不同滴頭流量下土壤水分分布特性研究

王華震，仵 峰*

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州 450045；2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450046)

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不同滴頭流量下土壤水分分布特性研究

王華震1，2，仵 峰1，2*

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州 450045；2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450046)

[目的]通過(guò)進(jìn)行原狀土的滴灌入滲試驗(yàn)，研究了不同流量、不同灌水歷時(shí)條件下，地表滴灌濕潤(rùn)體的變化規(guī)律及滴灌結(jié)束時(shí)的水分分布規(guī)律。[方法]采用濕潤(rùn)鋒觀(guān)測(cè)、suffer軟件繪等值線(xiàn)。[結(jié)果]在滴頭處和距滴頭10 cm處垂直滴灌帶方向水平濕潤(rùn)鋒在0～180 min內(nèi)呈現(xiàn)冪指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，在180～600 min與時(shí)間呈直線(xiàn)關(guān)系；在豎直濕潤(rùn)鋒方面，隨著滴頭流量的增大，滴頭處和距滴頭10 cm處水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增大的幅度比豎直方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增大的幅度要大，并且都呈對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢(shì)；灌水結(jié)束24 h時(shí)水分再分布過(guò)程中，豎直方向濕潤(rùn)鋒增大的幅度較水平方向濕潤(rùn)鋒增大的幅度要大。[結(jié)論]不同流量、不同灌水歷時(shí)條件下都會(huì)影響濕潤(rùn)體形態(tài)。

滴灌流量；濕潤(rùn)鋒；濕潤(rùn)體

近些年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)滴灌條件下水分在土壤中的入滲規(guī)律以及土壤濕潤(rùn)體的影響因素進(jìn)行了研究。濕潤(rùn)體的變化與濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移、滴頭流量的不同以及灌水量息息相關(guān)。不同的滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)動(dòng)有很大的影響。孫海燕等[1]研究表明，滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移影響很大，隨著滴頭流量的增加，在滴頭下方會(huì)形成一個(gè)積水區(qū)。李明思等[2]研究表明，地表積水區(qū)的變化對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移有控制作用。在大田滴灌條件下，地表沿滴頭土壤濕潤(rùn)鋒基本呈圓形分布。在一定灌水量和滴灌流量條件下，土壤垂直濕潤(rùn)鋒明顯地大于水平濕潤(rùn)鋒，且隨著灌水量的增加呈線(xiàn)性關(guān)系[3]。王超等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了地下滴灌條件下不同滴頭流量不同灌水量對(duì)濕潤(rùn)體特性的影響。結(jié)果表明，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與滴頭流量的時(shí)間變化呈正相關(guān)。灌水量是影響濕潤(rùn)體的因素之一。張振華等[5]研究表明，濕潤(rùn)體體積和灌水量之間存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系。另外，濕潤(rùn)體形狀和大小受灌水量的影響比受滴頭流量的影響要大[6]。土壤濕潤(rùn)體不僅受灌水量的影響，而且受滴頭流量的影響[7]。魏群等[8]研究發(fā)現(xiàn)，地表滴灌入滲濕潤(rùn)體的水平擴(kuò)散半徑、向下入滲深度均隨流量的增大而增大，且均與入滲時(shí)間有顯著的冪函數(shù)關(guān)系。在作物生長(zhǎng)方面，滴頭流量的變化對(duì)濕潤(rùn)體大小和形狀的影響很大，進(jìn)而影響作物根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量[9]。

許多學(xué)者對(duì)水分再分布過(guò)程進(jìn)行了研究。劉雪芹等[10]研究表明，供水停止后，在土壤水分再分布過(guò)程中，土壤濕潤(rùn)峰面不斷向外部推移，濕潤(rùn)層土壤含水量開(kāi)始有所增加，后期濕潤(rùn)體內(nèi)的土壤含水量普遍降低，高含水區(qū)逐漸下移，最后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。有研究表明，在灌水結(jié)束后，由于土壤水分再分布，同一深度土層上含水率差異逐漸減??；在灌水量相同的條件下，灌水結(jié)束時(shí)，滴頭流量小的入滲深度較大，濕潤(rùn)體內(nèi)土壤平均含水率較低；灌水結(jié)束后，受土壤水分再分配的作用，不同滴頭流量下入滲深度的差異較灌水結(jié)束時(shí)有所減小[11]。

