不同地面處理下的降雨入滲規(guī)律研究

祝陳夢(mèng)媛，付玉娟，姜國(guó)輝

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866)

土壤水是指從地面向下至地下水含水層以上土壤層中的水分，廣泛分布于陸地表層，是地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的紐帶，又是植物生長(zhǎng)的必要水源[1]。土壤水循環(huán)的過(guò)程是從入滲開始的，國(guó)內(nèi)土壤水入滲的研究始于土壤入滲與其外界因素的影響研究，其后應(yīng)用了大量的入滲方程以及模擬方法，力求將土壤水入滲研究從定性描述轉(zhuǎn)化為定量描述。例如，徐克輝和盛平(1992年)[2]等人應(yīng)用Mein-Larson入滲模型來(lái)模擬上海郊區(qū)低洼旱區(qū)的入滲規(guī)律，為排水模型提供了入滲參數(shù)；陳麗華(1995年)[3]使用philip半解迭代式遞推的方法求解出了黃土林地區(qū)的土壤入滲率理論值，并通過(guò)理論值與實(shí)測(cè)值比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好；趙西寧(2002年)[4]以黃土溝壑地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，結(jié)合達(dá)西公式和kostiakov方程，計(jì)算了不同耕作類型的入滲率，表明等高耕作能大幅提高入滲率；吳欽孝和韓冰(2004年)[5]等人采用“環(huán)刀法”對(duì)森林小流域和草灌小流域土壤水分入滲特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明森林土壤的入滲速率明顯高于草地；孫元元(2006年)[6]為了研究不同土壤在不同恒定降雨入滲條件下的土壤非飽和特性，對(duì)恒定降雨有限含水層深度的土壤在垂直和水平入滲條件下進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)：其非飽和特性值隨含水層的透水性和雨強(qiáng)而變化，透水性越小，雨強(qiáng)越大，則非飽和特征曲線凹形越甚，反之亦然；宇宙，王勇(2015年)[7]為了探索赤峰地區(qū)玉米的最佳滴灌灌溉定額和節(jié)水效果，進(jìn)行的田間試驗(yàn)研究了覆膜滴灌下土壤含水率變化情況，研究表明:膜下滴灌灌溉制度定在灌水5次為最佳，土壤含水率在玉米拔節(jié)期極速升高，在灌漿階段和成熟期土壤含水率維持在較低水平；趙靖丹，李瑞平等(2016年)[8]通過(guò)大田試驗(yàn)研究了有膜滴灌與無(wú)膜滴灌對(duì)玉米土壤水分和溫度的變化，結(jié)果表明:地膜覆蓋條件下的玉米生育前期應(yīng)增加土壤淺層溫度，提高土壤表層含水率，為玉米的生長(zhǎng)發(fā)育提供良好條件。除了建立入滲模型，利用入滲方程研究外，也有不少學(xué)者分析了不同土壤質(zhì)地、耕作植物、耕作方式對(duì)土壤水入滲規(guī)律的影響。隨著膜下滴灌在半干旱區(qū)的大面積推廣，覆膜起壟改變了下墊面狀態(tài)及其田間微地形，勢(shì)必會(huì)影響到土壤水分入滲過(guò)程，為了分析膜下滴灌的覆膜起壟對(duì)降雨入滲過(guò)程的改變以及對(duì)降雨利用程度的影響，試驗(yàn)利用HOBO采集器及土壤含水量探針動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不同下墊面、雨強(qiáng)及初始土壤含水量下不同剖面土壤含水量的變化情況，進(jìn)而對(duì)其入滲規(guī)律進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在遼寧省朝陽(yáng)市建平縣灌溉試驗(yàn)站完成。建平屬于半干旱區(qū)，雨熱同季，全年平均氣溫7.6 ℃，最高氣溫37 ℃，最低氣溫-36.9 ℃，多年平均降水量614.7 mm，多集中在6-8月，多年平均蒸發(fā)量為1 850～2 200 mm，多年平均徑流深50～81 mm。

