微潤交替灌溉下管埋深對土壤水分入滲的影響

尹玉娟，申麗霞，郭英姿，張春一

(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水務(wù)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030024)

0　引　言

微潤交替灌溉是一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，該技術(shù)將交替灌溉和微潤灌溉結(jié)合起來，既發(fā)揮交替灌溉的控水性，又發(fā)揮微潤灌溉的連續(xù)性，達(dá)到高效灌溉的目的。微潤管既是輸水管道，也是滲水管道，管壁滲水利用半透膜原理，只允許水分子、離子等小分子通過。滲水的動力為微潤管內(nèi)外水勢差[1]，微潤管內(nèi)部水勢高于外部土壤水勢，從而驅(qū)使水分子透過微潤管壁向外擴(kuò)散。與滴灌相比，微潤灌溉具有節(jié)水效果明顯、運(yùn)行成本低、抗堵塞性等優(yōu)點(diǎn)[2,3]，適宜旱區(qū)作物的用水需求。

樊曉康等[4]研究表明涌泉根灌柱體入滲的土壤濕潤體垂直向下入滲距離和水平擴(kuò)散半徑受灌水器埋深的影響，在同一時(shí)刻，灌水器埋深越大，垂直方向和水平方向濕潤距離越小。牛文全等[5]研究表明埋深對微潤灌土壤累計(jì)入滲量和入滲率具有明顯的作用，微潤帶埋深顯著影響土壤濕潤體的形狀，濕潤鋒水平運(yùn)移距離與寬深比γ均隨埋深的增大而減小，垂直運(yùn)移距離隨埋深的增大而略微增大，土壤累計(jì)入滲量與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。莊千燕等[6]研究認(rèn)為在高羊茅草坪種植中，灌水器埋放于地表下15 cm較為合理，在每個(gè)滴頭附近，根系密度和重量都明顯變大，埋深較大時(shí)，易造成水資源浪費(fèi)。李道西等[7]通過砂壤土模擬試驗(yàn)認(rèn)為滴頭埋深是影響地下滴灌土壤水分分布的重要參數(shù)。任杰等[8]研究認(rèn)為在流量和灌水量一定的情況下，無論是在水平方向還是垂直方向上，隨著毛管埋深的增加，濕潤鋒運(yùn)移的速度減慢，且濕潤鋒在垂直方向和水平方向的運(yùn)移距離也隨著埋深的增大而減小。馬孝義等[9]研究表明在簡易地下滴灌條件下，管道埋深對出水量及灌水時(shí)間、沿管長方向的灌水均勻度、土壤水分入滲有顯著影響，入滲寬度隨埋深的減小而增大。埋深小時(shí)深層滲漏小。關(guān)于普通微潤灌溉土壤水分入滲特征已有一定的研究，但對于微潤交替灌溉的土壤水分入滲特征的研究鮮少。本試驗(yàn)設(shè)置不同的微潤管埋深(15、20 cm)，研究不同埋深下的土壤水分累計(jì)入滲量，土壤含水率及濕潤鋒運(yùn)移距離等指標(biāo)，為微潤交替灌溉確定合理的微潤管埋深提供參考。

1　材料與方法

1.1　供試土樣

供試土樣取自山西省太原市尖草坪區(qū)芮城村，試驗(yàn)中經(jīng)過一定的處理，將土樣曬干，碾壓后混合均勻，并通過孔徑為2 mm的篩備用。通過MS 2000型激光分析粒度儀對土樣進(jìn)行測定分析，試驗(yàn)所選取的土壤為黏壤土，對應(yīng)容重為1.25 g/cm3，初始含水率為1.44%。其中顆粒粒徑分布如下：顆粒粒徑為0.02

