不同質(zhì)地土壤滲灌下水分運動特征實驗研究與應(yīng)用

□朱文武

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自南陽，為了對不同質(zhì)地土壤滲灌特征進(jìn)行分析，研究中取3種土壤進(jìn)行了試驗。分別是南陽王村（粘壤土），南陽馮樓（中壤土），白河附近（砂壤土），三種土壤的機械組成見表1。取土深度0～40cm，取土?xí)r測量土壤容重。土樣取回后，先風(fēng)干晾曬，挑揀出雜物，再過2mm孔徑篩，攪勻，備用。

1.2 試驗系統(tǒng)的制作

用土槽進(jìn)行了物理模型試驗。制成試驗土槽的規(guī)格是 80cm×40cm×100 cm（長×寬×高），土槽壁采用厚1cm的有機玻璃制成，可觀察槽內(nèi)土壤濕潤鋒運移位置。

1.3 試驗方法

試驗于2007年1～6月在南陽氣象觀測站完成。為了使試驗具有可比性，將不同質(zhì)地土壤的含水量差異控制到較小，將土樣按照原容重分層（每層5cm）裝入土槽中，并注意回裝土?xí)r均勻（表1）。土槽上加蓋，以防試驗期間土壤表面蒸發(fā)，灌水時，通過調(diào)節(jié)供水壓力使?jié)B灌管內(nèi)水壓保持在2.0m。灌水過程中按既定時間間隔觀察土槽內(nèi)濕潤鋒的變化情況，并將其描繪在土槽的一側(cè)槽壁上，實驗結(jié)束后，測量不同時間的濕潤鋒移動距離。灌水結(jié)束時，取下土槽一側(cè)有機玻璃壁槽上的膠塞，立即取土，用烘干法測定土壤含水量，并換算為體積含水量。

表1 試驗時三種土壤的土壤含水量和容重

2 結(jié)果與分析

2.1 累積灌水量的變化規(guī)律

對試驗過程中累積灌水量的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖分析，發(fā)現(xiàn)累積灌水量與時間的關(guān)系可以使用冪函數(shù)來擬合，且關(guān)系方程的決定系數(shù)均達(dá)到了極顯著的水平。從冪函數(shù)的擬合公式可以看出，冪值項小于1，這表明灌水速率隨時間的增長呈冪函數(shù)的規(guī)律逐漸減小。從整個過程的灌水速率來看，三種土壤分別是0.2786L/min、0.2016L/min、0.1243L/min，砂壤土是中壤土的1.38倍，是粘壤土的2.24倍。

2.2 濕潤鋒移動距離的變化規(guī)律

對不同質(zhì)地土壤滲灌過程中濕潤鋒移動距離和灌水時間進(jìn)行分析，以中壤土為例，在10min時滲灌管上方達(dá)到3.5cm，下方達(dá)到4.1cm，在水平方向（左側(cè)和右側(cè)的平均值）達(dá)到3.8cm；在30min時滲灌管上方達(dá)到5.1cm，下方達(dá)到7.8cm，在水平方向達(dá)到7.3cm；在85min時滲灌管上方達(dá)到8.5cm，下方達(dá)到15.8cm，在水平方向達(dá)到13.2cm；在170min時滲灌管上方達(dá)到12.4cm，下方達(dá)到23.3cm，在水平方向達(dá)到19.6cm；在370min時滲灌管上方達(dá)到17.9cm，下方達(dá)到29.7cm，在水平方向達(dá)到26.1cm?？梢钥闯鲭S著時間的增長，濕潤鋒移動距離在各個方向逐漸增加；同時可以看出，雖然濕潤鋒距離在增加，但是增加的速度卻不斷地減慢。由于濕潤鋒是以扇形的形式向外擴展，隨著時間的增長，濕潤區(qū)的半徑逐漸增加；同時根據(jù)上面的分析，產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是滲水速率隨時間逐漸減小，因此濕潤鋒的移動速度逐漸減緩。

2.3 不同質(zhì)地土壤濕潤鋒移動距離變化規(guī)律的比較分析

對三種不同質(zhì)地的土壤滲灌試驗結(jié)果進(jìn)行分析。在各方向上，粘壤土中濕潤鋒移動的距離均小于中壤土和砂壤土，而砂壤土的濕潤鋒移動距離又略大于中壤土。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在砂壤土中的土壤導(dǎo)水率較中壤土和粘壤土最大，水分自滲灌管滲出后，很快向距滲灌管較遠(yuǎn)的地方運動；而當(dāng)土壤質(zhì)地偏粘時，由于土壤的導(dǎo)水率偏小，水分在土壤中運動通量較小，使水分自滲灌管滲出后，在滲灌管的周圍產(chǎn)生積聚作用，使?jié)B灌管周圍的土壤含水量較砂壤土升高較快，且相應(yīng)的土壤含水量較高，因此對滲灌管管壁產(chǎn)生一個反作用力，使?jié)B灌管的滲水速率減小。由于重力的影響，可以看出不同土壤之間的移動距離在滲灌管下方的差別最大。

2.4 剖面含水量分布特征

對不同土壤濕潤區(qū)內(nèi)剖面含水量的分布特征進(jìn)行比較可以看出，當(dāng)灌水量相同時，在砂壤土中，其濕潤區(qū)范圍較大而剖面含水量較小，這說明在砂壤土中使用滲灌時，容易造成深層的滲漏，這對于節(jié)水灌溉是不利的，因此應(yīng)該設(shè)置防滲層或者選擇“砂蓋粘”的土壤。當(dāng)土壤質(zhì)地偏粘時，濕潤區(qū)向外擴展較慢，如需提高灌水速度，可以增大灌水壓力和選擇滲水速率較大的滲灌管。

結(jié)束語

通過研究，明確了滲灌過程中，濕潤區(qū)基本特征為環(huán)繞滲灌管的縱軸長、橫軸短的非對稱橢圓體。滲灌過程中，累積灌水量、濕潤鋒的移動距離與灌水時間成較好的冪函數(shù)關(guān)系。不同質(zhì)地土壤采用滲灌時，水分入滲特征之間的差異明顯。在砂壤土中，濕潤區(qū)向外擴展速度較快，但濕潤區(qū)剖面土壤含水量相對其它土壤較低，因此應(yīng)注意防止深層滲漏。試驗的研究結(jié)果對感性認(rèn)識滲灌條件下土壤水分運動規(guī)律，開展數(shù)值模擬具有重要實踐指導(dǎo)意義。

[1]任杰.地下滴灌灌水設(shè)計參數(shù)對土壤水分運動規(guī)律的影響研究[D].石河子大學(xué),2008