涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲濕潤(rùn)體試驗(yàn)研究

吳恒卿，黃 強(qiáng)，魏 群

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2 深圳市西麗水庫(kù)管理處，廣東 深圳 518049；3 深圳市龍崗區(qū)建筑工務(wù)局，廣東 深圳 518172)

涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲濕潤(rùn)體試驗(yàn)研究

吳恒卿1，2，黃 強(qiáng)1，魏 群3

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2 深圳市西麗水庫(kù)管理處，廣東 深圳 518049；3 深圳市龍崗區(qū)建筑工務(wù)局，廣東 深圳 518172)

【目的】 探求涌泉根灌土壤水分運(yùn)移及分布特性，為涌泉根灌理論研究及技術(shù)要素確定提供參考?！痉椒ā?在20 L的灌水量和160～300 min的灌水歷時(shí)條件下，以滴頭流量(4，6，8 L/h)、滴頭間距(30，50 cm)為變量，通過變化其中的一個(gè)量進(jìn)行雙點(diǎn)源交匯入滲條件下的涌泉根灌試驗(yàn)，測(cè)定并分析濕潤(rùn)體水平剖面和垂直剖面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和水分分布的變化規(guī)律?！窘Y(jié)果】 涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲不同布置方式對(duì)水平、垂直剖面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移及水分分布有一定影響，不同流量(4，6，8 L/h)入滲結(jié)束后24 h，水平和垂直方向濕潤(rùn)鋒分別相差1.5，4.0 cm；4.2，2.8 cm和6.7，6.8 cm。不同滴頭間距(30，50 cm)入滲結(jié)束后24 h，水平剖面水平方向和交匯界面濕潤(rùn)鋒分別增加24.5，11.3 cm和17.7，20.3 cm，垂直剖面水平方向和交匯界面濕潤(rùn)鋒分別增加26.0，30.2 cm和22.1，36.6 cm。灌水量和滴頭間距相同條件下，灌水結(jié)束時(shí)大滴頭流量濕潤(rùn)體表層土壤的含水量較高，但深層土壤含水量較小滴頭流量低?！窘Y(jié)論】 在灌水量20 L和灌水歷時(shí)160～300 min條件下，涌泉根灌滴頭流量和滴頭間距對(duì)濕潤(rùn)體的運(yùn)移、交匯時(shí)間、土壤含水量均有影響。

涌泉根灌；濕潤(rùn)鋒運(yùn)移；濕潤(rùn)體；土壤含水量

陜北黃土高原水資源短缺[1]，使得該區(qū)豐富的礦產(chǎn)資源和土地資源的開發(fā)利用受到嚴(yán)重制約。涌泉根灌[2]是一種微灌新技術(shù)，它能減少水分蒸發(fā)，提高水分利用率。陳俊英等[3]研究了不同配套產(chǎn)品對(duì)涌泉根灌土壤濕潤(rùn)體特性影響，表明水平濕潤(rùn)鋒與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系；汪有科等[4]分析了涌泉根灌在黃土坡地的水分運(yùn)移規(guī)律，得出了涌泉根灌適宜的孔洞深度及孔徑大小；牛文全等[5]分析了初始含水率對(duì)涌泉根灌土壤滲透特征的影響，認(rèn)為初始含水率對(duì)濕潤(rùn)體形狀影響不大。但綜觀以上研究成果，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲濕潤(rùn)體的試驗(yàn)研究還較為少見。為此，本研究設(shè)置不同灌水量、不同滴頭流量的單點(diǎn)源和不同滴頭流量、不同滴頭間距[6]的雙點(diǎn)源入滲試驗(yàn)[7]，探求涌泉根灌土壤水分運(yùn)移及分布特性，以期為涌泉根灌理論及技術(shù)要素研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜北米脂孟岔村，該區(qū)為典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，氣候干燥，日照充沛，干旱少雨，季節(jié)明顯，春季風(fēng)多，白晝溫差大，十分適合棗樹生長(zhǎng)。試驗(yàn)區(qū)土壤以黃綿土為主，為粉質(zhì)壤土，表層土壤容重平均為1.35 g/cm3，計(jì)劃濕潤(rùn)層0～70 cm，田間持水量為22%；土壤比較貧瘠，pH 8.6，土壤略呈堿性。該區(qū)土壤顆粒級(jí)配見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)用馬氏瓶供水,在恒定水頭下通過調(diào)節(jié)旋鈕開度來(lái)控制滴頭流量。模擬滴頭流量分別為 4，6，8 L/h，滴頭埋深20 cm,滴頭間距設(shè)置為30和50 cm，為減小因時(shí)空差異造成的試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)均設(shè)3個(gè)重復(fù)，具體試驗(yàn)方案見表2。