1.2　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由土箱和供水、輸水裝置組成，如圖1所示。土箱由厚度為10 mm的有機(jī)玻璃板制成，土箱尺寸為100 cm×40 cm×40 cm(長×寬×高)，在40 cm×40 cm的有機(jī)玻璃板面上，距底板高度20 cm，距兩邊5 cm處對稱鉆兩孔，孔間距為30 cm，孔徑為18 mm。主要供水裝置為馬氏瓶，馬氏瓶是內(nèi)徑為10 cm的空心圓柱體，內(nèi)部裝水，頂部由穿有玻璃管的橡膠塞塞住，玻璃管底部液面為大氣壓，且玻璃管內(nèi)液面高度保持不變，以保持壓力水頭恒定。輸水裝置由連接馬氏瓶的PE管(直徑為16 mm)和微潤管(直徑為16 mm)組成，兩種管之間由直通閥門連接。

圖1　試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of test arrangement

1.3　試驗(yàn)方法及測定內(nèi)容

為研究微潤管在不同埋深下土壤水分運(yùn)移的情況，設(shè)置微潤管埋深為15和20 cm，壓力水頭為150 cm，土壤容重為1.25 g/cm3。將土樣按5 cm厚度分層裝入土箱，并稍加振搗。交替周期為12 d，前6 d開L管，關(guān)閉R管，后6 d開R管，關(guān)閉L管，試驗(yàn)持續(xù)一個(gè)周期，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

試驗(yàn)過程中，定時(shí)記錄馬氏瓶水柱高度，微潤管周圍形成的濕潤體的輪廓及濕潤鋒運(yùn)移距離，試驗(yàn)前12 h內(nèi)每2 h記錄一次，24～36 h間，每4 h記錄一次，48 h后每6 h記錄一次，夜間間隔12 h記錄，同時(shí)每天記錄a區(qū)(距土箱邊沿10 cm，記為左側(cè)L)、c區(qū)(距土箱邊沿20 cm處，記為土箱中部)、b區(qū)(距土箱邊沿30 cm，記為右側(cè)R)的土壤含水率的變化，取土深度為30 cm，其中土壤含水率測定方法采用烘干法。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同微潤管埋深對累計(jì)入滲量的影響

圖2顯示了兩種不同埋深下兩根微潤管交替打開后累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化。由圖2可以看出，L側(cè)、R側(cè)的累計(jì)入滲量均隨時(shí)間呈線性遞增的趨勢，埋深15 cm時(shí)的累計(jì)入滲量均高于埋深20 cm時(shí)的累計(jì)入滲量，分別高11.33%和13.57%，這是由于在壓力水頭相同的情況下，微潤管內(nèi)外的水勢差成為水分入滲的動力，在容重為1.25 g/cm3時(shí)，土較松散，埋深為20 cm處的土層壓力可能比埋深為15 cm處的大，土粒間空隙較小，保水性較強(qiáng)。通過線性擬合可知，在本試驗(yàn)條件下水分累計(jì)入滲量是關(guān)于時(shí)間的線性遞增函數(shù)，其中，埋深為15 cm時(shí)，L側(cè)、R側(cè)累計(jì)入滲量與時(shí)間的趨勢線相關(guān)系數(shù)分別為0.998 9、0.997 2，埋深為20 cm時(shí)，L側(cè)、R側(cè)累計(jì)入滲量與時(shí)間的趨勢線相關(guān)系數(shù)分別為0.997 3、0.994 7，可見相關(guān)性顯著。

圖2　累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化情況Fig.2 The change trend of cumulative infiltration rate of soil moisture with time

2.2　不同微潤管埋深下土壤含水率變化

圖3顯示了不同埋深下不同區(qū)域的土壤含水率，圖3中a區(qū)土壤含水率的變化可以看出，埋深為15 cm時(shí)的土壤含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于埋深為20 cm時(shí)的土壤含水率，試驗(yàn)前6 d，L側(cè)微潤管打開，埋深為15和20 cm的土壤含水率均快速增加，試驗(yàn)第7 d起，L側(cè)微潤管關(guān)閉，R側(cè)微潤管打開，濕潤體沒有水分子繼續(xù)供給，外側(cè)含水率低的土體對毛管水的吸力使得水分子由梯度高的一側(cè)向梯度低的一側(cè)不斷擴(kuò)散，導(dǎo)致埋深15和20 cm的土壤含水率均逐漸減少。

