內(nèi)蒙古典型土壤在地下滴灌中水運(yùn)移規(guī)律研究

王榮蓮，張智超，嘉曉輝，張 瓊，昝慧龍

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳，呼和浩特 010018； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，呼和浩特 010018)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)地下滴灌的研究成果較多，關(guān)于地下滴灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律、土壤水能態(tài)方面也有一些報(bào)道。張和喜[1]等人開(kāi)展了地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，得出停止灌溉24 h后，土壤濕潤(rùn)體的現(xiàn)狀和范圍有了較大改變，水分達(dá)到了地表下70 cm處，但濕潤(rùn)體在水平方向的運(yùn)移卻不明顯。仵峰[2,3]等人對(duì)地下滴灌條件下土壤水能態(tài)進(jìn)行研究，得出在灌水器流量不大于土壤擴(kuò)散能力時(shí)，灌水器出口處的土壤水勢(shì)等于該處的土壤吸力，為非正壓狀態(tài)；否則，灌水器出口處的土壤水勢(shì)為正。李道西[3]等人研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌管壁的導(dǎo)水作用將對(duì)土壤水分分布產(chǎn)生一定影響，3個(gè)方向上濕潤(rùn)峰運(yùn)移均近似為時(shí)間平方根的線性函數(shù)。許迪、李光永等人[4-10]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究地下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

地下滴灌水分運(yùn)移與滴灌帶類(lèi)型、流量、土壤等都有關(guān)系。目前針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)常用的滴灌帶、典型土壤類(lèi)型上開(kāi)展的地下滴灌水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文將在這方面開(kāi)展初步研究，得出特定條件下水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為獲得適宜內(nèi)蒙古自治區(qū)開(kāi)展地下滴灌必需的水力要素、滴灌帶選型等奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用目前國(guó)內(nèi)外常用的3種類(lèi)型滴灌帶(管)，分別為甘肅大禹節(jié)水灌溉設(shè)備廠家生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶、內(nèi)鑲片式滴灌帶及吉林喜豐集團(tuán)生產(chǎn)的內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管，型號(hào)分別為MGD16×300-2.7-100、NFG16×200-2.4-100及DN16×300-3.2-100，額定壓力都為100 kPa，額定流量分別為2.7、2.4及3.2 L/h，滴頭間距分別為300、200、300 mm，壁厚分別為0.2、0.3及0.6 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在呼和浩特市東郊呼市園藝所的溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)布置簡(jiǎn)圖如圖1和圖2所示，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(帶電位調(diào)速器)、輸水管、回水管、回水水箱、土箱、地下滴灌帶(管)、壓力表、KN213金屬管浮子流量計(jì)、閥門(mén)等組成。試驗(yàn)采用3個(gè)尺寸為70×50×100 cm(長(zhǎng)×寬×高)鋼化玻璃箱，每個(gè)土箱內(nèi)沿長(zhǎng)度方向埋設(shè)3條滴灌帶(管)，每條長(zhǎng)70 cm，滴頭3～4個(gè)，分兩層，埋深分別為25、65 cm，確保滴灌帶(管)之間濕潤(rùn)體不搭接，土層總高度90 cm，每條滴灌帶(管)距土箱壁5 cm。每種處理設(shè)3次重復(fù)。箱底布置直徑1 cm的滲水孔15個(gè)，共3排。供水和回水水箱采用邊長(zhǎng)為50 cm的正方體玻璃箱，用于測(cè)試、校核灌水流量。水泵壓力范圍為0～0.14 MPa，流量范圍為0～1.5 m3/h，帶電位調(diào)速器，可方便調(diào)速調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)在恒定壓力下供水。

圖1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

圖2 試驗(yàn)布置示意圖(單位：cm)

