微潤(rùn)灌水器土壤水分測(cè)試方法及測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果探析

郭向東

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

滴灌技術(shù)的進(jìn)步伴隨著滴灌灌水器的發(fā)展，經(jīng)歷了由初級(jí)到高級(jí)、由落后到先進(jìn)的發(fā)展進(jìn)程，滴灌灌水器是實(shí)現(xiàn)有壓水均勻出流的主要功能部件，滴灌系統(tǒng)的質(zhì)量直接取決于灌水器滴頭的性能[1]。因此，滴頭通常被稱(chēng)為灌水器的心臟，是滴灌系統(tǒng)最重要的組成部分之一。滴灌系統(tǒng)本身需要高質(zhì)量的灌溉水質(zhì)，如果使用不當(dāng)，極容易造成滴灌系統(tǒng)堵塞，一旦堵塞，很難清理，導(dǎo)致滴灌管道廢棄，造成滴灌系統(tǒng)使用壽命縮短，變相增加了田間灌溉投資，直接影響農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入。滴灌是一項(xiàng)復(fù)雜而先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，只有充分考慮所有影響因素，特別是在設(shè)計(jì)中考慮水質(zhì)，做好系統(tǒng)的管理、運(yùn)行和維護(hù)，滴灌系統(tǒng)才能正常運(yùn)行[1]。

1 土壤水分測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概述

以朝陽(yáng)市建平縣要道吐村為例，太平莊鄉(xiāng)要道吐村位于建平縣中西部，老哈河?xùn)|岸，境內(nèi)地勢(shì)平坦、土質(zhì)肥沃、交通便利，地下水為第四紀(jì)孔隙潛水區(qū)，地下水埋深25m，含水層厚20m，含水層巖性為中粗砂砂礫層。水質(zhì)良好，為重碳酸鈣鈉型，礦化度小于0.5g/L，無(wú)機(jī)質(zhì)含量粒徑一般在100μm左右，適宜灌溉。

1.2 試驗(yàn)土壤選取

土壤為層狀土壤結(jié)構(gòu)，該地塊粗粒土含量為65.0%，土壤深度為0～40cm，明顯高于一般田間土粗粒含量，該層土壤為砂壤土，而在深度為40～100cm粗粒組含量明顯下降，該層屬于壤土，因此，土壤深度35～40cm是土壤質(zhì)量變化的界面，對(duì)土壤水分入滲速率有一定的影響[1]。通過(guò)土壤顆粒分析可知，原狀土壤顆粒組成見(jiàn)表1。

表1 原狀土壤顆粒組成表

初始土壤含水量隨深度變化，各土層的飽和導(dǎo)水率及容重也不盡相同，該區(qū)土壤容重較高，主要是由于土壤含砂量高，屬于開(kāi)墾地，表層土壓實(shí)，表層土容重特別高，土壤深度為40～60cm時(shí)的導(dǎo)水率明顯降低。相關(guān)特性見(jiàn)表2。

表2 土壤水分相關(guān)特性及容重表

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)水源分2個(gè)小區(qū)設(shè)置試驗(yàn)，小區(qū)一輸水毛管長(zhǎng)度450cm，灌水器數(shù)量7，灌水器間距60cm，測(cè)試灌水開(kāi)始后0.25、0.5、1、2、4h及停水24、48h共7個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)體含水率分布[2]；小區(qū)二輸水毛管長(zhǎng)度150cm，灌水器數(shù)量5，灌水器間距為30cm，持續(xù)灌水，直至地表濕潤(rùn)體寬度不再增加，測(cè)試此過(guò)程中地表首次出現(xiàn)濕潤(rùn)點(diǎn)T1、濕潤(rùn)體寬度不再變化T2及停水后T3共3個(gè)時(shí)間點(diǎn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、濕潤(rùn)體含水率分布及累積灌水量等特性。

通過(guò)觀察水箱在一定時(shí)間內(nèi)的出水容積來(lái)測(cè)量灌水器的流量，通過(guò)肉眼觀察和比較濕鋒邊界含水量來(lái)確定濕鋒的運(yùn)移距離[2]；挖掘土壤剖面測(cè)量濕潤(rùn)體含水量，為了減少誤差，開(kāi)挖時(shí)間很短，沿灌溉方向和垂直輸水毛細(xì)管在固定時(shí)間點(diǎn)快速取土，按預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)格距離取土樣時(shí)，立即將土樣放入鋁箱稱(chēng)重，用干燥法得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的土壤含水量。

