微潤管(帶)埋深及壓力水頭對濕潤鋒影響

畢遠杰，雷 濤，雷明杰，王 堅

(1.山西省水利水電科學研究院，太原 030002； 2.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030002)

微潤灌是一種以半透膜為核心技術(shù)的地下灌溉方法[1-3]。該方法能夠使土壤水分從微潤管中緩慢滲出，并直達根系集中層，具有較高的水分利用效率和作物生產(chǎn)率[4, 5]，因此，近年來得到了大力發(fā)展。然而，該灌溉方法技術(shù)參數(shù)方面的相關(guān)理論還有待進一步完善。

壓力水頭和管帶埋深是影響微潤灌土壤水分運動的關(guān)鍵因素。濕潤鋒是描述土壤水分運動快慢的最直觀指標。在前人研究報道中，濕潤鋒對管帶埋深的響應(yīng)各不相同。研究結(jié)果表明，濕潤鋒推移距離與埋深呈正相關(guān)[6]，負相關(guān)[7]或者無顯著關(guān)系[8]。在這些研究中，壓力水頭分別為1.5～1.7 m、1.8 m和0.6～2.4 m，說明濕潤鋒推移距離對埋深的響應(yīng)強度可能受到壓力水頭的影響，為此，埋深和壓力水頭間的交互效應(yīng)對濕潤鋒推移距離的影響有待進一步明確。大多數(shù)研究結(jié)果表明，壓力水頭有助于加快濕潤鋒推移和增加濕潤體面積[8-10]，但這些研究均是某一固定埋深條件下進行的，并未考慮到壓力水頭和埋深雙因素耦合效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，還有待進一步深入研究。濕潤鋒半徑R及其變化速率b是描述微潤灌水分運動的重要指標，前人研究僅考慮了埋深和壓力水頭單因素效應(yīng)對指標R的影響[11]，雙因素耦合效應(yīng)的影響還未見相關(guān)報道，有待進一步深入研究。

鑒于前人在壓力水頭、管帶埋深及其耦合效應(yīng)對濕潤鋒推移方面的研究尚不充分，本文將采用室內(nèi)土箱模擬試驗，旨在于揭示埋深和壓力水頭耦合效應(yīng)對濕潤鋒半徑及其變化速率的影響，以期為微潤灌技術(shù)參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)，為微潤灌相關(guān)理論的完善提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤樣品采集于山西省水利水電科學研究院節(jié)水高效示范基地，取土深度為0～200 cm。將土壤樣品風干、碾壓，過2 mm篩后混勻備用。土壤質(zhì)地為黏壤土，容重為1.39 g/cm3。土壤初始含水率為3.1%，田間持水率為35.07%，飽和含水率為51.3%。

1.2 試驗裝置

圖1為室內(nèi)模擬試驗裝置。試驗裝置主要由試驗臺、馬氏瓶和土箱三部分組成。馬氏瓶和土箱均由有機玻璃板制成，規(guī)格分別為5.5 cm×5.5 cm×70 cm和60 cm×60 cm×50 cm。試驗所采用的微潤管由深圳微潤灌溉技術(shù)有限公司提供，規(guī)格為φ25 mm。以分層厚度5 cm和容重1.39 g/cm的試驗要求，對土壤進行逐層裝填，并確保管路安裝密封性良好。

圖1 室內(nèi)模擬試驗示意圖Fig.1 Schematic of indoor simulation experiment

1.3 試驗設(shè)計及測定方法

本文主要進行管帶埋深與壓力水頭耦合條件下土壤水分入滲特性研究。其中，管帶埋深設(shè)D5、D15和D20三個水平，分別代表埋深5、15和20 cm。壓力水頭設(shè)H100、H150和H200三個水平，分別代表壓力水頭100、150和200 cm。采用全面試驗設(shè)計，共9個處理，每個處理設(shè)置三個重復。每組試驗均在相同初始含水率條件下進行。試驗開始后，分別在2、4、6、10、18、26、34、42、54和72 h，采用記號筆在有機玻璃板上對濕潤鋒進行描繪。灌水至72 h時，入滲試驗結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)濕潤鋒半徑動態(tài)變化特征，采用Elovich模型進行定量描述，如式(1)所示。采用決定系數(shù)R2和平均相對誤差MAPE對模型精度進行評價，分別如式(2)和式(3)所示。

R=A+Bln(t)

(1)

(2)

(3)

