤含水率：灌水停止后，立即沿著土箱放置灌水器的對角面取土，用烘干法測定濕潤體內重量含水率。

2 結果分析

2.1 供水壓力對微孔陶瓷滲灌累計入滲量和入滲速率的影響

在土壤結構、初始含水率等條件相同的情況下，灌溉系統供水壓力的不同改變了微孔陶瓷灌水器的內外表面水勢差，影響陶瓷灌水器在土壤中的出流狀況，進而影響土壤水分入滲過程(見圖2)。

圖2 不同供水壓力條件下土壤水分入滲過程Fig.2 Soil moisture infiltration process under different pressure conditions

圖2(a)為微孔陶瓷灌條件下累計入滲量隨灌水時間的變化過程。由圖2(a)可知，各處理下的累計入滲量隨著灌溉歷時的增長而不斷增加，說明灌水器在土壤中不斷的出流。但不同壓力下各時段內增幅差異很大，當灌水開始一段時間(灌水100 min)時，1、1.5、2 m壓力下累計入滲量分別為1、1.75、3 L，入滲結束(灌水360 min)時，1、1.5、2 m壓力下累計入滲量分別為1.8、2.4、3.6 L，可見，灌水器在入滲初期相同時段內增幅為2 m>1.5 m>1 m，之后逐漸相反。此外，對比圖2(a)中3條曲線，隨著壓力的增大，各處理最終入滲量逐漸增大。分析表明，在整個入滲過程，累計入滲量與時間并不符合冪函數關系。

圖2(b)為不同供水壓力下入滲速率隨灌水時間的變化曲線。從圖2(b)看出，在初始入滲階段，不同供水壓力下入滲速率均隨著時間的增大急劇下降，然后逐漸變緩，隨著灌溉歷時的增長，入滲速率趨于一個非常小的穩定值。入滲初期，由于灌水器周圍土壤處于嚴重的非飽和狀態，土壤入滲速率非常快，1、1.5、2 m壓力下初始入滲速率分別為30、60、75 mL/min，與供水壓力呈正相關。1、1.5、2 m供水壓力下相對達到逐漸變緩的趨勢的時間分別為200、150、100 min，最終入滲速率接近，由此可見壓力越大，入滲速率減小的速度越快，達到穩定入滲的時間越短。對于同一種型號的灌水器，陶瓷灌水器在土壤中的出流量受其內部供水壓力和外部土壤基質勢的共同影響，灌水初期，灌水器周圍土壤孔隙較大，土壤水吸力較大，灌水器內外壓力差很大，故土壤入滲速率較大，累計入滲量大幅上升，灌水器周圍的含水率隨之迅速增高；隨著灌水歷時的增長，灌水器外部周圍土壤吸力隨著含水率的升高而逐漸減小，基質勢增大，導致灌水器內外壓力差越來越小，當周圍土壤逐漸趨于飽和時，灌水器內外水勢差也趨于一個固定的值，結合陶瓷灌水器自身的滲水性能，累計入滲量將趨于緩慢平穩上升。且灌水器供水壓力越大，累計入滲量增加越快，灌水器周圍土壤越易達到飽和，從而入滲速率達到較小的穩定值的歷時也越短。綜上所述，供水壓力是決定陶瓷灌水器周圍土壤初始入滲速率和累計入滲量的關鍵因素，影響土壤達到穩定入滲的歷時，而對最終的入滲速率影響不大。