試驗(yàn)前，先對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)具有代表性的土壤進(jìn)行調(diào)研，確定西部巴彥淖爾市磴口縣、東部赤峰市松山區(qū)、中部呼和浩特市后桃花村土壤為試驗(yàn)土壤，對(duì)土壤顆粒組成、容重進(jìn)行取樣測(cè)試。用環(huán)刀取0～40 cm內(nèi)原狀土，烘干法測(cè)試容重；用篩分法測(cè)試土壤顆粒組成。將試驗(yàn)土壤拉到試驗(yàn)地后，先過(guò)1 mm篩，灑水到接近最優(yōu)含水率時(shí)分層裝入各自土箱，按照實(shí)測(cè)20～40 cm厚土層容重進(jìn)行裝土，赤峰、呼市及磴口縣土容重分別為1.36、1.44及1.53 g/cm3，每裝5 cm厚夯實(shí)一次，將表面刨毛，再裝上層，依次進(jìn)行。裝土到滴灌帶(管)埋設(shè)高程時(shí)，安裝滴灌帶(管)，除單翼迷宮式外，其他滴灌帶(管)滴頭向上。薄壁滴灌帶安裝好后，向管內(nèi)插入一根直徑14 mm的實(shí)心套管，以防裝土及夯實(shí)時(shí)將滴灌帶壓扁，測(cè)試時(shí)將套管拔出。

本試驗(yàn)先在空氣內(nèi)測(cè)試3種滴灌帶(管)壓力、流量，確保每條滴灌帶(管)滴水正常后再埋入土壤。試驗(yàn)時(shí)將水泵置于供水水箱內(nèi)，水位高于水泵吸水管。將供水管閥門(mén)打開(kāi)，開(kāi)啟水泵向系統(tǒng)供水，每次測(cè)試一條滴灌帶(管)，且保持土壤初始含水量相同。系統(tǒng)通水后，通過(guò)排氣閥排除管道內(nèi)空氣，調(diào)節(jié)水泵電位調(diào)速器及回水管閥門(mén)，使壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)壓力值0.05及0.10 MPa 2個(gè)等級(jí)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2～3 min后，由KN213金屬管浮子流量計(jì)測(cè)試系統(tǒng)流量。為校核浮子流量計(jì)精度，在管道內(nèi)滿流狀態(tài)下記錄規(guī)定時(shí)間內(nèi)供水水箱的出水量及回水水箱的進(jìn)水量，用兩者差即可準(zhǔn)確計(jì)算灌水器流量，用該值核定浮子流量計(jì)讀數(shù)，校核好后便可用流量計(jì)快速測(cè)量灌水器流量。每隔5 min通過(guò)透明玻璃箱壁量測(cè)每個(gè)滴頭到該濕潤(rùn)體外邊界上、下、左、右的距離，與流量值一一對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)灌水到相鄰兩個(gè)滴頭的濕潤(rùn)峰出現(xiàn)搭接為止，為地埋單點(diǎn)源入滲模式。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 土樣測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試得各地區(qū)0～40 cm厚土樣的顆粒組成見(jiàn)表1。

表1 各地區(qū)土樣(0～40 cm)粒徑組成表 %

根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，赤峰、呼市及磴口縣土壤分別為黏壤土、壤土及沙壤土，此順序即為黏性從高到低的順序，赤峰土黏性較高，磴口縣土壤沙性較大。

2.2 水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)空氣內(nèi)不同壓力下的流量測(cè)試。每種規(guī)格滴灌帶(管)在每種壓力下測(cè)試3組，取平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 空氣內(nèi)不同壓力下的流量表 L/h

(2)同一滴灌帶(管)在不同土壤內(nèi)濕潤(rùn)峰分布特征。以每個(gè)滴頭所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫坐標(biāo)正、負(fù)方向分別表示滴頭右、左側(cè)，縱坐標(biāo)正、負(fù)方向分別表示滴頭上、下側(cè)，繪制出接近圓形的圖形，較直觀地反映每個(gè)滴頭處的濕潤(rùn)峰邊界。每條滴灌帶(管)的3～4個(gè)滴頭濕潤(rùn)峰范圍取平均值。每條滴灌帶(管)測(cè)試時(shí)間為15～35 min，為了比較相同時(shí)間內(nèi)的濕潤(rùn)峰規(guī)律，本次分析灌水15 min時(shí)濕潤(rùn)峰分布特征。0.05 MPa壓力下濕潤(rùn)峰分布特征，見(jiàn)圖3；0.1 MPa壓力下濕潤(rùn)峰分布特征，見(jiàn)圖4。

