基于人工降雨的土壤水分入滲研究

宋幽靜，張玉清，何俊仕，萬 爽

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866；2.通遼市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，內(nèi)蒙古 通遼 028006)

0 引 言

土壤水是農(nóng)田SPAC系統(tǒng)中四水轉(zhuǎn)換的重要紐帶，降雨入滲是土壤水的重要來源之一。影響降雨入滲的因素可以分為內(nèi)因和外因兩類，內(nèi)因是包括土壤質(zhì)地、容重、土壤分層情況等在內(nèi)的土介質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，外因是諸如雨強(qiáng)、雨量、初始含水率、植被覆蓋程度、下墊面形式等[1,2]的自然或人為條件。從20世紀(jì)八九十年代開始，對降雨入滲規(guī)律及影響因素的研究便層出不窮。吳普特[3]等通過試驗(yàn)證明了容重對入滲能力的顯著影響，且指出土壤初始入滲能力隨容重的增加而減小。吳啟發(fā)[4]、李裕元[5]分別指出土壤穩(wěn)定入滲速率與雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)呈冪函數(shù)關(guān)系。王曉燕[6]等對不同保護(hù)性耕作下的降雨入滲進(jìn)行分析，得到了不同下墊面結(jié)構(gòu)對降雨產(chǎn)流和入滲的影響。隨著膜下滴灌這一節(jié)水灌溉技術(shù)的不斷成熟與推廣，對降雨入滲影響因素的研究逐漸轉(zhuǎn)移到起壟、地膜等因素。溫曉霞[7]、劉戰(zhàn)東[8]、肖繼兵[9]等相繼對壟溝集雨和地膜保水等作用進(jìn)行研究。但目前該方面的研究依然較少、垂向研究深度多為1 m以內(nèi)、且多以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉制度為出發(fā)點(diǎn)。本文主要從農(nóng)田水循環(huán)角度出發(fā)，重在探究不同灌溉方式引起的農(nóng)田下墊面處理形式對降雨入滲的影響，同時(shí)，考慮雨強(qiáng)及土壤初始含水率的作用，以全面了解灌溉方式轉(zhuǎn)變對降雨入滲帶來的影響。

1 試驗(yàn)布設(shè)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及氣候特征

本次試驗(yàn)為人工降雨模擬下的測坑試驗(yàn)，在建平縣灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于遼寧省朝陽市建平縣，是國家重點(diǎn)試驗(yàn)站之一。建平縣地處蒙古高原向松遼平原過渡地帶，屬于季風(fēng)型大陸性氣候。多年平均降雨量為438.3 mm，屬于半濕潤、半干旱過渡區(qū)；降雨年內(nèi)分配不均，且多集中在夏季。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 ℃。境內(nèi)共有大小河流12條，其中較大的有西遼河支流老哈河、蹦蹦河等。該地區(qū)2013年進(jìn)行“節(jié)水增量行動(dòng)”工程建設(shè)，大力推廣玉米膜下滴灌技術(shù)，施行井管結(jié)合等灌水方式。

1.2 試驗(yàn)安排

試驗(yàn)共9組，為三因素三水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)中各因素的選擇參照前人對降雨入滲主要影響因素的相關(guān)研究結(jié)果，共選取A(農(nóng)田下墊面處理方式)、B(土壤初始含水率)和C(降雨強(qiáng)度)3個(gè)影響因素。各水平的設(shè)置參照建平縣實(shí)際情況，建平縣農(nóng)田灌溉方式有漫灌、溝灌、膜下滴灌3種，故相應(yīng)的因素A的三水平分別為：平整裸地、起壟不覆膜和起壟覆膜；根據(jù)田間土壤含水率高、中、低情況將因素B的三因素設(shè)置為田間持水率的50%、60%、70%；根據(jù)建平縣的降雨資料，因素C的三水平分別取為10、20、30 mm/h。各組實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)分組情況表

1.3 試驗(yàn)儀器布設(shè)

