供水壓力對新型插入式灌水器入滲特性的影響

馬 麗，孫西歡，馬娟娟，郭向紅，鄭利劍

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024；2.晉中學(xué)院，山西晉中030619；3.中科院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引 言

地下滴灌（SDI）是在滴灌（DI）日益發(fā)展的基礎(chǔ)上所形成的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)。相比其他地面灌溉方式，地下滴灌灌水設(shè)備埋于地下，不僅能夠有效避免水分地表蒸發(fā)損失、延緩管材老化，還能將水、肥適時(shí)適量地輸送至作物根系土壤，顯著地提高了肥料利用率[1-2]與土地利用率，具有明顯提質(zhì)增產(chǎn)效果[3-6]。

盡管地下滴灌具有較明顯的節(jié)水優(yōu)勢，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多問題。滴灌系統(tǒng)埋于地下，其出水點(diǎn)缺乏靈活性和可移動性[7]，不便于根據(jù)作物特點(diǎn)調(diào)整灌水位置[8]。灌溉系統(tǒng)啟動時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)排出的氣體極易沖蝕土壤，破壞團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。此外，負(fù)壓吸泥、灌溉水質(zhì)、根系入侵等也極易引起灌水器堵塞[9-11]，灌水器一旦堵塞很難被發(fā)現(xiàn)，并且維修更換需要花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，還會因更換、維修灌水設(shè)備等操作擾動作物根系及土壤，影響作物生長發(fā)育、破壞土壤結(jié)構(gòu)。以上問題嚴(yán)重影響了地下滴灌系統(tǒng)效益，導(dǎo)致投資管理費(fèi)用大大提高，阻礙了地下滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，開發(fā)新的地下灌溉產(chǎn)品成為目前地下灌溉的一大研究熱點(diǎn)。

針對上述地下滴灌存在的一系列問題，筆者及所在研究組在現(xiàn)有地下灌溉產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研制出一種可以實(shí)現(xiàn)根區(qū)精準(zhǔn)灌溉的灌水器（CN110754340A），這種灌水器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，水肥混合液可以通過扦插進(jìn)土壤的外殼滴水孔緩慢而均勻地滲入中深層土壤，具有較高的靈活性與適應(yīng)性。大量研究表明[12-14]，壓力水頭是影響灌水器入滲特性的重要因素，而灌水器入滲特性又是支撐灌水器優(yōu)化發(fā)展的基礎(chǔ)性研究[15]，故本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)，模擬新型插入式灌水器入滲過程，探究在插入式灌水器灌水的條件下，供水壓力對土壤水分運(yùn)移規(guī)律的影響，為灌水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及田間應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 新型插入式灌水器結(jié)構(gòu)及原理簡介

1.1 新型插入式灌水器結(jié)構(gòu)組成

插入式灌水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1，灌水器主要由內(nèi)芯和插桿外殼2部分組成。內(nèi)芯包括承插接頭、排（進(jìn)）氣孔、進(jìn)水口、消能裝置（螺旋流道）、出水口等部件，插桿外殼上設(shè)置滴水孔，內(nèi)芯與插桿外殼通過頂部螺紋相連接。

1.2 灌水器工作原理

插入式灌水器消能原理見圖2。水或水肥混合液通過毛管由進(jìn)水口進(jìn)入導(dǎo)水豎管，緊接著通過導(dǎo)水豎管下端的彎曲段向上流入螺旋流道，并在螺旋流道內(nèi)部向上環(huán)繞流動進(jìn)行第1次消能。隨后，灌溉水從螺旋流道頂部末端垂直向上的出水口挑射而出，完成第2次消能。消能后的水流由重力作用落入插桿外殼內(nèi)，并從外殼壁上的滴水孔緩慢均勻滴出，逐漸濕潤灌水器附近土壤。

