坡度與滴頭間距對砂壤土地下滴灌水分運移影響研究

中圖分類號：S157.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0246-1

Abstract：Toinvestigate theefectsof slopeandemiter spacingonthemovementof soil water insubsurface drip irrigationof sandy loam，a two-dimensional soil water movement model was constructed，which was solved using the HYDRUS—2Dsoftwareandvalidatedwith soil boxexperiments.Thestudyanalyzedthedynamicchangesof infiltration Wetingfronts，thedistributionof watercontentintheweted body，andthevariationinirigationuniformityunderthree slope conditions （ 15^° ， 30^° ， 45^° ），three emitter spacings （0.2m， 0.25m， 0.3m） ，and three initial water content levels （0.183cm³/cm³ ， 0.218cm³/cm³ ， 0.363cm³/cm³ ）．Results indicated that：Under slope influence，the wetting front tends to move downhill；Increasing emiter spacing reduces therate of wetting front movement，with an optimal spacing of 0.25m ； Higher initial water content leads to more iregular weting front shapes；Soil water content slightly decreases along theslopedirection，whileremaining relativelystableinthevertical direction，making pressure-compensatingemiters suitable for slopedsubsurface drip irigation systems； Irrigationuniformity exceeds O.9.Varianceanalysis showed that initial water content has the most significant impact on soil water content.

Keywords：sloeecologicalrestoration；subsurfacedrip irigation；slope；emiter spacing；watertransportcharacteristics; sandy loam soil

0 引言

隨著我國經濟快速發展，眾多水利、道橋工程等基礎設施興建，并伴隨大量邊坡開挖，尤其對于高陡邊坡，如果不及時治理會引起生態環境破壞，甚至導致地質災害發生。生態植被護坡是廣泛適用于各類土石邊坡、硬化邊坡、巖質邊坡的生態修復技術[1]。受限于巖質邊坡較為惡劣的生境環境，植被護坡需大量補水，植被邊坡坡度較大，導致邊坡土壤入滲性較低[2，采用噴灌、滴灌等灌水時，陡坡補水區域容易形成上部未完全覆蓋而下部長期浸水土壤含水不均勻問題，引起邊坡植物生長不均衡，進而影響生態修復效果[3]。而通過埋于護坡土壤內部灌水器微潤地下滴灌方式提高坡面不同區域含水均勻性[4.5]，具有見效快、易操作等優點6，最有可能成為緩解高陡邊坡植被護坡土壤含水不均勻問題的有力措施和新途徑。

近年來，國內外眾多學者通過人滲試驗或數值模擬對多點源入滲土壤水分運移和坡地灌溉入滲展開許多研究。多點源入滲土壤水分運移方面，不同土壤對水的相互作用、不同滴頭流量、不同埋深對濕潤鋒變化、土壤含水率時空動態分布特征以及土壤累計入滲量有著重要影響，研究表明，親水土壤相比斥水土壤水分運動更具規律性；較小的滴頭流量在相同灌水量下，濕潤鋒運移距離較大但平均土壤含水率較小8；而增加灌水器埋深會導致土壤的累計入滲量和穩滲率下降，同時濕潤鋒交匯時間延長，運移距離減小9。由Simunek等[10]開發的HYDRUS一2D/3D模型在農田土壤水動力學研究領域的廣泛應用而受到認可[11.12]，也有學者將該模型應用于地下滴灌土壤水分運動模擬[13.14]。裴青寶等[15]通過建立數學模型并利用HYDRUS一3D軟件模擬多點源滴灌條件下紅壤水分運移規律，發現高容重紅壤會阻礙濕潤鋒的推進和含水率的增加；李耀剛等[16通過建立滴灌雙點源土壤水分人滲數值模型并利用HYDRUS一3D軟件進行運算，結果表明：滴頭流量和灌水時間對土壤水分入滲有顯著影響；Katarina等[1運用HYDRUS一2D模型模擬沙土入滲過程，得到適宜甘蔗生長的滴頭間距、滴頭深度和滴頭流量；Nazari等[18]通過實地試驗和HYDRUS一2D模擬，發現在地下滴灌系統中，通過降低滴頭流量并增加灌溉時間可以有效提高根系吸水率并減少深層滲透。坡地灌溉入滲方面，為探究坡地噴灌運動模型，借助數值模擬軟件Hydrus和Comsol求解，結果表明間歇噴灌有助于提高土壤含水率[19；王辰元等探討滴灌條件下植被混凝土的水分運移規律，發現滴頭流量和坡度對垂直向上方向的水分運移影響顯著，而對水平方向影響較小;Jamei等20提出一種深度學習方法，準確模擬坡地滴灌條件下的濕潤分布模式。邊坡植被土壤因坡度及灌水器布置方式等影響而與一般地面灌溉不同[26]。因此，準確把握地下滴灌作用下陡坡植被土壤水分運移特征對坡度、滴頭布置間距及土壤初始含水率的響應規律是實施陡坡植被生態修復滲灌的技術瓶頸，是認識和解決植被護坡王壤含水不均勻問題的關鍵。

