毛細(xì)節(jié)水灌溉條件下蔗區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究

吳衛(wèi)熊，潘 偉，張廷強(qiáng)，何令祖，林學(xué)佳(廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023)

近年來，廣西甘蔗高效節(jié)水灌溉發(fā)展迅猛，特別是滴灌以其能實現(xiàn)水肥一體化的特點得到大面積的推廣，但由于滴灌的滴頭容易堵塞，蔗農(nóng)急切呼喚一種能實現(xiàn)水肥一體化、防堵性能優(yōu)越的灌溉技術(shù)。毛細(xì)節(jié)水灌溉技術(shù)是一種地表下織物灌溉系統(tǒng)，中間是一根滴灌管，底部是不透水的塑料薄膜，頂部是透水性能良好的土工布；相對于傳統(tǒng)滴灌技術(shù)依托于等距單獨(dú)的滴頭按控制速率流水滴灌土壤，毛細(xì)管埋設(shè)于地下，通過土工布根據(jù)土壤墑情來輸送水分，灌溉水利用系數(shù)高達(dá)95%以上，防堵性能好，目前，在廣西甘蔗灌溉已經(jīng)應(yīng)用15 hm2，增產(chǎn)效果良好。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置分為供水部分、測量控制部分、試驗主體部分。供水部分包括：高位水池；測量控制部分包括：流量調(diào)節(jié)閥、壓力表；試驗主體部分包括：試驗主體包括正方體土箱：長60 cm×寬60 cm×高60 cm、毛細(xì)管、堵頭。試驗需要的其他材料：烘箱、流量計、天平、秒表、墑情站，如圖 1所示。

圖1 毛細(xì)節(jié)水灌溉水分入滲模擬裝置示意圖

1.2 試驗方法

(1)供試土壤。根據(jù)廣西蔗區(qū)土壤類型分布情況，從江州區(qū)、武宣縣、合浦縣蔗田各取土8 t左右，測定原狀土密度、土壤飽和含水率、土壤田間持水率、滲透系數(shù)等指標(biāo)(見表1)。將試驗土壤風(fēng)干和碾碎后，過2 mm的篩子篩取后供試驗用。

表1 試驗土壤基本參數(shù)指標(biāo)

(2)土樣填筑。將土樣按照每次裝入10 cm，然后用平板壓實土層，確保填筑后的土壤密度與原狀土土壤密度接近，即沙土密度1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3裝完土樣后，密封靜置24 h。

在土樣填筑同時在深度10、20、30 cm 3層每層距離毛細(xì)管水平方向20 cm位置埋設(shè)EDAS 墑情監(jiān)測站土壤水分測定儀，便于測定不同時間各位置土壤含水率，設(shè)置采集間隔為1 min。

(3)入滲流量。采用沙土、壤土和黏土等3類土壤，分析在100 kPa恒定工作壓力下土壤水分運(yùn)移規(guī)律。毛細(xì)管單位時間在3種土壤實際流量如表2所示。

表2 毛細(xì)管流量表

(4)試驗步驟[1，2]。由于只觀測整個濕潤體的一半，用防水膠布在將毛細(xì)管背側(cè)中間黏貼到土箱壁，防止水分從箱壁下滲。步驟一：填筑土壤，埋設(shè)設(shè)備；步驟二：調(diào)整、校核試驗毛細(xì)管試驗工作壓力，確保毛細(xì)管首部壓力為100 kPa；步驟三：開始試驗觀測。主要觀測指標(biāo)包括：橫向濕潤鋒變化、豎向濕潤鋒變化、毛細(xì)管縱向濕潤鋒變化、不同時間EDAS 墑情監(jiān)測站土壤水分測定不同深度土壤含水率變化，灌水結(jié)束后測定土體內(nèi)土壤水分分布情況。

濕潤鋒變化通過標(biāo)記法測定：用畫筆在土箱壁上標(biāo)定在預(yù)定的時間沿著濕潤鋒圖曲線描線。

不同時間EDAS 墑情監(jiān)測站土壤水分測定儀不同深度土壤含水率變化直接通過電腦讀數(shù)。

灌水結(jié)束后土體內(nèi)土壤水分分布情況通過取土烘干法測定：以土箱壁為起點，在豎直方向每隔10 cm取一個樣，在水平方向每個5 cm取一個樣，取樣后通過烘干法測定不同位置土壤質(zhì)量含水量。