2 測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

2.1 入滲流量變化

在試驗(yàn)期間，灌水器累計(jì)灌水時(shí)間為一個(gè)月，即720h，期間共停水2次。第一次停水主要研究入滲初期截流后的流量如何變化，第二次是研究農(nóng)田排水量減少與灌水器堵塞程度的關(guān)系[3]。由試驗(yàn)可知，田間流量隨灌溉時(shí)間的變化如下：在0～4h內(nèi)，灌水器流量由1.64L/h下降到1.60L/h，隨后再下降到0.30L/h；停水48h后，觀察到水分又被重新分配，并在重新灌水8h之后，初始流量逐漸增大，然后從1.541L/h降至0.301L/h；停水10d以后，其初始流量為0.22L/h，隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，流量繼續(xù)下降，當(dāng)灌水為360h時(shí)，灌水流量達(dá)到最小值為0.02L/h，流量始終保持在較低水平范圍內(nèi)，即0.02～0.15L/h。

灌水器流量的變化主要是由于灌水器的特性和堵塞造成的，當(dāng)灌水器在埋置條件下運(yùn)行時(shí)，灌水器的流量受這2個(gè)因素和土壤條件的影響[3]，而初始含水率、容重、飽和導(dǎo)水率均會(huì)影響灌水器出流量，所以，灌水器埋入地下時(shí)流量略有下降，但此影響因素主要體現(xiàn)在入滲初期較短時(shí)間內(nèi)，且下降幅度不會(huì)很大。試驗(yàn)中，灌水器在使用一段時(shí)間后流量急劇下降，主要原因是灌水器導(dǎo)水芯纖維膨脹。

2.2 土壤水分入滲特性

2.2.1濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化特點(diǎn)

濕潤(rùn)鋒在0.25、0.5、1、2、4h灌水及在24和48h停水的情況下，7個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水平和垂直移動(dòng)距離如圖1—2所示。

圖1 垂直方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化

圖2 水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化

由圖1—2可以看出，濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離與入滲時(shí)間之間具有良好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，在灌溉開(kāi)始時(shí)，濕潤(rùn)峰的運(yùn)移距離相對(duì)較大；當(dāng)灌溉進(jìn)行4h后，濕潤(rùn)峰運(yùn)行速度逐漸減慢，其濕潤(rùn)峰在不同方向的變化特征如下。

灌溉4h內(nèi)，濕潤(rùn)鋒橫向和縱向運(yùn)移距離較長(zhǎng)，垂直向上運(yùn)移距離最大，垂直向下運(yùn)移距離較小，這可能是由于在入滲開(kāi)始階段，水分運(yùn)移主要受土壤基質(zhì)勢(shì)的影響，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒的入滲速率較快，運(yùn)移距離迅速增大，然而，在35～60cm深度范圍內(nèi)的土壤是黃土，35～40cm深度處土壤界面的快速變化對(duì)入滲有影響。

試驗(yàn)表明，土壤條件、初始含水率、容重、飽和導(dǎo)水率均會(huì)影響水分入滲速率，容重越大，孔隙率越小，入滲能力越弱[4]。當(dāng)灌水器出流速率大于土壤入滲速率時(shí)，實(shí)際入滲速率為灌水器出流速率。反之，實(shí)際入滲速率就是土壤入滲速率，與灌水器實(shí)際出流量無(wú)關(guān)。在入滲初期，土壤水分?jǐn)U散主要是基質(zhì)勢(shì)影響，隨著入滲量的累積，顆?？紫吨鸩奖惶顫M(mǎn)，濕潤(rùn)體內(nèi)含水率升高，其擴(kuò)散將受到重力作用影響，入滲能力將逐漸減弱。在土壤中，灌水器周邊區(qū)域入滲情況還受飽和濕潤(rùn)區(qū)影響，而砂土無(wú)此因素，砂質(zhì)土壤的這一作用更為顯著[5]。當(dāng)土壤空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，即存在層狀土壤結(jié)構(gòu)時(shí)，在土質(zhì)變化界面會(huì)產(chǎn)生阻水作用，導(dǎo)致水分向上和橫向運(yùn)移速率加大。但當(dāng)界面水分積累到一定程度，依然會(huì)沖破此阻礙，繼續(xù)下滲。而當(dāng)灌水器出流量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)引起深層滲漏。當(dāng)灌水器流量較小時(shí)，土壤條件的影響程度將非常顯著，大于供水壓力水頭和水力特性變化的影響。