本文基于非飽和土壤水動力學理論，通過搭建地下滴灌土壤水分人滲試驗裝置，并利用Hydrus—2D建立地下滴灌土壤水分運動數值模型。通過實測數據，驗證Hydrus—2D模型的準確性，在此基礎上研究不同坡度、滴頭布置間距以及土壤初始含水率下多點源交匯人滲水分運動特征，以期為邊坡生態修復地下滴灌系統布置及優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 室內試驗

1.1. 1 供試土壤

試驗土壤于2024年4月19日取自江蘇省淮安市清江浦區，采樣區的土壤類型為潮土，屬于典型的河流沉積物質土壤類型，表層具有一定的肥力，適宜種植多種作物。采樣深度為 0～40cm 。試驗土壤經風干、碾壓、均勻混合、過 2mm 篩后制成試驗土樣。采用S3500激光粒度分析儀測定土樣顆粒級配，烘干法測定試驗土樣自然含水率，環刀法測定土壤容重，試驗土樣物理水力參數如表1所示。

表1試驗土樣物理水力參數特性表Tab.1Physical and hydraulic parameter characteristics ofthe test soil samples

表1中砂粒、粉粒和黏粒含量分別占總質量的78. 45% 、 16.34% 和 5.21% 。按照國際土壤質地分類標準，試驗土樣土壤質地為砂壤土。由烘干法測得土壤自然含水率為 0.183cm³/cm³ ，環刀法測得土壤容重為 1.45g/cm³ 。

1.1.2試驗裝置及方法

試驗于2024年5月20日—7月10日在三峽大學水利與環境學院農業水利工程實驗室進行。試驗裝置如圖1所示，主要由土箱和供水裝置組成。為使坡地地下灌溉過程中保持較為一致的出流量，試驗所用灌水器為壓力補償灌水器，該灌水器額定流量為 4L/h ，經實測，其在空氣中流量為 3.48L/h ，在土壤中流量為 2.02L/h 。灌水器緊貼土箱壁放置，以便于記錄濕潤鋒形狀及運移距離。土箱由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，厚度 10mm ，長 60cm ，寬 40cm ，深60cm ，底部設有若干排氣孔，以防止入滲過程中的氣阻現象。試驗過程中，土箱外壁用于記錄不同時刻的濕潤峰推進情況，供水裝置主要由供水箱、水泵、壓力表、毛管、閥門等組成，可通過調節閥門改變供水壓力。

圖1裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the apparatus 1.壓力補償灌水器2.毛管3.土箱4.精密壓力表5.閥門 6.三通接頭7.回水管8.供水箱9.水泵

試驗前按設計初始含水率加水，充分攪拌、混合均勻后用塑料布覆蓋土箱，靜置 24h 后開展試驗。為防止試驗過程中產生優先流，影響試驗結果，試驗開始前在土箱內壁均勻涂抹一定量的凡士林[14]。將土壤水分分布均勻的試驗土樣按設定容重 1.45g/cm³.5cm 一層分層均勻裝入土箱并夯實，層間打毛。

試驗設計3種不同坡度水平、3種滴頭布置間距以及3種土壤初始含水率，采用完全隨機試驗，共27個處理，每個處理3個重復。設置 15^°，30^°，45^° 三種坡度，參考大田上滴灌管滴頭間距，將本研究滴頭布置間距分別設置為 0.2m，0.25m 和 0.3m ，根據文獻[21]關于砂壤土含水率分布情況的研究，設置3個初始含水率，分別為 0.183cm³/cm³?0.218cm³/cm³ 和0.363cm³/cm³ ，對應坡地干旱、正常、濕潤3種情況，試驗方案如表2所示。