圖3 0.05 MPa下3種滴灌帶(管)在不同土壤中濕潤(rùn)峰分布圖

圖4 0.10 MPa下3種滴灌帶(管)在不同土壤中濕潤(rùn)峰分布圖

(3)結(jié)果分析與討論。由圖3可知，0.05 MPa下3種滴灌帶(管)在不同土壤內(nèi)濕潤(rùn)峰分布有共同規(guī)律，即在赤峰土壤內(nèi)濕潤(rùn)峰都最小，而在磴口和呼市土壤內(nèi)濕潤(rùn)峰較大且比較接近?？傮w而言，3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤(rùn)峰從小到大的順序?yàn)椋簝?nèi)鑲片式滴灌帶、單翼迷宮式滴灌帶及圓柱狀滴灌管，此順序與它們?cè)诳諝庵辛髁看笮№樞蛞恢?，且濕?rùn)峰分布都為向下距離最大，水平次之，向上最小，此成果與仵峰[11]的研究成果類(lèi)似。向下和向上距離偏差值：赤峰土都為2 cm左右，磴口和呼市土2～4 cm，即沙性較大的土壤向下擴(kuò)散距離略高于黏性較高的土壤。水分向上運(yùn)移的距離至關(guān)重要，關(guān)系到作物根系是否可以吸收到水分。本試驗(yàn)中，0.05 MPa下，內(nèi)鑲片式、單翼迷宮滴灌帶及內(nèi)鑲柱狀滴灌管流量分別為1.5、1.7及2.3 L/h，除單翼迷宮滴灌帶及內(nèi)鑲柱狀滴灌管在呼市及磴口土中向上濕潤(rùn)8～10 cm，隨著灌水歷時(shí)延長(zhǎng)，基本可滿足作物根系吸水要求外(滴灌帶埋深一般為犁底以下10 cm左右)，其他處理向上濕潤(rùn)范圍都較小，即流量為1.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量為2.3 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中較適用。

分析上述結(jié)論的成因：地下滴灌條件下，土壤水分運(yùn)移主要受土壤特性、滴灌帶類(lèi)型、滴頭壓力及流量、土壤初始含水量及灌水歷時(shí)等多種因素的影響[5]，本試驗(yàn)各種處理土壤初始含水量保持相同，在相同灌水歷時(shí)下，分析土壤特性、滴灌帶類(lèi)型、滴頭壓力及流量對(duì)濕潤(rùn)峰的影響。3種滴灌帶(管)在赤峰土壤內(nèi)濕潤(rùn)峰都呈最小，主要是因?yàn)槌喾逋翞轲と劳?，滲透性較小，呈現(xiàn)出濕潤(rùn)峰分布最??；而呼市土為壤土，磴口土為沙壤土，滲透性較大，因此濕潤(rùn)峰分布較大；3種滴灌帶(管)濕潤(rùn)峰分布從小到大的順序與它們?cè)诳諝庵辛髁繌男〉酱蟮捻樞蛞恢?，即在一定范圍?nèi)，自由流量較大的滴灌帶(管)埋入土壤后，其濕潤(rùn)峰分布也較大，反之亦然，因?yàn)楫?dāng)流量小于土壤導(dǎo)水率時(shí)，水在土壤內(nèi)流動(dòng)速度主要由流量決定；3種滴灌帶(管)濕潤(rùn)峰向下分布距離略大于向上距離，主要是由于土壤中水流受重力作用影響，在沙性越大的土壤中表現(xiàn)越明顯，而對(duì)黏性較大的土壤，由于其滲透性較小，水流即使在重力作用下，向下擴(kuò)散的速度也相對(duì)較慢。向下擴(kuò)散的范圍小有利于降低水分入滲損失，增大水的有效利用率，且有利于作物出苗，對(duì)地下滴灌系統(tǒng)是有利的。