2.2.2土壤水分前期分布變化特點(diǎn)

在0～0.25h內(nèi)，灌水器的出流量為1.60L/h，低于室內(nèi)1.651L/h的流量，水分的輸送主要與出口壓力和導(dǎo)水芯形狀有關(guān)，濕潤(rùn)鋒的距離為1.5～3cm，整個(gè)濕潤(rùn)體較低，土壤條件對(duì)水的輸送沒(méi)有產(chǎn)生影響[5]。

在0.25～0.5h期間，土壤開(kāi)始影響水分的輸送，隨著灌水器的堵塞和土壤擴(kuò)散的抑制，出水流量逐漸下降到0.814L/h，濕潤(rùn)鋒的垂直向上和左右運(yùn)移距離接近5cm，垂直向下移動(dòng)距離為3.1cm。

在0.5～1h期間，出流量降至0.79L/h，濕潤(rùn)鋒的水平移動(dòng)距離為6.72cm，垂直向上移動(dòng)距離為6.9cm，垂直向下移動(dòng)距離為3.2cm，其原因是在35～40cm的深度形成了一個(gè)快速變化的土壤界面，這對(duì)水的滲透規(guī)律產(chǎn)生了影響。

在1～2h期間，出流量降至0.496L/h，濕潤(rùn)鋒的水平運(yùn)移距離為8cm，垂直向上運(yùn)移距離為8.4cm，垂直向下運(yùn)移距離僅為3.3cm，這仍然是由于30～40cm土壤界面快速變化對(duì)入滲規(guī)律的影響。

在2～4h期間，流量降至0.311L/h，濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移距離12cm，垂直上升距離12cm，垂直下降距離僅3.3cm。這仍然是由于30～40cm土壤界面的快速變化對(duì)水滲透的影響。

在停水24h以后，濕潤(rùn)鋒水平移動(dòng)距離12.9cm，垂直向上距離17.5cm，垂直向下距離3.46cm，略有增加，可以看出，在土壤基質(zhì)勢(shì)的作用下，孔隙水含量在降低，水分繼續(xù)擴(kuò)散，這是由于停水后水?dāng)U散的結(jié)果。

在停水48h后，濕潤(rùn)鋒水平移動(dòng)距離為15.4cm，垂直向上移動(dòng)距離為18.6cm，垂直向下移動(dòng)距離為4.1cm，增加并不明顯，水繼續(xù)擴(kuò)散，中部地區(qū)的含水量為17.4%，仍在繼續(xù)下降[5]。

2.2.3表層濕潤(rùn)特性

試驗(yàn)表明，灌溉開(kāi)始時(shí)，濕潤(rùn)鋒迅速上升，4h內(nèi)達(dá)到12cm，然后緩慢上升，結(jié)果表明，濕潤(rùn)鋒在320h后向地下移動(dòng)6cm，然后緩慢移動(dòng)，258h后才逐漸到達(dá)地表[5]，這表明從地表滲透的過(guò)程是非常緩慢的。由此可見(jiàn)，表層土是壓實(shí)的，這將大大影響透水率(如圖3所示)。

地表后寬度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以看出，577h時(shí)，濕點(diǎn)首次出現(xiàn)，寬度約10cm，此后，寬度逐漸增加，但速度略有下降，當(dāng)最終寬度增加到100cm，且連續(xù)2d沒(méi)有增加時(shí)，說(shuō)明此時(shí)水主要垂直向下遷移，停水24h后增至105cm，連續(xù)停水24h后便不再增加，說(shuō)明停水有利于水的橫向擴(kuò)散。相應(yīng)地，累積入滲量由577h顯著增加到720h，但是，在穩(wěn)定流區(qū)，流量逐漸減小，流速由最高值逐漸減小，可以看出，表面濕潤(rùn)體的加寬過(guò)程增加了水的入滲速率，而增加的速度則在逐漸減小[6]。