試驗開始時，立即用秒表記錄灌水時間；按照先密后疏的原則，采用先 1min 后 5min 的模式記錄秒表讀數。地下滴灌持續時間設定為 12h ，入滲 12h 后停止供水，灌水結束后，分別以3個灌水器連線為極軸，極角為 0^°，30^°，60^°，90^°，120^°，150^°，180^°，5cm 布置1個取樣點，用 1cm 王鉆取樣，從3個灌水器處表層取樣至濕潤體底部，取多個縱剖面，取樣布置示意圖如圖2所示。

表2試驗方案 Tab.2Experimental scheme

用烘干法測定取土點的王壤含水率。為最大限度地降低試驗誤差，設計2個獨立的重復試驗。試驗完成后，取2組試驗結果的平均值，以獲得更為可靠的數據。

1.2 數值模擬

1.2.1土壤水分運動模型

HYDRUS—2D軟件是用來模擬二維飽和一非飽和水分運移的軟件。假設土壤均質且各向同性，此時土壤水分運動可簡化為垂直面內的二維運動問題。在直角坐標系建立地下滴灌土壤水分運動的數學模型，即二維Richards方程如式（1）所示。

式中： x 橫向坐標， cm z 垂向坐標， cm ，規定 z 向下為正方向；θ 一土壤體積含水率， cm³/cm³ （204號 —土壤基質勢， cm ：t——入滲時間，min;K（θ） ——土壤變飽和導水率， cm/min 。

1.2.2計算區域、初始條件和邊界條件設定

圖3為地下灌溉求解區域示意圖。根據室內地下滴灌多點入滲試驗布置情況，將模擬區域設置為高 50cm 寬60cm 的矩形區域。壓力補償灌水器采用半徑為 0.01cm 的圓表示，灌水器附近區域網格加密。計算時以灌溉前測定的含水率剖面作為初始條件，并假設同一土層內的含水率均勻分布。土壤含水率按初始含水率設置，灌溉過程中，上邊界設置為大氣邊界，忽略蒸發對模型試驗的影響，下邊界、左邊界和右邊界均設置為自由排水邊界，滴頭出流處設置為定水頭邊界。圖3中 α 為坡角。

圖3計算區域示意圖

Fig. 3 Schematic diagram of the computational domain

1.3 統計分析與評價指標

采用標準均方根誤差NRMSE、決定系數 R² 和偏差百分比PBIAS三個指標對模擬值和實測值之間的符合度進行評估，各參數計算如式 （2）～ 式（4）所示。

式中： n —數據點個數， i=1，2，…，n 5M_i 1 一第 i 個實測值；S_i 一第 i 個模擬值;

——實測值的平均值。

NRMSE越接近 0，R² 的值越接近 1，PBIAS 均在[-0.1，0.1] ，則表明模擬值與實測值一致性越高，模型精度和準確度越高。

采用克里斯琴森均勻系數計算灌溉均勻度，如式（5）所示。

式中： C_u —克里斯琴森系數；（204 θ_i 一第 i 個取樣點土壤含水率， cm³/cm³ ; ——取樣點土壤平均含水率， cm³/cm³ 。

2 結果與分析

2.1Hydrus 模型驗證

通過參數率定和模型驗證建立的Hydrus—2D模型，為確保其對砂壤土地下滴灌水分運移特性的準確模擬，選取累計入滲量和沿灌水器布置方向上土壤含水率作為特征值進行模型有效性檢驗。圖4為Hydrus模型模擬值與室內試驗實測值對比，由圖4可得，模型模擬值與試驗實測值變化趨勢一致，累計入滲量變化趨勢接近于一條直線，土壤含水率在滴頭埋深處最大，隨著濕潤鋒交匯逐漸減小。

對模擬值和實測值進行統計特征分析，標準均方根誤差NRMSE、決定系數 R² 和偏差百分比PBIAS計算結果，如表3所示。

表3模擬值與試驗值相關性分析 Tab.3Correlation analysisbetween simulationvaluesand experimental values

由表3可知，累計入滲量和土壤含水率的NRMSE值均接近 0;R² 值均接近 1;PBIAS 值均在 [-0.1 0.1]。表明模擬數據與實測數據吻合程度高，構建的Hydrus模型精度高，采用數值方法模擬砂壤土地下滴灌多點入滲條件下坡地水分運動特性是準確可靠的。

