微潤灌溉線源入滲濕潤體特性試驗研究

張俊，牛文全?，張琳琳，史麗艷

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，712100，陜西楊凌)

微潤灌溉線源入滲濕潤體特性試驗研究

張俊1，2，牛文全1，2?，張琳琳1，2，史麗艷3

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，712100，陜西楊凌)

為探明微潤灌溉線源入滲水分運移規(guī)律，通過室內(nèi)土箱試驗對微潤灌溉土壤水分分布進行研究，分析土壤質(zhì)地和土壤密度對濕潤體特性的影響。結(jié)果表明：微潤灌溉濕潤體是以微潤帶為軸心的柱狀體，黏壤土為近似圓柱體，砂土濕潤體橫剖面為“倒梨”形，黏壤土R∶X∶H(R為水平運移距離，X為垂直向上運移距離，H為垂直向下運移距離)平均為1.00∶0.90∶0.99，砂土為1.00∶0.81∶0.95。濕潤鋒水平和垂直(向上和向下)運移距離均與灌水時間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，土壤密度和質(zhì)地是影響濕潤體特性的主要因素;微潤帶流量小，單位長度流量不超過210mL/(m·h)，可適應(yīng)土壤含水率變化自動調(diào)整，累計入滲量與灌水時間呈線性關(guān)系;濕潤體內(nèi)含水率以微潤管帶為軸心呈同心圓面分布，大部分土壤含水率介于田間持水量的80% ～90%之間，微潤灌溉均勻度高，達95.62%。因此，微潤灌溉技術(shù)節(jié)水效果顯著，適宜旱區(qū)作物用水需求。

微潤灌溉;線源入滲;濕潤體;灌溉均勻度

微潤灌溉是一種連續(xù)微灌技術(shù)，是應(yīng)用半透膜技術(shù)的一種全新地下精準微灌技術(shù)［1］，屬于局部灌溉。微潤灌溉亦稱半透膜灌溉，是利用功能性半透膜材料制成灌水器，以膜內(nèi)外水勢梯度為驅(qū)動，根據(jù)作物需水要求，以緩慢出流的方式為作物根區(qū)實時、自動、適時、適量地連續(xù)供水［2］。微潤帶出水孔均勻密集，水分出流可以看作“線源”狀，可有效防止地表蒸發(fā)、減少深層滲漏，其抗堵塞性能強、運行成本低，是一種省水、高效的連續(xù)地下灌溉技術(shù)。研究微潤灌溉線源入滲濕潤體特性是科學(xué)應(yīng)用微潤灌溉技術(shù)的基礎(chǔ)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同灌溉方式下土壤水分運動規(guī)律進行了大量研究，集中于土壤水分運移的數(shù)值模擬和入滲模型的解析解方面［3-6］。張振華等［7］通過室內(nèi)模擬試驗研究了點源入滲滴灌濕潤體的影響因素，得出不同因素下濕潤鋒運移距離與灌水時間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系;李明思等［8］研究了點源入滲滴灌滴頭流量與濕潤體的關(guān)系，認為滴頭流量對濕潤體形狀和大小有很大影響，并且對水平距離影響大于垂直距離。范嚴偉等［9］以非飽和土壤水分運動為理論基礎(chǔ)，建立了膜孔灌點源入滲土壤水分運動的數(shù)學(xué)模型，研究了膜孔灌濕潤體水分分布與入滲性能之間的模擬關(guān)系。費良軍等［10］和汪有科等［11］研究了涌泉根灌土壤水分運移規(guī)律，認為孔徑、孔深對濕潤體特征參數(shù)具有不同的影響。鄭園萍等［12］和張林等［13］分別研究了雙點源和多點源滴灌條件下交匯濕潤體內(nèi)的土壤水分時空動態(tài)分布。目前，對于地埋線源入滲土壤水分運移的研究不多，主要集中在線源滴灌和垂直線源灌溉［14-16］，線源滴灌主要針對不同灌水量和滴頭流量，鋪設(shè)間距對交匯線源的濕潤體特性影響規(guī)律，而垂直線源主要研究不同線源長度，初始含水率對水分運移規(guī)律的影響，并用Pillip等模型進行檢驗驗證。以上研究主要是針對人為控制主動供水的地下灌溉方式，而微潤灌溉是以土壤吸力為驅(qū)動的新型灌溉方式，具備流量小、灌水持續(xù)時間長等特點，其入滲規(guī)律和水分分布與點源以及其他線源入滲方式并不完全一致;因此，筆者通過室內(nèi)模擬試驗，以土壤質(zhì)地、土壤密度為控制因素，研究微潤灌溉線源入滲條件下濕潤體特征參數(shù)的變化及濕潤體含水量分布，并對微潤灌溉的灌水均勻度進行評價，為微潤灌溉技術(shù)在實踐中的應(yīng)用和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供基本依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗于2012年3—6月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院進行。該試驗區(qū)位于 E 108°7'～108°24'，N 34°2'～ 34°12'，屬典型的溫帶大陸性半濕潤氣候區(qū)。供試土壤為楊凌三級階地的黏壤土和河灘一級階地的砂土。試驗用土取自表層0～40 cm熟土，自然風(fēng)干后過2mm孔徑篩，供試土壤機械組成(按國際制：黏 (＜0.002mm)、粉(0.02～0.002mm)、砂(2～0.02mm)所占比例表示)見表1。

