基于人工降水模擬的不同灌溉方式下土壤水分入滲

萬爽+何俊仕+付玉娟+楊欽

摘要：針對半干旱地區(qū)水資源以及灌溉方式問題，通過人工降水模擬結(jié)合正交試驗(yàn)的方法，對不同灌溉方式下土壤水分入滲進(jìn)行研究，設(shè)置了漫灌、溝灌、膜下滴灌3種不同灌溉方式，田間持水率的50%、60%、70% 3種不同土壤初始含水率，10、20、30 mm/h 3種不同降水強(qiáng)度進(jìn)行正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，降水強(qiáng)度對土壤含水率的變化速率影響最大，降水強(qiáng)度越大，土壤含水率的變化值越大，且不同時(shí)間影響程度不同；在同一降水強(qiáng)度下，隨著土壤初始含水率的增加，土壤的入滲越慢；不同灌溉方式比較的結(jié)果表明，膜下滴灌的膜外入滲最快。研究結(jié)果為揭示灌水方式對土壤入滲的影響，為研究土壤水運(yùn)移和地下水入滲補(bǔ)給提供了參考。

關(guān)鍵詞：降水模擬；正交試驗(yàn)；灌溉方式；土壤水分入滲

中圖分類號： S275

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0401-04

在半干旱地區(qū)由于降水不足，水資源短缺，因此需要充分利用雨水資源，而減少地表徑流、增加降水的入滲率則是提高降水利用率的有效途徑[1]。土壤水是聯(lián)系降水、地表水和地下水的重要環(huán)節(jié)，研究土壤水分與降水之間的關(guān)系對解釋降水徑流產(chǎn)生機(jī)制，以及土壤水分再分布、土壤水分運(yùn)移、對地下水的補(bǔ)給研究都有著重要的作用[2]。降水（灌溉水）入滲補(bǔ)給受到很多因素的影響，如植被、土壤性質(zhì)、土壤前期含水量、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)以及地下水埋深等都會影響土壤水的下滲以及下滲率[3-4]。土壤入滲性能對于水資源高效利用、農(nóng)業(yè)灌溉和水文環(huán)境等具有重要的意義[5]。

土壤水分入滲是水分在土壤內(nèi)部分布的一個(gè)動態(tài)過程，因此，土壤初始含水率的變化必然影響土壤入滲過程。劉汗等研究表明，土壤的入滲性能隨著降水強(qiáng)度和初始含水率的增加而降低[6]；劉目興等研究表明，隨著土壤初始含水率的增大，林地和草地下土壤初始入滲率減小，入滲趨于穩(wěn)定所需時(shí)間縮短，累積入滲量和穩(wěn)定入滲率增大[7]。吳發(fā)啟等研究表明，土壤穩(wěn)滲速率與降水強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著含水率的增加，土壤入滲速率減??；隨著時(shí)間的延續(xù)，含水率對入滲的影響變小到可以忽略[8]。王國梁等研究表明，不同土地利用方式對土壤含水率有不同的影響[9]。劉宏偉等研究了濕潤地區(qū)的土壤水分，并探討了其對降水的相應(yīng)模式[10]。李裕元等也證明了入滲率與降水歷時(shí)也呈冪函數(shù)關(guān)系[11]。郝芳華等研究表明，土壤水動態(tài)與灌溉或降水關(guān)系密切[12]。本試驗(yàn)采用人工降水法研究土壤水入滲變化，通過降水模擬器模擬天然降水[13-15]，為揭示灌水方式對土壤入滲的影響效應(yīng)、尋求增加和減少降水入滲的臨界控制條件以及為得到土壤水運(yùn)移和地下水入滲補(bǔ)給的規(guī)律提供參考。

本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，找出最優(yōu)的水平組合，通過試驗(yàn)結(jié)果分析，了解全面試驗(yàn)的情況[16]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)設(shè)在遼寧省朝陽市建平縣灌溉試驗(yàn)站，該站位于119°18′36″E、41°47′18″N，建平縣屬于干旱半干旱過渡帶季風(fēng)性大陸性氣候，全縣多年平均降水量438.3 mm，年內(nèi)降水變化較大且分布不均，降水多集中在6—8月，多年平均蒸發(fā)量為1 850～2 200 mm；多年平均徑流深50～81 mm，多年平均氣溫6.7～10.0 ℃。