式中：R為濕潤半徑，cm；A為系數(shù)；B為濕潤鋒半徑變化速率；t為入滲時間，h；WL為累積入滲量預(yù)測值，cm3；WR為累積入滲量實測值，cm3；W為累積入滲量實測值的平均值，cm3；N為樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 管帶埋深與壓力水頭對濕潤體的影響

在任意埋深時，不同壓力水頭處理后的土壤濕潤鋒分布特征基本相似，為此，僅以10 cm埋深為例進行分析。圖2為不同壓力水頭處理后的土壤濕潤鋒。由圖2可以看出，不同壓力水頭處理后的濕潤鋒均呈近似圓形分布特征。隨著入滲時間增加，濕潤鋒邊緣不斷向外擴散，濕潤鋒面積逐漸增加。由圖2還可以看出，在相同時間內(nèi)，不同壓力水頭處理后的濕潤鋒在豎直向上，豎直向下和水平方向上的推移快慢均存在顯著差異。與H100處理相比，在相同時間內(nèi)，經(jīng)H150處理后的濕潤鋒在豎直向上、水平方向和豎直向下上的推移距離會多1.8%～14.0%、22.2%～136.9%和0.6%～11.9%，平均值分別為8.0%、51.5%和4.4%；經(jīng)H200處理后的結(jié)果分別為4.5%～21.6%、31.3%～135.2%和6.5%～16.7%，平均值分別為12.5%、64.5%和9.8%。不同壓力水頭處理后濕潤鋒在豎直向上、水平方向和豎直向下的推移速度均表現(xiàn)為：H200>H150>H100。由此可以說明，當壓力水頭增加時，能夠加快水分沿各個方向擴散，濕潤體面積也將進一步增加。這是由于隨著壓力水頭增大，入滲界面的壓力勢會增大，從而導致入滲速率增大，濕潤鋒推移速度加快。

圖2 不同壓力水頭處理后的土壤濕潤鋒Fig.2 Soil wetting front under different pressure head

在任意壓力水頭時，不同管帶埋深處理后的土壤濕潤鋒分布特征基本相似，為此，僅以150 cm壓力水頭為例進行分析。圖3為不同管帶埋深處理后的土壤濕潤鋒。由圖3可以看出，不同管帶埋深處理后的濕潤鋒均呈近似圓形分布特征。隨著入滲時間增加，濕潤鋒邊緣不斷向外擴散，濕潤體面積逐漸增加。由圖3還可以看出，在相同時間內(nèi)，不同埋深處理后的濕潤鋒在豎直向上，豎直向下和水平方向上的推移快慢均存在顯著差異。與D5處理相比，在相同時間內(nèi)，相對管帶埋設(shè)位置，經(jīng)D15處理后的濕潤鋒在豎直向上、水平方向上的推移距離會平均減少17.2%和13.8%，但在豎直向上方向上的推移距離會平均增加9.0%；經(jīng)D20處理后的結(jié)果分別為27.9%、12.8%和14.8%。不同管帶埋深處理后濕潤鋒豎直向上和水平方向的推移速度均表現(xiàn)為：D5>D20>D15，而豎直向下的推移速度表現(xiàn)為：D20>D15>D5。由此可以說明，水分沿豎直向下的推移速度會隨埋深增加呈增加趨勢，而沿豎直向上和水平方向的推移速度呈先增后減趨勢。

2.2 管帶埋深與壓力水頭耦合效應(yīng)對濕潤鋒半徑影響

由前面分析可知，沿三個特征方向，土壤水分對壓力水頭的響應(yīng)均表現(xiàn)為正響應(yīng)，但對埋深的響應(yīng)會因推移方向不同而存在差異。為了進一步探明埋深、壓力水頭及其交互效應(yīng)對濕潤鋒的影響，有必要建立一個具體的量化表征參數(shù)。由圖2和圖3可知，不同處理后的濕潤鋒近似圓形分布趨勢，當濕潤鋒擴散速度越快時，對應(yīng)的濕潤鋒半徑R也就越大。為此，本文采用參數(shù)R來綜合表征水分在各個方向上的平均變化情況。圖4為不同壓力水頭和管帶埋深對濕潤鋒半徑R的影響。由圖4可知，經(jīng)不同壓力水頭和管帶埋深處理后的濕潤鋒半徑R隨時間呈對數(shù)型增加趨勢。不同壓力水頭和埋深處理后的濕潤鋒半徑大小表現(xiàn)為：H200>H150>H100，D5>D15>D20。由此說明，當壓力水頭越大和埋深越小時，越有利于水分在土壤中入滲。壓力水頭和埋深對濕潤鋒半徑的影響存在拮抗效應(yīng)。當灌溉結(jié)束后，濕潤鋒范圍的確定對于制定科學合理的灌溉方案具有重要的指導意義。圖5為不同壓力水頭和管帶埋深處理后的濕潤鋒半徑極大值Rmax。由圖5可以看出，Rmax隨壓力水頭和埋深的增加分別呈線性增加和線性衰減趨勢。當埋深分別為D5、D15和D20時，當壓力水頭由H100增加到H200時，Rmax會分別增加51.2%、45.0%和30.1%；當壓力水頭分別為H100、H150和H200時，當埋深由D5增加到D20時，Rmax會分別減小8.8%、6.4%和21.6%。由此說明，埋深和壓力水頭對Rmax存在極顯著影響。為了進一步明確雙因素耦合效應(yīng)對Rmax的影響，進行了多因素方差分析。結(jié)果表明埋深、壓力水頭及其耦合效應(yīng)對Rmax的影響均達到極顯著水平(p<0.01)，三者對Rmax的影響大小表現(xiàn)為：H>D>H·D。