圖3 濕潤(rùn)鋒上移距離地表濕潤(rùn)寬度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖4 地表后寬度隨時(shí)間變化規(guī)律

2.2.4土壤水分空間分布

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)濕點(diǎn)T1(t=577h，d=10cm，點(diǎn)狀，不連續(xù))時(shí)，灌水器的流量為0.192L/h，是流量穩(wěn)定區(qū)的最大流量[7]。當(dāng)濕潤(rùn)鋒前沿到達(dá)地表時(shí)，濕潤(rùn)體的寬度為10cm，地下5cm處濕潤(rùn)體的寬度為60cm，地下10cm處濕潤(rùn)體的寬度為80cm，地下50cm處濕潤(rùn)體的寬度為85cm[7]，濕潤(rùn)體的深度為68cm。由于入滲初期濕潤(rùn)鋒向上移動(dòng)，但當(dāng)土質(zhì)變化界面處含水率上升到一定程度后，水分將下滲。由于在這30cm的土層中水分入滲速率較小，客觀上還起到了一定保水作用，出現(xiàn)了如含水率0.22等值線(xiàn)所示的保水區(qū)。

當(dāng)t=625h時(shí)，灌水器流量為0.146L/h，地表濕潤(rùn)體的寬度為60cm，地下5cm處地表濕潤(rùn)體的寬度為100cm，地下10cm處濕潤(rùn)體的寬度為105cm，地下50cm處濕潤(rùn)體的寬度為116cm。當(dāng)濕潤(rùn)體深度為70cm時(shí)，地表橫向移動(dòng)距離明顯增大，但地下移動(dòng)距離增量不明顯，含水率為0.22的持水面積擴(kuò)大，但速度略有下降。

當(dāng)t=720h時(shí)，灌水器的流量為0.085L/h，地表濕潤(rùn)體寬度為100cm，地下5cm處濕潤(rùn)體寬度為121cm，地下10cm處濕潤(rùn)體寬度為125cm，地下50cm處濕潤(rùn)體寬度為141cm，水平運(yùn)動(dòng)距離繼續(xù)增大，不同深度之間的水平距離差減小，結(jié)果表明，該階段水的運(yùn)動(dòng)主要是滲透，這也是地表潤(rùn)濕體寬度不發(fā)生變化的原因。濕潤(rùn)體深度為75cm[7]，但由于其含水量較低，相當(dāng)于該深度的初始土壤含水量，無(wú)明顯深部滲漏，與灌水器流量低有關(guān)。

當(dāng)濕潤(rùn)鋒向上移動(dòng)到距地表1～6cm時(shí)，很難突破地表，地表以下土壤濕潤(rùn)體的寬度不斷增加[8]，因此，當(dāng)?shù)乇沓霈F(xiàn)濕潤(rùn)點(diǎn)時(shí)，地表以下的土壤已經(jīng)開(kāi)始濕潤(rùn)，濕潤(rùn)體的寬度比地表大得多。種子的埋深一般為5～10cm，為了解層狀土壤中濕潤(rùn)體的寬度，觀測(cè)了5、10、50cm地下濕潤(rùn)體的寬度，同時(shí)，觀測(cè)地下80cm處的含水量，了解滲水深度及是否有局部滲漏現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 微潤(rùn)灌水器向地表灌溉試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)移距離與入滲時(shí)間之間存在較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，在灌溉初期，水平和垂直方向的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率較大，運(yùn)移距離相對(duì)較長(zhǎng)，垂直向下運(yùn)移距離較小，運(yùn)移速率較小[9]。停水48h后，濕潤(rùn)鋒在水平和垂直方向趨于穩(wěn)定，即濕化中心的含水量趨于均勻，當(dāng)濕潤(rùn)鋒向上移動(dòng)到離地面1～5cm處時(shí)[10]，很難突破地面，當(dāng)濕潤(rùn)點(diǎn)出現(xiàn)在地表時(shí)，地表以下土壤的濕潤(rùn)寬度要比地表大得多。