(5)數(shù)值模擬[3]。

①計算方法。毛細(xì)節(jié)水灌溉條件下的土壤水分運(yùn)動是三維運(yùn)動，在采用HYDRUS-3D建模時，假設(shè)土壤為各向同性、均質(zhì)的多孔介質(zhì)，則土壤水分運(yùn)動方程為：

(1)

式中：θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為土壤負(fù)壓水頭，cm；x、y、z為坐標(biāo)(z坐標(biāo)向下為正)，cm；t為時間，min；K(h)為非飽和導(dǎo)水率，cm/min。

根據(jù)試驗土壤的物理性質(zhì)，采用土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)方法，確定土壤水分運(yùn)行相關(guān)參數(shù)。非飽和土壤水分特征曲線θ(h)、土壤導(dǎo)水率K(h)與土壤負(fù)壓水頭非線性相關(guān)，HYDRUS-3D采用van-Genuchten模型描述：

(4)

式中：Se為有效土壤含水飽和度，cm3/cm3；θs、θr分別為飽和含水率、殘余含水率，cm3/cm3；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm/min；l為孔隙連通性參數(shù)，一般取0.5；m、n為孔隙形狀分布系數(shù)；α為進(jìn)氣相關(guān)參數(shù)，cm-1。

②模擬區(qū)域、邊界及初始條件。模擬區(qū)域：水平x方向取60 cm，水平y(tǒng)方向取60 cm，縱向z取60 cm(見圖2)。

圖2 模擬求解區(qū)域示意圖(單位：cm)

邊界條件：毛細(xì)管上部為透水土工織布，下部為不透水膠布，土箱壁四周為隔水邊界。

初始條件：以試驗時測定的土壤初始含水率作為水分運(yùn)移的初始條件，可描述為：

θ(x,y,z,0)=θ0

(5)

0≤x≤X; 0≤y≤Y; 0≤z≤Z;t=0

式中：θ(x，y，z，0)為初始時刻土壤內(nèi)各點的體積含水率；θ0為土壤初始體積含水率；X為60 cm；Y為模擬區(qū)域y方向最大值60 cm；Z為模擬區(qū)域z方向最大值60 cm。黏土的初始體積含水率為15.8%，壤土的初始體積含水率為13.2%，沙土的初始體積含水率為6.5%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土壤類型對濕潤體形狀的影響

毛細(xì)節(jié)水灌溉在試驗的沙土、壤土、黏土等3種土壤中流量對比，在黏土中流量最小，因此以黏土8 h流量為準(zhǔn)。常規(guī)灌溉水量為田間持水率的60%～80%，沙土取田間持水率的60%～100%以此計算得工程實際所需灌水量如表3所示。

表3 灌水量計算表

以黏土8 h流量作為對比，黏土8 h 1 m毛細(xì)管合計流量為21.741 L。按照沙土壤土平均流量計算，達(dá)到1 m毛細(xì)管21.74 L。毛細(xì)節(jié)水灌溉在沙土的灌水時間為3.18 h，在壤土的灌水時間為6.62 h，此時的濕潤體形狀如圖3所示。