目前，人們對(duì)滴頭流量和濕潤(rùn)鋒、灌水量、滴頭流量和濕潤(rùn)體、水分再分布等之間的關(guān)系做了大量的研究，但較多研究的是在室內(nèi)土箱條件下進(jìn)行的，但對(duì)大田滴灌條件下滴頭處地表濕潤(rùn)鋒的變化、不同流量下濕潤(rùn)鋒的形狀及濕潤(rùn)體的水分再分布的研究很少見(jiàn)于報(bào)道。實(shí)際上，田間土壤存在著很大的變異性。研究和分析田間滴灌不同滴頭流量、滴灌量條件下土壤水分沿縱、橫方向運(yùn)移特性、土壤含水量的分布規(guī)律以及供水結(jié)束后水分的再分布過(guò)程，對(duì)于合理地確定滴頭間距、毛管間距及作物種植模式等有重要的理論和實(shí)際意義。筆者在大田對(duì)不同滴頭流量、不同灌水量以及供水結(jié)束后24 h水分的再分布過(guò)程的土壤水分運(yùn)移特征進(jìn)行了初步研究，以期為田間滴灌管理提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤試驗(yàn)于2014年6～8月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)水試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。土壤屬于粉壤黏土，為再填土，上下層土質(zhì)均勻，取土層深0～100 cm。供試土壤機(jī)械組成：質(zhì)地粉壤黏土，0.020～2.000 mm 22.22%，0.002～0.020 mm 53.89%，<0.002 mm 23.89%。供試土壤孔隙率38.36%，干容重1.45 g/cm3，田間持水率21.3%，飽和含水率27.23%，初始含水率9.39%。

1.2 試驗(yàn)布置場(chǎng)內(nèi)布置滴灌設(shè)施。滴灌帶采用滴頭流量為1.1 L/h，滴頭間距40 cm。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)挖深1.0 m以及長(zhǎng)、寬均為1.6 m的土坑，豎直面作為觀(guān)測(cè)面，將觀(guān)測(cè)面修整光滑、平齊，將滴頭布置在距觀(guān)測(cè)邊緣10～15 cm處。試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。為研究方便，根據(jù)濕潤(rùn)體對(duì)稱(chēng)的特性，取濕潤(rùn)體的一半作為研究對(duì)象。

試驗(yàn)由試驗(yàn)場(chǎng)灌水裝置、壓力表、Φ16的PE管和3種不同流量的滴管帶組成。試驗(yàn)采用折疊式滴灌帶的方法設(shè)計(jì)3種不同滴頭流量的滴灌帶，設(shè)計(jì)流量分別為1.1、2.2和3.3 L/h。由于存在水頭損失，實(shí)際觀(guān)測(cè)的流量值與設(shè)計(jì)值存在一些誤差。在測(cè)坑中每種設(shè)計(jì)流量條件下用4個(gè)流量杯復(fù)核設(shè)計(jì)流量值，并且驗(yàn)算其準(zhǔn)確度，從而保證試驗(yàn)的可靠性。

圖1 試驗(yàn)布置示意

1.3 試驗(yàn)方法在供水開(kāi)始時(shí)，按照先疏后密的原則觀(guān)測(cè)不同滴頭流量在土壤表面的濕潤(rùn)距離，用牙簽標(biāo)記濕潤(rùn)鋒

的位置，用鋼卷尺量測(cè)土壤表面濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散的距離。另外，用秒表計(jì)時(shí)，并且按照60 min的時(shí)間間隔在豎直剖面上定時(shí)觀(guān)測(cè)沿滴灌帶方向距離滴頭10 cm處的土壤濕潤(rùn)體的水平擴(kuò)散距離和豎直入滲距離，同時(shí)在豎直觀(guān)測(cè)面濕潤(rùn)鋒上插牙簽(不少于5個(gè))，用于觀(guān)測(cè)每個(gè)時(shí)間段濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況，以滴頭所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，用鋼卷尺在觀(guān)測(cè)面測(cè)量每個(gè)牙簽處的縱橫坐標(biāo)，將坐標(biāo)值輸入Excel中點(diǎn)，繪出濕潤(rùn)鋒曲線(xiàn)。

