淺埋式滴灌土壤水分分布規(guī)律試驗(yàn)研究

張 營， 繳錫云，2， 盧 佳， 白云崗， 王穎聰

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3.新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049； 4.南京市浦口區(qū)水務(wù)局， 江蘇 南京 210031)

1 研究背景

近年來，淺埋式滴灌技術(shù)因其高效節(jié)水和對(duì)牧草灌溉的良好適應(yīng)性，在牧草種植地區(qū)得到了示范推廣。淺埋式滴灌是較為適合苜蓿等多年生牧草作物的灌溉方式，且在北疆牧區(qū)苜蓿種植灌溉方法的選擇及大面積地塊苜蓿種植的灌溉管理中，能夠較好的滿足北疆牧區(qū)的灌溉需求，可有效節(jié)水增產(chǎn)、增收，并提高畜牧業(yè)的抗災(zāi)能力，適合在新疆牧區(qū)推廣應(yīng)用[1-2]。我國新疆地區(qū)水資源短缺，同時(shí)又是我國主要牧草種植區(qū)之一，因此研究淺埋式滴灌技術(shù)，對(duì)新疆牧草高效節(jié)水灌溉具有重要意義。

此前，科研工作者們?cè)诘芈袷降喂喾矫孀隽舜罅康难芯?。為探究地下滴灌滴頭的合理埋深，夏玉慧等[3]研究了地下滴頭埋設(shè)深度(10、20、30 cm)對(duì)紫花苜蓿生長的影響，分析了各個(gè)生育期滴頭埋深對(duì)產(chǎn)量的影響；任杰等[4]分析了地下滴灌毛管埋深對(duì)作物生長和發(fā)育的影響，總結(jié)了國內(nèi)外地下滴灌毛管埋深和間距的研究進(jìn)展，并對(duì)不同的毛管埋深進(jìn)行了土壤水分運(yùn)移試驗(yàn)分析，為地下滴灌系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在滴頭流量方面，王超等[5]在滴頭埋深25 cm條件下，對(duì)相同質(zhì)地土壤的滴頭流量大小進(jìn)行了探究，認(rèn)為隨著滴頭流量的增大，存在某一滴頭流量使得濕潤體的平均含水率由固定值變?yōu)樽兓?，該流量值可以作為地下滴灌設(shè)計(jì)的依據(jù)。張樹振等[6]進(jìn)行了苜蓿田土壤水分分布規(guī)律的研究，認(rèn)為在滴頭埋深20 cm時(shí)，濕潤體呈中部凸起、下部略尖的壇狀，入滲深度隨灌溉量增加而增大；張中海[7]、Gao等[8]驗(yàn)證了運(yùn)用surfer11軟件采用克里金插值的方式繪制等值線圖良好的適用性；申祥民等[9]利用Sufer軟件繪制土壤含水率等值線圖，分析膜下滴灌棉田均勻布點(diǎn)方式下土壤含水率的空間變異規(guī)律，為土壤水分分布規(guī)律的研究提供了方法。部分學(xué)者利用HYDRUS-2D模型和現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該模型能夠較好地預(yù)測(cè)滴頭周圍土壤剖面水分的變化趨勢(shì)，評(píng)估地下滴灌的軸對(duì)稱滲透過程和土壤濕潤體的大小，且可以用于模擬粉砂壤土中地下滴灌系統(tǒng)的土壤水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[10-12]。其他學(xué)者基于土壤水動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用數(shù)值模擬，研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，給滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[13-16]。

綜上所述，目前的研究中滴頭埋深大部分不小于20cm，而針對(duì)滴頭埋深較淺及其適宜流量選擇的相關(guān)研究還較少，因此針對(duì)淺埋式滴灌系統(tǒng)中滴頭埋深及流量等參數(shù)的設(shè)計(jì)還缺乏依據(jù)?；诖?，本文通過試驗(yàn)對(duì)滴頭在不同埋深、不同流量條件下的土壤水分分布規(guī)律開展研究，為淺埋式滴灌技術(shù)的示范推廣提供理論參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在河海大學(xué)水文水資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試土壤取自新疆青河縣阿葦灌區(qū)試驗(yàn)站，土壤基本物理指標(biāo)見表1。土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，過2 mm孔徑的篩，分層(5 cm)均勻裝入有機(jī)玻璃箱內(nèi)，為保證土體整體性，裝土?xí)r上層土與下層土間打毛?？紤]到滴灌常用滴頭間距為30 cm、滴灌管布設(shè)間距為60 cm，故試驗(yàn)土箱內(nèi)部尺寸為30 cm×30 cm×60 cm(長×寬×高)，采用8 mm厚有機(jī)玻璃制作?？紤]到入滲濕潤體的對(duì)稱性，將滴頭埋設(shè)于距土箱側(cè)壁內(nèi)1 cm處的垂向中心線上，試驗(yàn)將大致形成半個(gè)濕潤體。在箱壁垂直方向上每隔5 cm刻線，便于裝土?xí)r控制土壤干容重及在試驗(yàn)過程中觀測(cè)濕潤峰的運(yùn)移位置。具體裝置見圖1。