本次試驗(yàn)在橫斷面為2 m×2.5 m、深為2 m的測坑中進(jìn)行，測坑為獨(dú)立個(gè)體，四周用C25鋼筋混凝土整體澆注而成。人工降雨裝置布設(shè)在測坑上方，通過調(diào)節(jié)壓力及更換噴頭對測坑進(jìn)行不同雨強(qiáng)的人工降雨。測坑內(nèi)按照實(shí)際灌水方式及農(nóng)田下墊面處理方式同比例布設(shè)，分別在10、30、50、70、90、120 cm深度處埋設(shè)Soil Moisture-10HS土壤水分傳感器，且每一深度各埋設(shè)3個(gè)探針。

1.4 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)需要采集的數(shù)據(jù)主要有：土壤含水率、產(chǎn)流時(shí)間及產(chǎn)流量。其中，土壤含水率由HOBO U30 NRC數(shù)據(jù)采集器定期傳輸，初始設(shè)置時(shí)間為降雨開始前1 m，隨后每10 min記錄一次讀數(shù)。降雨過程由人工模擬降雨自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 主要影響因素分析

累積入滲量是衡量降雨入滲水平的重要指標(biāo)之一，降雨不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上累積入滲量不同，隨著降雨過程的進(jìn)行，累積入滲量一般呈增大趨勢，降雨結(jié)束后，累積入滲量則先增大后減小。正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法一般可分為極差分析和方差分析兩種，其中極差分析可直觀表現(xiàn)出各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響強(qiáng)度的相對關(guān)系，本次研究擬采用極差分析法探究三因素對降雨累積入滲量最大值Qmax的影響情況。表2中K1、K2、K3分別為9次試驗(yàn)中表示某因素下水平1、2、3分別對應(yīng)的所有結(jié)果之和。k1、k2、k3分別為K1、K2、K3的均值，即ki=Ki/C(其中C為某因素下水平i出現(xiàn)的次數(shù)，本次試驗(yàn)為3)。極差R為某因素下k1、k2、k3的最大最小值之差。

由降雨累積入滲量最大值的極差分析可知：對Qmax影響最大的因素為降雨強(qiáng)度，其次為農(nóng)田下墊面處理方式，土壤初始含水率影響相對較小。就因素A而言，整體上Qmax的值起壟不覆膜>平整裸地>起壟覆膜；說明起壟增加了雨水的向某一斷面的聚集，從而有利于降雨入滲量的增加，相反的覆膜則會(huì)阻礙雨水進(jìn)入土壤，從而減少降雨入滲量；因起壟覆膜Qmax值小于平整裸地，故覆膜引起的降雨入滲量減少程度要大于起壟引起的降雨入滲量增加程度。整體而言膜下滴灌在減少灌溉用水量的同時(shí)，另一方面在一定程度上也會(huì)引起降雨對土壤水分的補(bǔ)給。就因素B而言，整體上Qmax的值20 mm/h>30 mm/h>10 mm/h；說明雨強(qiáng)與Qmax的關(guān)系并非線性增加關(guān)系，即雨強(qiáng)越大降雨入滲量未必會(huì)隨之增大，這可能與雨強(qiáng)變大在一定程度上會(huì)促使地表徑流的產(chǎn)生有關(guān)。在雨強(qiáng)較小的時(shí)候，入滲量與雨強(qiáng)呈正比例關(guān)系，當(dāng)雨強(qiáng)增加到一定值后，入滲量與雨強(qiáng)呈反比例關(guān)系。本次試驗(yàn)表明建平縣入滲量與雨強(qiáng)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)折的臨界點(diǎn)在20～30 mm/h之間。

表2 極差分析結(jié)果

此外，一方面，由極差分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，因素B(土壤初始含水率)對降雨入滲量的影響相對小于因素A和C；另一方面，考慮到試驗(yàn)過程中土壤初始含水率與設(shè)定值之間有一定的誤差，此次主要對因素A和C對降雨入滲的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2 降雨強(qiáng)度影響分析