1.3 試驗(yàn)方法及觀測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)采用剖面法,在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇未經(jīng)擾動(dòng)的土壤坡面,去除表層覆土及雜物,將試驗(yàn)區(qū)修成表面光滑整齊的階地(高×寬=1.5 m ×1.5 m)。如圖1所示，將孔洞布置在距臺(tái)階邊緣5 cm 處,以豎直面作為觀測(cè)面。將模擬滴頭伸入孔洞中,在孔洞中放入一片濾紙防止水流沖擊破壞土壤結(jié)構(gòu)。入滲開始時(shí)用秒表記時(shí)，入滲停止時(shí),因濕潤(rùn)體比較對(duì)稱,所以測(cè)量濕潤(rùn)體1/2垂直剖面的形狀,并在豎直面按照10 cm×10 cm 網(wǎng)格取土,用烘干法測(cè)定土壤含水量。試驗(yàn)結(jié)束后用塑料布蓋住濕潤(rùn)體,以防降雨淋濕和抑制蒸發(fā)。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次,取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

2.1.1 水平剖面 圖2分別為滴頭流量4，6，8 L/h，滴頭間距為30 cm，灌水量為20 L時(shí)水平剖面濕潤(rùn)鋒隨滴灌時(shí)間的運(yùn)移變化情況。由圖2可以看出：隨入滲時(shí)間的推移，濕潤(rùn)體面積不斷增加，但水平方向濕潤(rùn)鋒和垂直方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率并不相同[8],這是由于濕潤(rùn)鋒在水平剖面僅受到基質(zhì)吸力的單一作用[9]，而在垂直方向受到基質(zhì)吸力和重力勢(shì)的共同作用，因而達(dá)到一定入滲時(shí)間后，濕潤(rùn)鋒的垂直剖面運(yùn)移速率大于濕潤(rùn)鋒水平剖面運(yùn)移速率。不同流量相比，雙點(diǎn)源濕潤(rùn)鋒交匯時(shí)間隨滴頭流量的增大而縮短[10]，流量為4，6，8 L/h時(shí)濕潤(rùn)體雙點(diǎn)源濕潤(rùn)鋒的交匯時(shí)間分別為90，44，30 min，交匯時(shí)濕潤(rùn)體水平方向濕潤(rùn)鋒分別運(yùn)移至30.5，32.0，36.0 cm?？梢?，在灌水量相同的情況下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨滴頭流量的增大而增大[11]。此外，濕潤(rùn)鋒交匯后，由于雙點(diǎn)源水分同時(shí)向交匯面入滲，其水勢(shì)迅速升高，交匯界面上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率明顯快于其他位置[12-13]，滴頭流量為4，6，8L/h時(shí)，濕潤(rùn)體沿滴頭連線方向和交匯界面上濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率分別為0.09，0.15，0.20 cm/min和0.11，0.20，0.27 cm/min。

圖3為不同滴頭流量時(shí)濕潤(rùn)體水平剖面兩滴頭連線方向和交匯界面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與時(shí)間的關(guān)系。從圖3可以看出，入滲時(shí)間相同時(shí)，滴頭流量越大，基質(zhì)吸力越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨入滲時(shí)間的增加逐漸趨緩[14]，其中滴頭流量為8 L/h 時(shí)濕潤(rùn)體入滲初期的濕潤(rùn)鋒變化最為明顯。用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果為：

L(t)=Alnt+B。

(1)

式中:L(t)為水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，A為擬合函數(shù)的系數(shù)，B為常數(shù)，t為時(shí)間。

不同滴頭流量下，濕潤(rùn)體水平剖面兩滴頭連線方向和交匯界面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與時(shí)間關(guān)系擬合方程的擬合參數(shù)見表3。

