黑土區(qū)地下暗灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律研究

劉道維，鄭文生，王 柏，孟 巖，孫彥君

（黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

地下暗灌是通過埋設(shè)于地下的灌水器以較小流量均勻、準(zhǔn)確地直接將水和作物生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分輸送到作物根部土壤附近的灌水方法［1－3］。地下暗灌濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移規(guī)律是確定地下暗灌系統(tǒng)布置的最重要的理論依據(jù)，它決定了作物在有限水量條件下能否正常生長(zhǎng)。因此，對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，可以為地下暗灌技術(shù)提供合理的科學(xué)依據(jù)，從而促進(jìn)地下暗灌技術(shù)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展［4－7］。

1 材料與方法

室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)包括土箱和供水單元兩部分組成（見圖1）。土箱是用有機(jī)玻璃制成，長(zhǎng)方體無蓋土箱，尺寸為50cm×50cm×100cm（長(zhǎng)×寬×高）；供水單元采用升降機(jī)設(shè)定恒位水頭的水箱，規(guī)格為50cm×50cm×100cm（長(zhǎng)×寬×高）。試驗(yàn)過程中保證灌水水頭恒定，以提供穩(wěn)定的流量。暗灌管選用貼片式滴灌帶，滴灌帶選用滴頭流量分別為1．10L／h和1．38L／h，滴頭間距是30cm，作用水頭為3m。

土樣取自黑龍江省水利科技試驗(yàn)研究中心的耕作土壤，為黑土，土壤平均干容重為1．33g／cm3，平均飽和含水率為34．58%，田間持水率為27．07%。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓、篩分（過2mm標(biāo)準(zhǔn)土篩），混合均勻后制備成試驗(yàn)土樣，分層填裝到土箱中，每層填裝高度為5cm，填裝上一層之前，將其下層的土壤表面鑿毛，然后再填裝，這樣使上下兩層接合更緊密，不至于分層，初始含水率為8．50%左右，土壤干容重控制在1．34g／cm3。

圖1 地下暗灌室內(nèi)試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)共設(shè)置了2個(gè)處理，見表1。

表1 地下暗灌室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置表

觀測(cè)項(xiàng)目：

（1）在試驗(yàn)過程中，觀測(cè)并記錄水平濕潤(rùn)鋒水平方向運(yùn)移距離、濕潤(rùn)鋒垂直向上和向下運(yùn)移距離及整個(gè)濕潤(rùn)體隨時(shí)間的變化情況，時(shí)間間隔本著先密后疏的原則，分別為5min、10min、30min、1h、1．5h、2h、3h、4h、5h、6h不等。

（2）試驗(yàn)結(jié)束時(shí)采用圖2所示記錄土壤濕潤(rùn)鋒形狀。

圖2 濕潤(rùn)鋒記錄網(wǎng)格

2 結(jié)果與分析

2．1 濕潤(rùn)鋒的變化規(guī)律

選擇T1處理分析濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律，T1的滴頭流量1．10L／h，滴頭間距30cm，布置2個(gè)滴頭，滴頭埋設(shè)深度30cm，初始土壤含水率8．50%，土壤干容重1．34g／cm3，灌水時(shí)間6h。此試驗(yàn)可以認(rèn)為是線源灌溉，根據(jù)其灌水后濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過程繪制圖3地下暗灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的二維剖面圖，圖中曲線為不同時(shí)間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線，為了清晰地顯示濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移，重點(diǎn)標(biāo)注了1h、2h、3h、4h、5h和6h時(shí)間的濕潤(rùn)鋒曲線。

由圖3可知：

（1）地下暗灌濕潤(rùn)鋒擴(kuò)展速度隨灌水時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。這是由于在灌水開始的時(shí)候，灌水器周圍土壤含水率快速達(dá)到飽和，和周圍土層形成較大的土水勢(shì)梯度，驅(qū)使土壤水迅速向外運(yùn)移，形成由內(nèi)向外逐漸擴(kuò)展的濕潤(rùn)鋒，隨著濕潤(rùn)鋒的擴(kuò)展，其邊緣土壤含水率與四周土壤含水率之間的差異會(huì)逐步降低，其間的土水勢(shì)梯度也隨之減小，這樣，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度會(huì)隨著土水勢(shì)的減小而降低。