由表3可以看出，在3種農(nóng)田下墊面處理方式下，濕潤鋒到達(dá)各深度處的時(shí)長隨雨強(qiáng)的減弱而增大；且雨強(qiáng)達(dá)到20 mm以后，隨著雨強(qiáng)的增大，對濕潤鋒到達(dá)時(shí)間的削減程度逐漸減小。此現(xiàn)象在平整裸地和起壟不覆膜兩種方式下表現(xiàn)較為突出。而在起壟覆膜條件下，10～30 mm雨強(qiáng)范圍內(nèi)，隨雨強(qiáng)的增大，濕潤鋒到達(dá)時(shí)間會(huì)大幅度縮減，這一現(xiàn)象與“起壟”、“覆膜”對雨水的雙重匯聚作用有關(guān)，這一作用一定程度上促進(jìn)了溝中和膜邊的入滲速率，從而整體上縮短了起壟覆膜方式下各深度處濕潤鋒到達(dá)的時(shí)間。

表3 各深度處濕潤鋒到達(dá)時(shí)間表 h

根據(jù)濕潤鋒到達(dá)各深度處的時(shí)間及相應(yīng)時(shí)間里濕潤鋒運(yùn)移距離，計(jì)算得出垂向剖面內(nèi)各層的平均濕潤鋒運(yùn)移速率[10]，如圖1-圖3所示。從圖中可以看出：①濕潤鋒的運(yùn)移速率整體呈現(xiàn)0～30 cm>30～90 cm>90～120 cm，且表層(0～30 cm)運(yùn)移速率顯著高于下層。該現(xiàn)象一方面是由于土壤土質(zhì)的分層，導(dǎo)致土壤入滲能力的差異；另一方面也是由于水分在垂向入滲過程中的時(shí)效性和延遲性，入滲水量經(jīng)上層土壤吸收后部分轉(zhuǎn)換為土壤水毛細(xì)水，多余的重力水下滲繼續(xù)供下層土壤吸收，因此，隨水量的不斷減少，運(yùn)移速率將隨之減小。②雨強(qiáng)大小對濕潤鋒在各層運(yùn)移速率的影響主要體現(xiàn)為在淺層土壤(0～30 cm)中的推移，對下層土壤中的運(yùn)移速率變化影響不大；且對于淺層土壤(0～30 cm)，濕潤鋒運(yùn)移速率與雨強(qiáng)大小呈正比關(guān)系。

圖1 平整裸地條件下濕潤鋒運(yùn)移速率圖

圖2 起壟不覆膜條件下濕潤鋒運(yùn)移速率圖

圖3 起壟覆膜條件下濕潤鋒運(yùn)移速率圖

2.3 不同農(nóng)田下墊面處理方式分析

根據(jù)降雨過程中不同時(shí)刻土壤含水率分布情況，對各時(shí)刻所對應(yīng)的降雨累積入滲量進(jìn)行計(jì)算分析，則同一雨強(qiáng)下不同農(nóng)田下墊面處理方式所對應(yīng)的降雨累積入滲量過程線如圖4-圖6所示。

圖4 雨強(qiáng)10 mm時(shí)的累積入滲量

圖5 雨強(qiáng)20 mm時(shí)的累積入滲量

圖6 雨強(qiáng)30 mm時(shí)的累積入滲量

由于每場降雨的歷時(shí)不同，為使時(shí)間節(jié)點(diǎn)更具有代表性，此處引入降雨相對時(shí)間概念Td，即相對于此次降雨總歷時(shí)的情況。其計(jì)算公式為：