c區(qū)的土壤含水率的變化較不穩(wěn)定，當(dāng)埋深為15 cm時(shí)，試驗(yàn)前5 d，土壤含水率處于較平穩(wěn)的水平，第6天濕潤鋒擴(kuò)散到中間，則土壤含水率增加，當(dāng)?shù)? d關(guān)閉L管，開啟R管，由于微潤管中存的部分水仍在滲出，土壤含水率持續(xù)增大，第9 d測定時(shí)，L側(cè)水分入滲減弱，R側(cè)水分還未滲至中間，因此測得的土壤含水率減小，第10 d后，R側(cè)水分入滲接觸到L側(cè)濕潤體，繼續(xù)入滲，使得中間土壤含水率增加。埋深為20 cm時(shí)，試驗(yàn)前6 d，L側(cè)濕潤體未滲到中間，因此土壤含水率較低，且保持穩(wěn)定，待第7 d，濕潤鋒持續(xù)滲入到中間，土壤含水率稍微有所增加，R側(cè)水分未滲到中間，因此含水率又逐漸減小。

就b區(qū)土壤含水率隨時(shí)間的變化而言，試驗(yàn)前6 d未開啟R管，因此兩種埋深下含水率均保持穩(wěn)定，R管開啟后，兩種埋深下b區(qū)的土壤含水率均增加，且埋深為15 cm的處理的土粒之間的壓力較小，空隙較大，對毛管水束縛小，水分?jǐn)U散較快，因此埋深15 cm的土壤含水率比埋深20 cm的土壤含水率增加的快。

圖3　土壤含水率隨時(shí)間的變化情況Fig.3 The change trend of soil moisture content of three area with time

2.3　不同微潤管埋深下濕潤鋒隨時(shí)間的運(yùn)移距離

圖4顯示了兩種不同埋深下L側(cè)和R側(cè)水平方向、垂直向上方向及垂直向下方向的濕潤鋒隨時(shí)間運(yùn)移情況，其中，(a)、(b)、(c)為L側(cè)的濕潤鋒的運(yùn)移情況，(d) 、(e)、 (f)為R側(cè)的濕潤鋒的運(yùn)移情況。由圖4可以看出，埋深15 cm和埋深20 cm時(shí)在水平方向和垂直方向的濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化均呈拋物線狀，在試驗(yàn)前期增長較快，之后逐漸減慢并趨于平穩(wěn)。由(a)、(b)、(c)三圖可以看出，埋深為15 cm時(shí)，水平方向、垂直向上方向及垂直向下方向濕潤鋒運(yùn)移距離均大于埋深為20 cm時(shí)的運(yùn)移距離，因?yàn)槁裆顬?0 cm的土粒之間空隙小，對土粒之間的毛管水的吸力較強(qiáng)，毛管水不易擴(kuò)散，因此，運(yùn)移距離小，說明埋深對土壤水分運(yùn)移有一定的影響。同時(shí)，埋深為15 cm和埋深為20 cm的處理的在三個(gè)方向上運(yùn)移距離相差均較小，均介于0.5～2.9 cm，由于土壤容重為1.25 g/cm3，土壤松散，埋深為20 cm時(shí)的土粒之間的壓力與埋深為15 cm時(shí)相差不大，因此在管間距、壓力水頭等條件相同的情況下，埋深對對土壤水分運(yùn)移的影響不大。由(d) 、(e)、 (f)三圖也可以得出相同的結(jié)論，埋深對水分運(yùn)移有一定的影響，但影響不大。

對濕潤鋒運(yùn)移距離和時(shí)間進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)水平方向和垂直方向濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的擬合關(guān)系符合冪函數(shù)的公式：S=atb，表1、表2顯示了L側(cè)、R側(cè)濕潤鋒運(yùn)移距離X、Y+及Y-與時(shí)間t的擬合結(jié)果。各擬合結(jié)果中a、b值差距不大，說明各方向運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化趨勢一致。對各擬合冪函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，結(jié)果為單調(diào)遞減函數(shù)，即原冪函數(shù)的斜率逐漸減小，濕潤鋒運(yùn)移的速率也逐漸減小，各趨勢線的走向符合圖4。R2均大于0.99，說明L側(cè)、R側(cè)濕潤鋒運(yùn)移距離X、Y+及Y-與時(shí)間t的擬合結(jié)果具有顯著的相關(guān)性。