完整的灌水系統(tǒng)除灌水器外還包括田間首部樞紐、輸配水管網(wǎng)。本灌溉系統(tǒng)中，除了灌水器不同外，其余水源首部樞紐及輸配水管網(wǎng)的選擇均與滴灌系統(tǒng)一致。田間應(yīng)用時(shí)，首先根據(jù)作物根系分布等特點(diǎn)，將包裹無紡布的灌水器插入土中適宜深度，然后通過適宜長度的毛管將灌水器和分布于作物行間的田間支管相連接，組成田間灌溉系統(tǒng)。

2 材料與方法

2.1 供試土壤

供試土壤樣品取自山西省太谷縣果樹研究所，取土深度為0～200 cm。試驗(yàn)土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓，過2 mm 篩后均勻混合，其機(jī)械組成見表1。經(jīng)測定，風(fēng)干土壤的質(zhì)地為沙壤土，容重為1.47 g/cm3，初始含水率為1.7%，田間持水量為21.7%。

表1 供試土壤的機(jī)械組成（國際制）Tab.1 Mechanical composition of soil tested(international system)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由恒壓水源及測壓系統(tǒng)和入滲試驗(yàn)裝置2部分組成。恒壓水源及測壓系統(tǒng)由水源、供水穩(wěn)壓系統(tǒng)、測壓系統(tǒng)組成。入滲試驗(yàn)裝置由土箱（60 cm×50 cm×60 cm）、稱重傳感器組成（試驗(yàn)裝置見圖3）。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)探究灌水器埋深為20 cm 時(shí)，供水壓力對濕潤體入滲特性的影響。試驗(yàn)中供水壓力H 設(shè)置8個(gè)水平：6、7、8、10、12、13、14、16 m，其中H=7、13 m 為驗(yàn)證試驗(yàn)組，每種工況下重復(fù)試驗(yàn)3次，取其平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

試驗(yàn)開始前，土箱按容重為1.4 g/cm3進(jìn)行裝填夯實(shí)。裝填完畢后，將灌水器插入地表以下20 cm，并將土箱置于重量傳感器上，土箱埋置灌水器的一側(cè)粘貼坐標(biāo)紙繪制濕潤鋒輪廓。開始供水的同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，按一定時(shí)間間隔記錄傳感器重量示數(shù)，同時(shí)在坐標(biāo)紙上繪制濕潤鋒輪廓，累計(jì)供水2 h 后停止供水。

2.4 數(shù)據(jù)采集方法

試驗(yàn)開始后，按時(shí)間間隔先密后疏的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及濕潤鋒輪廓繪制。停水之后的3 h 內(nèi)每間隔1 h 繪制一次濕潤鋒輪廓。將各壓力條件下的濕潤體輪廓圖片導(dǎo)入GetData 2.20 軟件獲取濕潤鋒輪廓的坐標(biāo)。濕潤鋒運(yùn)移速率為單位時(shí)間內(nèi)濕潤鋒的運(yùn)移距離，累積入滲量根據(jù)重量傳感器示數(shù)及記錄時(shí)間確定。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力對濕潤體形狀的影響

圖4 為灌水器埋深20 cm，入滲2 h，不同供水壓力（H）下插入式灌水器入滲濕潤體[由于形成的濕潤體均以灌水器豎向軸線呈左右對稱，故圖中僅畫出一半濕潤體，圖4 中（0，0）點(diǎn)為灌水器滴水孔]。由圖4 可知，供水壓力對插入式灌水器的濕潤體形狀具有顯著影響。供水壓力為6～10 m 時(shí)，濕潤體是以滴水孔為球心的球體；當(dāng)供水壓力水頭＞10 m 時(shí)，濕潤體隨入滲時(shí)間的延長由較為標(biāo)準(zhǔn)的球體逐漸變得不規(guī)則，這是由于隨著供水壓力的增大，灌水器出流量增加，短時(shí)間內(nèi)水分滲到地表，致使?jié)駶欎h頂端不再閉合，濕潤體變得不規(guī)則。此外，觀察濕潤體剖面可以看出，供水壓力H=14、16 m時(shí)的濕潤體內(nèi)部由于水流沖蝕形成了沖蝕通道，這一通道的出現(xiàn)顯著地影響了濕潤體形狀。其中H=16 m 時(shí)，由于沖蝕通道貫穿土體，在入滲60 min 時(shí)，濕潤體向右上方凸出，水流經(jīng)通道直接流向地表，在地表產(chǎn)生積水并向四周入滲直至被土箱邊壁所限制。因此，將使土壤產(chǎn)生沖蝕通道的供水壓力稱為臨界壓力，本試驗(yàn)條件下的臨界壓力水頭為14 m，該臨界壓力水頭可以為灌水器供水壓力的選擇提供參考。