圖3 地下暗灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖

（2）在灌水開始的1h內(nèi)三個(gè)方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離基本上保持一致，濕潤(rùn)鋒呈圓形，隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，水平方向和垂直向上的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的距離差別不大，濕潤(rùn)鋒向下的距離要大于其它兩個(gè)方向。這是因?yàn)樵诰|(zhì)的土壤中，水分初期運(yùn)移的主要驅(qū)動(dòng)力來源于基模勢(shì)，而此時(shí)灌水器周圍各個(gè)方向上基模勢(shì)基本上是一致的，因此各個(gè)方向出現(xiàn)大致相等的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。但是隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，重力作用逐漸顯著，重力增加了濕潤(rùn)鋒向下的運(yùn)移速度，而減緩了向上的運(yùn)移速度，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒向下的運(yùn)移距離漸漸超過水平和向上方向的，而且隨著時(shí)間的推移，濕潤(rùn)鋒呈橢圓形，向下運(yùn)移的距離與其它兩個(gè)方向的差距逐步擴(kuò)大，最終下方運(yùn)移距離最大，水平運(yùn)移的距離居中，向上運(yùn)移距離最?。?－9］。

2．2 不同流量條件下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)記錄結(jié)果繪制T1和T2濕潤(rùn)鋒在水平方向、垂直向上和垂直向下三個(gè)方向隨時(shí)間運(yùn)移距離與灌水時(shí)間關(guān)系的曲線（圖4），由圖4（a）可知，灌水器流量1．10L／h的處理濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系的曲線開始斜率較大，1h以后開始變得平緩，這說明濕潤(rùn)鋒三個(gè)方向的運(yùn)移距離開始是快速增加，而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)增加的速度開始下降，在前1h時(shí)間內(nèi)水平方向、垂直向上、垂直向下三個(gè)方向的差距不大，這是由于灌水初期，灌水器周圍土壤含水率較低，土壤吸力是土壤水分運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Γ?個(gè)方向吸力大致相同。1h以后，3個(gè)方向上的距離變化出現(xiàn)差異，垂直向上運(yùn)移距離最小，水平方向居中，而垂直向下的運(yùn)移距離最大，這主要是重力作用的結(jié)果，降低了向上的動(dòng)力，而增加了向下的動(dòng)力，使水分降低了向上的運(yùn)移，加速了向下運(yùn)移。由圖4（b）可以看出1．38L／h處理的總體趨勢(shì)與1．10L／h相似，因?yàn)楣嗨髁髁康脑黾?，水平方向、垂直向上、垂直向下三個(gè)方向運(yùn)移的距離全部大于灌水器流量為1．10L／h的處理，運(yùn)移距離全部增加，垂直向下方向增加的最大，增加了10．1cm，達(dá)到30．5cm的位置，所以地下暗灌灌水器的流量要根據(jù)土壤的性質(zhì)和類型控制在一個(gè)合理的范圍，既要保證水量，又要防止深層滲漏。

圖4 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系

表2是相同灌水時(shí)間（6h）不同流量的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。由表2可知，灌水器流量為1．38L／h處理的三個(gè)方向上的運(yùn)移距離均大于1．10L／h處理，分別增加了34．44%、34．86%和49．51%，可見濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離均隨灌水器流量的增大而增加，灌水器流量對(duì)垂直向下運(yùn)移距離的影響大于對(duì)其它二個(gè)方向運(yùn)移距離的影響。由此可見重力對(duì)地下暗灌濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移影響較大。

表2 灌水結(jié)束時(shí)各方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離

2．3 不同流量條件下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度與灌水時(shí)間的關(guān)系

圖5為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度與灌水時(shí)間的關(guān)系圖。由圖可知，灌水開始時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度最快，而且各個(gè)方向保持一致，其中灌水器流量為1．38L／h條件下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度可以達(dá)到55．1cm／h，而1．10L／h處理的濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度為41．0cm／h，在1h內(nèi)，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度由最大值快速下降，在1～3h之間濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度下降的速率顯著降低，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度趨于緩慢，在超過3h后濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度基本達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，運(yùn)移速度基本上保持在1．3～3．2cm／h之間。

從不同流量對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度影響來看，流量增加會(huì)加速濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的速度，由圖5（a）和圖5（b）可以看出，流量增加對(duì)水平和垂直向上的運(yùn)移速度增加不顯著；由圖5（c）可以看出，在垂直向下的方向上，在0～1．5h時(shí)段內(nèi)流量大的會(huì)明顯提高濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度。1．5h后趨于一致。

圖5 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度與灌水時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）在灌水初期濕潤(rùn)鋒呈圓形，而隨著時(shí)間的推移，向下運(yùn)移的距離與其它兩個(gè)方向的差距逐步擴(kuò)大，最終向下方運(yùn)移距離最大，水平運(yùn)移的距離居中，向上運(yùn)移距離最小。

（2）灌水開始時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度最快，而且各個(gè)方向保持一致，隨著灌水時(shí)間的推移，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度先是快速下降，然后是緩慢下降，最后是達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）從不同流量對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度影響來看，流量增加會(huì)加速濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的速度，流量增加對(duì)水平和垂直向上的運(yùn)移速度增加的不顯著；在垂直向下的方向上，在0～1．5h時(shí)段內(nèi)流量大的會(huì)明顯提高濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度，1．5h后趨于一致。

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