壓力水頭與土壤容重對(duì)微潤(rùn)灌溉水分入滲的影響

張國(guó)祥，申麗霞，郭云梅

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

壓力水頭與土壤容重對(duì)微潤(rùn)灌溉水分入滲的影響

張國(guó)祥，申麗霞，郭云梅

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

為探究微潤(rùn)灌溉條件下水分在不同壓力水頭、不同容重土壤中的入滲情況，通過(guò)室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)，分別設(shè)置h=2.0、1.5、1.0 m的壓力水頭，土壤容重γ分別為1.20、1.30、1.40 g·cm-3，測(cè)定累計(jì)入滲量、濕潤(rùn)鋒及土壤含水率3個(gè)指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水分累計(jì)入滲量與壓力水頭為正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重為負(fù)相關(guān)關(guān)系；微潤(rùn)管在空氣和地埋出流情況下的流量與壓力水頭均為線性增函數(shù)關(guān)系，相同壓力下，微潤(rùn)管的空氣出流量明顯大于地埋流量,微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)更適宜采用地下埋管方式；濕潤(rùn)鋒是以微潤(rùn)管為中心的近似圓形，水平運(yùn)移距離與垂直向下運(yùn)移距離均大于垂直向上運(yùn)移距離，重力對(duì)微潤(rùn)灌條件下水分運(yùn)移有一定的作用，但該作用隨著土壤容重的增加逐漸減??；濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系近似為冪函數(shù)關(guān)系,入滲指數(shù)約為0.5；土壤容重越大，水分在土壤中的入滲速率越小，土壤對(duì)水分的蓄持能力越弱；經(jīng)計(jì)算，微潤(rùn)灌溉的灌水均勻性符合要求。

微潤(rùn)灌溉；壓力水頭；土壤容重；水分入滲

作為一項(xiàng)全新的節(jié)水灌溉技術(shù)，微潤(rùn)灌溉是充分利用半透膜的特殊性能，借助一定的壓力水頭，以連續(xù)出流方式為作物根區(qū)適時(shí)、適量地提供水分，使周?chē)寥朗冀K保持濕潤(rùn)狀態(tài)，從而達(dá)到灌溉目的。微潤(rùn)灌溉的設(shè)備投資低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不消耗動(dòng)力，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，可以有效地降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本[1]。與滴灌、微噴灌及噴灌等其他高效節(jié)水灌溉措施相比，可調(diào)節(jié)水頭控制土壤水勢(shì)，滿足作物不同生長(zhǎng)階段土壤水分需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物水、肥、氣、熱的精準(zhǔn)控制，具有更節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

微潤(rùn)灌灌水器的出流量主要受壓力、土壤容重及質(zhì)地影響。由于微潤(rùn)灌溉只依靠低壓作為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)灌溉，而不需要消耗其他能量，故壓力水頭對(duì)微潤(rùn)管出流及水分在土壤中的入滲過(guò)程具有重要影響。隨著壓力水頭的增加，入滲界面處壓力勢(shì)也隨之增大，有利于增大土壤入滲作用，因而，相同入滲時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)鋒水平和垂向運(yùn)移距離隨著壓力水頭的增大而增大[3]。容重作為重要的土壤參數(shù)之一，它反映了土壤堅(jiān)實(shí)度和孔隙度的大小，對(duì)土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響[4]。研究表明，導(dǎo)水率與土壤粘性呈正比，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨著土壤容積密度增大而減小[5]；而同一質(zhì)地的土壤，其水分入滲率會(huì)隨容重的增大而減小，因?yàn)殡S土壤容重的增加，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)喪失、土壤孔隙減小、土壤變得緊密堅(jiān)實(shí)導(dǎo)致入滲能力降低[6]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同灌溉方式下土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的研究，主要集中在土壤水分運(yùn)移的數(shù)值模擬和入滲模型的解析方面[7-10]。而關(guān)于微潤(rùn)灌溉的研究，則集中于對(duì)水分入滲影響因素的分析及入滲模型的建立上，而關(guān)于微潤(rùn)管地埋與空氣出流兩種方式的流量對(duì)比試驗(yàn)，以及壓力與土壤容重對(duì)灌溉參數(shù)影響的研究尚不充分。故本試驗(yàn)通過(guò)室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)，探究壓力與土壤容重對(duì)微潤(rùn)灌水分入滲的影響，得出相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，以期為微潤(rùn)灌溉技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自山西省太原市尖草坪區(qū)芮城村。將土自然風(fēng)干、碾壓后均勻混合，并過(guò)2 mm孔徑篩。用MS2000型激光分析粒度儀測(cè)定，不同粒徑級(jí)0.02 mm