3.2 壓力對濕潤鋒運(yùn)移狀況的影響

圖5 為壓力6～16 m 時(shí)，水平和垂直方向濕潤鋒運(yùn)移距離隨入滲時(shí)間的變化曲線。從圖5（a）可以看出，其他條件一定時(shí)，除最大壓力(H=16 m)以外，濕潤鋒水平運(yùn)移距離均隨供水壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，當(dāng)壓力從6 m 增加到14 m 時(shí)，濕潤鋒水平運(yùn)移距離按入滲時(shí)間由短到長（10 min、30 min、60 min、120 min、灌后5 h） 依次 增加59.23%、61.43%、64.51%、49.1%、24.7%。

從圖5（b）可知，不同壓力范圍，隨著壓力增加，濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離的變化規(guī)律不同。入滲時(shí)間一定，壓力在H=6～10 m 范圍時(shí)，隨著壓力水頭的增加，濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離的變化不明顯。壓力水頭H=10～14 m 范圍內(nèi)，入滲時(shí)間一定時(shí)，隨著壓力的提高，垂直向上運(yùn)移距離明顯增大，而當(dāng)壓力增大到16 m 時(shí)，相比H=14 m 條件下的運(yùn)移距離，16 m的壓力并沒有使垂直向上運(yùn)移距離明顯增加，有些入滲時(shí)刻甚至低于H=14 m 條件下的垂直運(yùn)移距離。此外，圖5（b）中H=12、14、16 m 條件下，灌水末期出現(xiàn)了平行于橫軸的趨勢線，這是因?yàn)閴毫≥12 m，水分在入滲尚未結(jié)束時(shí)就已經(jīng)滲透到地表，這時(shí)濕潤鋒垂直向上的運(yùn)移距離將不再隨時(shí)間的延續(xù)而增加。

由圖5（c）可知，供水壓力對垂直向下濕潤鋒運(yùn)移距離的影響較小，供水壓力＜臨界壓力時(shí)，垂直向下的濕潤鋒運(yùn)移距離隨供水壓力的增大而略有增加；當(dāng)供水壓力≥臨界壓力時(shí)，濕潤鋒垂直向下運(yùn)移距離隨壓力的增大而減小，這是因?yàn)閴毫λ^較大，水流沖蝕土壤產(chǎn)生通道并溢出地表，造成地下部分水量較小，濕潤鋒運(yùn)移距離變小。

由各方向濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間計(jì)算出濕潤鋒運(yùn)移速率，不同壓力條件下濕潤鋒運(yùn)移速率隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖6。對比不同供水壓力條件下濕潤鋒運(yùn)移速率可知，各工況下的水平、垂直向上、垂直向下濕潤鋒運(yùn)移速率均隨入滲時(shí)間的推移逐漸減小。產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象一方面可能是因?yàn)槿霛B初期土壤含水率較小，土體內(nèi)水勢梯度較大，濕潤鋒推進(jìn)速度較快，隨著入滲時(shí)間的推移，濕潤體土壤含水量增加，土體內(nèi)土水勢梯度減小，濕潤鋒推進(jìn)速率逐漸減緩[16]，另一方面可能是由于入滲界面面積增大，同樣水量相同時(shí)間入滲距離的增量有所減小。此外，由圖6可知，各方向的濕潤鋒運(yùn)移速率隨供水壓力的增加無明顯變化規(guī)律。