2.2砂壤土地下滴灌濕潤鋒運移及形態

2.2.1坡度對地下滴灌濕潤鋒運移及形態的影響

為初步探明地下滴灌入滲濕潤鋒運移及形態對坡度的響應關系，同樣設置 15^°，30^°，45^° 三種坡度，進行地下滴灌單點入滲試驗，濕潤體等值線圖如圖5所示?？梢钥闯?，3種坡度濕潤體形態與平坡相比有顯著差異。首先，濕潤體形態為傾斜橢球體，其短軸與坡面近似平行，且隨著坡度的增加，灌水器附近濕潤體的形態變得不再規則。其次，由于坡度的影響，濕潤體在運移過程中的人滲速率也會發生變化，具體表現為坡下區域土壤含水率高于坡上區域土壤含水率。

基于不同坡度單點人滲試驗的結果，進行砂壤土地下滴灌多點入滲試驗，滴頭布置間距設置為 0.3m ，初始含水率設置為 0.218cm³/cm³ ，試驗結果如圖6所示。

圖7不同滴頭布置間距地下滴灌多點入滲濕潤體形態 Fig.7Morphology of the wetting front for multi-point infiltration under subsurface drip irrigation at different spacing arrangements

由圖6可知，3個坡度下濕潤鋒運移均發生交匯現象，隨著坡度的增加，試驗區域的土壤含水率逐漸增加，滴頭埋深附近土壤含水率最大。位于坡頂、坡中、坡底的滴頭形成的濕潤鋒形態不同，位于坡中的濕潤體與單點入滲時最接近，而位于坡頂和坡底的濕潤鋒由于距離與試驗邊界較近，濕潤鋒主要沿邊界向下運移。在 15^° 和 30^° 兩個坡度下，濕潤鋒發生交匯后，在平行坡面方向上存在含水率較低的區域，而坡度為45°時，該現象得到明顯改善。對其余不同坡度處理下也繪制了濕潤體形態圖，因為篇幅有限且結果類似，這里進行省略。

2.2.2滴頭間距對地下滴灌濕潤鋒運移及形態的影響圖7為滴頭間距為 時地下滴灌濕潤體形態等值線圖。

由圖7可知，滴頭布置間距為 0.2m 時，位于滴頭下方的區域含水率高于其余兩個布置間距。在滴頭布置間距較小的情況下，滴灌點之間的距離較短，使得每個滴灌點周圍的土壤更快地被濕潤，因此，濕潤鋒的形成更快，而且相對于滴灌點更為密集地擴展；滴頭布置間距越小，滴灌點之間的水分移動距離更短，因此濕潤鋒的移動速度更快。這是因為水分從一個滴灌點向相鄰的滴灌點滲透的距離減少，推動濕潤鋒的前進速度。相鄰的滴灌點會相互補充和擴展濕潤鋒的范圍。相比之下，滴頭布置間距為 0.25m 和 0.3m 時，位于灌水器下方的區域含水率相差不大，滴頭布置間距為0.25m 時，王壤含水率略大于布置間距為 0.3m 時的土壤含水率。坡面處土壤含水率均維持在0.264cm³/cm³ 以下，其中滴頭布置間距為 0.25m 和0.3m 時土壤含水率在 0.258cm³/cm³ 附近，略小于滴頭布置間距為 0.2m 時的土壤含水率。以滴頭間距為變量的其余處理有著類似的結論，在此不再贅述。

綜合布置間距對地下滴灌多點入滲濕潤體形態的分析，得到隨著布置間距的增大，坡地表層土壤含水率逐漸降低，坡地內部滴頭下方區域土壤含水率也呈現逐漸降低的趨勢。較小的布置間距通常有助于提高水分的均勻性，水分能夠更快速地覆蓋整個滴灌區域，減少干旱區域的產生，提高水分利用效率，有效減少水分的流失和浪費，同時保證植物根系的充分供水。

2.2.3初始含水率對地下滴灌濕潤鋒運移及形態的影響

圖8為不同初始含水率條件下地下滴灌多點入滲濕潤體形態等值線圖。由圖8可以得到，在初始含水率設定為 0.183cm³/cm³ 的條件下，介質中的孔隙主要由空氣占據，導致水分的滲透速度較快，進而形成較為規則的濕潤體形態。隨著初始含水率的增加至0.218cm³/cm³ ，滲透速率有所下降，濕潤鋒的前沿變得不再清晰，濕潤體的形態開始展現出不規則性。進一步升高初始含水率至 0.363cm³/cm³ 時，介質接近其飽和狀態，滲透速率顯著降低，濕潤鋒的前沿趨于平坦甚至停止發展，濕潤體的形態變得極為不規則。這些觀察結果清楚地揭示了水分遷移過程顯著受介質結構特性的影響。以初始含水率為變量的其他結果對應的濕潤體變化規律與圖8所示規律基本一致。