本試驗(yàn)在測坑進(jìn)行，每個(gè)測坑長2.0 m、寬2.5 m、深2.0 m，采用C25鋼筋混凝土整體澆注。測坑之間用8 mm厚的鋼板隔開，并高出地面0.15 m，以防止小區(qū)徑流流出及區(qū)外徑流流入。測坑內(nèi)鋪設(shè)0.5 m的濾層，中間設(shè)出水口，出水口外放置1個(gè)直徑0.3 m、高0.4 m測定指標(biāo)的徑流桶，用以收集徑流。小區(qū)上方有遮雨棚可以避免降水對試驗(yàn)的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究不同的灌溉方式（裸地漫灌、溝灌、膜下滴灌）、初始含水率、降水強(qiáng)度對水分運(yùn)動的影響，本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)變量，分別為灌溉方式、初始含水率、降水強(qiáng)度。灌溉方式選取裸地漫灌、溝灌、膜下滴灌；初始含水率選取田間持水量（21%）的50%、60%、70%；降水強(qiáng)度選取10、20、30 mm/h。灌溉方式、初始含水率與降水強(qiáng)度各設(shè)3個(gè)水平，試驗(yàn)選取3因素3水平正交，試驗(yàn)因素與水平見表1，試驗(yàn)分組的具體參數(shù)見表2，試驗(yàn)組示意見圖1。

1.3 儀器與設(shè)備

降水模擬系統(tǒng)采用QYJY-5 O 1便攜式野外模擬降水器，它主要由供水系統(tǒng)、降水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)3大部分組成。降水模擬器的降水量、雨型、降水強(qiáng)度可通過選定噴頭（大雨、中雨、小雨）調(diào)節(jié)供水壓力來完成。含水率數(shù)據(jù)采集采用HOBO U30 NRC數(shù)據(jù)采集器（10個(gè)智能數(shù)字通道接口， 15個(gè)數(shù)據(jù)通道，10 A·h蓄電池）Soil Moisture-10HS土壤水分傳感器，5 m纜線。尺寸：160 mm×32 mm×2.0 mm，測量范圍：0～57% 土壤體積含水率，可測鹽土。測量體積1 L。

2 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)首先采集降水過程中不同深度、不同位置的土壤含水率，然后選取某一位置、某2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土壤含水率變化值，求其瞬時(shí)土壤含水率變化速率，公式如下：

2.1 土壤含水率變化速率的綜合分析

土壤含水率的變化速率是分析土壤水分運(yùn)移的重要參數(shù)，可確定灌溉方式、土壤初始含水率、降水強(qiáng)度對其影響的主次，對土壤水入滲研究具有重要作用。

由表3可以看出，降水0.5 h時(shí)，土壤平均含水率的變化速率極差：降水強(qiáng)度（10.83）>初始含水率（10.19）>灌溉方式（4.90），即降水強(qiáng)度對平均土壤含水率的變化速率影響最大，土壤初始含水率次之，灌溉方式最小；同理可知，降水后降水強(qiáng)度對平均土壤含水率的變化速率影響最大，灌溉方式次之，土壤初始含水率最小。由于降水初期，降水時(shí)間較短，土壤含水率的變化相對較快，所以初始含水率的大小對其影響較大；然而由于長時(shí)間的降水，土壤含水率基本達(dá)到飽和，其變化值相對較小，所以初始含水率對其影響減小，但是3種不同的灌溉方式（漫灌、溝灌、膜下滴灌）改變了土壤下墊面，如膜下滴灌覆膜阻礙了水分的運(yùn)移。但是不管降水時(shí)間的長短，降水強(qiáng)度都是對土壤含水率的變化速率影響最大的因素。