以入滲時(shí)間及供水壓力為影響因子對濕潤鋒運(yùn)移距離進(jìn)行方差分析（見表2）。由表2 可知，供水壓力及入滲時(shí)間對濕潤鋒運(yùn)移距離具有顯著影響（P＜0.05）。將供水壓力、入滲時(shí)間及各方向濕潤鋒運(yùn)移距離進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明，濕潤鋒運(yùn)移距離與壓力水頭、入滲時(shí)間符合以下關(guān)系式（擬合參數(shù)及決定系數(shù)見表3）：

式中：Y 為濕潤鋒運(yùn)移距離，cm；t為入滲時(shí)間，min；H 為供水壓力水頭，m；k、a、b為擬合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

表2 入滲時(shí)間及供水壓力對濕潤鋒運(yùn)移距離影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of the influence of infiltration time and water supply pressure on the moving distance of wet front

表3 濕潤鋒運(yùn)移距離模型擬合參數(shù)Tab.3 The fitting parameter table of wetting front migration distance

為了檢驗(yàn)濕潤鋒水平、垂直運(yùn)移距離擬合公式的準(zhǔn)確性，用壓力水頭為7、13 m 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對擬合公式進(jìn)行驗(yàn)證。表4為擬合公式計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差。由表4可知，實(shí)測值與擬合值的平均誤差、相對平均誤差和均方根誤差均較小，擬合效果較為精確。各驗(yàn)證組均表現(xiàn)為水平方向、垂直向下的濕潤鋒運(yùn)移擬合公式的擬合效果較好，垂直向上擬合公式的擬合效果略差一些。因此，在本試驗(yàn)條件下，供水壓力為6～16 m 時(shí)，利用公式（1）可以較為精確地計(jì)算本試驗(yàn)條件下不同壓力水頭下的瞬時(shí)濕潤鋒運(yùn)移距離。

表4 濕潤鋒運(yùn)移擬合公式擬合結(jié)果Tab.4 The fitting results of the fitting formula of wetting front movement

3.3 壓力對累積入滲量的影響

圖7為灌水2 h、灌水器埋深20 cm，不同壓力水頭下插入式灌水器濕潤體累積入滲量隨時(shí)間的變化情況。由圖7 可知，各供水壓力條件下的累積入滲量均隨入滲時(shí)間的推移而增大。在相同入滲時(shí)間內(nèi)，累積入滲量隨供水壓力的增大而增大，當(dāng)入滲時(shí)間為10、30、60、90、120 min 時(shí)，壓力水頭從6 m增大到16 m，濕潤體累積入滲量分別增加0.19、0.61、1.24、1.92、2.61 L，并且這一增量隨著入滲時(shí)間的延長逐漸增大。產(chǎn)生這一規(guī)律的原因是隨著供水壓力的增加，入滲界面的壓力勢增大，入滲速率隨之增大，進(jìn)而在相同入滲時(shí)間內(nèi)累計(jì)入滲量也增大[17，18]。

由于供水壓力、入滲時(shí)間對累積入滲量的影響具有明顯規(guī)律，因此，以入滲時(shí)間、供水壓力為影響因子對累積入滲量進(jìn)行方差分析（見表5）。分析結(jié)果表明入滲時(shí)間及供水壓力對濕潤體累積入滲量的影響較顯著（P＜0.05）。采用麥夸特法+通用全局優(yōu)化法算法對累積入滲量及入滲時(shí)間進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果表明：不同壓力水頭下的累積入滲量I與供水壓力H及入滲時(shí)間t之間符合：

表5 入滲時(shí)間及供水壓力對累積入滲量影響的方差分析Tab.5 Variance analysis of the influence of infiltration time and water supply pressure on the cumulative infiltration amount

用灌水器埋深為20 cm，供水壓力為7 m、13 m 條件下的累積入滲量數(shù)據(jù)對回歸方程進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見圖8。由圖8 可知，實(shí)測值與回歸方程所得的擬合值呈良好的線性關(guān)系，表明擬合值與實(shí)測值的差異性較小。經(jīng)計(jì)算，實(shí)測值與擬合值之間的平均誤差（AE）、平均相對誤差（ARE）和均方根誤差（RMSE）分別為0.033 6 L、5.90%、0.045 3 L。這3 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的值均較小，表明了回歸方程具有較高的擬合計(jì)算精度。