2.4　不同微潤管埋深對濕潤體形狀的影響

圖5顯示了不同埋深下形成的濕潤體的形狀隨時(shí)間的變化情況，由圖5，在微潤管間距為30 cm，壓力水頭為150 cm，土壤容重為1.25 g/cm3，交替周期為12 d，埋深為15 cm及埋深為20 cm時(shí)，微潤灌溉形成的濕潤體都為以微潤管為中心的近似圓形。埋深為15 cm時(shí)兩側(cè)微潤管產(chǎn)生的水平方向的濕潤鋒運(yùn)移距離大于15 cm，則形成的濕潤體最終交匯，土體中間的土壤含水率上升，且土體表層已經(jīng)濕潤，埋深為20 cm時(shí)兩側(cè)微潤管產(chǎn)生的濕潤鋒水平運(yùn)移距離小于15 cm，則形成的濕潤體未相交，且土體表層也未濕潤。通過兩種埋深下垂直濕潤鋒運(yùn)移距離的對比，可知無論是L側(cè)，還是R側(cè)，埋深15 cm時(shí)形成的濕潤體均比埋深20 cm形成的濕潤體大，說明埋深為15 cm時(shí)水分入滲較埋深為20 cm時(shí)快。

圖4　濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化情況Fig.4 The change trend of wetting front migration distance with time

微潤管埋深/cmX/cmabR2Y+/cmabR2Y-/cmabR2151．38170．46330．99901．57990．45250．99541．57560．44380．9940200．99430．51930．99721．29740．51930．99561．32300．47120．9958

表2　R側(cè)濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化的擬合情況Tab.2 The fitting situation of wetting front migration distance with time of R side

圖5　不同微潤管埋深下濕潤體形狀Fig.5 The shape of the wetting body of different buried depth ofmoistubes

3　結(jié)　語

為研究微潤交替灌溉中微潤管中水分入滲情況，本試驗(yàn)在室內(nèi)土箱中進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定土壤容重、壓力水頭、微潤管間距及交替周期一致，微潤管埋深不同的兩組試驗(yàn)，對比分析不同埋深下水分入滲及濕潤體隨時(shí)間的變化，得出以下結(jié)論：

(1)就累計(jì)入滲量而言，交替微潤灌溉L側(cè)、R側(cè)的累計(jì)入滲量均隨時(shí)間呈線性遞增的趨勢，且埋深15 cm時(shí)的累計(jì)入滲量高于埋深20 cm時(shí)累計(jì)入滲量。

(2)微潤交替灌溉條件下，埋深為15 cm時(shí)土壤含水率均大于埋深為20 cm的土壤含水率，埋深15 cm時(shí)產(chǎn)生的濕潤體交匯至土體中部，含水率變化較復(fù)雜。

(3)就濕潤鋒運(yùn)移距離而言，埋深15 cm時(shí)濕潤鋒在水平方向、垂直向上及垂直向下方向運(yùn)移的距離均大于埋深20 cm時(shí)濕潤鋒的運(yùn)移距離，介于0.5～2.9 cm之間，差距較小，說明埋深對濕潤鋒運(yùn)移有影響但不顯著。濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的擬合結(jié)果為良好的冪函數(shù)關(guān)系，且兩者之間具有顯著的相關(guān)性。

(4)通過對不同埋深下產(chǎn)生的濕潤體的形狀進(jìn)行對比，說明埋深為15 cm時(shí)形成的濕潤體截面積較埋深20 cm時(shí)大，進(jìn)一步證實(shí)在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，埋深15 cm時(shí)水分入滲較埋深20 cm時(shí)快。

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