微潤交替灌溉下管埋深對土壤水分入滲的影響

尹玉娟，申麗霞，郭英姿，張春一

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西水務工程建設監理有限公司，太原 030024)

0　引　言

微潤交替灌溉是一種高效的節水灌溉技術，該技術將交替灌溉和微潤灌溉結合起來，既發揮交替灌溉的控水性，又發揮微潤灌溉的連續性，達到高效灌溉的目的。微潤管既是輸水管道，也是滲水管道，管壁滲水利用半透膜原理，只允許水分子、離子等小分子通過。滲水的動力為微潤管內外水勢差[1]，微潤管內部水勢高于外部土壤水勢，從而驅使水分子透過微潤管壁向外擴散。與滴灌相比，微潤灌溉具有節水效果明顯、運行成本低、抗堵塞性等優點[2,3]，適宜旱區作物的用水需求。

樊曉康等[4]研究表明涌泉根灌柱體入滲的土壤濕潤體垂直向下入滲距離和水平擴散半徑受灌水器埋深的影響，在同一時刻，灌水器埋深越大，垂直方向和水平方向濕潤距離越小。牛文全等[5]研究表明埋深對微潤灌土壤累計入滲量和入滲率具有明顯的作用，微潤帶埋深顯著影響土壤濕潤體的形狀，濕潤鋒水平運移距離與寬深比γ均隨埋深的增大而減小，垂直運移距離隨埋深的增大而略微增大，土壤累計入滲量與埋深呈負相關關系。莊千燕等[6]研究認為在高羊茅草坪種植中，灌水器埋放于地表下15 cm較為合理，在每個滴頭附近，根系密度和重量都明顯變大，埋深較大時，易造成水資源浪費。李道西等[7]通過砂壤土模擬試驗認為滴頭埋深是影響地下滴灌土壤水分分布的重要參數。任杰等[8]研究認為在流量和灌水量一定的情況下，無論是在水平方向還是垂直方向上，隨著毛管埋深的增加，濕潤鋒運移的速度減慢，且濕潤鋒在垂直方向和水平方向的運移距離也隨著埋深的增大而減小。馬孝義等[9]研究表明在簡易地下滴灌條件下，管道埋深對出水量及灌水時間、沿管長方向的灌水均勻度、土壤水分入滲有顯著影響，入滲寬度隨埋深的減小而增大。埋深小時深層滲漏小。關于普通微潤灌溉土壤水分入滲特征已有一定的研究，但對于微潤交替灌溉的土壤水分入滲特征的研究鮮少。本試驗設置不同的微潤管埋深(15、20 cm)，研究不同埋深下的土壤水分累計入滲量，土壤含水率及濕潤鋒運移距離等指標，為微潤交替灌溉確定合理的微潤管埋深提供參考。

1　材料與方法

1.1　供試土樣

供試土樣取自山西省太原市尖草坪區芮城村，試驗中經過一定的處理，將土樣曬干，碾壓后混合均勻，并通過孔徑為2 mm的篩備用。通過MS 2000型激光分析粒度儀對土樣進行測定分析，試驗所選取的土壤為黏壤土，對應容重為1.25 g/cm3，初始含水率為1.44%。其中顆粒粒徑分布如下：顆粒粒徑為0.02

1.2　試驗裝置

試驗裝置由土箱和供水、輸水裝置組成，如圖1所示。土箱由厚度為10 mm的有機玻璃板制成，土箱尺寸為100 cm×40 cm×40 cm(長×寬×高)，在40 cm×40 cm的有機玻璃板面上，距底板高度20 cm，距兩邊5 cm處對稱鉆兩孔，孔間距為30 cm，孔徑為18 mm。主要供水裝置為馬氏瓶，馬氏瓶是內徑為10 cm的空心圓柱體，內部裝水，頂部由穿有玻璃管的橡膠塞塞住，玻璃管底部液面為大氣壓，且玻璃管內液面高度保持不變，以保持壓力水頭恒定。輸水裝置由連接馬氏瓶的PE管(直徑為16 mm)和微潤管(直徑為16 mm)組成，兩種管之間由直通閥門連接。

圖1　試驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of test arrangement

1.3　試驗方法及測定內容

為研究微潤管在不同埋深下土壤水分運移的情況，設置微潤管埋深為15和20 cm，壓力水頭為150 cm，土壤容重為1.25 g/cm3。將土樣按5 cm厚度分層裝入土箱，并稍加振搗。交替周期為12 d，前6 d開L管，關閉R管，后6 d開R管，關閉L管，試驗持續一個周期，每組試驗重復3次。