在灌水結(jié)束24 h后，用1 cm自制取土管在距離滴頭10 cm的豎直觀(guān)測(cè)剖面上取土，根據(jù)滴灌形成的濕潤(rùn)體為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)體，所以只取一側(cè)。以滴灌帶所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在土管水平和豎直方向取土間距為10 cm，按“一字型”排列，一直取到濕潤(rùn)鋒偏外的位置。取樣后，用烘干法測(cè)量土壤含水率。取土位置示意圖如圖2所示。

圖2 取土點(diǎn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 滴頭流量值核定為了保證灌水的均勻性，試驗(yàn)采用在測(cè)坑中放置3個(gè)流量杯，驗(yàn)證3種設(shè)計(jì)流量的準(zhǔn)確度，從而保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確度和說(shuō)服力。滴頭流量的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算，滴灌帶灌水均勻度較好，符合試驗(yàn)要求。

表1 3種滴頭流量的實(shí)測(cè)值 L/h

2.2 濕潤(rùn)鋒水平遷移情況

2.2.1地表濕潤(rùn)鋒水平遷移情況。滴灌入滲的地表濕潤(rùn)距離是濕潤(rùn)體的重要特征值。掌握特定土壤條件下不同滴頭流量入滲過(guò)程中土壤濕潤(rùn)體特征值與入滲時(shí)間的關(guān)系，對(duì)毛管田間布置和作物種植間距具有重要的意義。以2.04 L/h為例，圖3和圖4分別反映流量2.04 L/h滴灌條件下垂直滴頭方向上土壤表層濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的分布規(guī)律以及沿滴灌帶方向距離滴頭10 cm處土壤表層水平濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化的擴(kuò)散過(guò)程。在0～180 min內(nèi)滴頭處和距滴頭10 cm處水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較快，通過(guò)曲線(xiàn)擬合，兩者增長(zhǎng)趨勢(shì)呈冪指數(shù)函數(shù)方式增長(zhǎng)。在供水開(kāi)始后，前期滴頭處和距滴頭10 cm處最大距離約相差15 cm，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)兩者濕潤(rùn)距離相差越來(lái)越小，在180 min時(shí)兩者濕潤(rùn)距離約相差5 cm。在供水的180～600 min時(shí)間內(nèi)，距離滴頭10 cm處的水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率大于垂直滴頭處的水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率，垂直滴頭處的水平濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離基本上變化不太明顯，呈平緩的直線(xiàn)趨勢(shì)發(fā)展，而距離滴頭10 cm處水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律呈斜直線(xiàn)型，到600 min時(shí)兩者濕潤(rùn)距離大致相等。

圖3 0～180 min地表濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程

圖4 垂直滴頭10 cm處0～180 min地表濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程

利用對(duì)數(shù)關(guān)系對(duì)地表和距滴頭10 cm剖面邊緣處水平濕潤(rùn)鋒擴(kuò)散距離的變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬合。由表2可知，擬合值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

表2 地表濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的擬合方程(滴頭流量2.04 L/h)

2.2.2觀(guān)測(cè)剖面濕潤(rùn)鋒水平遷移情況。為防止滴頭滴出的水溢到豎直觀(guān)測(cè)面上影響試驗(yàn)結(jié)果，將滴頭放到距豎直觀(guān)測(cè)面10 cm處，并且觀(guān)測(cè)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況，但是人們真正關(guān)心的是水分從滴頭位置流出來(lái)以后水分的運(yùn)移規(guī)律。這能更好地為人們的田間布置和水分管理提供更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。以1.1和2.04 L/h為例，圖5和圖6分別反映不同滴頭流量因滴頭放置位置的不同濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況的變化過(guò)程。在水平濕潤(rùn)鋒分析的情況說(shuō)明兩者的變化趨勢(shì)具有大致相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這與滴頭放在地表的濕潤(rùn)鋒變化趨勢(shì)是相同的。通過(guò)分析1.1和2.04 L/h 2種滴頭流量的水平濕潤(rùn)鋒從整體的變化趨勢(shì)用對(duì)數(shù)函數(shù)函數(shù)擬合，吻合度都在98%以上。如果把時(shí)間段分開(kāi)說(shuō)明，那么前期趨勢(shì)線(xiàn)呈冪函數(shù)的趨勢(shì)發(fā)展，然后呈直線(xiàn)型穩(wěn)定的趨勢(shì)。這與地表濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律是相同的。在豎直方向上，1.1 L/h情況下2種滴頭放置位置不同，滴頭流量水分運(yùn)移都呈冪指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)，隨著流量的增大，2.04 L/h情況下2種滴頭放置位置不同滴頭流量隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢(shì)。分析整理距滴頭10 cm處和換