試驗(yàn)在該試驗(yàn)站測(cè)坑中進(jìn)行，每個(gè)測(cè)坑2 m×2.5 m，深2 m，采用C25鋼筋混凝土澆筑，坑之間用8 mm厚鋼板隔開，鋼板高出地面0.15 m，測(cè)坑中壟溝溝尾設(shè)置排水孔，一旦有徑流產(chǎn)生，立即排出。測(cè)坑上方有遮雨棚可以避免天然降雨對(duì)試驗(yàn)的影響，測(cè)坑內(nèi)的土壤物理特性見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)影響因素，分別為下墊面處理、降雨強(qiáng)度及初始土壤含水量，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，其中下墊面3個(gè)處理分別為覆膜起壟、起壟、平整裸地，降雨強(qiáng)度3個(gè)水平分別為10、20、30 mm/h，初始土壤含水量3個(gè)水平分別為田間持水量的50%、60%及70%。試驗(yàn)為3因素3水平，采用正交方案進(jìn)行實(shí)施，每組試驗(yàn)的影響因素及水平見表2。試驗(yàn)從2015年6月開始，同年9月中旬結(jié)束。

表1 試驗(yàn)地土壤物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)組數(shù)的具體參數(shù)

注：土壤初始含水率控制為田間持水量的百分比。

降雨通過(guò)人工降雨模擬器模擬不同強(qiáng)度的降雨過(guò)程，利用HOBO U30 NRC數(shù)據(jù)采集器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不同深度土壤含水率的變化過(guò)程。在下墊面為平整裸地時(shí)布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)剖面；在覆膜起壟及起壟兩種下墊面情況下，因?yàn)槿霛B過(guò)程是二維入滲，所以布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，用來(lái)監(jiān)測(cè)不同剖面位置的土壤含水量的變化情況。測(cè)坑內(nèi)不同下墊面處理下的土壤含水率探針具體布設(shè)位置見圖1，平整裸地的傳感器布置與覆膜起壟相同。各剖面土壤水分傳感器埋設(shè)深度分別為10、30、50、70、90以及120 cm，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為10 min，從降雨開始到降雨結(jié)束后48 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖1 剖面布置圖(單位：cm)

2 各因素對(duì)降雨入滲過(guò)程影響程度分析

為了分析降雨強(qiáng)度、土壤初始含水率、農(nóng)田下墊面處理對(duì)降雨入滲量的影響程度，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的各剖面的土壤含水量的數(shù)據(jù)，分別選取降雨開始后3、6及12 h的土壤含水量與降雨前的土壤含水量的差值得到各剖面的降雨入滲量。

根據(jù)HOBO數(shù)據(jù)采集器中的含水量數(shù)據(jù)，利用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，得出降雨強(qiáng)度、農(nóng)田下墊面處理以及土壤初始含水率對(duì)降雨入滲量的影響程度。正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表3。

表3 各因素對(duì)降雨入滲量的正交分析結(jié)果(降雨3 h后)

圖2 各因素對(duì)入滲量的影響程度

通過(guò)圖3(a)可以看出，在降雨3 h時(shí)，3個(gè)因素對(duì)降雨入滲量的影響程度分別是：降雨強(qiáng)度>農(nóng)田下墊面處理>田間持水率，降雨強(qiáng)度對(duì)土壤水入滲過(guò)程有顯著影響。在農(nóng)田下墊面處理方式中，平整裸地條件下降雨入滲量最多，起壟條件次之，覆膜起壟條件下最少。覆膜起壟條件下入滲量最小的原因有兩個(gè)方面，首先由于覆膜的不透水作用，透水面大幅減少，導(dǎo)致降雨的入滲通道減少；另外覆膜區(qū)域的降雨會(huì)匯集到不覆膜區(qū)域，間接增加了降雨強(qiáng)度，導(dǎo)致地面產(chǎn)流提前發(fā)生，兩方面原因疊加導(dǎo)致覆膜起壟區(qū)域降雨入滲量最小。起壟條件下，由于壟溝微地形改變的原因，降雨開始后，溝內(nèi)雨水迅速匯集，也會(huì)提前產(chǎn)生徑流，導(dǎo)致土壤入滲量減少。土壤初始含水率對(duì)降雨入滲量的影響相對(duì)最小，土壤初始含水率越低，土壤的儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，土壤中能夠保存的雨量也越多。

在降雨開始后6及12 h的分析結(jié)果與3 h的情況相似，差異是降雨強(qiáng)度對(duì)土壤入滲量的影響略有不同。12 h時(shí)，在30 mm/h雨強(qiáng)的條件下，土壤入滲量增幅有所減緩，推測(cè)其原因是由于在相同的降雨歷時(shí)內(nèi)，30 mm/h的雨強(qiáng)條件使表層土壤更快達(dá)到飽和，導(dǎo)致產(chǎn)流提前發(fā)生，土壤入滲速率下降，所以趨勢(shì)線有所改變。