表1 供試土壤的機械組成(國際制)Tab．1 Particle size analysis of the tested soil %

1.2 試驗裝置

試驗所用微潤帶(圖1)為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為厚度0.06mm的特制半透膜，其表面采用化學(xué)溶解方式，形成均勻而密集的微孔，孔密度約為10萬個/cm2，外層為無紡布保護層增加微潤帶的強度，防止鋪設(shè)過程中劃傷微潤帶，微潤帶直徑為25mm。試驗系統(tǒng)由土箱和供水系統(tǒng)2部分組成(圖2)。土箱由壁厚10mm的有機玻璃材料制成，箱體規(guī)格為120 cm×50 cm×50 cm(長×寬×高)。土箱2側(cè)面打有直徑為25mm的對稱小孔(離土箱上邊沿250mm，側(cè)邊沿15mm)。供水系統(tǒng)由馬氏瓶和微潤帶組成，試驗土箱與馬氏瓶由橡皮軟管連接，馬氏瓶主要提供恒定水頭。微潤帶長度與土箱長度均為120 cm，進口端連接供水系統(tǒng)，出口端封閉。試驗過程中，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶中的水位(圖2)控制供水壓力，壓力水頭保持在1.8m。

1.3 試驗方法與測定內(nèi)容

本試驗選擇土壤質(zhì)地和土壤密度為主要影響因素，土壤質(zhì)地包括黏壤土和砂土2種，砂土作為黏壤土的對比，密度為1.35 g/cm3，黏壤土密度設(shè)定為1.30、1.35和1.40 g/cm33個水平。將土樣自然風(fēng)干，測試土壤初始含水率均為2.1%，微潤帶埋深為15 cm。以濕潤體橫剖面左右方向的1/2為研究對象，每組試驗重復(fù)4次，所有數(shù)據(jù)均取平均數(shù)。

試驗結(jié)束時，立刻用1 cm土鉆沿微潤帶鋪設(shè)水平方向不同深度進行“T”字形取土，沿微潤帶水平間隔距離為5 cm，垂直間隔距離為5 cm，每條線源取樣點數(shù)目相同;隨后挖取垂直微潤帶方向濕潤體橫斷面進行取土樣，斷面取樣點分布見圖3，用烘干法測定濕潤體土壤含水量。

圖1 微潤帶示意圖Fig．1 moistube enviro-grower

濕潤體水平運移距離記為R，垂直向上運移距離記為X，垂直向下運移距離記為H。采用SPSS進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Excel軟件和Sigmaplot 10.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤體形狀和大小

圖2 試驗裝置圖Fig．2 Schematic of experimental equipment

圖3 斷面取樣分布Fig．3 Sampling points of cross-section

圖4 濕潤鋒運移動態(tài)變化Fig．4 Changes of the front of wetted soil

圖4為試驗獲得的微潤帶濕潤體形狀圖。圖4(a)分別為土壤密度 1.35 g/cm3的黏壤土 1、3、5、24和48 h時濕潤鋒橫剖面;圖4(b)為土壤密度1.35 g/cm3砂土 1、3、6、18、24 和 48 h 時濕潤鋒橫剖面。(0，0)點為微潤帶位置，2種質(zhì)地土壤水分均以微潤帶為軸心向外擴散。

