微潤灌水器土壤水分測試方法及測試試驗結果探析

郭向東

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

滴灌技術的進步伴隨著滴灌灌水器的發展，經歷了由初級到高級、由落后到先進的發展進程，滴灌灌水器是實現有壓水均勻出流的主要功能部件，滴灌系統的質量直接取決于灌水器滴頭的性能[1]。因此，滴頭通常被稱為灌水器的心臟，是滴灌系統最重要的組成部分之一。滴灌系統本身需要高質量的灌溉水質，如果使用不當，極容易造成滴灌系統堵塞，一旦堵塞，很難清理，導致滴灌管道廢棄，造成滴灌系統使用壽命縮短，變相增加了田間灌溉投資，直接影響農民經濟收入。滴灌是一項復雜而先進的節水灌溉技術，只有充分考慮所有影響因素，特別是在設計中考慮水質，做好系統的管理、運行和維護，滴灌系統才能正常運行[1]。

1 土壤水分測試方法

1.1 試驗區概述

以朝陽市建平縣要道吐村為例，太平莊鄉要道吐村位于建平縣中西部，老哈河東岸，境內地勢平坦、土質肥沃、交通便利，地下水為第四紀孔隙潛水區，地下水埋深25m，含水層厚20m，含水層巖性為中粗砂砂礫層。水質良好，為重碳酸鈣鈉型，礦化度小于0.5g/L，無機質含量粒徑一般在100μm左右，適宜灌溉。

1.2 試驗土壤選取

土壤為層狀土壤結構，該地塊粗粒土含量為65.0%，土壤深度為0～40cm，明顯高于一般田間土粗粒含量，該層土壤為砂壤土，而在深度為40～100cm粗粒組含量明顯下降，該層屬于壤土，因此，土壤深度35～40cm是土壤質量變化的界面，對土壤水分入滲速率有一定的影響[1]。通過土壤顆粒分析可知，原狀土壤顆粒組成見表1。

表1 原狀土壤顆粒組成表

初始土壤含水量隨深度變化，各土層的飽和導水率及容重也不盡相同，該區土壤容重較高，主要是由于土壤含砂量高，屬于開墾地，表層土壓實，表層土容重特別高，土壤深度為40～60cm時的導水率明顯降低。相關特性見表2。

表2 土壤水分相關特性及容重表

1.3 試驗方法

試驗水源分2個小區設置試驗，小區一輸水毛管長度450cm，灌水器數量7，灌水器間距60cm，測試灌水開始后0.25、0.5、1、2、4h及停水24、48h共7個時間節點濕潤鋒運移距離及濕潤體含水率分布[2]；小區二輸水毛管長度150cm，灌水器數量5，灌水器間距為30cm，持續灌水，直至地表濕潤體寬度不再增加，測試此過程中地表首次出現濕潤點T1、濕潤體寬度不再變化T2及停水后T3共3個時間點濕潤鋒運移距離、濕潤體含水率分布及累積灌水量等特性。

通過觀察水箱在一定時間內的出水容積來測量灌水器的流量，通過肉眼觀察和比較濕鋒邊界含水量來確定濕鋒的運移距離[2]；挖掘土壤剖面測量濕潤體含水量，為了減少誤差，開挖時間很短，沿灌溉方向和垂直輸水毛細管在固定時間點快速取土，按預先設定的網格距離取土樣時，立即將土樣放入鋁箱稱重，用干燥法得到網格節點處的土壤含水量。

2 測試試驗結果

2.1 入滲流量變化

在試驗期間，灌水器累計灌水時間為一個月，即720h，期間共停水2次。第一次停水主要研究入滲初期截流后的流量如何變化，第二次是研究農田排水量減少與灌水器堵塞程度的關系[3]。由試驗可知，田間流量隨灌溉時間的變化如下：在0～4h內，灌水器流量由1.64L/h下降到1.60L/h，隨后再下降到0.30L/h；停水48h后，觀察到水分又被重新分配，并在重新灌水8h之后，初始流量逐漸增大，然后從1.541L/h降至0.301L/h；停水10d以后，其初始流量為0.22L/h，隨著灌水時間的延長，流量繼續下降，當灌水為360h時，灌水流量達到最小值為0.02L/h，流量始終保持在較低水平范圍內，即0.02～0.15L/h。