圖3 相同灌水量不同土壤類型濕潤體形狀

從圖3中可以看出，毛細(xì)管在埋深20 cm情況下，土壤類型對于毛細(xì)管濕潤體形狀的影響十分顯著。黏土的濕潤體類似于半圓形，壤土的濕潤體為頂部切開的半圓形形狀，沙土的濕潤體為頂部切開的橢圓形形狀。為了更加詳細(xì)了解濕潤體形狀以及變化情況，將徑向濕潤距離r與垂直濕潤距離z的比值(r/z)定義為濕潤比。由圖3可知，3種土壤沙土濕潤速度最快，壤土次之，黏土最慢。3種土壤水量都達(dá)到統(tǒng)一的21.741 L/m時黏土橫向濕潤寬度為191 mm，上方濕潤深度為198 mm，下方濕潤深度為150 mm;壤土橫向濕潤寬度為196 mm，上方濕潤深度為200 mm，下方濕潤深度為137 mm; 沙土橫向濕潤寬度為239 mm，上方濕潤深度為200 mm，下方濕潤深度為230 mm。橫向濕潤寬度：沙土>壤土>黏土，上方濕潤高度：沙土>壤土>黏土，下方濕潤深度：沙土>壤土>黏土。在灌水量相同的情況下，土壤濕潤體范圍大小與土壤初始含水率與飽和含水率的差值有關(guān)，差值越大所能含蓄的水量越大，同水量濕潤范圍越小。土壤水平濕潤寬度與上方濕潤高度比r/z上黏土0.96<壤土0.98<沙土1.2；下方土壤水平濕潤寬度與下方濕潤高度比r/z下黏土1.36>壤土1.33>沙土1.03。土壤往上濕潤首先憑借土壤間毛細(xì)管的作用吸水，達(dá)到田間持水率后水量填滿孔隙。土壤毛細(xì)管吸水作用越強(qiáng)r/z上越小，因此上方濕潤比黏土>壤土>沙土。黏土與壤土的r/z上小于1且與1差距很小，表示毛管吸水作用很強(qiáng)，重力作用影響較小。沙土r/z上大于1是由于沙土毛管吸水作用弱，重力作用對于往上濕潤影響較大。土壤下方土體濕潤受毛管作用于重力作用雙重影響，毛管作用大則水平方向與豎直方向濕潤范圍差距小，r/z下也就小。由于毛細(xì)管下方為不透水層，因此阻擋了水分直接往下入滲，而是讓水流從毛細(xì)管上部出流沿著兩邊入滲，經(jīng)過管邊緣后再往下入滲，因此延長了水分往下入滲的路徑，減少了往下入滲量。r/z下均大于1，入滲深度不及往上的入滲高度，說明毛細(xì)管往下截滲效果顯著。水流往下通過管邊緣后在重力與毛細(xì)管雙重作用下往下入滲，毛細(xì)管作用越強(qiáng)r/z下也就越大，因此r/z下黏土>壤土>沙土。

2.2 土壤類型對水分分布的影響

每米灌水量21.74 L的條件下，上述3種土壤灌水結(jié)束后土壤含水率等值線圖分別如圖4所示。由圖4可知，3種土壤含水率等值線變化趨勢基本一致，均從毛細(xì)管往四周降低，等值線間距也從毛細(xì)管往四周變化變快，然后在最后兩條等值線位置變化減緩。在水平方向影響土壤濕潤寬度的因素主要有土壤初始含水率與土壤飽和含水率的差值以及土壤毛細(xì)管吸水作用。由表3可知飽和帶的寬度壤土<黏土<沙土，含水率變化帶寬度沙土<黏土<壤土，總濕潤寬度黏土<沙土<壤土。3種土壤總水量一定，各影響因素的影響導(dǎo)致了水量在土壤中水分分布。沙土的毛細(xì)管作用最弱，飽和含水率與初始含水率差值也最小因此含水率過渡帶最窄。黏土初始含水率與飽和含水率差值最大，且土壤毛細(xì)管吸水作用最強(qiáng)，因此相同水量所濕潤的土體體積最小。沙土的水平濕潤寬度小于壤土是由于在橫向入滲的同時也會縱向入滲，沙土毛細(xì)管作用較弱，重力成為了主導(dǎo)入滲的因素，因此減少了橫向入滲寬度。壤土的入滲同時受重力以及毛管作用影響，壤土毛管作用弱于黏土，因此水平入滲寬度大于黏土；壤土毛管作用大于沙土，重力對于壤土水平入滲的影響較小，因此水平入滲寬度大于沙土。

圖4 沙土、壤土、黏土濕潤體含水率等值線圖

從含水率比降來說含水率比降黏土>壤土>沙土；黏土的持水能力較強(qiáng)，含水率等值線變化幅度較陡；沙土的持水能力最弱，等值線變化也就最緩?？偟膩碚f相同灌水量壤土的水平灌水寬度最大，沙土的灌水體積最大，黏土的持水能力最強(qiáng)。