從圖4(a)可以看出：對于黏壤土，初期24 h內(nèi)，沿垂直(上、下)和水平方向水分運移距離接近，這主要是含水率低，重力勢能作用微弱所致;24 h后垂直向下運移距離大于向上運移距離，水平運移距離與垂直運移距離的差距增大，濕潤鋒最大水平距離均居于微潤帶所在水平平面，濕潤體形狀與滴灌形成的半球體、橢球體不同［7］，基本為以微潤帶為軸的近似“圓柱體”。微潤灌溉流量較小，灌水開始時，土壤干燥，土壤水分分布的主要驅(qū)動力為土水勢;因此，垂直向上和水平方向的運移比較快，隨著灌水時間的延長，部分濕潤體內(nèi)重力水比例增大，重力作用下的垂直向下運動增強。對于土壤密度1.35 g/cm3砂土，在入滲6 h內(nèi)，與黏壤土類似的原因，垂直向上和水平方向的運動較強;但隨著灌水時間的延長，砂土內(nèi)的重力水比例迅速增加，垂直向下運動迅速增強，水平最大運移距離逐漸向下移動［17］。灌水18 h后，水平最大濕潤鋒值所處位置相對于灌水器所在水平面向下偏移2.1 cm，隨著灌水時間的變化，偏移距離越來越大，48 h時偏移距離為5.3 cm，濕潤體橫剖面呈“倒梨”形。說明在微潤帶灌水時，黏壤土顆粒吸附力對水分分布起決定性作用，而砂土則由顆粒吸附力和重力作用共同決定水分的分布。

從圖4也可以看出，針對同一土壤密度，濕潤體體積大小也因土壤質(zhì)地不同而不同。相同灌水時間，黏壤土濕潤體明顯小于砂土濕潤體。灌水時間72 h 內(nèi)，黏壤土R∶X∶H平均為1∶0.90∶0.99，三者之間的差異較小。灌水5 h時R∶X∶H為1∶0.98∶1.03，濕潤體截面接近圓形，隨著灌水時間的延長，H、X逐漸減小，72 h 時R∶X∶H變?yōu)?∶0.85∶0.97。而砂土R∶X∶H差異較大，灌水48 h內(nèi)R∶X∶H平均為1∶0.81∶0.95，灌水 3 h 時R∶X∶H為1∶0.92∶0.98，濕潤體截面接近圓形，隨著灌水時間的持續(xù)，X呈明顯逐漸下降趨勢，灌水48 h 時R∶X∶H變?yōu)?∶0.71∶0.95。分析原因，主要是黏壤土含黏量遠大于砂土，其顆粒表面吸附力的作用遠大于砂土，黏壤土空隙小，毛細現(xiàn)象明顯，而砂土導(dǎo)水性好，重力作用明顯，持水作用較差，水分擴散在各個方向比較均勻［18］。

2.2 土壤密度對濕潤體體積的影響

土壤密度對微潤灌濕潤體體積影響非常大。灌水72 h后，土壤密度為1.30 g/cm3的黏壤土濕潤體體積是土壤密度為1.35 g/cm3的1.5倍，是土壤密度為1.40 g/cm3的2.3倍。由于微潤灌黏壤土濕潤體形狀為近似圓柱體，可以建立計算濕潤體體積的簡易公式

式中：V為濕潤體體積，cm3;t為灌水時間，h;L為微潤帶線源長度，cm;a、b分別為擬合參數(shù)。計算時所取濕潤體半徑r，可近似為H、R、X的平均值，該值為灌水時間t的函數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果擬合，不同的土壤密度對應(yīng)函數(shù)關(guān)系不同，當(dāng)土壤密度為1.30 g/cm3時，r=2.221 3t0.4913，即V=4.934πt0.983L。

可根據(jù)式(1)預(yù)測不同時刻的濕潤體體積，結(jié)果見表2，可知，式(1)能較準確地預(yù)測不同灌水時刻的濕潤體體積，精度高且隨密度的增大而增大。

表2 濕潤體體積預(yù)測值與實測值參數(shù)對照Tab．2 Comparison between predicted andmeasured wetted soil volumes

2.3 濕潤鋒運移規(guī)律

圖5為土壤濕潤鋒R、X、H隨灌水時間的變化曲線，從中可以看出，R，X，H均隨灌水時間t的增加呈增加趨勢，運移速率(圖5中曲線的斜率)均隨灌水時間增加而減小。入滲初期，土壤含水量低，入滲邊界與濕潤鋒之間形成較高的水勢梯度，濕潤鋒的推進速率較快。隨著入滲時間的延長，濕潤體內(nèi)含水量增大，膜內(nèi)外水勢梯度差明顯減小，微潤帶流量自動適應(yīng)土壤含水率而減小，濕潤體擴大速率減緩。砂土的濕潤鋒運移距離明顯高于黏壤土，2種土質(zhì)垂直入滲深度差異最大，垂直向上運移距離隨著灌水時間的延長不斷縮小。