Td=T/TL

式中：T為降雨累積入滲量最大值產(chǎn)生時(shí)距降雨開始時(shí)刻的時(shí)間；TL為本場降雨的總歷時(shí)。

由圖4可以看出，雨強(qiáng)為10 mm時(shí)，整個(gè)降雨過程中，累積入滲量均呈上升趨勢。但由于雨強(qiáng)較小，平整裸地與降雨的接觸面積大，起壟增強(qiáng)了水分的側(cè)向運(yùn)移，覆膜不僅阻礙了雨水的進(jìn)入同時(shí)增大了膜外表面水分的蒸發(fā)，因此在降雨初期，平整裸地的累積入滲量增加快，雨強(qiáng)大于其他兩種方式；而在降雨入滲后期，平整裸地累積入滲量增加極為緩慢且小于其他兩種方式，可能是降雨量差異引起的，即由于試驗(yàn)設(shè)備的原因，平整裸地的降雨時(shí)長為11.5 h，而其他兩組時(shí)長均在17 h左右，因此總降雨量較其他兩組有所減少，從而導(dǎo)致最終降雨入滲量少于其他兩組。此外，降雨中前期，起壟不覆膜和起壟覆膜兩種方式下累積入滲量的變化趨勢及數(shù)值大致相同，但降雨后期，前一種方式則明顯高于后一種方式。該現(xiàn)象說明覆膜在一定程度上會(huì)減少降雨入滲量，但雨強(qiáng)較小時(shí)，影響較為緩慢。

由圖5可以看出，雨強(qiáng)為20 mm時(shí)，整體上3條曲線均呈現(xiàn)上升趨勢，且在整個(gè)降雨過程中，各時(shí)刻的累積入滲量均為起壟不覆膜>平整裸地>起壟覆膜。說明在該雨強(qiáng)下，起壟可起到聚集雨水的作用，從而增加降雨入滲量；同時(shí)起壟覆膜由于膜的存在一方面增加了雨水向壟溝匯聚的速度及水量，從而促使地表徑流的形成，另一方面覆膜減少了可透水面積，進(jìn)一步減少了可入滲雨量。

由圖6可以看出，雨強(qiáng)為30 mm時(shí)，整個(gè)降雨過程中，累積入滲量也均呈上升趨勢。降雨中前期平整裸地入滲量變化快且數(shù)值大，但起壟不覆膜方式累積入滲量的數(shù)值后來居上，最終成為三種方式中的最大者。而起壟覆膜降雨開始初期入滲量較大、上升較快，但降雨歷程不到2/5，入滲量便大幅度低于其他兩種方式。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生大概有以下原因：①雨強(qiáng)較大，降雨開始初期，表層土壤吸力足，且雨水充沛，無論是全下墊面下滲還是集中的壟溝、膜邊下滲，初期雨量均得到較好吸收，3種方式的累積入滲量相差不大。②降雨歷程進(jìn)行到接近2/5時(shí)，起壟覆膜方式開始形成徑流，從而減弱了雨水下滲量。③由于壟溝的積水作用，使得起壟不覆膜方式 下“壟溝斷面”的入滲深度及入滲雨量大于其他斷面，同時(shí)也大于平整裸地的觀測斷面，因此在降雨后期，該方式下的累積降雨入滲量要大于其他兩種方式。

3 結(jié) 語

(1)降雨累積入滲量最大值主要受雨強(qiáng)影響，其次為農(nóng)田下墊面處理方式。

(2)降雨累積入滲量最大值隨雨強(qiáng)的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在20～30 mm/h之間。

(3)起壟可增加降雨累積入滲量，覆膜減少降雨累積入滲量，且覆膜對入滲量的減少作用大于起壟對入滲量增加作用。

(4)雨強(qiáng)增大，濕潤鋒推移加快，起壟覆膜的雙重雨水匯聚作用下，此現(xiàn)象更為顯著。

(5) 農(nóng)田下墊面不同處理方式對降雨入滲量的影響一定程度上受控于降雨強(qiáng)度，整體而言，起壟覆膜對降雨入滲的影響主要表現(xiàn)為：①雨強(qiáng)較小時(shí)，降雨初期入滲緩慢，入滲量?。虎谟陱?qiáng)較大時(shí)，因匯流作用，降雨初期入滲速率大幅度提高，入滲量大，且達(dá)到穩(wěn)定入滲量的速度快，但整體入滲量較其他兩種方式小。

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