2.3砂壤土地下滴灌濕潤體含水率分布規律

2.3.1濕潤體沿滴頭布置方向上含水率分布

在平行坡面沿滴頭布置方向（即沿坡面方向）上挖掘土壤剖面，測定 0^° 和 180^° 取樣點土壤含水率，得到不同坡度下地下滴灌多點入滲土壤剖面含水率圖，如圖9（a）所示。

從圖9（a）可以看出，3個坡度下剖面含水率變化趨勢一致，其中坡度 15^° 和 30^° 剖面含水率分布情況較為相近，土壤含水率均在滴頭埋藏附近達到峰值，在濕潤鋒交匯的位置均為最小值。三個坡度下，整體上坡下位置的滴頭附近土壤含水率略高于坡中位置，坡上位置土壤含水率相比之下最小，即在坡度的影響下，土壤水分更傾向于向坡下區域運動。

圖9（b）展示了滴頭布置間距對地下滴灌多點入滲過程中土壤剖面含水率的影響，可以看出，在坡度的影響下，仍存在滴頭附近土壤含水率坡下位置 gt; 坡中位置 gt; 坡上位置的情況，滴頭布置間距為 0.25m 時，滴頭附近土壤含水率高于其他兩個布置間距。3個布置間距土壤含水率極差分別為 0.032，0.039，0.043， 王壤含水率極差隨著滴頭布置間距的增大而增大，表明滴頭布置間距越大，土壤含水率離散程度越高，含水率分布越不均勻，這一點與何振嘉[22]、裴青寶[23]等研究結果一致。在本試驗條件下較優的滴頭布置間距為 0.25m ，土壤含水率最高且分布較均勻，利于作物生長。

圖9（c）為初始土壤含水率對地下滴灌多點入滲過程中土壤剖面含水率的影響，可以看出，在坡度的影響下，滴頭附近土壤含水率仍呈現坡下位置 gt; 坡中位置 gt; 坡上位置的趨勢，低、中、高3種初始土壤含水率下沿滴頭布置方向上含水率分布情況較為一致，在入滲位置及其附近土壤含水率較高，濕潤鋒交匯位置土壤含水率較低。此外，還可以得到初始含水率越高，滴頭附近土壤含水率越高，這會對滴頭出流造成一定影響。

2.3.2濕潤體垂直方向上含水率分布

在垂直地面方向上挖掘土壤剖面，測定 120^° 取樣點土壤含水率，得到垂直方向上王壤剖面含水率，結果如圖10所示。圖10（a） ～ 圖10（c）為不同坡度下土壤含水率分布情況，3種坡度下地下滴灌多點入滲垂向土壤含水率變化趨勢基本一致，均呈現\"V\"字形分布，土壤含水率最大值出現在滴頭埋藏附近。3個坡度下，位于坡上、坡中、坡下位置的滴頭附近土壤含水率較為接近，說明壓力補償灌水器適用于坡地地下滴灌系統。

圖10（d）和圖10（e）為不同滴頭布置間距下垂向土壤含水率分布情況，隨著滴頭布置間距的增大，地面之下15～45cm 深度坡下位置土壤含水率高于坡上和坡中土壤含水率的現象越明顯。當滴頭布置間距為 0.2m 時，坡上、坡中、坡下3個位置的土壤含水率十分接近;當滴頭布置間距為 0.25m 時， .15～45cm 深度土壤含水率坡下區域 坡上區域 gt; 坡中區域；當滴頭布置間距為 0.3m 時，滴頭埋藏位置土壤含水率最大值坡下區域 gt; 坡中區域 gt; 坡下區域。這說明，地下滴灌多點入滲條件下，滴頭布置間距越小，其垂直方向上土壤含水率分布越均勻。