算后的滴頭處濕潤(rùn)鋒遷移變化過(guò)程，結(jié)果表明不同滴頭流量條件下距滴頭10 cm處的水分運(yùn)移規(guī)律和滴頭處的水分運(yùn)移規(guī)律是相似的。

圖5 1.1、2.04 L/h距滴頭10 cm和滴頭處水平濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化過(guò)程

圖6 1.1、2.04 L/h距滴頭10 cm和滴頭處豎直濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化過(guò)程

滴灌土壤濕潤(rùn)體大小由水平和垂直入滲距離確定。掌握濕潤(rùn)體大小的變化規(guī)律，是正確進(jìn)行滴灌田間布置和水分管理的重要依據(jù)。經(jīng)過(guò)6 h且點(diǎn)源入滲，觀(guān)測(cè)距滴頭10 cm處不同滴頭流量在水平和豎直方向上濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移隨時(shí)間變化的規(guī)律，計(jì)算且分析出滴頭處的水分隨時(shí)間運(yùn)移規(guī)律，對(duì)大田滴灌濕潤(rùn)體的研究提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)(表3)，并且對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有較大的實(shí)際意義。

表3 1.1、2.04 L/h距滴頭10 cm和滴頭處濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律

2.3 濕潤(rùn)體的水分分布變化過(guò)程在滴灌過(guò)程中，由于穩(wěn)定的水源供給，濕潤(rùn)體內(nèi)的土壤含水量普遍較高。當(dāng)?shù)喂嗤Ｖ购?，土壤水分在自身重力、吸力梯度的作用下繼續(xù)向外擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也就是土壤水分的再分布。在土壤水分再分布過(guò)程中，土壤濕潤(rùn)鋒面不斷向外推移，通過(guò)觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)停止供水24 h后土壤水分?jǐn)U散已極為緩慢，觀(guān)測(cè)面濕潤(rùn)鋒幾乎不再擴(kuò)展，形成一個(gè)比原來(lái)大的濕潤(rùn)體，水分再分布形成的濕潤(rùn)體的特征值對(duì)指導(dǎo)毛管田間布置和水分管理具有重要的實(shí)用性?，F(xiàn)以2.2 L/h形成的濕潤(rùn)體為例，灌水結(jié)束24 h后水平濕潤(rùn)鋒距離達(dá)到38 cm，比灌溉停止時(shí)增加了6.8 cm，增加幅度為17.9%，垂直深度達(dá)到44 cm，比灌水停止時(shí)增加了8.3 cm，增加幅度為18.9%，垂直方向大于水平方向。這是因?yàn)樵谒衷俜植歼^(guò)程中，重力勢(shì)作用要大于基質(zhì)勢(shì)作用，導(dǎo)致垂直方向增大的幅度較水平方向增大的幅度要大。在灌水結(jié)束24 h后，用自制取土管，在規(guī)劃好的木板格內(nèi)取土，并且用烘干法烘干。利用SUFFER軟件，對(duì)各個(gè)位置的含水率(圖7)分析。

圖7 不同滴頭流量灌水結(jié)束24 h水分分布情況

3 結(jié)論

(1)當(dāng)?shù)喂喙┧?～180 min內(nèi)垂直滴頭方向上土壤表層水平濕潤(rùn)鋒大于沿滴灌帶方向距離滴頭10 cm處土壤表層水平濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離，并且呈現(xiàn)冪指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)，隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，在180～600 min內(nèi)兩者水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離差別并不明顯，兩者呈直線(xiàn)趨勢(shì)發(fā)展。

