滴灌和微潤灌條件下桂西北山區典型土壤水分運移規律分析

吳衛熊，何令祖，張廷強，邵金華

(廣西自治區水利科學研究院，南寧 530023)

0 引 言

廣西山區包括河池、百色、南寧、柳州、來賓、崇左等6個市的30個縣(市、區)，該區域基礎設施落后，群眾生活較為貧困，農民收入低，是典型的“老、少、邊、山、窮”地區。30個縣(市、區)中，國家級扶貧開發重點縣25個、自治區扶貧開發重點縣5個。近年來，廣西大力開展精準扶貧，引進微潤灌、滴灌等灌溉技術，在山區進行了推廣，由于這些技術省工、省時、能實現水肥一體化，不僅能提高作物產量，也能改善作物的品質，深受當地群眾的歡迎。

國內外的學者和專家對滴灌在土壤水分運移研究較多，如朱友娟[1]等人研究了新疆棉田地埋滴灌條件下土壤水分運移的規律，趙曄[2]等人以水量平衡原理和考斯加科夫入滲公式為基礎，建立了描述點源滴灌地表積水區半徑運移的數學模型。近幾年來，隨著微潤灌技術的推廣，也逐漸有部分學者研究微潤灌的土壤水分運移規律，如：李朝陽[3]等人通過西瓜灌溉對比試驗，分析不同斷面不同土層土壤水分分布特征及灌水均勻性，牛文全[2]等人開展壓力水頭與埋深對微潤灌土壤水分運移規律，提出黏壤土微潤灌最適埋深為15～20 cm。但是尚未見有報道針對滴灌和微潤灌在廣西山區典型土壤的水分運移規律研究的文獻，因此，迫切需要開展研究，以期為該地區發展節水灌溉提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置分為供水部分、測量控制部分、試驗主體部分。供水部分包括：高位水池；測量控制部分包括：流量調節閥、壓力表；試驗主體部分包括：試驗主體包括正方體土箱：長60 cm×寬60 cm×高60 cm、微潤管和滴灌管(壁厚0.3 mm、孔間距30 cm、單孔流量2.1 L/h)、堵頭。試驗需要的其他材料：烘箱、流量計、天平、秒表、墑情站，見圖 1所示。

圖1 微潤灌和滴灌水分入滲模擬裝置示意圖

1.2 試驗方法

1.2.1供試土壤

根據廣西山區土壤類型分布情況，從百色市的田東縣、河池市的大化縣和崇左市的天等縣各取土8 000 kg左右，測定原狀土容重、土壤飽和含水率、土壤田間持水率、滲透系數等指標，見表1。將試驗土壤風干和碾碎后，過2 mm的篩子篩取后供試驗用。

表1 試驗土壤基本參數指標

1.2.2土樣填筑

將土樣按照每次裝入10 cm，然后用平板壓實土層，確保填筑后的土壤容重與原狀土土壤容重接近，即砂土容重1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3，裝完土樣后，密封靜置24 h。

在土樣填筑同時在深度10、20、30 cm三層每層距離微潤管和滴灌管水平方向20 cm位置埋設EDAS 墑情監測站土壤水分測定儀，便于測定不同時間各位置土壤含水率，設置采集間隔為1 min。

1.2.3試驗步驟[5,6]

由于只觀測整個濕潤體的一半，用防水膠布將微潤管和滴灌管背側中間黏貼到土箱壁，防止水分從箱壁下滲。

步驟一：填筑土壤，埋設設備。

步驟二：調整、校核試驗微潤管和滴灌管試驗工作壓力，確保微潤管和滴灌管首部壓力為100 kPa。

步驟三：開始試驗觀測。主要觀測指標包括：橫向濕潤鋒變化、豎向濕潤鋒變化、微潤管和滴灌管縱向濕潤鋒變化、不同時間EDAS 墑情監測站土壤水分測定不同深度土壤含水率變化，灌水結束后測定土體內土壤水分分布情況。