圖 10（g）～ 圖10（i）為不同初始含水率下垂向土壤含水率分布情況，可以得到，在相同的土壤初始含水率下，位于坡上、坡中、坡下的滴頭垂向含水率分布趨勢基本一致，僅由于滴頭埋藏位置與地面垂直距離不同導致其運移距離不同。隨著初始含水率的增大，含水率最大值呈現減小后增大的趨勢，土壤含水率為0.183cm³/cm³ 和 0.218cm³/cm³ 時，隨著深度的增加，土壤含水率呈現先變大后變小的趨勢，而初始含水率為 0.363cm³/cm³ 時，在 0～15cm 深度土壤含水率呈現先變大后變小的趨勢，但 15～45cm 深度土壤含水率隨深度的增加而增加。

2.3.3不同坡度、滴頭布置間距及初始含水率對地下滴灌土壤含水率的影響

為證明不同坡度、滴頭布置間距、初始含水率以及三者間的交互作用對多點源地下滴灌土壤含水率的影響是否具有統計學意義，采用SPSS26軟件進行方差分析，結果如表4所示。

根據表4可知，按顯著性水平 α=0.05 檢驗，不同坡度、滴頭布置間距及初始含水率對多點源地下滴灌土壤含水率的影響均具有統計學意義，影響土攘含水率因素的重要程度從大到小依次為初始含水率、坡度、滴頭布置間距。因此，在實際多點源地下滴灌入滲系統設計中應首要考慮土壤初始含水率，通過土壤水分檢測設備檢測土壤含水率，根據土壤含水率的不同及時調整灌溉方案，以達到最優的灌溉效果。

坡度、滴頭布置間距、初始含水率三者交互作用均對土壤含水率影響顯著，對比 F 值可知，相比于坡度和滴頭布置間距以及三者的交互作用，坡度和初始含水率及滴頭布置間距和初始含水率對土壤含水率的影響更大。

坡度、滴頭布置間距和初始含水率三者之間的交互作用對地下滴灌系統的水分運移特性有重要影響。在實際設計和實施地下滴灌系統時，必須綜合考慮這些因素及其交互效應，以優化灌溉效果，提高水分利用效率，確保不同位置的土壤含水率均勻性。

表4有交互效應的方差分析結果Tab.4 Results of variance analysis with interaction effects

2.3.4初始含水率對地下滴灌濕潤鋒運移及形態的影響

基于室內試驗與數值模擬所得濕潤體取樣點土壤含水率數據，通過式（5）計算不同坡度、滴頭布置間距及初始含水率組合的灌溉均勻度，結果如表5所示?？梢钥闯?，地下滴灌多點入滲條件下坡地灌溉均勻度與滴頭布置間距以及坡度有著密切的聯系。在相同的坡度和土壤初始含水率下，隨著布置間距的增大，灌溉均勻度呈下降的趨勢；在相同的布置間距和土壤初始含水率下，隨著坡度的增大，灌溉均勻度也呈下降的趨勢，這與2.2.1節研究結果一致。在坡地地下滴灌系統布置中，為保持最優的灌溉均勻度，應適當減小滴頭的布置間距。

由表5可知，地下滴灌多點入滲條件下不同坡度、滴頭布置間距及初始含水率組合的灌溉均勻度均在0.9以上，符合《節水灌溉工程技術標準》和《微灌工程技術標準》中對于微灌系統濕潤均勻度 C_ugt;0.9 的要求[24.25]。坡地地下滴灌系統實現了高均勻性節水技術的要求，相比于傳統坡面灌溉方式，其在滿足植物水分需求的同時，顯著提升水資源的利用效率，實現水資源的節約。

表5地下滴灌多點入滲不同坡度、滴頭布置間距及初始含水率組合灌溉均勻度

3 討論

地下滴灌系統的設計與管理對于其能否發揮最大效益至關重要，優化設計參數需要綜合考慮土壤水分運動模型、作物耗水特性、土壤類型、氣候條件等因素，砂壤土結構松散，具有良好的水分保持能力和透氣性，促進作物根系發育并維持田間濕潤[26-28]，有助于邊坡生態修復[29]。本研究聚焦于構建砂壤土地下滴灌水分運動的數學模型，并通過模擬不同坡度、不同滴頭布置間距、不同土壤初始條件下的土壤水分入滲特征，為砂壤土地下滴灌系統尤其是砂壤土坡地地下滴灌系統的優化設計和有效管理提供一定的理論依據和參考。