(2)在豎直觀(guān)測(cè)剖面上，在同一灌水歷時(shí)條件下，在水平濕潤(rùn)鋒方面，隨著滴頭流量的增加，滴頭處和距滴頭10 cm處水平濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增大的幅度比豎直方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離增大的幅度要大，并且都呈對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢(shì)；在豎直濕潤(rùn)鋒方面，1.1 L/h條件下滴頭處和距滴頭10 cm處豎直方向上濕潤(rùn)鋒呈冪指數(shù)增長(zhǎng)，隨著流量的增加，2.04 L/h兩者都呈對(duì)數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。

(3)在灌水結(jié)束24 h時(shí)水分再分布過(guò)程中，重力勢(shì)的作用要大于基質(zhì)勢(shì)的作用，導(dǎo)致豎直方向濕潤(rùn)鋒增大的幅度較水平方向濕潤(rùn)鋒增大的幅度要大。

[1] 孫海燕，李明思，王振華，等.滴灌點(diǎn)源入滲濕潤(rùn)鋒影響因子的研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2004(3)：14-16，27.

[2] 李明思，康紹忠，孫海燕.點(diǎn)源滴灌滴頭流量與濕潤(rùn)體關(guān)系研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(4)：32-35.

[3] 賈運(yùn)崗，張富倉(cāng)，李培嶺.大田滴灌條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2007(6)：15-18.

[4] 王超，李援農(nóng).地下滴灌條件下濕潤(rùn)體特性的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011(3)：38-40.

[5] 張振華，蔡煥杰，郭永昌，等.滴灌土壤濕潤(rùn)體影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(2)：17-20.

[6] 張振華，蔡煥杰，楊潤(rùn)亞.地表滴灌土壤濕潤(rùn)體特征值的經(jīng)驗(yàn)解[J].土壤學(xué)報(bào)，2004，41(6)：870-875.

[7] SINGH LUBANA P P，NARDA N K.Modelling soil water dynamics under trickle emitters—a review[J].Journal of Agricultural Engineering Research，2001，78(3)：217-232

[8] 魏群，費(fèi)良軍.地表滴灌點(diǎn)源入滲土壤水分運(yùn)動(dòng)的模擬研究[J].廣東水利水電，2012(Z1)：7-10.

[9] 李明思，孫海燕，謝云，等.滴頭流量對(duì)土壤濕潤(rùn)體的影響研究[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35(5/6)：420-422.

[10] 劉雪芹，范興科，馬甜.滴灌條件下砂壤土水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2006(3)：56-59.

[11] 張林，吳普特，朱德蘭，等.多點(diǎn)源滴灌條件下土壤水分運(yùn)移模擬試驗(yàn)研究[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，30(2)：237-243.

Different Dripper Flow Study on Soil Moisture Distribution Characteristics

WANG Hua-zhen1,2，WU Feng1,2*

(1.College of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou，Henan 450045；2.Key Laboratory of Water-saving Agriculture in Henan Province，Zhengzhou，Henan 450046)

[Objective] Through drip irrigation infiltration tests of undisturbed soil, the effects of different flow and different irrigation duration on the variation of moist body and the moist distribution at the end were studied.[Method] Observations using the wetting front and suffer contouring software were adopted.[Result] In the office and away from the dropper vertically emitter drip tape horizontally at the wetting front 10 cm presented a power of growth in 0-180 min, and a linear relationship in 180-600 min.In terms of vertical wetting front, with the increase of dripper flow, the increase of the magnitude at dripper department and at 10 cm from the emitter level wetting front distance of the horizontal direction was larger than that of the wetting front distance of the vertical direction, and presented the trend of logarithmic functions.At the end of the irrigation water redistribution process after 24 h, the increase of the magnitude of wetting front of vertical direction was larger than that of the horizontal direction.[Conclusion] Different flow and different irrigation duration would affect the moist body morphology.

Drip flow; Wetting front; Moist body

國(guó)家863計(jì)劃課題(2011AA100507)；華北水利水電大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目。

王華震(1987- )，男，河南臺(tái)前人，碩士研究生，研究方向：節(jié)水灌溉理論。*通訊作者，教授，從事節(jié)水灌溉技術(shù)及相關(guān)理論研究。

2015-01-26

S 275.6

A

0517-6611(2015)08-075-04