從圖3可以看出（P表示田間持水率，即設(shè)置田間持水率的50%、60%、70%分別為0.5 P、0.6 P、0.7 P），漫灌的速率最大，溝灌次之，膜下滴灌最??；初始含水率越小，變化速率越大；降水強(qiáng)度越大，變化速率越大。從圖4可以看出，溝灌的速率最大，漫灌次之，膜下滴灌最?。怀跏己试叫?，變化速率越大；降水強(qiáng)度越小，變化速率越大。由此可以看出，降水強(qiáng)度在降水初期和后期對其變化速率影響發(fā)生了明顯變化，由于降水后期土壤幾乎達(dá)到飽和，降水強(qiáng)度越大，飽和越快，所以變化速率越小。

2.2 降水強(qiáng)度對土壤入滲性能的影響

不同處理的土壤含水率變化過程見圖5、圖6、圖7，溝灌測定壟溝處的含水率，膜下滴灌測定膜邊處的含水率，這樣與漫灌進(jìn)行對比可以盡量減少其他條件所帶來的誤差。在穩(wěn)定降水強(qiáng)度下及同一灌水方式下，隨著降水強(qiáng)度增大，土壤含水率變化值隨之增大，當(dāng)時(shí)間不斷延續(xù)，含水率變化則將達(dá)到某一定值。原因在于在降水初期，土壤含水率相對較低，土壤處于不飽和狀態(tài)，隨著降水強(qiáng)度不斷增大，土壤吸收水分增多，當(dāng)土壤達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，土壤含水率將不再變化；無論是漫灌、溝灌還是膜下滴灌都符合這一規(guī)律。

2.3 土壤初始含水率對土壤入滲性能影響

由于降水強(qiáng)度對于土壤入滲影響較大，所以保證降水強(qiáng)度一致，從圖8可以看出，在同一降水強(qiáng)度（30 mm/h）下，A3B1C3（即土壤初始含水率為田間持水率的50%）處理土壤含水率首先達(dá)到定值（即飽和含水率），然后A2B2C3處理（即土壤初始含水率為田間持水率的60%）達(dá)到定值，最后為A1B3C3處理（即土壤初始含水率為田間持水率的70%），即隨著土壤初始含水率的增加，土壤入滲減慢，這一結(jié)論與土壤入滲過程的研究結(jié)果是一致的。當(dāng)土壤初始含水率為10.5% 時(shí)，降水1h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)土壤初始含水率為12.6% 時(shí)，降水2 h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)土壤初始含水率為14.7% 時(shí)，降水3 h后才達(dá)到穩(wěn)定，即隨著土壤初始含水率的增加，由于初始含水率越低，土壤水分下滲越快，所以達(dá)到飽和的時(shí)間就越快。

2.4 不同灌水方式對土壤含水率的影響

膜下滴灌，初始含水率為14.7%、降水強(qiáng)度為20 mm/h條件下的土壤含水率變化見圖9；膜下滴灌，初始含水率12.6%、降水強(qiáng)度10 mm/h的土壤含水率變化見圖10；膜下滴灌，初始含水率10.5%、降水強(qiáng)度30 mm/h的土壤含水率變化見圖11。從圖中土壤含水率變化的先后順序可以看出：對于膜下滴灌，降水垂直入滲先是膜邊，接著壟溝，最后是膜中，原因在于覆膜狀態(tài)下，降水后雨水被薄膜阻礙而匯聚流到膜邊，所以膜邊吸收水分多、入滲快；然后是壟溝部分，這是由于壟溝部分沒有雨水匯集，也沒有薄膜的阻礙作用；最后是膜中部分，由于薄膜覆蓋導(dǎo)致入滲最慢。

溝灌、初始含水率10.5%、降水強(qiáng)度20 mm/h的土壤含水率變化見圖12，溝灌、初始含水率12.6%、降水強(qiáng)度30mm/h的土壤含水率變化見圖13，溝灌、初始含水率14.7%，降水強(qiáng)度10 mm/h的土壤含水率變化見圖14?？梢钥闯觯瑴瞎?、溝內(nèi)中間的降水入滲量較多，壟邊次之，壟上中間最少，主要是由于溝灌起壟，改變了土壤的下墊面，下墊面越低其入滲越快；由于漫灌和溝灌均沒有薄膜覆蓋，3種灌水方式下的降水入滲過程進(jìn)行對比可知，膜下滴灌的膜外入滲最快，影響深度最大。