由圖4可知，0.10與0.05 MPa相比，每種情況下濕潤(rùn)峰范圍都有所擴(kuò)大，主要是因?yàn)閴毫υ黾?，滴灌?管)的流量都相應(yīng)增大；3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤(rùn)峰從小到大的順序與它們?cè)诳諝庵辛髁看笮№樞虿煌耆恢?，即流量?.4 L/h增加到2.7 L/h時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍隨之增大，但從2.7 L/h增加到3.2 L/h，濕潤(rùn)峰范圍幾乎沒(méi)有增加，說(shuō)明濕潤(rùn)峰并不是始終隨著滴灌帶流量的增大而增大，而是增大到一定程度后不再增大，主要是與滴頭自由流量和土壤飽和導(dǎo)水率的大小有關(guān)，當(dāng)?shù)晤^自由流量小于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍主要由流量控制，但當(dāng)?shù)晤^流量接近或大于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍主要由導(dǎo)水率控制，滴頭出口處形成飽和區(qū)出現(xiàn)了土壤水勢(shì)為正壓，阻礙了滴頭出流；在內(nèi)鑲片式滴灌帶和內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管內(nèi)，出現(xiàn)個(gè)別濕潤(rùn)峰水平方向大于垂直向下的情況，主要是由于水流有順滴灌管壁橫向流動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)流量較大時(shí)，易沿管壁形成水力沖蝕通道，增大水平向流速，這與李紅和李道西的研究成果類(lèi)似[4,5]。此外，0.10 MPa下，除內(nèi)鑲片式滴灌帶在呼市及赤峰土、內(nèi)鑲柱狀滴灌管在赤峰土中向上濕潤(rùn)范圍較小外，其他處理向上濕潤(rùn)范圍為8～12.2 cm，隨著灌水歷時(shí)延長(zhǎng)，基本可滿足作物根系吸水要求，即流量為2.4 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中都較適用。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)兩種壓力下3種滴灌帶(管)在不同土壤內(nèi)濕潤(rùn)峰分布有共同規(guī)律，即在黏壤土內(nèi)濕潤(rùn)峰最小，而在壤土及沙壤土內(nèi)濕潤(rùn)峰較大。

(2)總體而言，3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤(rùn)峰從小到大的順序?yàn)椋簝?nèi)鑲片式滴灌帶、單翼迷宮式滴灌帶及圓柱狀滴灌管，此順序與它們?cè)诳諝庵辛髁看笮№樞蛞恢隆?/p>

(3)各種情況下，濕潤(rùn)峰分布都為向下距離略大于向上距離，沙性越大的土壤表現(xiàn)越明顯。

(4)壓力從0.05 MPa 增大到0.10 MPa，每種情況下濕潤(rùn)峰范圍都有所擴(kuò)大。

(5)濕潤(rùn)峰范圍與滴頭流量和土壤飽和導(dǎo)水率的大小有關(guān)，并不始終隨著滴灌帶流量增大而增大，當(dāng)?shù)晤^流量小于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍隨流量增大而增大，但當(dāng)?shù)晤^流量接近或大于土壤飽和導(dǎo)水率時(shí)，濕潤(rùn)峰范圍不隨流量增大而增大。

(6)水流有順滴灌管壁橫向流動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)流量較大時(shí)，易沿管壁形成水力沖蝕通道，增大水平向流速。

(7)從地下滴灌水分向上運(yùn)移角度分析，流量1.7～2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量2.3～3.2 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中較適用，流量2.4 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土中都較適用。

(8)建議用戶根據(jù)作物類(lèi)型及單位時(shí)間需水量、根系范圍和種植間距等因素，基于土壤類(lèi)型選擇合適的滴灌帶，一般要選擇自由流量小于土壤飽和導(dǎo)水率的滴灌帶為宜。

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