圖5 濕潤鋒運移距離變化Fig．5 Changes of themigration distance of wetted soil front

土壤密度對微潤灌溉濕潤鋒運移具有很大的影響。R、X、H均隨土壤密度的增大而減小，土壤密度越大，R、X、H三者越接近，濕潤體截面越接近于圓形。濕潤體到達土壤上表面的時間隨土壤密度增加而迅速變大，土壤密度分別為1.30、1.35和1.40 g/cm3時，黏壤土土壤表面濕潤需要的時間分別為52、83和101 h。這主要是由于隨著土壤密度增大土壤緊密性增大，從而會顯著降低土壤的垂直導(dǎo)水率［19］。

可用冪函數(shù)描述濕潤鋒運移距離隨灌水時間的變化，即

式中：A、C、E分別為水平、垂直向下和向上的擴散系數(shù);B、D、F分別為水平、垂直向下和向上的擴散指數(shù)。

擬合結(jié)果見表3?？梢钥闯?，濕潤鋒運移距離與灌水時間t之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系：砂土的擴散系數(shù)大于黏壤土，擴散指數(shù)小于黏壤土;黏壤土擴散系數(shù)隨密度的增大而減小，水平、垂直向上擴散指數(shù)約為0.5，受密度的影響較小，而垂直向下的擴散指數(shù)受密度的影響很大，隨著密度的增大而增大。說明垂直向下運移距離對灌水時間的敏感度高于水平和垂直向上的運動。

表3 濕潤鋒運移距離與時間擬合參數(shù)Tab．3 Fitting parameters between themigration distance of wetted soil front and irrigation time

2.4 濕潤體水分分布及灌水均勻度

灌水量和濕潤體水分分布特性是灌溉設(shè)計的重要參考指標。圖6示出不同質(zhì)地和密度下累計入滲量隨灌水時間的變化過程。圖7為密度1.35 g/cm3黏壤土濕潤體剖面含水量分布等值線圖，坐標系中(0，-15)為微潤帶端口所在位置。

從圖6可以看出，與滴灌累計入滲量與灌水時間呈冪函數(shù)關(guān)系不同，微潤灌溉累計入滲量隨灌水時間呈線性遞增關(guān)系。這主要是由于微潤灌溉出流由供水壓力和微潤帶內(nèi)外水勢差共同作用，流量小，灌水量受土壤含水率的影響大，流量隨土壤含水率自動調(diào)節(jié)。另外，隨著土壤密度和含黏量的增加，相同時段內(nèi)的累計入滲率不斷減小。密度為1.30、1.35和1.40 g/cm3的黏壤土，在灌水96 h內(nèi)平均入滲速率分別為200、108和88mL/h，最大為210mL/h;密度是1.35 g/cm3的砂土為162mL/h，由于含黏量和土壤密度增大時，土壤孔隙尤其是大孔隙變少，水流阻力增大，累計入滲量減小。這一結(jié)論與李卓等［20］模擬試驗結(jié)果一致。

圖6 累計入滲量變化過程Fig．6 Changes of cumulative infiltration quantity

圖7 濕潤體剖面含水量分布圖Fig．7 Distribution of themoisture content in wetted soil

從圖7可以看出，濕潤體剖面含水量分布呈以微潤帶為圓心的不規(guī)則同心圓，含水量隨著濕潤體半徑的增大而減小，濕潤體內(nèi)最大含水量為27.8%左右，處于相對田間持水量與飽和含水量之間，分布于微潤帶附近半徑5 cm土壤內(nèi);大部分含水量值分布在相對田間持水量的80% ～90%之間，濕潤鋒含水量梯度變化不明顯。因此，微潤灌溉可保持根區(qū)土壤較低的水分張力，達到滿足作物的最佳水氣要求［21］。

土壤濕潤程度的均勻性是評價灌水質(zhì)量的重要指標［22］，可采用克里斯琴森均勻系數(shù)評價微潤灌溉的均勻度。

式中：Cu為灌水均勻系數(shù)為平均土壤含水量;θi為每個取樣點的實際土壤含水量;n為取樣點個數(shù)。

經(jīng)沿微潤帶采樣并計算(見表4，表4以密度為1.35 g/cm3的黏壤土計算結(jié)果為例，其他類似，不再贅述)，微潤灌溉灌水均勻度非常高，黏壤土達95.3%，砂土達96.12%，土壤密度對灌水均勻度的影響非常小。按照現(xiàn)行《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》的灌溉系統(tǒng)Cu＞70%的明確規(guī)定，微潤灌溉屬于高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù)，與滴灌系統(tǒng)比較，更能滿足作物需水要求。