濕潤鋒變化通過標記法測定：用畫筆在土箱壁上標定在預定的時間沿著濕潤鋒圖曲線描線。

不同時間EDAS 墑情監測站土壤水分測定儀不同深度土壤含水率變化直接通過電腦讀數。

灌水結束后土體內土壤水分分布情況通過取土烘干法測定：以土箱壁為起點，在豎直方向每隔10 cm取一個樣，在水平方向每個5 cm取一個樣，取樣后通過烘干法測定不同位置土壤質量含水量。

2 結果與分析

2.1 地埋條件下微潤管和滴灌管在不同土壤的出流量

在工作壓力0.1 MPa條件下，分析滴灌、微潤管在地表自由出流和地埋條件下單米管道的流量。地表自由出流條件下，滴灌帶的單米流量為6.17 L/h，微潤管的單米流量為0.63 L/h；地埋黏土條件下滴灌管的單米流量為4.17 L/h，微潤管的單米流量為0.24 L/h；地埋壤土條件下滴灌管的單米流量為5.92 L/h，微潤管的單米流量為0.31 L/h；地埋砂土條件下滴灌管的單米流量為6.10 L/h，微潤管的單米流量為0.43 L/h；微潤管和滴灌管在各土壤出流量關系為：砂土>壤土>黏土。滴灌與微潤管在3種土壤下灌水流量差異顯著，滴灌管的滴孔出流量大，為有壓入滲。微潤管流量較小，為無壓入滲[7]。

2.2 土壤類型對濕潤體形狀的影響

圖2 黏土滴灌濕潤鋒運移圖(單位：min)

圖3 壤土滴灌濕潤鋒運移圖(單位：min)

圖4 砂土滴灌濕潤鋒運移圖(單位：min)

由圖2～圖4可知，滴灌管在黏土中地埋20 cm水分運移形狀初期為圓形，后期為橢圓形，灌溉時間5.1 h，每米流量31.47 L，縱向濕潤深度50.2 cm，橫向濕潤寬度33.6 cm，在整個運移時間內土壤水分單位時間運移距離大致相等。滴灌管在壤土地埋20 cm的濕潤鋒隨著時間推移，由圓形變為橢圓形，越往后重力對水分運移影響越大，橢圓長軸越長，單位時間濕潤鋒運移縱橫距離差距增大，灌溉5 h，每米流量29.59 L，縱向運移深度54 cm，橫向運移寬度31 cm。滴灌管砂土濕潤鋒運移形狀為橢圓形，灌溉6 h，每米流量25.00 L，縱向運移深度53 cm，橫向運移寬度26 cm。在黏土、壤土、砂土中的灌溉流量呈現減小，濕潤寬度減小，濕潤深度增加，濕潤層頂部與土壤表面距離增加，各時段水分運移距離差距變大，見表2。

表2 土壤水分運移距離統計表

圖5 黏土微潤管濕潤鋒運移圖(單位：h)

圖6 壤土微潤管濕潤鋒運移圖(單位：h)

圖7 砂土微潤管濕潤鋒運移圖(單位：h)

圖5～圖7為微潤管在黏土、壤土、砂土埋深20 cm的土壤水分運移情況，微潤管在3種土壤中水分運移形狀初期為圓形，后期逐漸變為橢圓形，微潤管黏土灌溉時間117 h，每米流量28.12 L，縱向運移距離31.1 cm，橫向運移距離21.5 cm。微潤管壤土灌溉時間74 h，每米流量22.73 L，縱向運移距離39 cm，橫向運移距離27 cm。微潤管砂土灌溉時間30 h，每米流量13.01 L，縱向運移距離40 cm，橫向運移距離23 cm。