3 結(jié)論

利用人工降水模擬結(jié)合正交試驗(yàn)，得出了灌溉方式、土壤初始含水率、降水強(qiáng)度對土壤含水率變化速率的影響程度，分析不同灌水方式、土壤初始含水率、降水強(qiáng)度對土壤入滲的影響，得出以下結(jié)論：（1）降水強(qiáng)度對土壤含水率的變化速率影響最大，同一灌水方式下，降水強(qiáng)度越大，土壤含水率的變化值越大；（2）不同灌溉方式比較的結(jié)果表明，膜下滴灌的膜外入滲最快，主要原因是由于覆膜導(dǎo)致水滴凝聚累積沿膜入滲；（3）在同一降水強(qiáng)度下，隨著土壤初始含水率的增加，土壤的入滲減慢。

本研究尚處于初步試驗(yàn)階段，今后可進(jìn)一步考慮田間原位試驗(yàn)研究，為土壤水運(yùn)移以及地下水入滲補(bǔ)給研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志杰，楊樹青，史海濱，等. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌溉入滲對地下水的補(bǔ)給規(guī)律及補(bǔ)給系數(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（3）：61-66.

[2]劉作新，尹光華，李桂芳. 遼西半干旱區(qū)褐土涌流畦灌的節(jié)水效果[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（5）：384-386.

[3]Yoo C，Valdés J B，North G R. Evaluation of the impact of rainfall on soil moisture variability[J]. Advances in Water Resources，1998，21（5）：375-384.

[4]Hawley M E，Jackson T J，McCuen R H. Surface soil moisture variation on small agricultural watersheds[J]. Journal of Hydrology，1983，62（1/2/3/4）：179-200.

[5]劉相超，宋獻(xiàn)方，夏 軍，等. 華北山區(qū)坡地土壤水分動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006，33（4）：76-80，89.

[6]劉 汗，雷廷武，趙 軍. 土壤初始含水率和降雨強(qiáng)度對黏黃土

入滲性能的影響[J]. 中國水土保持科學(xué)，2009，7（2）：1-6.

[7]劉目興，聶 艷，于 婧. 不同初始含水率下粘質(zhì)土壤的入滲過程[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（3）：871-878.

[8]吳發(fā)啟，趙西寧，佘 雕. 坡耕地土壤水分入滲影響因素分析[J]. 水土保持通報(bào)，2003，23（1）：16-18，78.

[9]王國梁，劉國彬，黨小虎. 黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤含水率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（2）：31-35.

[10]劉宏偉，余鐘波，崔廣柏. 濕潤地區(qū)土壤水分對降雨的響應(yīng)模式研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2009，40（7）：822-829.

[11]李裕元，邵明安. 降雨條件下坡地水分轉(zhuǎn)化特征實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2004，4（4）：48-53.

[12]郝芳華，歐陽威，岳 勇，等. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)灌區(qū)水循環(huán)特征及對土壤水運(yùn)移影響的分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（5）：825-831.

[13]王曉燕，高煥文，杜 兵，等. 用人工模擬降雨研究保護(hù)性耕作下的地表徑流與水分入滲[J]. 水土保持通報(bào)，2000，20（3）：23-25，62.

[14]唐益群，袁 斌，李軍鵬. 基于正交試驗(yàn)的黃土泥流運(yùn)動分析[J]. 水利學(xué)報(bào)，2015，46（2）：183-189.

[15]張 川，陳洪松，聶云鵬，等. 喀斯特地區(qū)洼地剖面土壤含水率的動態(tài)變化規(guī)律[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，21（10）：1225-1232.

[16]趙玉麗，牛健植. 人工模擬降雨試驗(yàn)降雨特性及問題分析[J]. 水土保持研究，2012，19（4）：278-283.常博文，趙武云. 基于正交試驗(yàn)組合式螺旋板齒脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（4）：405-408.