試驗過程中，定時記錄馬氏瓶水柱高度，微潤管周圍形成的濕潤體的輪廓及濕潤鋒運移距離，試驗前12 h內每2 h記錄一次，24～36 h間，每4 h記錄一次，48 h后每6 h記錄一次，夜間間隔12 h記錄，同時每天記錄a區(距土箱邊沿10 cm，記為左側L)、c區(距土箱邊沿20 cm處，記為土箱中部)、b區(距土箱邊沿30 cm，記為右側R)的土壤含水率的變化，取土深度為30 cm，其中土壤含水率測定方法采用烘干法。

2　結果與分析

2.1　不同微潤管埋深對累計入滲量的影響

圖2顯示了兩種不同埋深下兩根微潤管交替打開后累計入滲量隨時間的變化。由圖2可以看出，L側、R側的累計入滲量均隨時間呈線性遞增的趨勢，埋深15 cm時的累計入滲量均高于埋深20 cm時的累計入滲量，分別高11.33%和13.57%，這是由于在壓力水頭相同的情況下，微潤管內外的水勢差成為水分入滲的動力，在容重為1.25 g/cm3時，土較松散，埋深為20 cm處的土層壓力可能比埋深為15 cm處的大，土粒間空隙較小，保水性較強。通過線性擬合可知，在本試驗條件下水分累計入滲量是關于時間的線性遞增函數，其中，埋深為15 cm時，L側、R側累計入滲量與時間的趨勢線相關系數分別為0.998 9、0.997 2，埋深為20 cm時，L側、R側累計入滲量與時間的趨勢線相關系數分別為0.997 3、0.994 7，可見相關性顯著。

圖2　累計入滲量隨時間的變化情況Fig.2 The change trend of cumulative infiltration rate of soil moisture with time

2.2　不同微潤管埋深下土壤含水率變化

圖3顯示了不同埋深下不同區域的土壤含水率，圖3中a區土壤含水率的變化可以看出，埋深為15 cm時的土壤含水率遠遠高于埋深為20 cm時的土壤含水率，試驗前6 d，L側微潤管打開，埋深為15和20 cm的土壤含水率均快速增加，試驗第7 d起，L側微潤管關閉，R側微潤管打開，濕潤體沒有水分子繼續供給，外側含水率低的土體對毛管水的吸力使得水分子由梯度高的一側向梯度低的一側不斷擴散，導致埋深15和20 cm的土壤含水率均逐漸減少。

c區的土壤含水率的變化較不穩定，當埋深為15 cm時，試驗前5 d，土壤含水率處于較平穩的水平，第6天濕潤鋒擴散到中間，則土壤含水率增加，當第7 d關閉L管，開啟R管，由于微潤管中存的部分水仍在滲出，土壤含水率持續增大，第9 d測定時，L側水分入滲減弱，R側水分還未滲至中間，因此測得的土壤含水率減小，第10 d后，R側水分入滲接觸到L側濕潤體，繼續入滲，使得中間土壤含水率增加。埋深為20 cm時，試驗前6 d，L側濕潤體未滲到中間，因此土壤含水率較低，且保持穩定，待第7 d，濕潤鋒持續滲入到中間，土壤含水率稍微有所增加，R側水分未滲到中間，因此含水率又逐漸減小。

就b區土壤含水率隨時間的變化而言，試驗前6 d未開啟R管，因此兩種埋深下含水率均保持穩定，R管開啟后，兩種埋深下b區的土壤含水率均增加，且埋深為15 cm的處理的土粒之間的壓力較小，空隙較大，對毛管水束縛小，水分擴散較快，因此埋深15 cm的土壤含水率比埋深20 cm的土壤含水率增加的快。

圖3　土壤含水率隨時間的變化情況Fig.3 The change trend of soil moisture content of three area with time