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由活動(dòng)支架、馬氏瓶、水室、輸水管、微潤(rùn)管、土箱及閥門(mén)組成?；顒?dòng)支架為高度可調(diào)節(jié)的鐵支架，高約2 m，上部水平。馬氏瓶與水室由有機(jī)玻璃管制成，內(nèi)徑均為100 mm，兩者通過(guò)一根帶有閥門(mén)的硬管連接，馬氏瓶上標(biāo)有刻度，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)讀取刻度變化計(jì)算耗水量；水室中裝有定量的水，其液面與微潤(rùn)管之間的高差即為所需壓力水頭，馬氏瓶?jī)?nèi)部通過(guò)一根細(xì)玻璃管與大氣連通，玻璃管下端與水室中液面齊平，用以維持水室中水位恒定。作為該技術(shù)的核心部件，微潤(rùn)管是具有雙層結(jié)構(gòu)的軟管狀給水器，內(nèi)層為厚度0.06 mm的特制半透膜，其表面采用化學(xué)溶解方式，形成均勻而密集的微孔，孔密度約為10萬(wàn)個(gè)·cm-2[11]。本次試驗(yàn)所用輸水管為φ16黑色PE管，微潤(rùn)管長(zhǎng)度均為1 m，內(nèi)徑為16 mm，壁厚1 mm，均由深圳市微潤(rùn)灌溉技術(shù)有限公司提供。土箱由有機(jī)玻璃板制成，尺寸為100 cm×40 cm×40 cm(長(zhǎng)×寬×高)，在其兩個(gè)側(cè)面中心位置各開(kāi)一個(gè)直徑為18 mm的圓孔。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

Fig.1 Schematic of experimental equipment

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。

微潤(rùn)管空氣出流試驗(yàn)：將微潤(rùn)管水平置于空氣中，一端通過(guò)輸水管與水室連接，將水室水位調(diào)至特定高度(與微潤(rùn)管垂直距離分別為2、1.75、1.5、1.25、1、0.75、0.5、0.25 m)，打開(kāi)所有閥門(mén)，趕出管內(nèi)全部空氣后，將微潤(rùn)管另一端用堵頭堵死，記錄馬氏瓶當(dāng)前刻度，每隔2 h記錄一次刻度，共觀測(cè)24 h。

微潤(rùn)管地埋試驗(yàn)：為排除其他影響入滲的因素的干擾，本試驗(yàn)采用控制其他因素不變，研究某一因素對(duì)入滲影響的方法。試驗(yàn)設(shè)置了不同土壤容重γ(1.20、1.30、1.40 g·cm-3)和不同壓力水頭h(2.0、1.5、1.0 m)2個(gè)因素，共5組試驗(yàn)。試驗(yàn)前根據(jù)所需容重稱(chēng)取一定量土樣，按每層5 cm厚度振搗，層間打毛，以確保土壤充分接觸。裝土厚度為20 cm時(shí)鋪設(shè)微潤(rùn)管，使其穿過(guò)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)圓孔，一端與輸水管相連。待土箱裝滿后，土體表面用塑料膜覆蓋，防止外界水滴入及水分蒸發(fā)。打開(kāi)所有閥門(mén)，將水室中水位調(diào)至所需高度(與微潤(rùn)管的垂直距離分別為2.0、1.5、1.0 m)并趕出管內(nèi)全部空氣后，用堵頭將微潤(rùn)管另一端封閉，同時(shí)開(kāi)始記錄馬氏瓶刻度。前12 h內(nèi)每隔2 h記錄1次馬氏瓶刻度，此后每隔12 h記錄1次馬氏瓶刻度，并用筆在土箱穿管側(cè)面上描繪濕潤(rùn)鋒位置。入滲192 h后關(guān)閉直通閥門(mén)，記下馬氏瓶刻度，根據(jù)內(nèi)徑計(jì)算耗水量。將不同時(shí)刻的濕潤(rùn)鋒用Auto CAD描繪至計(jì)算機(jī)中，以濕潤(rùn)體橫剖面左右方向的1/2(水平向右)為研究對(duì)象，記濕潤(rùn)體水平向右運(yùn)移距離為X，垂直向上運(yùn)移距離為Y+，垂直向下運(yùn)移距離為Y-。用內(nèi)徑為1 cm的土鉆在濕潤(rùn)體橫剖面垂直向上、垂直向下、水平向右三個(gè)方向，從濕潤(rùn)鋒到微潤(rùn)管處垂直橫剖面等間距各取5個(gè)土樣，取土深度為10 cm。共測(cè)定三個(gè)橫剖面，取平均值，用烘干法計(jì)算上述土壤含水率。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，上述每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力對(duì)微潤(rùn)管空氣出流及地埋出流的影響