表1 供試土壤基本物理指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置5、10、15 cm 3個(gè)滴頭埋深，在各埋深條件下，設(shè)置流量初始值各為0.5、1.3、2.0 L/h，流量梯度為0.1 L/h，進(jìn)行多次試驗(yàn)，直至土體遭到破壞，每次試驗(yàn)過程中控制累計(jì)灌水量為3 L，初始含水率均為3.2%(體積含水率)。為便于闡述，針對(duì)試驗(yàn)土體建立直角坐標(biāo)系，以過滴頭的垂線與土壤表面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以過滴頭的向下垂線為Z軸，以滴頭所在側(cè)壁與土壤表面的交線為X軸，以垂直于X軸、Z軸的水平線為Y軸，如圖2所示。

試驗(yàn)開始后，按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔用記號(hào)筆在土箱垂直面記錄濕潤鋒的推進(jìn)形狀，觀測(cè)土壤濕潤峰向上、向下和向水平方向的運(yùn)移距離，記錄所見濕潤體輪廓。

灌水結(jié)束后，立即測(cè)定土壤含水率，沿Z軸向下每5 cm在XOY平面上取19個(gè)樣點(diǎn)(見圖2)，直至濕潤峰垂直向下運(yùn)移最遠(yuǎn)處。分層取土?xí)r，用相機(jī)拍照記錄各層土壤濕潤體剖面形狀，采用烘干法測(cè)定各取樣點(diǎn)土壤含水率。

3 結(jié)果與分析

3.1 臨界流量

在滴頭埋深相同時(shí)，若流量過大則可能引起土壤水壓力增加，造成緊鄰周邊土壤結(jié)構(gòu)的破壞并產(chǎn)生裂縫。為探索在不同滴頭埋深條件下，土壤結(jié)構(gòu)破壞的臨界流量，通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流量超過某一臨界值后，試驗(yàn)土體會(huì)遭到破壞。各埋深條件下臨界流量，見表2，各臨界流量時(shí)試驗(yàn)土體的破壞情況見圖3。

隨著滴頭流量的增加，周圍土體的滲透壓力逐漸增大，由于淺埋式滴灌滴頭埋設(shè)深度較小，所以當(dāng)?shù)晤^流量增加到一定程度，其上部的土體將首先發(fā)生滲透破壞，對(duì)應(yīng)的滴頭流量即為臨界流量。在實(shí)際運(yùn)行中，滴頭流量應(yīng)小于臨界流量。

3.2 土壤濕潤體的變化過程

針對(duì)5、10、15 cm 3種滴頭埋深處于臨界流量條件下，取XOZ平面觀察入滲過程中濕潤鋒隨時(shí)間變化過程，分析濕潤體的變化規(guī)律。濕潤鋒隨時(shí)間變化過程如圖4所示。

圖1淺埋式滴灌入滲試驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)圖2取樣點(diǎn)分布示意圖

表2 各埋深條件下臨界流量

由圖4可以看出，濕潤鋒水平運(yùn)移距離最大的位置在滴頭所在平面。在入滲初期，濕潤峰水平運(yùn)移距離較垂向增長快，土壤基質(zhì)勢(shì)梯度是主要驅(qū)動(dòng)力。隨著時(shí)間的增長，濕潤體體積不斷增大，由于單位時(shí)間內(nèi)灌水量不變，濕潤半徑的增量逐步減小，在入滲時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)，水平和垂向濕潤鋒的發(fā)展都開始明顯減慢。表3為灌水結(jié)束后濕潤體的垂向運(yùn)移距離。