2.1.2 垂直剖面 圖4為滴頭流量4，6，8 L/h，2個(gè)滴頭間距為30 cm時(shí)濕潤(rùn)體垂直剖面濕潤(rùn)鋒隨滴灌時(shí)間的運(yùn)移情況。由圖4可以看出：由于不同處理之間滴頭流量不同，致使?jié)駶?rùn)體運(yùn)移距離、濕潤(rùn)體體積以及濕潤(rùn)比之間存在差異。交匯時(shí)間隨滴頭流量的增大而縮短，滴頭流量4，6，8 L/h的濕潤(rùn)體雙點(diǎn)源垂直剖面濕潤(rùn)鋒交匯時(shí)間分別為48，35和17 min；濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率和滴頭流量成正比增長(zhǎng)，入滲相同的20 L水量后，滴頭流量4，6，8 L/h的濕潤(rùn)體垂直剖面在水平和垂直方向上的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離分別為45.6，47.6，48.7 cm和36.8，36.9，39.7 cm。入滲結(jié)束后24 h，滴頭流量4，6，8 L/h的濕潤(rùn)體在水平和垂直方向上濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離分別為70.2，73.6，78.5 cm和63.4，67.6，70.4 cm。

滴頭流量為4,6,8 L/h時(shí)，濕潤(rùn)體垂直剖面交匯界面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系同樣可以采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合[15]，擬合結(jié)果見表4。由擬合結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，隨入?yún)r(shí)間的推移，濕潤(rùn)體交匯界面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移增長(zhǎng)速率逐漸變緩，滴頭流量越大，這種趨勢(shì)越明顯。

2.2 滴頭間距對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

滴頭流量為6 L/h，灌水量為20 L，滴頭間距分別為30和50 cm時(shí)，濕潤(rùn)體濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況如圖5，6所示。由圖5，6可以看出，在相同灌水量條件下，滴頭間距對(duì)濕潤(rùn)峰運(yùn)移的影響更為突出，滴頭間距為30 cm時(shí)濕潤(rùn)體水平和垂直剖面濕潤(rùn)鋒分別在入滲開始后44和34 min發(fā)生交匯，滴頭間距為50 cm時(shí)水平和垂直剖面濕潤(rùn)鋒分別在140和110 min發(fā)生交匯。入滲結(jié)束時(shí)，滴頭間距30和50 cm濕潤(rùn)體水平剖面水平方向、交匯界面濕潤(rùn)鋒分別運(yùn)移至46.7，32.8 cm和52.5，14.5 cm，垂直剖面水平方向、交匯界面濕潤(rùn)鋒分別運(yùn)移至47.6，36.9 cm和61.5，30.3 cm；滴頭間距為50 cm時(shí)濕潤(rùn)體交匯界面濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離明顯較滴頭間距為30 cm時(shí)小。灌水24 h后，滴頭間距30和50 cm濕潤(rùn)體水平剖面水平方向、交匯界面濕潤(rùn)鋒分別增加了24.5，11.3 cm和17.7，20.3 cm；垂直剖面水平方向、交匯界面濕潤(rùn)鋒分別增加了26.0，30.2 cm和22.1，36.6 cm，表明滴頭間距大的濕潤(rùn)體在灌水后的水分再分布期間，滴頭間距的增加對(duì)交匯界面濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響更為明顯。

2.3 滴頭流量對(duì)土壤含水率的影響

2.3.1 滴頭流量對(duì)垂直向上剖面土壤含水率的影響 圖7表示灌水量為20 L時(shí)，不同滴頭流量條件下以滴頭下部為原點(diǎn)垂直向上剖面的土壤含水率的分布情況。由圖7可以看出：各處理灌水結(jié)束后濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含水率均大于初始值，不同滴頭流量土壤含水率大小表現(xiàn)為8 L/h>6 L/h>4 L/h>初始含水率。灌水結(jié)束時(shí)，4，6，8 L/h滴頭流量下滴頭上方垂直方向上距滴頭35 cm處的土壤含水率分別為11.2%，12.5%和16.0%，土壤含水率隨著離土表距離的減小而減小。在滴頭垂直向上剖面的土壤中，水分在基質(zhì)勢(shì)作用下克服重力向上移動(dòng)。

2.3.2 不同流量對(duì)垂直向下剖面土壤含水率的影響 圖8表示灌水量為20 L時(shí)，不同滴頭流量條件下以滴頭下部為原點(diǎn)垂直向下剖面的土壤含水率的分布情況。由圖8可以看出：各處理灌水結(jié)束后濕潤(rùn)體內(nèi)的含水率均大于初始值，不同滴頭流量時(shí)土壤含水率的大小表現(xiàn)為8 L/h>6 L/h>4 L/h>初始含水率。灌水結(jié)束后，4，6，8 L/h滴頭流量下滴頭垂直向下距滴頭30 cm處土壤含水率為14.1%，16.2%和17.0%。由圖8還可見，滴頭垂直向下剖面的土壤含水率隨著土層深度的增加而減小，隨著滴頭流量增大，水分向下運(yùn)移距離也越大。