表4 含水率分布特征及灌水均勻性Tab．4 Distribution characteristics of soil water contents and irrigation uniformity

3 結(jié)論

1)微潤灌溉濕潤體是以微潤帶為軸心的柱狀體，黏壤土濕潤體為圓柱體，砂土為“倒梨”形柱狀體，濕潤體垂直剖面含水量分布呈以微潤管帶為軸心的同心圓面。微潤灌溉濕潤體研究和以前的滴灌、膜下灌等方法均采取了室內(nèi)模擬試驗，由于微潤帶灌水原理特殊，主要以土吸力為驅(qū)動;因此，微潤灌溉濕潤體形狀成的“柱狀體”，區(qū)別于李明思等［8］和鄭園萍等［12］的單、雙點源的橢球體，半球體濕潤體形狀。

2)土壤密度和質(zhì)地是微潤灌溉濕潤體的重要影響因素，濕潤鋒運移距離與灌水時間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，隨著土壤密度增大，擴散系數(shù)減小。微潤灌溉累計入滲量與灌水時間呈線性函數(shù)關(guān)系。這一結(jié)論與張振華等［7］和費良軍等［10］研究的滴灌、涌泉根灌結(jié)論一致，土壤密度和質(zhì)地對土壤水分運移規(guī)律影響較大，并且濕潤鋒運移距離與時間成冪函數(shù)關(guān)系。

3)微潤灌溉濕潤體內(nèi)不存在土壤飽和含水區(qū)，大部分土壤水分分布于田間持水量的80%～90%之間，灌水均勻度高，砂土達95.62%。這一結(jié)論類似于趙偉霞等［21］研究的無壓灌溉含水率分布結(jié)果，主要與其灌溉原理有關(guān)。

本試驗采用均質(zhì)土壤進行研究，但與大田非均質(zhì)土壤相比較有一定的差距，對微潤灌溉非均質(zhì)土壤入滲規(guī)律有待大田試驗研究。

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Experimental study on characters of wetted soil inmoistube irrigation

Zhang Jun1，2，Niu Wenquan1，2，Zhang Linlin1，2，Shi Liyan3
(1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences＆ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing;3.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest Agriculture ＆ Forestry University，712100，Yangling，Shaanxi：China)

This study was conducted to investigate the soil watermovement of line source infiltration undermiostube-irrigation.Soil box experiments was used to study soil water distribution and analyze the effect of the soil texture and bulk density on the characteristic of wetted soil.The results showed that the wetted soil looked like cylindrical object which with pipe as it’s axle centre and clay loam soil was approximate with cylinder，the cross section of sandy soil as obpyriform shape.The ratio ofR∶X∶Hwas 1∶0.90∶0.99 in clay loam soil and 1∶0.81∶0.95 in sandy soil，respectively.(R：horizontalmigration distance;X：vertical upward distance;Y：vertical downward distance).The relationship between the horizontal or verticalmoving distance of wetting front with irrigation time appeared as a power function.The effects of the soil texture and bulk density on the characteristic of wetted soil were significant inmoistube irrigation.Miostube-irrigation has small flow，the unit length flow rate was not exceed 210mL·m-1·h-1，which could automatically adjust with the change of soil water content，cumulative infiltration has a linear relation with irrigation time.Water distribution in the volume of wetted soil was a concentric circle with the pipe.Most of soil water content lied between 80%and 90% of field capacity.Miostubeirrigation has high irrigation uniformity，which reached 95.62%.The effect of water saving ofmiostube-irrigation is prominent，which is suitable for crop water demand in the arid regions.

moistube-irrigation;line source infiltration;wetted soil;irrigation uniformity

2012-07-05

2012-09-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展技術(shù)(863)“低能耗微灌技術(shù)與產(chǎn)品”(2011AA100507)

張俊(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向：水土資源高效利用。E-mail：zhangjun19880202a@163.com

?責(zé)任作者簡介：牛文全(1972—)，男，博士，副研究員。主要研究方向：水土資源高效利用與節(jié)水理論。E-mail：nwq@vip.sina.com

(責(zé)任編輯：程 云)