2.1.1 壓力對(duì)微潤(rùn)管空氣出流的影響 通過(guò)微潤(rùn)管的空氣出流試驗(yàn)，可以直觀地觀察其出流的過(guò)程，為探究微潤(rùn)灌灌水器的水力性能及地表鋪設(shè)管帶方式提供理論參考。

將微潤(rùn)管在不同壓力下的流量進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間的關(guān)系為：

q=110.16h+30.2

式中，q為流量(mL·h-1)；h為壓力水頭(m)。

可見(jiàn)在空氣出流條件下，微潤(rùn)管流量與壓力為線性關(guān)系，而區(qū)別于其他微管灌水器的冪函數(shù)關(guān)系[12]。

圖2 微潤(rùn)管流量與壓力水頭關(guān)系

Fig.2 Relationship between pressure heads and discharge of moistube

2.1.2 壓力對(duì)微潤(rùn)管地埋出流的影響 在土壤容重為1.30 g·cm-3水平下，各壓力水頭的水分累計(jì)入滲量如圖3所示?？梢钥闯?，累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系近似為線性關(guān)系，分別對(duì)其進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，壓力水頭h分別為2.0、1.5、1.0 m的趨勢(shì)線斜率分別為61.984、45.483、32.501，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.9934、0.9952、0.9989，均為顯著相關(guān)。說(shuō)明入滲量與時(shí)間的變化關(guān)系為線性增函數(shù)，在該容重下三種壓力水頭的入滲率分別為61.984、45.483、32.501 mL·h-1·m-1。壓力越大，水分入滲速率越快。壓力水頭與流量之間關(guān)系如圖4所示，近似為線性增函數(shù)。

圖3 不同壓力水頭下累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化

圖4 地埋微潤(rùn)管流量與壓力水頭的關(guān)系

Fig.4 Relationship between pressure heads and discharge of buried moistube

水分入滲速率隨壓力的增大而增大是因?yàn)殡S著入滲水頭的增加，入滲界面壓力勢(shì)增大，有增大導(dǎo)水率的作用，增大了入滲速率；另一方面，入滲水頭的增加又使得入滲界面土壤骨架變形而不斷地密實(shí)，導(dǎo)水率減小，使入滲速率有減小的趨勢(shì)。入滲速率正是在兩種作用彼此消長(zhǎng)之下，隨壓力水頭的變化呈現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)與顯著性變化的交替變化趨勢(shì)[13]。此外供水壓力越大，飽和區(qū)水流壓力勢(shì)就越大，達(dá)到穩(wěn)定入滲階段時(shí)總的土水勢(shì)梯度越大，入滲率越大，反映到累計(jì)入滲曲線上，則表現(xiàn)為曲線斜率隨壓力水頭的增大而增大[14]。實(shí)際生產(chǎn)中宜根據(jù)不同作物種類(lèi)、不同土壤質(zhì)地選擇合適的壓力水頭，以更大發(fā)揮微潤(rùn)灌溉技術(shù)的節(jié)水效益。

本試驗(yàn)在探究壓力水頭對(duì)微潤(rùn)管出流影響的同時(shí)，更加側(cè)重于分析在空氣和地埋條件下微潤(rùn)管出流的異同。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同壓力下，微潤(rùn)管在空氣中的流量要明顯大于地埋流量，且壓力越大這種差異越明顯。這可能是因?yàn)榈芈袂闆r下，微潤(rùn)管被土壤包裹，滲出膜外的水分在有限的基質(zhì)勢(shì)下，并不能及時(shí)地?cái)U(kuò)散出去，減小了膜內(nèi)外的水勢(shì)梯度，從而抑制了水分的出流。可見(jiàn)相比于地表，微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)更宜采用地下埋管方式，以更大程度提高灌溉水的利用效率。