2.3　不同微潤管埋深下濕潤鋒隨時間的運移距離

圖4顯示了兩種不同埋深下L側和R側水平方向、垂直向上方向及垂直向下方向的濕潤鋒隨時間運移情況，其中，(a)、(b)、(c)為L側的濕潤鋒的運移情況，(d) 、(e)、 (f)為R側的濕潤鋒的運移情況。由圖4可以看出，埋深15 cm和埋深20 cm時在水平方向和垂直方向的濕潤鋒運移距離隨時間的變化均呈拋物線狀，在試驗前期增長較快，之后逐漸減慢并趨于平穩。由(a)、(b)、(c)三圖可以看出，埋深為15 cm時，水平方向、垂直向上方向及垂直向下方向濕潤鋒運移距離均大于埋深為20 cm時的運移距離，因為埋深為20 cm的土粒之間空隙小，對土粒之間的毛管水的吸力較強，毛管水不易擴散，因此，運移距離小，說明埋深對土壤水分運移有一定的影響。同時，埋深為15 cm和埋深為20 cm的處理的在三個方向上運移距離相差均較小，均介于0.5～2.9 cm，由于土壤容重為1.25 g/cm3，土壤松散，埋深為20 cm時的土粒之間的壓力與埋深為15 cm時相差不大，因此在管間距、壓力水頭等條件相同的情況下，埋深對對土壤水分運移的影響不大。由(d) 、(e)、 (f)三圖也可以得出相同的結論，埋深對水分運移有一定的影響，但影響不大。

對濕潤鋒運移距離和時間進行擬合，發現水平方向和垂直方向濕潤鋒運移距離與時間的擬合關系符合冪函數的公式：S=atb，表1、表2顯示了L側、R側濕潤鋒運移距離X、Y+及Y-與時間t的擬合結果。各擬合結果中a、b值差距不大，說明各方向運移距離隨時間的變化趨勢一致。對各擬合冪函數進行求導，結果為單調遞減函數，即原冪函數的斜率逐漸減小，濕潤鋒運移的速率也逐漸減小，各趨勢線的走向符合圖4。R2均大于0.99，說明L側、R側濕潤鋒運移距離X、Y+及Y-與時間t的擬合結果具有顯著的相關性。

2.4　不同微潤管埋深對濕潤體形狀的影響

圖5顯示了不同埋深下形成的濕潤體的形狀隨時間的變化情況，由圖5，在微潤管間距為30 cm，壓力水頭為150 cm，土壤容重為1.25 g/cm3，交替周期為12 d，埋深為15 cm及埋深為20 cm時，微潤灌溉形成的濕潤體都為以微潤管為中心的近似圓形。埋深為15 cm時兩側微潤管產生的水平方向的濕潤鋒運移距離大于15 cm，則形成的濕潤體最終交匯，土體中間的土壤含水率上升，且土體表層已經濕潤，埋深為20 cm時兩側微潤管產生的濕潤鋒水平運移距離小于15 cm，則形成的濕潤體未相交，且土體表層也未濕潤。通過兩種埋深下垂直濕潤鋒運移距離的對比，可知無論是L側，還是R側，埋深15 cm時形成的濕潤體均比埋深20 cm形成的濕潤體大，說明埋深為15 cm時水分入滲較埋深為20 cm時快。

圖4　濕潤鋒運移距離隨時間變化情況Fig.4 The change trend of wetting front migration distance with time

微潤管埋深/cmX/cmabR2Y+/cmabR2Y-/cmabR2151．38170．46330．99901．57990．45250．99541．57560．44380．9940200．99430．51930．99721．29740．51930．99561．32300．47120．9958

表2　R側濕潤鋒運移距離隨時間變化的擬合情況Tab.2 The fitting situation of wetting front migration distance with time of R side

圖5　不同微潤管埋深下濕潤體形狀Fig.5 The shape of the wetting body of different buried depth ofmoistubes

3　結　語

為研究微潤交替灌溉中微潤管中水分入滲情況，本試驗在室內土箱中進行試驗，設定土壤容重、壓力水頭、微潤管間距及交替周期一致，微潤管埋深不同的兩組試驗，對比分析不同埋深下水分入滲及濕潤體隨時間的變化，得出以下結論：

(1)就累計入滲量而言，交替微潤灌溉L側、R側的累計入滲量均隨時間呈線性遞增的趨勢，且埋深15 cm時的累計入滲量高于埋深20 cm時累計入滲量。

(2)微潤交替灌溉條件下，埋深為15 cm時土壤含水率均大于埋深為20 cm的土壤含水率，埋深15 cm時產生的濕潤體交匯至土體中部，含水率變化較復雜。

(3)就濕潤鋒運移距離而言，埋深15 cm時濕潤鋒在水平方向、垂直向上及垂直向下方向運移的距離均大于埋深20 cm時濕潤鋒的運移距離，介于0.5～2.9 cm之間，差距較小，說明埋深對濕潤鋒運移有影響但不顯著。濕潤鋒運移距離與時間的擬合結果為良好的冪函數關系，且兩者之間具有顯著的相關性。

(4)通過對不同埋深下產生的濕潤體的形狀進行對比，說明埋深為15 cm時形成的濕潤體截面積較埋深20 cm時大，進一步證實在相同的入滲時間內，埋深15 cm時水分入滲較埋深20 cm時快。

參考文獻：

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