3 不同下墊面下土壤含水率變化特征分析

覆膜和起壟都會(huì)將降雨過(guò)程由一維入滲轉(zhuǎn)換為二維入滲，因此對(duì)本試驗(yàn)中不同下墊面下的土壤含水量變化特征進(jìn)行分析，由于土壤初始含水率的差異對(duì)降雨入滲過(guò)程影響較小，后面分析不同下墊面對(duì)土壤含水量的變化主要分析下墊面處理及雨強(qiáng)對(duì)入滲過(guò)程的影響。

3.1 平整裸地條件下的垂向含水率變化

為了進(jìn)行對(duì)比分析，首先分析平整裸地下墊面條件下各組試驗(yàn)的土壤含水率變化情況。選取雨前和降雨開始后3、6、12以及24 h的土壤含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；利用3次試驗(yàn)過(guò)程中5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土壤含水率數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示。

觀察上述3個(gè)圖，可以看出在降雨過(guò)程中土壤含水率有明顯的增加，對(duì)于試驗(yàn)A1B1C1和A1B2C2，10 cm處土壤含水率在降雨開始后6 h達(dá)到基本飽和，后期雖有增加，但增幅不大，后面的降雨主要進(jìn)行垂向運(yùn)動(dòng)，從圖3可以清晰看出入滲濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移過(guò)程。A1B3C3試驗(yàn)的雨強(qiáng)為30 mm/h，從降雨開始，各層土壤含水量由上到下快速增加，降雨開始后6 h之后的土壤含水率變化不大。表1中10 cm處的土壤飽和含水率為0.427，對(duì)比圖3(c)可知10 cm處的土壤已經(jīng)達(dá)到飽和含水率，因此含水率不再變化。由降雨開始后24 h的土壤含水量變化情況可以看出，30 cm以上土壤含水率都有明顯減少，這是因?yàn)榻涤觊_始后24 h，降雨已經(jīng)停止一段時(shí)間，一部分水量向下繼續(xù)運(yùn)移使得表層的土壤含水量逐漸減少。另外表層土壤含水量存在一定量的蒸發(fā)，這也是表層土壤含水量減少的另一個(gè)原因。

圖3 A1B1C1、A1B2C2、A1B3C3含水率變化曲線

圖3(a)中90 cm以下的土壤含水率一直沒有變化，主要原因是由于雨強(qiáng)小，雨量少，土壤入滲沒有達(dá)到深層；圖3(b)在降雨開始后6 h，70 cm以下土壤含水率變化不明顯，直到降雨開始后12 h，70 cm以下土壤含水率才開始逐漸增加，說(shuō)明只有在雨量充分的情況下，土壤水才能下滲至深層；在降雨開始后24 h，此時(shí)降雨已經(jīng)結(jié)束12 h，各層土壤含水率都有所減小，說(shuō)明土壤水仍繼續(xù)向120 cm以下入滲，甚至有深層滲漏產(chǎn)生。

圖3(b)與圖3(c)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)試驗(yàn)的降雨歷時(shí)相同，但降雨強(qiáng)度分別為20和30 mm/h，但圖3(c)在90 cm以下的土壤含水率增加不如圖3(b)的明顯，推測(cè)其原因可能是圖6的試驗(yàn)雨強(qiáng)大，土壤表層在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到飽和，提早產(chǎn)流，此時(shí)降雨強(qiáng)度>土壤下滲速率，使得土壤中的入滲量反而減少，這也表明只有在一定范圍內(nèi)，雨強(qiáng)與土壤入滲量呈正相關(guān)。

3.2 不覆膜起壟條件下的垂向含水率變化

不覆膜起壟試驗(yàn)進(jìn)行了3組試驗(yàn)，由于壟溝的集雨作用，除了降雨的垂直入滲之外，還存在水量的側(cè)向運(yùn)移，因此布置了3個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，分別是臺(tái)中、臺(tái)邊和溝中。分別選取A2B3C1、A2B1C2、A2B2C33組試驗(yàn)的3個(gè)監(jiān)測(cè)剖面在雨前、降雨開始后3、6、12及24 h的土壤含水率數(shù)據(jù)，利用這些土壤含水率數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，見圖4～圖6。

