東營引黃灌區(qū)波涌灌溉對田間泥沙運移影響研究

王 帥，孫曉琴，周 鵬，鞠茜茜，吳 強，王春堂(山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

山東黃河流域農業(yè)生產主要以引黃灌溉為主，由于黃河含沙量大，黃河泥沙一直是引黃灌區(qū)亟待解決的問題。引黃泥沙淤積在渠道，造成引水、輸水困難；清淤泥沙會占用大量耕地，引起土壤沙漠化[1,2]。近幾年，遠距離輸沙技術的研究解決了引黃灌區(qū)渠道的淤積問題[3,4]。將泥沙引入田間是另一項重要措施，引黃泥沙多為細顆粒泥沙，多年引黃灌溉可明顯改善灌區(qū)土壤的結構性，縮小土壤顆粒之間的比例差距。并且黃河泥沙含有豐富的養(yǎng)分，長期灌溉可以提高土壤中有機質、速效N、速效K等養(yǎng)分，改良土壤[5-7]。目前，有灌區(qū)引入田間的泥沙量占到了灌區(qū)引沙量的30%以上[8]，這對于緩解引黃渠道淤積問題起到了很大的作用。

作為一種成熟的節(jié)水灌溉技術，波涌灌溉技術已被廣泛研究和應用，并有著良好的節(jié)水效果。波涌灌溉技術有灌水均勻[9,10]、提高產量[11]等優(yōu)點，與傳統(tǒng)連續(xù)灌溉相比，波涌灌溉可節(jié)水10%～40%[12]。本研究將波涌灌溉與傳統(tǒng)連續(xù)灌溉對比，以田間泥沙運移為研究對象，探討東營引黃灌區(qū)不同灌水定額對田間泥沙入滲深度的影響以及不同灌溉方式對田間泥沙運移的影響，研究出一種可在田間均勻輸沙的灌溉方式。

1 材料與方法

1.1 試驗地點簡介

試驗在山東東營墾利縣小張村進行(北緯N37°36′0.04″，東經E118°22′2.74″)，小張村臨近黃河，試驗地點距黃河300 m左右，使用黃河水便利。試驗區(qū)地處黃河河道與黃河大堤之間，地貌為河灘高地。屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫12.8 ℃，年平均降水量555.9 mm，多集中在夏季，占全年總降水量的65%。試驗地土壤類型為輕壤土，經測定田間持水量為25.4%。試驗地平均土壤干密度：0～10 cm為1.33 g/cm3，10～20 cm為1.41 g/cm3，20～30 cm為1.50 g/cm3。試驗時間為2014年11月。

1.2 試驗布置

泥沙入滲深度試驗設15個小區(qū)，按照0、750、900、1 050、1 200 m3/hm2的灌溉定額設置5組試驗處理，每組處理設置3個重復，5組處理分別編號為W0，W1，W2，W3和W4，其中，W0組作為對照組，不灌水。小區(qū)尺寸為2 m×2 m的正方形，每個小區(qū)之間為1m的隔離行。經計算，W1～W4每組處理的每個小區(qū)分別灌水300、360、420和480 L。

田間泥沙運移試驗設置7個試驗田，每塊試驗田長100 m，寬1.5 m。試驗前，試驗田用大型農耕機械整平，比降均為0.3%。傳統(tǒng)灌溉與波涌灌溉各設3個重復，中間設保護行隔開(如圖1所示)。波涌灌溉周期數(shù)為2，循環(huán)率定為1/3。在每塊試驗田的中軸線上，距離畦首10、30、50、70、90 m處設取樣點，測定各取樣點的土壤顆粒級配。

試驗灌溉用水直接提取黃河水，灌溉時所用黃河水平均含沙量為7.56 kg/m3。

圖1 田間泥沙運移試驗布置圖Fig.1 Arrangement plan of silt transport in the field experiment

1.3 測定指標與方法

灌水結束2 d后，在定好的取樣點取土樣，測定土壤顆粒級配。用土鉆在取樣點依次取土壤深度為0～2、2～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm的土壤。土壤含水量采用烘干法測量，土壤顆粒級配采用凈水沉降法測定。

2 結果與分析

2.1 不同灌水定額下土壤顆粒組成的變化

表1為不同灌水處理下各土層深度土壤顆粒的組成比例，按照土粒直徑大小分成沙粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3個粒級。從表1中可以看出，0～2cm深的土層，對照W0，灌水處理后土壤中沙粒和黏粒所占比重顯著增加(LSD，P<0.05)，粉粒所占比重顯著減少(LSD，P<0.05)，并且灌水定額越大，變化越顯著。當灌水定額達到480 L時，與W0相比，土壤中沙粒平均增加216.47%，粉粒平均減少13.53%，黏粒平均增加42.95%。2～5、5～10 cm深的土層，土壤顆粒比重變化趨勢與0～2 cm深的土層相同，但與W0之間的差異逐漸縮小。在10～20 cm深土層，不同灌水定額處理下土壤粒徑比重與W0相比，雖然和上面土層的變化趨勢相同，但已無顯著差異(LSD，P<0.05)。深度在20 cm以下的土壤中，各處理間土壤顆粒的組成沒有顯著差異，說明在試驗設置的灌水定額下，灌溉水中泥沙最大的入滲深度為20 cm。