圖4 不同壓力水頭和管帶埋深對濕潤鋒半徑的影響Fig.4 The effects of different tube depth and pressure head on the radius of wetting front

圖5 不同壓力水頭和管帶埋深對濕潤鋒半徑極大值的影響Fig.5 The effects of different tube depth and pressure head on the maximum radius of wetting front

2.3 管帶埋深與壓力水頭耦合效應(yīng)對濕潤鋒半徑變化速率影響

本文采用Elovich模型對濕潤鋒動態(tài)變化過程進行了模擬，具體參數(shù)及精度如表1所示。由表1可知，不同處理下Elovich模型的決定系數(shù)為0.923～0.997，平均值為0.969，說明采用Elovich模型對濕潤鋒半徑進行定量描述是合理可行的。在Elovich模型中，參數(shù)b反映了濕潤鋒半徑的變化速率。由表1還可以看出，在D5、D15和D25處理下，當壓力水頭由H100增加到H200時，參數(shù)b可分別增加73.8%、43.1%和30.4%。由此說明，壓力水頭對參數(shù)b存在極顯著的促進作用，并且當埋深越淺時，這種促進作用越明顯。由表1還可以看出，在H100和H150處理下，當埋深由D5增加到D25時，參數(shù)b可分別增加10.2%和9.7%；但在H200處理下，當埋深由D5增加到D25時，參數(shù)b會減少17.3%。由此說明，在H100和H150處理下，埋深對參數(shù)b存在顯著的促進作用，但當壓力水頭達到H200時，埋深對參數(shù)b存在抑制作用。由此可以說明，埋深和壓力水頭對參數(shù)b的影響可能存在一定的交互效應(yīng)，因此，對其進行了多因素方差分析，結(jié)果表明埋深、壓力水頭及其耦合效應(yīng)對參數(shù)b的影響均達到極顯著水平(p<0.01)，三者對參數(shù)b的影響大小表現(xiàn)為：H>H·D>D。

表1 Elovich模型參數(shù)及精度Tab.1 Parameters and accuracy of Elovich model

3 結(jié) 論

(1)不同管帶埋深和壓力水頭處理后的濕潤鋒均呈近似圓形分布特征。不同壓力水頭處理后濕潤鋒沿各個方向的擴散速率表現(xiàn)為：H200>H150>H100。不同管帶埋深處理后濕潤鋒豎直向上和水平方向的推移速度均表現(xiàn)為：D5>D20>D15，而豎直向下的推移速度表現(xiàn)為：D20>D15>D5。

(2)不同壓力水頭和管帶埋深處理后的濕潤鋒半徑R隨時間呈對數(shù)型增加趨勢。不同壓力水頭和埋深處理后的濕潤鋒半徑大小表現(xiàn)為：H200>H150>H100，D5>D15>D20。管帶埋深和壓力水頭對濕潤鋒半徑極大值Rmax分別存在抑制作用和促進作用。埋深、壓力水頭及其耦合效應(yīng)對Rmax的影響大小表現(xiàn)為：H>D>H·D。

(3)不同壓力水頭處理后的濕潤鋒半徑變化速率快慢b表現(xiàn)為：H200>H150>H100。在H100和H150處理下，埋深與b呈正相關(guān)，但在H150處理下，埋深與b呈負相關(guān)。埋深、壓力水頭及其耦合效應(yīng)對b的影響大小表現(xiàn)為：H>H·D>D。

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