2.2 土壤容重對(duì)累計(jì)出流量的影響

圖5為2 m壓力水頭下，各容重等級(jí)的土壤水分累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯霛B量隨時(shí)間的變化關(guān)系近似為線性關(guān)系，分別對(duì)其進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，容重γ分別為1.20、1.30、1.40 g·cm-3的趨勢(shì)線斜率分別為78.994、61.984、40.443，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.9949、0.9898、0.9914，均為高度相關(guān)。說(shuō)明入滲量與時(shí)間的變化關(guān)系為線性增函數(shù)，微潤(rùn)管在各種容重的土壤中均為均勻出流，且在該水頭下三種容重水平的入滲率分別為78.994、61.984、40.443 mL·h-1·m-1。土壤容重越大，水分入滲越慢，這與以往的研究結(jié)果一致。

出現(xiàn)以上規(guī)律的原因在于，土壤孔隙是土壤水分運(yùn)動(dòng)的空間，孔隙度的大小直接影響著土壤的導(dǎo)水特性。大孔隙是水分流動(dòng)的主要通道，水分的移動(dòng)能力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受土壤較大尺度孔隙含量及分布狀況的直接影響。土壤的孔隙度是土壤容重的函數(shù)，因此土壤容重就成為影響土壤導(dǎo)水特性的重要因素[15-16]。容重越大，土壤被壓實(shí)地越緊密，內(nèi)部的孔隙率，尤其是大孔隙率越小，水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)通道越小，入滲受阻，故入滲率減小。

圖5 不同土壤容重下累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化

Fig.5 Change of accumulative infiltration with time under different soil bulk density

2.3 土壤容重對(duì)濕潤(rùn)鋒形狀的影響

與傳統(tǒng)滴灌表現(xiàn)出來(lái)的上小下大型不同，微潤(rùn)灌的濕潤(rùn)鋒是以微潤(rùn)管為中心的近似圓形，如圖6為容重γ=1.30 g·cm-3時(shí)濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化圖，說(shuō)明濕潤(rùn)體是以微潤(rùn)管為中心的近似圓柱體。從圖中可以看出，隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，濕潤(rùn)體橫剖面的半徑在不斷增大，但相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)半徑增大的幅度在不斷減小，即濕潤(rùn)鋒的擴(kuò)展速度在減緩。灌水結(jié)束時(shí)，水平運(yùn)移距離與垂直向下運(yùn)移距離相差較小，但均大于垂直向上運(yùn)移距離，且土壤容重分別為1.20、1.30、1.40 g·cm-3的垂直向下運(yùn)移距離比垂直向上運(yùn)移距離分別大8.28%、6.00%、3.10%。

圖6 不同時(shí)刻的濕潤(rùn)鋒/cm

Fig.6 Wetting front of different time

濕潤(rùn)鋒形狀為近似圓形，說(shuō)明微潤(rùn)灌溉過(guò)程為典型的非飽和土壤入滲過(guò)程，土壤基質(zhì)勢(shì)在水分入滲時(shí)起到?jīng)Q定性作用。灌水結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移仍未停止，此結(jié)論區(qū)別于謝香文等[17]的試驗(yàn)結(jié)果，即在灌水10 d后，濕潤(rùn)鋒基本停止發(fā)展，這可能是因?yàn)樗粗须s質(zhì)堵塞微潤(rùn)管微孔所致。不同方向運(yùn)移距離出現(xiàn)差異，且該差異隨容重的增大而減小，則是因?yàn)槌寥阑|(zhì)勢(shì)外，重力對(duì)水分在土壤中的運(yùn)移過(guò)程也有一定的作用，濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移過(guò)程在二者彼此消長(zhǎng)中進(jìn)行。隨著土壤容重的增加，基質(zhì)勢(shì)在水分入滲過(guò)程中所起的作用相對(duì)越來(lái)越大，相反重力的作用相對(duì)越來(lái)越小，故各方向運(yùn)移距離之間的差異呈減小趨勢(shì)。

2.4 土壤容重對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及速率的影響

通過(guò)圖7不難看出，隨時(shí)間推移，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均呈增大趨勢(shì)。隨著土壤容重的增大，濕潤(rùn)體的范圍逐漸減小，同一時(shí)刻各方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離在逐漸減小，說(shuō)明土壤容重越大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越慢，這是因?yàn)橥寥浪秩霛B過(guò)程中大孔隙及傳導(dǎo)孔隙是水分流動(dòng)的主要通道[18]，而土壤容重是反映土壤緊密程度的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響著土壤的孔隙狀況[19]。隨著土壤容重的增大，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)變得緊密，內(nèi)部空隙減小，阻礙了水分在空隙中的入滲，故濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率減慢。而根據(jù)宋自影等[20]的研究，土壤容重越大，水分入滲的速度越慢，進(jìn)而導(dǎo)致土壤內(nèi)部的壓力值變化也比較慢，即壓力差越小，推動(dòng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力減小，也使得運(yùn)移速率降低。此結(jié)論與薛萬(wàn)來(lái)等[3]的研究結(jié)果一致。