灌水器流量的變化主要是由于灌水器的特性和堵塞造成的，當灌水器在埋置條件下運行時，灌水器的流量受這2個因素和土壤條件的影響[3]，而初始含水率、容重、飽和導水率均會影響灌水器出流量，所以，灌水器埋入地下時流量略有下降，但此影響因素主要體現在入滲初期較短時間內，且下降幅度不會很大。試驗中，灌水器在使用一段時間后流量急劇下降，主要原因是灌水器導水芯纖維膨脹。

2.2 土壤水分入滲特性

2.2.1濕潤鋒隨時間變化特點

濕潤鋒在0.25、0.5、1、2、4h灌水及在24和48h停水的情況下，7個時間點的水平和垂直移動距離如圖1—2所示。

圖1 垂直方向濕潤鋒運移距離隨時間變化

圖2 水平方向濕潤鋒運移距離隨時間變化

由圖1—2可以看出，濕潤峰運移距離與入滲時間之間具有良好的對數函數關系，在灌溉開始時，濕潤峰的運移距離相對較大；當灌溉進行4h后，濕潤峰運行速度逐漸減慢，其濕潤峰在不同方向的變化特征如下。

灌溉4h內，濕潤鋒橫向和縱向運移距離較長，垂直向上運移距離最大，垂直向下運移距離較小，這可能是由于在入滲開始階段，水分運移主要受土壤基質勢的影響，導致濕潤鋒的入滲速率較快，運移距離迅速增大，然而，在35～60cm深度范圍內的土壤是黃土，35～40cm深度處土壤界面的快速變化對入滲有影響。

試驗表明，土壤條件、初始含水率、容重、飽和導水率均會影響水分入滲速率，容重越大，孔隙率越小，入滲能力越弱[4]。當灌水器出流速率大于土壤入滲速率時，實際入滲速率為灌水器出流速率。反之，實際入滲速率就是土壤入滲速率，與灌水器實際出流量無關。在入滲初期，土壤水分擴散主要是基質勢影響，隨著入滲量的累積，顆粒孔隙逐步被填滿，濕潤體內含水率升高，其擴散將受到重力作用影響，入滲能力將逐漸減弱。在土壤中，灌水器周邊區域入滲情況還受飽和濕潤區影響，而砂土無此因素，砂質土壤的這一作用更為顯著[5]。當土壤空間結構發生變異，即存在層狀土壤結構時，在土質變化界面會產生阻水作用，導致水分向上和橫向運移速率加大。但當界面水分積累到一定程度，依然會沖破此阻礙，繼續下滲。而當灌水器出流量過大時，可能會引起深層滲漏。當灌水器流量較小時，土壤條件的影響程度將非常顯著，大于供水壓力水頭和水力特性變化的影響。

2.2.2土壤水分前期分布變化特點

在0～0.25h內，灌水器的出流量為1.60L/h，低于室內1.651L/h的流量，水分的輸送主要與出口壓力和導水芯形狀有關，濕潤鋒的距離為1.5～3cm，整個濕潤體較低，土壤條件對水的輸送沒有產生影響[5]。

在0.25～0.5h期間，土壤開始影響水分的輸送，隨著灌水器的堵塞和土壤擴散的抑制，出水流量逐漸下降到0.814L/h，濕潤鋒的垂直向上和左右運移距離接近5cm，垂直向下移動距離為3.1cm。

在0.5～1h期間，出流量降至0.79L/h，濕潤鋒的水平移動距離為6.72cm，垂直向上移動距離為6.9cm，垂直向下移動距離為3.2cm，其原因是在35～40cm的深度形成了一個快速變化的土壤界面，這對水的滲透規律產生了影響。

在1～2h期間，出流量降至0.496L/h，濕潤鋒的水平運移距離為8cm，垂直向上運移距離為8.4cm，垂直向下運移距離僅為3.3cm，這仍然是由于30～40cm土壤界面快速變化對入滲規律的影響。

在2～4h期間，流量降至0.311L/h，濕潤鋒水平運移距離12cm，垂直上升距離12cm，垂直下降距離僅3.3cm。這仍然是由于30～40cm土壤界面的快速變化對水滲透的影響。

在停水24h以后，濕潤鋒水平移動距離12.9cm，垂直向上距離17.5cm，垂直向下距離3.46cm，略有增加，可以看出，在土壤基質勢的作用下，孔隙水含量在降低，水分繼續擴散，這是由于停水后水擴散的結果。