圖5～圖7為微潤管在黏土、壤土、砂土埋深20 cm的土壤水分運移情況，微潤管在3種土壤中水分運移形狀基本為圓形，微潤管黏土灌溉時間117 h，每米流量28.12 L，縱向運移距離31.1 cm，橫向運移距離21.5 cm。微潤管壤土灌溉時間74 h，每米流量22.73 L，縱向運移距離39 cm，橫向運移距離27 cm。微潤管砂土灌溉時間30 h，每米流量13.01 L，縱向運移距離40 cm，橫向運移距離23 cm。

2.3 灌水后土壤水分空間分布情況

圖8～圖13為滴灌、微潤管灌溉后取土烘干測得的土壤水分的分布情況。黏土初始體積含水率為15.8%，壤土初始含水率10%，砂土初始含水率6.5%。對比黏土、壤土、砂土3種類型土壤水分分布：三種土壤中含水率均是從灌溉管位置往四周含水率降低的趨勢，出水孔附近含水率均處在飽和含水率附近的較高水平，在濕潤體邊緣含水率迅速降低。黏土含水率高于壤土高于砂土，從含水率變化梯度來看，黏土梯度最大，壤土次之，砂土最緩，黏土的保水性能最強。同種土壤，微潤管的含水率曲線較滴灌管含水率曲線更趨近于圓形，更規則，土壤不均勻性對灌溉水量分布的影響較小。滴灌管為有壓入滲，水量分布受重力以及水壓力影響較大；微潤管為無壓入滲，主要由土壤導水率影響。

圖8 黏土滴灌土壤水分分布圖

圖9 壤土滴灌水分分布圖

圖10 砂土滴灌水分分布圖

圖11 黏土微潤管水分分布圖

圖12 壤土滴灌水分分布圖

圖13 砂土微潤管水分分布圖

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情況

圖14～圖19為滴灌管和微潤管在黏土、壤土、砂土3種土壤下不同深度土壤含水率變化曲線。各深度含水率均呈拋物線形狀，相同灌溉方式黏土的最大含水率較高，壤土次之，最后為砂土。黏土滴灌最大含水率為52%，黏土微潤管最大含水率為45%；壤土滴灌最大含水率為51%，壤土微潤管最大含水率為44%；砂土滴灌最大含水率為34%，砂土微潤管最大含水率為31%。在同類土壤中滴灌的最大含水率大于微潤灌的最大含水率，滴灌含水率變化梯度均大于微潤管。不同深度含水率變化形狀幾乎一致，只是濕潤時間、濕潤寬度不同。黏土滴灌與微潤管最大含水率均在20 cm深度，其次是30、10、60 cm含水率最低。壤土滴灌管各層含水率差距不大，但60 cm深度含水率最高，壤土微潤管40 cm含水率最高，說明重力作用對水分分布影響較大，水分在重力作用下在下方積累。砂土滴灌也是60 cm深度含水率最高，10cm深度最低，砂土微潤管30 cm含水率最高，0 cm含水率最低。黏土中重力對水分分布的影響較小，水分分布主要仍然是土壤影響；壤土、砂土水分分布受重力影響較大，土壤水分在出水孔下部積累，往上運移較少。在同種土壤中，重力作用對滴灌的水分分布影響大于微潤管，因為微潤管流量較小，水分并未達到飽和狀態。

圖14 黏土滴灌不同深度含水率變化曲線

圖15 壤土滴灌不同深度含水率變化曲線

圖16 砂土滴灌不同深度含水率變化曲線

圖17 黏土微潤管不同深度含水率變化曲線

圖18 壤土微潤管不同深度含水率變化曲線

圖19 砂土微潤管不同深度含水率變化曲線

2.5 濕潤鋒運移距離及濕潤比

圖20～圖25為滴灌、微潤管在黏土、壤土、砂土中土壤濕潤鋒也運移位置及濕潤比隨時間變化情況圖。以滴水孔所在深度為中心線，往上為向上濕潤，往下為向下濕潤，水平方向為橫向濕潤。濕潤比為縱向濕潤距離與橫向濕潤距離的比值。