圖7 不同方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化

Fig.7 Change of wetting front’s movement distance of different direction with time

各土壤容重下的不同方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間t的關(guān)系均近似為冪函數(shù)關(guān)系，即X與t、Y±與t符合X=atb、Y±=atb，其中a為入滲系數(shù)，表征的是濕潤(rùn)鋒在首個(gè)單位時(shí)間末的運(yùn)移距離，b為入滲指數(shù)。對(duì)各曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者高度相關(guān)，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。各方向的入滲系數(shù)a均隨著容重的增大而減小，而入滲指數(shù)b則無(wú)明顯變化，且基本穩(wěn)定在0.5左右。這為微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

表1 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的擬合結(jié)果

對(duì)以上擬合結(jié)果進(jìn)行求導(dǎo)，即得到水分在不同容重土壤中的運(yùn)移速率與時(shí)間的變化關(guān)系，如圖8為垂直向下方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率與時(shí)間的變化關(guān)系圖。可以看出，運(yùn)移速率與時(shí)間t仍為冪函數(shù)關(guān)系，但為減函數(shù)，說(shuō)明濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率均隨時(shí)間逐漸減小。這是因?yàn)樵谌霛B初期，濕潤(rùn)半徑較小，濕潤(rùn)鋒處土壤含水率較高，濕潤(rùn)鋒兩側(cè)水勢(shì)梯度較大，水吸力大，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率較快；隨著灌水時(shí)間的推移，濕潤(rùn)半徑越來(lái)越大，濕潤(rùn)鋒處的土壤含水率卻越來(lái)越小，其兩側(cè)水勢(shì)梯度相應(yīng)減小，水吸力小，故濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率減慢。

濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率在灌水約10 h前變化明顯，灌水約40 h后運(yùn)移速率均下降到0.1 cm·h-1以下。三個(gè)容重水平的運(yùn)移速率有：1.20 g·cm-3>1.30 g·cm-3>1.40 g·cm-3，但總體相差不大，初始推進(jìn)速率依次為0.7273、0.6287、0.5686 cm·h-1。

圖8 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨時(shí)間變化

Fig.8 Change of wetting front's movement velocity with time

2.5 容重對(duì)土壤水分分布的影響

各方向土壤含水率的分布情況大致相同，如圖9為三個(gè)容重水平的土樣在灌水結(jié)束時(shí)垂直向下方向的土壤含水率分布圖。可以看出，從微潤(rùn)管附近到濕潤(rùn)鋒，土壤含水率均隨運(yùn)移距離的增大呈線性下降趨勢(shì)，且保持在9%～24%之間，說(shuō)明土壤含水率與運(yùn)移距離之間有著良好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤容重越大，同一取樣點(diǎn)的含水率越小。這也說(shuō)明，隨著土壤容重的增大，水分在土壤中的入滲越來(lái)越困難，同時(shí)土壤對(duì)水分的蓄持能力越來(lái)越弱，這與李卓、吳普特等[21]的研究結(jié)果一致。

注：1～5依次為從微潤(rùn)管附近到濕潤(rùn)鋒處等間距的5個(gè)取樣點(diǎn)。

Note: 1～5 are the five equidistant sampling points from nearby moistube to wetting front one by one.

圖9 不同容重土壤含水率分布

Fig.9 Distribution of water content under different soil bulk density

作為衡量灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，灌水均勻性常用于評(píng)價(jià)灌溉系統(tǒng)的優(yōu)劣，一般采用克里斯琴森(Christiansen)均勻系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)土壤水分的灌水均勻性，即：

三種容重條件下灌水均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 土壤含水率及灌水均勻系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)行《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》[22]中的規(guī)定，Cu須滿足Cu>70%，從上表可知，微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)符合灌水均勻性要求。