2.2 供水壓力對陶瓷滲灌濕潤鋒運移的影響

微孔陶瓷灌水器在土壤中出流受陶瓷灌水器自身出流面積的影響，可以認為是柱狀面源出流，故濕潤體的形狀等特征與普通地下點源滴灌存在一定的差異。圖3顯示了不同供水壓力條件下不同時刻的濕潤鋒輪廓。由圖3可見，微孔陶瓷灌灌初期，濕潤體輪廓接近以陶瓷灌水器為中心的球形；隨著灌水歷時的增加，濕潤鋒向下運移距離逐漸大于水平距離和豎直向上距離；灌水結束時，入滲的濕潤體輪廓為上下不對稱的橢球體。灌水結束時，1、1.5、2 m壓力下濕潤鋒在陶瓷灌水器上方濕潤鋒位置為16.9、18.5、19.5 cm，水平方向濕潤鋒位置為30.4、36.1、37.8 cm，灌水器下方的運移位置57.5、70.3、75.2 cm，可見不同供水壓力下三者的水分向下運移距離差異明顯，濕潤體大小也隨著供水壓力的增大而增大。對各組數據分析可知，供水壓力對土壤水分向下入滲的影響最為顯著，其次為水平方向，對向上運移影響最小。經觀察，微孔陶瓷灌的水平最大濕潤半徑Rmax如圖3中虛線位置，均在灌水器底部下方，這主要有兩方面原因，一是水分在土壤中運動的過程，在豎直方向由于受重力作用影響，因此更易向下運動；二是由于微孔陶瓷灌水器的入滲情況受灌水器滲流面積即自身設計的限制，滲流面積越大，滲流越快，本試驗中的灌水器上方為塑料蓋，即不出流邊界，而下方及四周均為陶瓷滲水材料，水流更容易朝水平方向和豎直向下方向移動。且對比圖3可知，供水壓力越大，濕潤鋒最大水平半徑離灌水器中心越遠。灌水結束后，整個濕潤體豎直方向和水平方向的運移距離分別50 cm以上和60 cm以上，可以滿足作物根系對水分的要求。

圖3 不同供水壓力下各時刻濕潤鋒輪廓圖Fig.3 Wetting profiles over time under different pressure conditions

為進一步探究微孔陶瓷灌濕潤鋒的推進規律，由試驗數據可得各處理下不同方向的運移距離隨時間的變化曲線，見圖4，并將推移過程用冪函數(R=atb)進行擬合，擬合結果列于表2。由圖4可知，各供水壓力下濕潤鋒運移距離的基本特征為“向上<水平<向下”，但1 m壓力下，入滲初期，水平入滲距離略微大于向下入滲距離，不同于其他兩組壓力下的水分運移規律。這是由于1 m壓力下，灌水初期，微孔陶瓷灌水器在土壤中出流量較其他兩組小，水分的重力勢作用表現的不明顯，主要驅動力為土壤吸力，又由于水平方向灌水器與土壤的接觸面較底面的接觸面大，故表現為水平向水分運移距離大于豎直向下，由此可以推測，若微孔陶瓷灌水器自身出流量較小時，土壤水分運移規律與本試驗結果可能有一定的差異。由表2中擬合結果可以看出，不同壓力下，各方向上濕潤鋒運移距離隨時間變化呈冪函數關系，相關系數均在0.99以上。入滲指數隨著供水壓力的增大整體呈增大趨勢，且垂直向下方向的入滲指數最大，各方向的入滲指數具體表現為“垂直向下>水平方向>垂直向上”，而入滲系數的隨壓力的變化沒有明顯的規律。故微孔陶瓷灌的濕潤鋒推進過程可以利用一部分已知數據推算整個入滲過程的濕潤鋒位置。

2.3 供水壓力對陶瓷滲灌土壤剖面含水率的影響

為便于分析濕潤土體內含水率的空間分布，將不同供水壓力條件下土體豎直剖面上的含水率等值線繪出(見圖5)。由圖

圖4 不同供水壓力下各方向濕潤鋒推進過程曲線Fig.4 The process of infiltration wetting front movement under different pressure conditions

R1mRr21.5mRr22mRr2垂直向上Ru=7.961t0.22480.9936Ru=6.322t0.2390.9963Ru=7.923t0.2170.9961垂直向下Rd=6.388t0.2810.9942Rd=6.419t0.3350.9982Rd=5.778t0.3840.9960水平方向Rx=6.388t0.2410.9936Rx=8.316t0.2550.9969Rx=8.479t0.2800.9963

圖5 不同供水壓力下土壤豎直剖面含水率等值線圖Fig.5 Contour map of soil moisture content in the vertical plane of soil under different pressure conditions

5可知，灌水結束后，各供水壓力下土壤剖面含水率均表現為離微孔陶瓷灌水器距離越遠，含水率越低，在半徑為20～30 cm之內濕潤體土壤含水率為21.6%，達到90%的田間持水率，滿足植物生長需要。對比圖5可知壓力對土壤含水率分布影響較大，壓力越大，灌水器周圍含水率越高，高含水率的區域越大，整個濕潤體有向下偏移的趨勢。此外，含水率高的區域在灌水器下方明顯大于上方。在水分在土壤豎直剖面內運動，受到重力作用水分更容易向下運動，因此造成灌水器下方滲水量大于上方，濕潤鋒推進較遠，高含水率區域較大。另外，在濕潤體下端濕潤體輪廓清晰，并未產生排水，說明微孔陶瓷灌水器灌水形成的濕潤體含水率分布比較均勻，不易引起水分深層滲漏，有利于作物根系吸取水。