在停水48h后，濕潤鋒水平移動距離為15.4cm，垂直向上移動距離為18.6cm，垂直向下移動距離為4.1cm，增加并不明顯，水繼續擴散，中部地區的含水量為17.4%，仍在繼續下降[5]。

2.2.3表層濕潤特性

試驗表明，灌溉開始時，濕潤鋒迅速上升，4h內達到12cm，然后緩慢上升，結果表明，濕潤鋒在320h后向地下移動6cm，然后緩慢移動，258h后才逐漸到達地表[5]，這表明從地表滲透的過程是非常緩慢的。由此可見，表層土是壓實的，這將大大影響透水率(如圖3所示)。

地表后寬度隨時間變化規律如圖4所示。由圖4可以看出，577h時，濕點首次出現，寬度約10cm，此后，寬度逐漸增加，但速度略有下降，當最終寬度增加到100cm，且連續2d沒有增加時，說明此時水主要垂直向下遷移，停水24h后增至105cm，連續停水24h后便不再增加，說明停水有利于水的橫向擴散。相應地，累積入滲量由577h顯著增加到720h，但是，在穩定流區，流量逐漸減小，流速由最高值逐漸減小，可以看出，表面濕潤體的加寬過程增加了水的入滲速率，而增加的速度則在逐漸減小[6]。

圖3 濕潤鋒上移距離地表濕潤寬度隨時間變化規律

圖4 地表后寬度隨時間變化規律

2.2.4土壤水分空間分布

當第一個濕點T1(t=577h，d=10cm，點狀，不連續)時，灌水器的流量為0.192L/h，是流量穩定區的最大流量[7]。當濕潤鋒前沿到達地表時，濕潤體的寬度為10cm，地下5cm處濕潤體的寬度為60cm，地下10cm處濕潤體的寬度為80cm，地下50cm處濕潤體的寬度為85cm[7]，濕潤體的深度為68cm。由于入滲初期濕潤鋒向上移動，但當土質變化界面處含水率上升到一定程度后，水分將下滲。由于在這30cm的土層中水分入滲速率較小，客觀上還起到了一定保水作用，出現了如含水率0.22等值線所示的保水區。

當t=625h時，灌水器流量為0.146L/h，地表濕潤體的寬度為60cm，地下5cm處地表濕潤體的寬度為100cm，地下10cm處濕潤體的寬度為105cm，地下50cm處濕潤體的寬度為116cm。當濕潤體深度為70cm時，地表橫向移動距離明顯增大，但地下移動距離增量不明顯，含水率為0.22的持水面積擴大，但速度略有下降。

當t=720h時，灌水器的流量為0.085L/h，地表濕潤體寬度為100cm，地下5cm處濕潤體寬度為121cm，地下10cm處濕潤體寬度為125cm，地下50cm處濕潤體寬度為141cm，水平運動距離繼續增大，不同深度之間的水平距離差減小，結果表明，該階段水的運動主要是滲透，這也是地表潤濕體寬度不發生變化的原因。濕潤體深度為75cm[7]，但由于其含水量較低，相當于該深度的初始土壤含水量，無明顯深部滲漏，與灌水器流量低有關。

當濕潤鋒向上移動到距地表1～6cm時，很難突破地表，地表以下土壤濕潤體的寬度不斷增加[8]，因此，當地表出現濕潤點時，地表以下的土壤已經開始濕潤，濕潤體的寬度比地表大得多。種子的埋深一般為5～10cm，為了解層狀土壤中濕潤體的寬度，觀測了5、10、50cm地下濕潤體的寬度，同時，觀測地下80cm處的含水量，了解滲水深度及是否有局部滲漏現象發生，結果見表3。

表3 微潤灌水器向地表灌溉試驗結果

3 結語

運移距離與入滲時間之間存在較好的對數函數關系，在灌溉初期，水平和垂直方向的濕潤鋒運移速率較大，運移距離相對較長，垂直向下運移距離較小，運移速率較小[9]。停水48h后，濕潤鋒在水平和垂直方向趨于穩定，即濕化中心的含水量趨于均勻，當濕潤鋒向上移動到離地面1～5cm處時[10]，很難突破地面，當濕潤點出現在地表時，地表以下土壤的濕潤寬度要比地表大得多。