除灌水均勻度外，還可用配水均勻度Du來(lái)評(píng)價(jià)灌溉水在田間的實(shí)際均勻狀態(tài)。灌水均勻度是設(shè)計(jì)時(shí)擬定的值，而配水均勻度才是灌溉系統(tǒng)的后驗(yàn)值，且配水均勻度更加重視最不利灌水處土壤水分分布狀況的評(píng)價(jià)，對(duì)作物生長(zhǎng)的影響更大，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的意義也更明顯[23]。其計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，土壤容重為1.20、1.30、1.40 g·cm-3的配水均勻度分別為80.5%、77.6%、77.9%。

3 討論與結(jié)論

自微潤(rùn)灌溉技術(shù)提出以來(lái)，不少專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了不同方面的試驗(yàn)研究，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，探究微潤(rùn)灌溉條件下水分在不同壓力下的入滲情況，測(cè)定累計(jì)入滲量、濕潤(rùn)鋒和土壤含水率在不同土壤容重條件下的異同，得出以下主要結(jié)論：

1) 微潤(rùn)管在空氣出流情況下的流量q與壓力水頭h為線性增函數(shù)，且二者之間關(guān)系為q=110.16h+30.2，這與朱燕翔[24]、祁世磊[25]等的結(jié)論基本一致，但不同于竇超銀等[26]的結(jié)論，即微潤(rùn)管的流量與壓力水頭為冪函數(shù)關(guān)系，且二者關(guān)系為q=130.4H0.84，此結(jié)論尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。微潤(rùn)管在地埋條件下的流量與壓力水頭呈線性正相關(guān)關(guān)系，相同水頭下，其在空氣中的流量要明顯大于地埋流量。以往研究認(rèn)為，流態(tài)指數(shù)反映了灌水器內(nèi)水流的流態(tài)，較小的流態(tài)指數(shù)有利于提高灌溉系統(tǒng)的灌水均勻度和降低系統(tǒng)造價(jià)。綜合以上兩種結(jié)果，微潤(rùn)灌灌水器的流態(tài)指數(shù)要略大于其他灌水器，但這并未影響微潤(rùn)灌溉技術(shù)優(yōu)良的節(jié)水性能。

2) 不同土壤容重條件下，水分累積入滲量與時(shí)間的變化關(guān)系為線性增函數(shù)，且土壤容重越大，水分入滲越慢。濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離與垂直向下運(yùn)移距離相差較小，但均大于垂直向上運(yùn)移距離，重力對(duì)水分在土壤中的運(yùn)移過(guò)程有一定的作用，但隨著土壤容重的增加，該作用逐漸減?。煌寥廊葜卦酱?，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移越慢，各土壤容重下的不同方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間t的關(guān)系均近似為冪函數(shù)關(guān)系，入滲指數(shù)約為0.5；灌水約10 h前濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率下降較快，約40 h后運(yùn)移速率下降到0.1 cm·h-1以下。從微潤(rùn)管附近到濕潤(rùn)鋒，土壤含水率均隨濕潤(rùn)半徑呈線性下降趨勢(shì)；土壤容重越大，同一取樣點(diǎn)的含水率越小；微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)的灌水均勻性符合相關(guān)規(guī)定。

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Effect of pressure heads and soil bulk density on water infiltration under moistube irrigation

ZHANG Guo-xiang, SHEN Li-xia, GUO Yun-mei

(CollegeofWaterConservancyandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,Shanxi030024,China)

In order to investigate the relationship between water's infiltration and different pressure heads and bulk density under moistube irrigation, treatmenst of three pressure heads (2.0、1.5、1.0 m) and three bulk density (1.20, 1.30,1.40 g·cm-3) were conducted by soil culture experiments. Three indicators, accumulative infiltration, wetting front and soil water content were measured. The result revealed that the accumulative infiltration of water was positively related with pressure heads, but negatively with soil bulk density. The discharge of moistube was linearly related with pressure heads under air and burying. The wetting front was an approximate circle with a moistube centre. The horizontal movement distance and the vertical upward movement distance were larger than the vertical downward movement, and gravity had certain effect on water movement under moistube irrigation. However, the effect was weaker and weaker with the increasing soil bulk density.

moistube irrigation; pressure heads; soil bulk density; water infiltration

1000-7601(2017)04-0067-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.11

2016-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(31271645)；山西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140311007-4)

張國(guó)祥(1991—)，男，河北衡水人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉技術(shù)。 E-mail:1101960669@qq.com。

申麗霞(1968—)，女，山西長(zhǎng)子人，教授，主要從事水肥資源高效利用研究。 E-mail: shenlixia919@sohu.com。

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