圖4 A2B3C1不同含水率變化曲線圖

圖5 A2B1C2不同含水率變化曲線

圖6 A2B2C3不同剖面含水率變化曲線

首先分析A2B3C13個(gè)剖面的土壤含水量隨著降雨入滲的變化過(guò)程。對(duì)比上述3個(gè)圖的差異，在3 h時(shí)，溝中的含水量增幅最大，臺(tái)中次之，臺(tái)邊最少。分析其主要原因，臺(tái)邊由于坡度的影響，雨量會(huì)有不同程度向溝中匯集的過(guò)程，因此臺(tái)邊最小，溝中最大，臺(tái)中是正常的垂直入滲過(guò)程，不受壟溝邊皮坡度影響。其后其他時(shí)間的土壤含水量變化趨勢(shì)基本與3 h一致，都有不同程度的增加，但都顯示其增加幅度為溝中>臺(tái)中>臺(tái)邊。由此可以看出壟溝有明顯的匯集降雨的作用。

試驗(yàn)A2B1C2與A2B3C1相比，降雨強(qiáng)度由10 mm/h增加到20 mm/h，分析3個(gè)土壤含水量變化圖5可知，隨著雨強(qiáng)的增加，土壤水分運(yùn)移的過(guò)程及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移更加明顯。3個(gè)剖面進(jìn)行對(duì)比可以看出它們的土壤含水量的增加趨勢(shì)基本一致，但土壤含水量的增幅明顯不同。在3 h時(shí)，土壤含水量增幅變化由大到小分別為溝中、臺(tái)中和臺(tái)邊。到6 h及其以后，土壤含水量增幅由大到小變?yōu)闇现小⑴_(tái)邊、臺(tái)中，分析原因主要是由于本次降雨雨強(qiáng)較大，壟溝的集雨作用不僅使溝中剖面的土壤含水量增加最大，也使得臺(tái)邊剖面由于水分的側(cè)向運(yùn)移得到了一定的補(bǔ)給，因此導(dǎo)致后期臺(tái)邊含水量增幅大于臺(tái)中。

對(duì)于A2B2C3試驗(yàn)，降雨強(qiáng)度增加到30 mm/h，對(duì)比A2B2C3試驗(yàn)3個(gè)剖面的土壤含水量的變化過(guò)程，不論是土壤含水量的增加過(guò)程還是增加幅度，都顯示極強(qiáng)的一致性，由此可以看出，在雨強(qiáng)及雨量足夠大以后，壟溝的集雨作用不再顯著。

通過(guò)上述分析可以看出，在起壟下墊面處理下，雨強(qiáng)對(duì)壟溝的集雨作用有明顯的影響，在雨強(qiáng)很小時(shí)，即使在臺(tái)邊也沒有微徑流的產(chǎn)生，壟溝的集雨作用基本沒有；雨強(qiáng)小幅增加以后，臺(tái)邊會(huì)有少量的微徑流，壟溝的集雨作用開始顯現(xiàn)，溝中的入滲量明顯大于其他剖面，但由于雨強(qiáng)還不夠大，溝中雨量增幅不足以進(jìn)行明顯的側(cè)向運(yùn)移，因此也不能通過(guò)溝內(nèi)的雨水補(bǔ)給其他剖面；如果雨強(qiáng)繼續(xù)增大，壟溝集雨量大幅增加，不僅可以增加溝內(nèi)的垂直入滲，也可以側(cè)向補(bǔ)給臺(tái)邊剖面下方的土壤；當(dāng)雨量繼續(xù)增加，整個(gè)田間都有積水時(shí)，壟溝的集雨作用會(huì)得到削弱，各個(gè)剖面的降雨入滲量差異不明顯。

3.3 覆膜起壟下墊面處理的垂向含水率變化

覆膜起壟下墊面對(duì)應(yīng)的3組試驗(yàn)分別是A3B2C1、A3B3C2和A3B1C3，3個(gè)監(jiān)測(cè)剖面分別是溝中、膜邊和膜中。同樣利用不同剖面監(jiān)測(cè)的雨前及雨后土壤含水量繪制散點(diǎn)圖，見圖7～圖9，來(lái)分析土壤水的運(yùn)移情況。

A3B2C1試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為10 mm/h，分析該組實(shí)驗(yàn)3個(gè)剖面的土壤含水量變化過(guò)程。在降雨開始3 h時(shí)，膜邊及溝中的土壤含水量在30 cm以上的范圍都有增加，其中膜邊增幅最大；降雨開始6 h后，膜中剖面的表層土壤含水量才有小幅增加，其他2個(gè)剖面土壤含水量有顯著增加；24 h時(shí)，3個(gè)剖面土壤含水量分布趨勢(shì)的大小基本一致，即3個(gè)剖面的土壤含水量分布基本達(dá)到一致化。由此可以看出該組試驗(yàn)在初級(jí)階段由于膜上水分的匯集，膜邊的土壤含水量增加最快，隨著時(shí)間的推移，膜邊的土壤含水量不僅向下運(yùn)移，也向膜中進(jìn)行側(cè)向的水平運(yùn)移，到24 h時(shí)各剖面達(dá)到一致。