4 討 論

本研究表明，在容重為1.4 g/cm3的沙壤土條件下，灌水器埋深為20 cm、入滲2 h 時(shí)，供水壓力對濕潤體形狀有顯著影響，壓力越大，濕潤體內(nèi)越容易產(chǎn)生沖蝕通道，水分入滲到地表所需時(shí)間越短，濕潤體形狀越不規(guī)則。壓力水頭H=14 m是濕潤體是否產(chǎn)生沖蝕通道的臨界壓力，這一概念同張營等人[19]對淺埋式滴灌帶的研究中提出的臨界流量相似，均表示使土體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的臨界值。這一臨界值是工作壓力的上限，超出臨界值以后，不僅會破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且會導(dǎo)致大量水流流向地表，影響插入式灌水器的灌溉效果。

插入式灌水器累積入滲量與供水壓力呈正相關(guān)，這是由于壓力水頭的增大提高了入滲界面的壓力勢，從而增大了累積入滲量，這與范嚴(yán)偉等人[20]的研究結(jié)論一致。此外，研究結(jié)果表明，與常見土壤入滲模型不同的是，本試驗(yàn)條件下的累積入滲量與入滲時(shí)間可以用線性關(guān)系來表示，張國祥[21]等人在研究微潤灌時(shí)也得出了類似的結(jié)論，這一差異可能是由于入滲時(shí)間較短，土壤水勢梯度變化較小，累積入滲量隨時(shí)間的推移呈線性增加[22]。

累積入滲量預(yù)測模型與濕潤鋒運(yùn)移模型可以為灌水器田間應(yīng)用中灌溉制度的制定提供參考。即利用濕潤鋒運(yùn)移距離模型估算一定條件下滿足作物對水分濕潤范圍要求時(shí)所需的灌水延續(xù)時(shí)間，然后通過累積入滲量模型估算出滿足作物需水要求所需的灌溉用水量。

5 結(jié) 論

為了給灌水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及田間應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，本試驗(yàn)研究了灌水器在不同供水壓力條件下的入滲特性，取得的主要結(jié)論如下。

（1）供水壓力對插入式灌水器濕潤體形狀具有顯著影響。當(dāng)供水壓力水頭≤10 m 時(shí)，濕潤體呈以滴水孔為球心的球體，當(dāng)供水壓力水頭＞10 m 時(shí)，濕潤體隨入滲時(shí)間的延長由較為規(guī)則的球體逐漸變?yōu)椴灰?guī)則。供水壓力水頭H=14 m 是濕潤體內(nèi)部產(chǎn)生沖蝕通道的臨界壓力，該臨界壓力可以為灌水器供水壓力的選擇提供參考。在本試驗(yàn)條件下，為了不影響灌水效果，盡可能降低地表蒸發(fā)損失，供水壓力水頭應(yīng)小于等于10 m。

（2） 供水壓力對濕潤鋒運(yùn)移距離具有顯著影響（P＜0.05），濕潤鋒運(yùn)移距離隨著入滲時(shí)間的推移逐漸增大，濕潤鋒運(yùn)移速率隨入滲時(shí)間的增加而降低。利用MATLAB 建立了描述濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間、供水壓力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，模型的平均相對誤差范圍為2.13%～13.45%，均方根誤差分布于0.18～1.82 cm。

（3）灌水器埋深為20 cm，插入式灌水器累積入滲量隨供水壓力的增大而增加。采用麥夸特法+通用全局優(yōu)化法算法對累積入滲量、入滲時(shí)間及供水壓力進(jìn)行回歸分析，得到了描述入滲時(shí)間（t）、供水壓力水頭（H）及累積入滲量（I）之間關(guān)系的回歸方程：I = 0.003 9 H0.8291t（R2=0.999 4）。