毛細(xì)管地表出流情況下100 kPa每米水量為10.52 L/h,而地埋深度20 cm時在沙土中流量為6.83 L/(h·m),壤土中流量為3.28 L/(h·m),黏土中流量為2.72 L/(h·m)。3種土壤地埋毛細(xì)管灌流量均很大程度小于地表流量，這是由于不同土壤類型土壤導(dǎo)滲率決定，土壤導(dǎo)滲率越大，毛細(xì)管流量越大。

2.3 灌水過程土壤水分運(yùn)動分析

圖5為沙土0.5、1.5、2.5、3.5 h所對應(yīng)的土壤濕潤體形狀圖，由圖5可知毛細(xì)管從管上部出流，首先濕潤管上面部分，待濕潤到管邊緣位置后開始繞過右邊壁往下入滲，入滲形狀開始呈漩渦狀。隨著時間推移入滲范圍增加，入滲形狀在1.5 h接近圓形，并且上部濕潤體接近土壤頂部。再往后土壤頂部開始濕潤，頂部濕潤范圍增加，與此同時濕潤體的下滲作用開始顯現(xiàn)，濕潤體呈現(xiàn)上部切開的橢圓形。頂部濕潤寬度19 cm，橫向濕潤最寬27 cm，豎向濕潤總深度47 cm。

圖5 沙土0.5、1.5、2.5、3.5 h濕潤體形狀圖

圖6為壤土1、2、4、6.5 h濕潤體形狀，其形狀與沙土濕潤過程類似。相對沙土來說，壤土濕潤體速度較慢，且濕潤體形狀更接近圓形，濕潤體飽和帶部分小于沙土，濕潤體過渡帶部分大于沙土。頂部濕潤寬度23 cm，橫向濕潤最寬28 cm，豎向濕潤總深度43 cm。

圖7為黏土2、4、6、8 h濕潤體形狀，其形狀與沙土、壤土濕潤過程類似。相對沙土、壤土來說，黏土濕潤體速度較慢，且濕潤體形狀更接近圓形。灌水結(jié)束后頂部濕潤寬度17 cm，橫向濕潤最寬25 cm，豎向濕潤總深度43 cm。

圖6 壤土1、2、4、6.5 h濕潤體形狀圖

圖7 黏土2、4、6、8 h濕潤體形狀圖

3 結(jié) 語

(1)黏土的濕潤體類似于半圓形，壤土的濕潤體為頂部切開的半圓形形狀，沙土的濕潤體為頂部切開的橢圓形形狀。土壤類型、土壤含水率對土壤各方向入滲有明顯的影響：橫向濕潤寬度：沙土>壤土>黏土，上方濕潤高度：沙土>壤土>黏土，下方濕潤深度：沙土>壤土>黏土。土壤水平濕潤寬度與上方濕潤高度比r/z上黏土0.96<壤土0.98<沙土1.2；下方土壤水平濕潤寬度與下方濕潤高度比r/z下黏土1.36>壤土1.33>沙土1.03。

(2)3種土壤含水率等值線變化趨勢基本一致，均從毛細(xì)管往四周降低，等值線間距也從毛細(xì)管往四周變化變快，然后在最后兩條等值線位置變化減緩。土壤飽和帶的寬度壤土<黏土<沙土，含水率變化帶寬度沙土<黏土<壤土，總濕潤寬度黏土<沙土<壤土，含水率比降黏土>壤土>沙土。

(3)毛細(xì)管從管上部出流，首先濕潤管上面部分，待濕潤到管邊緣位置后開始繞過右邊壁往下入滲，入滲形狀開始呈漩渦狀。隨著時間推移入滲范圍增加并入滲形狀接近圓形，再往后土壤頂部開始濕潤，頂部濕潤范圍增加，與此同時濕潤體的下滲作用開始顯現(xiàn)，濕潤體呈現(xiàn)上部切開的橢圓形。毛細(xì)管地埋會影響管本身出流量，毛細(xì)管出流量決定于土壤導(dǎo)滲率。

(4)根據(jù)毛細(xì)管的水分在沙土、壤土和黏土運(yùn)移規(guī)律，提出毛細(xì)管在蔗區(qū)沙土、壤土和黏土的埋深應(yīng)為40、30和20 cm。

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