3 結 語

(1)供水壓力是決定微孔陶瓷滲灌土壤水分初始入滲速率和累計入滲量的關鍵因素，影響灌水器達到穩定入滲的歷時，而對最終的入滲速率影響不大。供水壓力越大，入滲初期的入滲速率越大，最終累計入滲量也越大。

(2)本試驗所用微孔陶瓷灌水器在土壤中出流形成的濕潤體范圍較大，濕潤體輪廓為上下不對稱的橢球體，水平最大濕潤半徑在微孔陶瓷灌水器底部下方，且供水壓力越大，距離灌水器底部距離越遠；各供水壓力下濕潤鋒在各方向上的運移規律與時間呈冪函數關系，且向上距離<水平距離<向下距離。

(3)微孔陶瓷滲灌條件下，供水壓力對土壤含水率分布影響較大，供水壓力越大，灌水器周圍含水率越高，高含水率的區域越大，濕潤體在半徑為20～30 cm之內土壤含水率為21.6%，達到90%的田間持水率，滿足植物生長需要。應用微孔陶瓷灌水器灌水不易形成積水和深層滲漏，有利于作物根系吸水，證明了微孔陶瓷灌是一種較好的灌溉方式。

[1] 蔡耀輝,吳普特,朱德蘭，等. 黏土基微孔陶瓷灌灌水器制備與性能優化[J]. 農業機械學報,2015,46(4):183-188.

[2] 張 濤. 粗陶微孔地埋灌裝置的研制與應用試驗[J]. 灌溉排水學報,2010,29(6):126-128.

[3] 梁紅梅.粗陶微孔地埋灌裝置的性能研究[J]. 新疆農機化,2010,(5):5-6,8.

[4] 蔡耀輝,吳普特,朱德蘭,等. 硅藻土微孔陶瓷灌水器制備工藝優化[J]. 農業工程學報,2015,31(22):70-76.

[5] Siyal A A, Genuchten M T V, Skaggs T H. Performance of pitcher irrigation system[J]. Soil Science,2009,174(6):312-320.

[6] Siyal A A, Skaggs T H. Measured and simulated soil wetting patterns under porous clay pipe sub-surface irrigation [J]. Agricultural Water Management, 2009,96(6):893-904.

[7] Gupta A D, Babel M S, Ashrafi S. Effect of soil texture on the emission characteristics of porous clay pipe for subsurface irrigation [J]. Irrigation Science, 2009,27(3):201-208.

[8] Khan N N, Islam M M, Islam S, et al. Effect of porous pipe characteristics on soil wetting pattern in a negative pressure difference irrigation system[J]. American Journal of Engineering Research,2015,4(2):1-12.

[9] 趙亞楠. 供水水頭、灌水器及水質對負壓灌溉土壤水運移的影響[D].太原：太原理工大學,2011.

[10] 郭秀峰,肖 娟,邱照寧. 灌溉水濃度和供水水頭對負壓灌溉土壤水分運移的影響[J]. 中國農村水利水電,2013,(1):61-66.

[11] 肖 娟,郭秀峰,高曉麗，等. 負壓灌溉對濕潤體特征參數的影響[J]. 灌溉排水學報,2013,32(2):30-32,36.

[12] 叢 萍,龍懷玉,岳現錄. PVFM滲水器規格對其負壓滲水性能的影響[J]. 灌溉排水學報,2015,34(9):7-14.

[13] 江培福, 雷廷武, Vincent F Bralts, 等. 土壤質地和灌水器材料對負壓灌溉出水流量及土壤水運移的影響[J]. 農業工程學報, 2006,22(4):19-22.

[14] 徐增輝,李向明,林 力，等. 免燒微孔陶瓷灌灌水器制備與性能研究[J]. 節水灌溉,2015,(10):74-77.

[15] 朱德蘭,蔡耀輝,李向明，等. 一種地埋式微孔陶瓷根灌灌水器的制備方法：中國，CN103553571A[P]. 2014-02-05.