結(jié)合圖7,8可以看出：隨滴頭流量的增大，表層土壤含水量較高，深層土壤含水量較低；距滴頭距離越近，土壤含水量越高；距滴頭相同距離的相同深度處，滴頭流量越大土壤含水量越高[16]。濕潤(rùn)體土壤含水量是涌泉根灌的重要特征值，掌握不同流量不同灌水歷時(shí)濕潤(rùn)體土體含水量的變化規(guī)律，是涌泉根灌田間布置和水分科學(xué)管理的重要依據(jù)。

3 結(jié)論與討論

1)涌泉根灌雙點(diǎn)源交匯入滲，水平、垂直、交匯界面濕潤(rùn)鋒均可以用對(duì)數(shù)函數(shù)描述運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系，濕潤(rùn)體在濕潤(rùn)鋒未交匯之前，雙點(diǎn)源濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與單點(diǎn)源類似。

2)灌水量相同情況下，滴頭流量和滴頭間距對(duì)濕潤(rùn)體的運(yùn)移、交匯時(shí)間、土壤含水量均有影響。

3)各處理灌水結(jié)束后，濕潤(rùn)體內(nèi)的土壤含水率均大于土壤含水率初始值，不同滴頭流量相同深度處土壤含水率大小均表現(xiàn)為8 L/h>6 L/h>4 L/h>初始含水率。

4)涌泉根灌是一種有很大發(fā)展?jié)摿Φ奈⒐嘈录夹g(shù)，能有效地改善土壤的理化性質(zhì)，且該技術(shù)在灌溉過程中不易發(fā)生堵塞，也不影響地表作業(yè)，還能減少土壤水分蒸發(fā)。進(jìn)行涌泉根灌不同滴頭流量、不同滴頭間距的雙點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，研究涌泉根灌土壤水分運(yùn)移及分布特征，可為涌泉根灌理論及技術(shù)要素的發(fā)展與完善提供依據(jù)。

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Moist body of two-point source interference infiltration of surge root irrigation

WU Heng-qing1,2,HUANG Qiang1,WEI Qun3

(1KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentEcologyofMOE,XAUT,Xi’an,Shaanxi710048,China;2ShenzhenXiliReservoirAdministration,Shenzhen,Guangdong518049,China；3LonggangDistrictBuildingWorksBureau,Shenzhen,Guangdong518172,China)

【Objective】 This study explored the water movement and distribution characteristics under surge root irrigation to provide reference for theory and technical elements of surge root irrigation.【Method】 With irrigation amount of 20 L and irrigation time of 160-300 min,dripper flow rate (4,6,and 8 L/h) and emitter spacing (30 and 50 cm) were used as variables to conduct the surge root irrigation experiment at the condition of tow-point source interference infiltration.The movement of moisture and water distribution at horizontal and vertical cross-sections of moist body were measured and analyzed.【Result】 Different arrangements of two-point source interference infiltration for surge root irrigation had influences on horizontal and vertical movement of wetting front and water distribution.24 h after infiltration with different flow rates (4,6,and 8 L/h),differences between horizontal and vertical wetting fronts were 1.5,4.0 cm and 4.2,2.8 cm and 6.7,6.8 cm,respectively.24 h after infiltration with different emitter spacing (30 cm and 50 cm),horizontal direction wetting front increased by 24.5 and 11.3 cm and that of intersection increased by 17.7 and 20.3 cm,while vertical direction wetting front increased by 26.0 and 30.2 cm and that of intersection increased by 22.1 and 36.6 cm.With same emitter spacing and irrigation amount,big dripper resulted in higher soil moist body at surface while small dripper resulted in low flow rate at deep soil.【Conclusion】 With irrigation amount of 20 L and irrigation time of 160-300 min,both flow rate and emitter spacing had effects on wet body migration,convergence time,and soil moisture.

surge root irrigation;wetting front;moist body;soil moisture

2014-03-26

國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2001CB403306)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51190093)

吳恒卿(1976-)，男，廣東雷州人，在讀博士，主要從事水資源系統(tǒng)工程研究。E-mail：waterwu2004@126.com

魏 群(1984-)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士,主要從事節(jié)水灌溉研究。E-mail：weiqun2005@126.com

時(shí)間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.013

S275.4

A

1671-9387(2015)05-0201-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.013.html