由表3可知，灌水結(jié)束后，在灌水量基本相同的情況下，臨界流量時(shí)，滴頭埋深5 cm時(shí)，垂直濕潤總長度和垂直向下距離均較??；滴頭埋深15 cm時(shí)，土箱表層部分土體未濕潤，垂向濕潤總長度較滴頭埋深10 cm相差不多；而滴頭埋深10 cm時(shí)，垂直向下距離較大?？梢姡晤^埋深較淺時(shí)，濕潤體整體位置分布較淺且灌水結(jié)束后基本呈長方體，隨著滴頭埋深的增大，濕潤體整體位置分布逐漸加深，灌水結(jié)束后的形狀逐漸趨向于橢球體。

3.3 滴頭流量對(duì)土壤水分分布影響

根據(jù)XOY平面各層取樣點(diǎn)含水率變化值進(jìn)行線性插值，分析各層含水率分布規(guī)律并按含水率等值線進(jìn)行積分，逐層計(jì)算濕潤體儲(chǔ)水量。各滴頭埋深在不同流量的情況下，灌水量基本一致時(shí)，土壤濕潤體各層儲(chǔ)水量情況見表4。

由表4可以看出，可能由于試驗(yàn)與計(jì)算誤差，儲(chǔ)水量計(jì)算值較實(shí)際灌水量略有偏小。在滴頭埋深5 cm時(shí)，濕潤體的儲(chǔ)水量大體分布在垂直深度0～15 cm間，隨著滴頭流量的增加，垂直深度10 cm以下部分的儲(chǔ)水量無顯著增加，灌溉增加的水量主要聚集在上部，待超過臨界流量時(shí)水分涌出土體表面；滴頭埋深10、15 cm時(shí)，伴隨滴頭流量的增加，在流量未達(dá)到臨界流量時(shí)，儲(chǔ)水量則隨垂直深度的增加呈增加趨勢(shì)。由此可見，滴頭埋深不宜太淺，建議在10 cm左右。

表3 灌水結(jié)束后濕潤體垂向運(yùn)移距離

圖3 臨界流量時(shí)試驗(yàn)土體破壞情況

圖4 濕潤鋒運(yùn)移曲線

表4 不同流量下濕潤體各層儲(chǔ)水量 L/h, L

3.4 滴頭埋深對(duì)土壤水分分布影響

分別對(duì)滴頭埋深為5、10和15 cm進(jìn)行試驗(yàn)，選取各埋深情況下的滴頭臨界出水流量，分析滴頭埋深對(duì)土壤水分分布狀況的影響規(guī)律。

試驗(yàn)過程中控制累計(jì)入滲量均為3 L左右，根據(jù)取樣點(diǎn)含水率值，采用克里金插值的方式繪制濕潤體零通量面(XOZ平面)含水率等值線，如圖5所示。由圖5可見，不同滴頭埋深情況下的水分分布存在著較為明顯的差異。滴頭埋深為5 cm時(shí)，濕潤體水量主要集中分布在滴頭附近至土箱表層處，最大濕潤深度僅有18 cm左右，土壤含水率值比其它2個(gè)滴頭埋深情況高出2%～4%(土壤含水率值)左右。滴頭埋深為15 cm時(shí)，土箱表層部分土體未濕潤，濕潤體水量主要分布在緊鄰滴頭下方的土體，濕潤體濕潤的垂向范圍較大，達(dá)28 cm左右。當(dāng)?shù)晤^埋設(shè)在10 cm深度時(shí)，緊鄰滴頭上方的土體土壤含水率最高，垂直方向上0～20 cm間土壤含水率均在25%左右，濕潤深度達(dá)26 cm左右。由此可見，滴頭埋深為10 cm、流量為1.7 L/h時(shí)，土壤含水率分布最為均勻。

圖5 濕潤體零通量面含水率等值線 (體積含水率)

4 結(jié) 論

(1)滴頭不同埋深的情況下均存在著土體破壞的臨界流量，滴頭埋深越大臨界流量也越大，實(shí)際運(yùn)行時(shí)滴頭流量應(yīng)小于臨界流量。

(2)隨著滴頭流量的增大，滴頭埋深過淺時(shí)，水量主要向濕潤體上部聚集，當(dāng)埋深超過一定深度時(shí)，水量開始向濕潤體下部聚集。由此，建議滴頭埋深為10 cm左右。

(3)在臨界流量情況下，入滲過程中，濕潤鋒運(yùn)移速率初期較快，60 min后開始減慢，隨著滴頭埋深的增大，灌水結(jié)束后的濕潤體濕潤長度越長，土壤含水率值越小。其中，滴頭埋深10 cm、流量1.7 L/h時(shí)濕潤體濕潤深度適中，土壤含水率分布最為均勻。

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