表1 不同處理下各土層深度土壤顆粒的組成Tab.1 Composition of soil particles in different soil depth under different treatments

注：每列中字母相同者表示差異未達標顯著水平，字母不同者表示差異達5%顯著水平。

在試驗區(qū)提取黃河水處取黃河水樣，分析得出黃河來水中泥沙顆粒級配，結果顯示，試驗期間黃河水泥沙含量為5.62 g/L，<0.25 mm的泥沙顆粒占99.8%，其中0.25～0.05 mm的泥沙顆粒占28.75%；<0.05 mm的泥沙顆粒占71.05%，其中<0.005 mm的泥沙顆粒占42.14%。這與W1～W4的土壤顆粒組成變化基本一致：沙粒、黏粒增加，粉粒減少。

2.2 不同灌水方式下，引黃泥沙在田間的運移

圖2為在傳統(tǒng)灌溉和波涌灌溉2種處理下，距渠首不同距離土層深2 cm的土壤顆粒組成的變化趨勢。從圖2中可以看出，傳統(tǒng)灌溉下，隨著離渠首的距離增大，各取樣點土壤顆粒組成都發(fā)生了明顯變化：土壤細沙(0.25～0.05 mm)所占比重降低，粗粉粒(0.05～0.01 mm)和細粉粒(0.01～0.005 mm)減少，黏粒增加。與灌前相比，距渠首5 m處土壤顆粒級配變化最大，細沙平均增加了138.58%，粗粉粒平均減少23.95%， 0.01～0.005 mm的土壤顆粒平均減少25.11%，<0.005 mm的土壤顆粒平均增加32.94%。隨著距渠首的距離增大，各土壤顆粒組成與灌前的差異逐漸變小，最終在距渠首85 m處，與灌前相比差別已不明顯，<0.005 mm的土壤顆粒略微增加。 波涌灌溉下，灌后各取樣點土壤顆粒組成差別不大，但與灌前相比，細沙(0.25～0.05 mm)平均增加34.86%，粗粉粒(0.05～0.01 mm)平均減少6.98%，0.01～0.005 mm的土壤顆粒平均減少27.69%，<0.005 mm的土壤顆粒平均增加24.47%。

圖2 0～2 cm深田間土壤顆粒組成Fig.2 Soil particles composition at 0～2 cm depth

在0～2 cm的土層中，與傳統(tǒng)灌溉相比，波涌灌溉條件下，田間泥沙運移更加均勻，這是因為傳統(tǒng)灌溉持續(xù)放水時間長，水運行距離大，水中的泥沙在行進過程中會沉淀，使得田間的水行進到畦末時攜帶的泥沙減少，并且是顆粒較細的泥沙。

圖3、圖4分別為2種灌溉處理下2～5、10～20 cm深田間土壤顆粒組成的變化趨勢。在圖3中可以看出，傳統(tǒng)灌溉下2～5 cm深土壤顆粒組成變化趨勢與0～2 cm一致，但畦首與畦尾土壤顆粒組成的差異減小。到了10～20 cm深的土層，2種灌溉處理后，泥沙在田間的運移就沒有了距離上的變化，與灌前相比，也沒有顯著差異(LSD，P<0.05)。

圖3 2～5 cm深田間土壤顆粒組成Fig.3 Soil particles composition at 2～5 cm depth

圖4 10～20 cm深田間土壤顆粒組成Fig.4 Soil particles composition at 10～20 cm depth

3 結 語

(1)渾水灌溉泥沙入滲引起田間土壤顆粒級配與不灌溉處理相比發(fā)生明顯變化，并且灌水定額越大變化越顯著。沙粒增多，粉粒減少，黏粒增多，土壤的結構性有所改善，說明渾水灌溉可改善土壤結構性。由于試驗灌水次數(shù)少，測得泥沙入滲深度可能不準確，需要更多次灌水來準確測量。

(2)與傳統(tǒng)灌溉相比，波涌灌溉可使灌溉水中泥沙在田間運移更加均勻，更能均勻的改善土壤結構性。本研究下一步計劃探討2種灌溉方式的輸沙能力，為解決灌區(qū)泥沙淤積問題做好實踐基礎。

(3)本研究只進行了一次灌水試驗，未涉及不同畦田比降，灌水流量、流速以及不同含沙量等變量，具有一定局限性，我們將在下一步的研究中加入上述變量，使試驗結論更加全面、嚴謹。

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