圖20 黏土滴灌濕潤鋒運移距離及濕潤比變化圖

圖21 黏土微潤管濕潤鋒運移距離及濕潤比變化圖

圖22 壤土滴灌濕潤鋒運移距離及濕潤比變化圖

圖23 壤土微潤管濕潤鋒運移距離及濕潤比變化圖

圖24 砂土滴灌濕潤鋒運移距離及濕潤比變化

圖25 砂土微潤管濕潤鋒運移距離及濕潤比變化圖

滴灌與微潤管在黏土中向各個方向濕潤速率均隨時間減緩，橫向運移最快，其次向下，最后為向上運移。滴灌與微潤管向下濕潤比均大于向上濕潤比，向上濕潤比有增大趨勢，向下濕潤比略有減小，滴灌濕潤比向上增大以及向下減小的速率大于微潤管。當土壤為黏土時，灌水后滴灌濕潤比與微潤管濕潤比差距不大，向下濕潤比在0.8附近，向上濕潤比在0.6附近。

當土壤為壤土時，滴灌與微潤管向上以及橫向濕潤速率隨著時間減慢，向下濕潤速率增加。在開始時橫向濕潤距離最大，灌水后向下濕潤距離最大，向上濕潤距離最小。兩種灌溉方式向下濕潤比均大于向下濕潤比，且向上濕潤比隨時間減小，向下濕潤比隨時間增大。滴灌濕潤比與變化幅度均大于微潤管。

當土壤為砂土時，滴灌、微潤管濕潤距離變化情況與在壤土中變化情況一致，濕潤比變化情況也相同，不同的是砂土中濕潤比均比較大，向下濕潤比在灌水后均大于1。

2.6 不同灌溉方式土壤水分分布對比

圖26～圖31為滴灌、微潤管在設計額定灌水流量下濕潤鋒運移以及濕潤范圍情況圖。在設計灌水量下，微潤管與滴灌在黏土中濕潤體大小幾乎一致，濕潤形狀也都是圓形，濕潤寬度35 cm，濕潤深度50 cm，濕潤體剛好到達地面。設計灌水量下，滴灌與微潤管在壤土中濕潤體形狀有所不同，微潤管濕潤體近似為圓形，滴灌濕潤體呈下部略長的橢圓形，濕潤深度范圍為5～55 cm，微潤管濕潤寬度為30 cm，滴灌濕潤寬度較窄為25 cm。在砂土中設計灌水量下，滴灌與微潤管濕潤體形狀差異較大，由于灌水量較小，滴灌濕潤體主要存蓄在土壤中，受重力影響較小，而微潤管灌溉時間較長，砂土持水能力較弱，因此濕潤體為橢圓形，微潤管濕潤體范圍大于滴灌濕潤體，滴灌濕潤深度為10～40 cm，濕潤寬度為20 cm，微潤管濕潤深度為10～50 cm濕潤寬度為25 cm。

圖26 額定水量黏土滴灌濕潤鋒運移

圖27 額定水量黏土微潤管濕潤鋒運移

圖28 額定水量壤土滴灌濕潤鋒運移

圖29 額定水量壤土微潤管濕潤鋒運移

圖30 額定水量砂土滴灌濕潤鋒運移

圖31 額定水量砂土微潤管濕潤鋒運移

3 結 語

(1)滴灌管、微潤管地埋在不同土壤中出流量會有不同程度減小，滴灌管地埋出流量在黏土、壤土、砂土中為地表出流量的67.6%至98.8%，微潤管相應出流量為地表出流量的38.1%至68.2%，微潤管地埋出流影響大于滴灌地埋出流。

(2)黏土中滴灌與微潤管濕潤體為圓形，壤土以及砂土中滴灌、微潤管濕潤體均為下部較大的橢圓形；滴灌為有壓入滲，微潤管為無壓入滲，重力作用對于滴灌影響大于微潤管，滴灌向下入滲現象明顯，在砂土中最為突出。