本研究數值模擬結果與試驗結果吻合程度高，這表明Hydrus—2D軟件能夠實現不同坡度、滴頭布置間距、土壤初始含水率下地下滴灌數值模型建立及計算。壓力補償灌水器對壓力波動適應性強，適用于坡地地下滴灌系統，解決了由于坡度、滴頭布置間距等因素的影響，常規的滴灌灌水器存在土壤水分分布不均、坡下較濕潤而坡上較干燥、水分利用效率低的弊端，以及噴灌設備普遍造價較高2.3的問題，但壓力補償灌水器在低壓條件下能保持良好的工作性能[30，這對降低系統運行成本和提高系統的適應性非常有利。

坡度影響下的地下滴灌濕潤鋒運移受重力勢影響大于基質勢，單點人滲濕潤鋒向坡下方向偏移，多點入滲濕潤鋒仍有向坡下方向偏移的趨勢，但由于多個濕潤鋒之間存在重疊和交匯作用，抵消了一部分向下偏移的運動趨勢，故多點入滲濕潤鋒形態向坡下運移并不顯著，單點入滲濕潤鋒運移規律與張濤等26研究結果一致，多點源交匯入滲規律與張俊等[2得到的結論一致。不同坡度下位于坡上、坡中、坡下的滴頭土壤含水率并無顯著差距，說明壓力補償灌水器適用于砂壤土地下滴灌系統設計。

較小的滴頭間距能夠促進更快的濕潤鋒形成和更密集的濕潤區域擴展，從而提高土壤含水率，這與張光明等31的試驗結果相一致。這是因為較短的滴頭間距減少水分移動的距離，加快濕潤鋒的移動速度，并且相鄰滴灌點能夠相互補充和擴展濕潤鋒的范圍。相對地，較大的滴頭間距在坡面處含水率維持在較低水平。因此，為優化地下滴灌系統的性能，選擇適當的滴頭間距是至關重要的。

王壤初始含水率對土壤濕潤體的發育和垂向含水率分布具有顯著影響。不同初始含水率條件下，土壤濕潤體的發育和含水率分布趨勢在坡上、坡中、坡下位置基本一致，在入滲位置及其附近土壤含水率較高，濕潤鋒交匯位置土壤含水率較低。初始含水率越高，人滲速率相對越小，滴頭附近土壤含水率越高，這可能會對滴頭出流造成一定影響，建議在土壤含水率較低時進行灌溉，以便達到最優的灌溉效果，這與張顥暉等[32]的研究結果基本一致。因此，在設計和實施地下滴灌系統時，應充分考慮初始含水率對土壤濕潤體發育和水分分布的影響，以優化灌溉效果，提高水分利用效率。

4結論

通過室內試驗和數值模擬相結合的方法，研究砂壤土地下滴灌在不同坡度、滴頭布置間距和土壤初始含水率條件下的入滲特性與土壤水分運動規律。

1）Hydrus—2D模型能較好地模擬地下滴灌多點入滲條件下砂壤土水分運移過程，累計入滲量以及土壤含水率模擬值與實測值一致性較好。累計入滲量和土壤含水率的NRMSE值均接近 0，R² 值均接近1，PBIAS值均在 [-0.1，0.1] 。

2）地下滴灌多點人滲條件下，坡度增加會導致濕潤鋒向下運移趨勢更明顯且形態不規則性顯著增強，滴頭布置間距增大會降低濕潤鋒運移速率，較優的布置間距為 0.25m ，土壤初始含水率增加則加劇濕潤鋒形態的不規則性。坡地沿滴頭布置方向上含水率分布規律為坡下區域 gt; 坡中區域 gt; 坡上區域；滴頭附近土壤含水率 gt; 交匯處土壤含水率。垂直方向上坡地含水率在不同坡度下滴頭附近土壤含水率相差不大。

3）根據方差分析結果，不同坡度、滴頭布置間距、初始含水率及三者交互作用對多點源地下滴灌土壤含水率的影響按顯著性水平 α=0.05 檢驗均具有統計學意義，影響多點源地下人滲土壤含水率主要因素為初始含水率和坡度。

4）坡地地下滴灌相比于傳統坡面灌溉方式，灌溉均勻度較高，均在0.9以上，提升水資源利用效率。在初始含水率相同的情況下，隨著坡度和滴頭布置間距的增大，灌溉均勻度均呈現降低的趨勢。在砂攘土地下滴灌系統設計時，為達到最優的灌溉均勻度，應適當減小滴頭布置間距。

本文主要在室內環境中使用砂壤土一種土壤進行試驗，未來的研究可以加人多維度的環境變量，如降雨、植被分布和土壤微結構等，以構建更為綜合的坡度影響下多點源地下滴灌設計方案。

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