圖7 A3B2C1不同剖面含水率變化曲線

圖8 A3B3C2不同剖面含水率變化曲線圖

圖9 A3B1C3不同剖面含水率變化曲線圖

A3B3C2試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為20 mm/h，由于雨強(qiáng)的增加，各剖面的降雨入滲過(guò)程有一定的不同。3 h時(shí)，溝中及膜邊土壤含水量已經(jīng)開始增加，溝中增幅最大，膜中土壤含水量沒有變化；6 h時(shí)也是溝中的土壤含水量增幅最大，膜邊次之，膜中也有一定程度的增加，其后此趨勢(shì)一直延續(xù)；到24 h時(shí)，各剖面土壤水分經(jīng)過(guò)垂向運(yùn)移和水平運(yùn)移基本達(dá)到一致。

對(duì)于試驗(yàn)A3B1C3，該組試驗(yàn)的雨強(qiáng)提高到30 mm/h，降雨開始3 h時(shí)，各剖面的土壤含水量的變化趨勢(shì)及增量都基本一致，3個(gè)剖面沒有明顯差異，且這種一致性延續(xù)到12 h；12 h后，膜邊及膜中的土壤含水量變化趨勢(shì)基本一致，但溝中部分的雨水由于不直接進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移以補(bǔ)充膜中區(qū)域的含水量，因此溝中的土壤含水量最高。

通過(guò)覆膜起壟下墊面的3組試驗(yàn)分析可以看出，不同的降雨條件下，覆膜及起壟對(duì)降雨入滲過(guò)程的影響也不同。在雨強(qiáng)很小時(shí)，由于膜的不透水作用，膜上雨量會(huì)運(yùn)移到膜邊進(jìn)行入滲；雨強(qiáng)稍微增加后，膜上水分除了向膜邊匯流外，還會(huì)向溝中匯集，膜邊的雨水通過(guò)側(cè)向運(yùn)移到達(dá)膜中，因此溝中的降雨入滲量總體最高；隨著雨強(qiáng)的持續(xù)增加，膜的不透水作用繼續(xù)存在，而壟溝的集雨作用則不再顯著，覆膜一方面導(dǎo)致膜上水分向膜邊及溝中匯集，另一方面，膜邊的水分會(huì)向膜中下方土壤做水平運(yùn)移，土壤水分的二維入滲過(guò)程更加顯著，該過(guò)程一直持續(xù)到3個(gè)剖面土壤含水量差異不大。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了分析滴灌的覆膜及起壟對(duì)降雨入滲過(guò)程的影響，本文開展了不同下墊面處理下的人工降雨測(cè)坑土壤水分變化監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論。

(1)下墊面處理、降雨強(qiáng)度及初始土壤含水率3個(gè)影響因素對(duì)降雨入滲量的影響從大到小分別為降雨強(qiáng)度、下墊面處理及初始土壤含水率。在降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，入滲量最大，當(dāng)降雨強(qiáng)度繼續(xù)增加至30 mm/h時(shí)，淺層土壤含水量迅速達(dá)到飽和，地表徑流很快發(fā)生，導(dǎo)致入滲量減小。土壤初始含水率對(duì)不同下墊面的降雨入滲特征影響不顯著。

(2)在起壟條件下，降雨強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)時(shí)，壟溝的集雨作用隨著雨強(qiáng)的增加而增加，降雨的二維入滲過(guò)程比較明顯；但雨強(qiáng)達(dá)到30 mm/h時(shí)，壟溝的集雨作用則不再顯著。

(3)在起壟及覆膜起壟條件下，在一定的雨強(qiáng)范圍內(nèi)，膜上水分由于膜的不透水作用及壟溝的集雨作用，分別是膜邊和溝中的降雨入滲量最大；雨強(qiáng)繼續(xù)增加時(shí)，壟溝的集雨作用被削弱，但膜的匯流作用仍然存在，覆膜區(qū)域下方的土壤水分都是通過(guò)膜邊的土壤水分經(jīng)過(guò)側(cè)向運(yùn)移達(dá)到，土壤水分的二維入滲過(guò)程十分顯著。

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