(3)滴灌、微潤管在三種土壤中濕潤體均為由出水孔往四周含水率降低的趨勢，在濕潤體內部有個較大的區域含水率接近飽和，在濕潤體邊緣含水率急劇下降，滴灌含水率變化坡度大于微潤管，含水率變化坡度黏土>壤土>砂土。

(4)滴灌、微潤管在黏土中含水率最高位置是出水孔所在平面20 cm深度，壤土、砂土最大含水率在出水孔之下，砂土最大含水率深度大于壤土，兩種灌溉方式在壤土、砂土中含水率分布受重力影響較大。

(5)黏土中濕潤體橫向運移速率>向下運移速率>向上運移速率，壤土、砂土中濕潤體向下運移速率>橫向運移速率>向上運移速率，向下濕潤比不斷增加，向上濕潤比減小，砂土壤土向下濕潤比灌水后可大于1。

(6)同灌水量滴灌、微潤管在黏土的濕潤體形狀、大小幾乎一致；在壤土中滴灌濕潤體較微潤管濕潤體濕潤寬度窄、濕潤深度深；在砂土中灌溉為飽和入滲，滴灌濕潤體較小，微潤管灌溉時間較長受重力影響明顯，含水率變化平緩。

(7)按照規范設計灌水量下，壤土濕潤深度0～50 cm，濕潤寬度35 cm; 壤土濕潤深度范圍為5～55 cm，微潤管濕潤寬度30 cm，滴灌濕潤寬度25 cm; 砂土滴灌濕潤深度10～40 cm，濕潤寬度20 cm，砂土微潤管濕潤深度10～50 cm濕潤寬度25 cm。

(8)不同作物、不同土壤地埋灌溉應設置不同埋深、不同灌水量，滴灌與微潤管灌溉均是飽和入滲、滴灌更是有壓入滲，灌溉水分受重力影響分布較大。有效濕潤深度為40 cm的黏土灌水15 L，壤土灌水14.8 L，砂土灌水12.5 L埋深20 cm，有效濕潤深度50 cm黏土灌水31 L，壤土灌水20.7 L，砂土灌水20.8 L，有效濕潤深度大于60 cm可黏土灌水31 L，壤土灌水29 L砂土灌水25 L，埋深20 cm。少量多次灌溉能夠將灌溉水含蓄在地面之下、設計濕潤深度范圍內，減少了地面蒸發與水分下滲，達到節水目的。

(9)根據各種土壤水分運移規律，提出微潤管和滴灌管在廣西山區砂土、壤土的適宜埋深為20 cm，在黏土的適宜埋深為10 cm。

[1] 朱友娟，鄭德明，姜益娟.新疆棉田地下滴灌方式下土壤水分運移變化規律研究[J]，節水灌溉，2007,(5)：17-20.

[2] 趙 曄，李明思. 點源滴灌地表積水區半徑運移模型分析[J]，節水灌溉，2014,(12)：23-26.

[3] 李朝陽，夏建華，王興鵬. 低壓微潤灌灌水均勻性及土壤水分分布特性[J]，節水灌溉，2014,(9)：20-22.

[4] 牛文全，張 俊，張琳琳，等. 埋深與壓力對微潤灌濕潤體水分運移的影響[J]，節水灌溉，2013,(12)：17-20.

[5] 馬金寶，畢建杰，白清俊，等.寬壟溝灌覆膜條件下土壤水分運移初探[J]，節水灌溉，2007,(2)：10-13.

[6] 程東娟，雍 芳，侯毅凱，等.注射灌土壤水分運移分布特性試驗研究[J]，節水灌溉，2012,(3)：19-24.

[7] 李朝陽，夏建華，王興鵬. 低壓微潤灌灌水均勻性及土壤水分分布特性[J]，節水灌溉，2014,(9)：9-12.