土壤初始含水率對管渠灌溉水分入滲特性的影響

李宗毅,張安琪,榮旭,王春堂

土壤初始含水率對管渠灌溉水分入滲特性的影響

李宗毅,張安琪,榮旭,王春堂*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018

為了探究初始含水率對管渠灌溉過程中濕潤鋒運移和水分分布的影響，通過室內(nèi)土槽模擬試驗與理論分析，研究了4種不同土壤初始含水率（2.58％、4.76％、6.36％、8.94％）對水分入滲特性的影響。結(jié)果表明：不同土壤初始含水率下的濕潤體運移軌跡均呈現(xiàn)出壟內(nèi)側(cè)為直線型，壟外側(cè)為曲線型；垂直和水平濕潤鋒運移距離隨入滲時間的延長而增大；相同入滲歷時，垂直和水平濕潤鋒的運移距離隨土壤含水率增大而增大；分別建立了在管渠灌溉條件下垂直和水平濕潤鋒運移距離、入滲時間和土壤初始含水率之間的經(jīng)驗公式，其相關(guān)系數(shù)2均大于0.9，滿足精度要求；同一入滲時間下，垂直和水平濕潤鋒的運移速率隨土壤初始含水率增大而增大，并隨著入滲時間的增加，濕潤鋒運移速率迅速減小并趨于穩(wěn)定；土壤初始含水率與濕潤體內(nèi)水分分布密切相關(guān)，含水率等值線隨入滲深度的增加呈由疏到密分布，土壤初始含水率越大，濕潤體內(nèi)高含水率體積越大。

土壤濕度; 灌溉; 滲水性

土壤水分入滲是“四水轉(zhuǎn)化”的重要環(huán)節(jié)[1]，入滲強度直接影響作物根系水分收支平衡[2]，進而影響灌溉效果。土壤水分入滲是自身重力與土壤的基質(zhì)吸力共同作用的結(jié)果[3]，土壤基質(zhì)吸力的大小會影響水分入滲速率[4]，土壤初始含水率通過改變土壤的基質(zhì)勢以及濕潤鋒前端的水勢梯度進而影響水分入滲和傳導(dǎo)過程[5-7]，因此，初始含水率是影響土壤的入滲能力的關(guān)鍵因子[8-10]。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于土壤初始含水率對不同灌水方式下水分入滲的影響研究較多，張新燕等[11]分析了初始含水率對溝灌水分入滲的影響，得出入滲速率和濕潤鋒均與土壤初始含水率呈正相關(guān)，但土壤初始含水率的增大更有利于溝灌水平側(cè)滲；牛文全等[12]研究表明，在涌泉根灌條件下，土壤初始含水率會顯著影響濕潤體的大小，并提高濕潤體中水分分布的均勻度；費良軍[13]、陳琳[14]和金世杰[15]等通過大量膜孔灌試驗建立了土壤初始含水率、濕潤鋒與入滲時間的模型，可靠程度高；此外，張建豐[16]、陳洪松[17]和王振華[18]等分別研究了土壤初始含水率對深層坑滲灌，坡面降雨入滲和地下線源滴灌的影響機理，結(jié)果表明，灌溉方式不同土壤初始含水率對水分入滲的影響也存在較大差異。

管渠灌溉技術(shù)是一種新型的地面灌水技術(shù)，該技術(shù)將U型管渠布設(shè)在畦田中間，以管渠代替田面輸水，解決了長畦灌溉所產(chǎn)生的灌水均勻度低，水分浪費嚴重等問題。吳強[19]分別對管渠灌溉裝置進行室內(nèi)性能測試確定了管渠灌溉各項技術(shù)參數(shù)，并通過田間實際測試表明，管渠灌溉與傳統(tǒng)畦灌相比節(jié)水19.35％，灌水均勻度顯著提高；辛琪[20]以冬小麥為研究對象，表明管渠灌溉對于冬小麥生長指標影響顯著，并有助于冬小麥增產(chǎn)。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于管渠灌溉技術(shù)下水分入滲特性鮮有報道。因此，本文通過室內(nèi)試驗研究了不同土壤初始含水率對管渠灌溉土壤水分入滲的影響，為管渠灌溉大面積推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1為管渠灌溉水分入滲室內(nèi)試驗裝置，供試裝置分為模擬大田的試驗土槽和管渠灌溉裝置兩部分。其中，試驗槽是由厚度為10 mm的有機玻璃制成，其規(guī)格為3.2 m×3 m×1.3 m（長×寬×高），水平方向設(shè)置3個同樣的測量斷面長×寬×高為3 m×0.1 m×1.2 m，水平槽底部設(shè)置為波折型，并布置若干排水通氣孔，以排除積水，便于通氣，避免因底部積水而造成的試驗誤差。管渠灌溉裝置由供水裝置和輸水裝置構(gòu)成，供水裝置為自制恒定水頭裝置，為更好模擬大田給水栓的供水實際，水頭設(shè)置為高于試驗槽頂部1.5 m；輸水裝置由頂部開口的U型管渠（圖2所示）、塞閥和動力裝置等部分構(gòu)成，由圖3管渠灌溉裝置工作原理示意圖可知，該設(shè)備利用管渠輸水替代傳統(tǒng)田面輸水形式，當U型管中有水流涌入時，通過動力裝置牽引拉繩帶動塞閥勻速移動，阻擋管中水流運動，使灌溉水從塞閥兩側(cè)均勻溢出，由于管渠灌溉以等壓恒量形式供水且塞閥勻速運動，故畦長方向各處灌水量相同，灌水均勻度較高。

圖 1 管渠灌溉入滲試驗裝置示意圖

圖 2 U型管渠示意圖

圖 3 管渠灌溉工作原理示意圖

1.2 供試土壤

本試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程實驗中心進行，供試土壤采自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)馬莊試驗地（東經(jīng)117°，北緯36°），該地區(qū)土壤肥力較好，質(zhì)地均勻。試驗用土取自0~40 cm的耕層土壤，清除土壤中的碎石和植物根系將土樣自然風(fēng)干后過篩（孔徑2 mm），土壤質(zhì)地采用BT-9300S激光粒度分布儀測量，測得粒徑< 0.002 mm的質(zhì)量含量占5.89％，0.002～0.02 mm占75.31％，0.02~2 mm占18.8％，根據(jù)國際土壤質(zhì)地分類標準該土壤為粉砂質(zhì)壤土。

1.3 試驗方法與測定內(nèi)容

本試驗共設(shè)置4個土壤初始含水率，分別是2.58％、4.76％、6.36％和8.94％，按設(shè)定的土壤初始含水率配置土壤后用塑料布包裹好靜置48 h，保證土壤水分均勻分布。將配置好的土壤按照5 cm一層，分層填入槽中，層間打毛避免分層，裝填容重控制為1.4 g/cm3，裝填完成后，在土壤表面設(shè)置一長3 m，寬2.2 m的畦田，然后將土壤表面用塑料薄膜蓋住避免蒸發(fā)影響，靜置24 h后進行試驗。灌水定額設(shè)為60 mm，灌水流量為3 L/s，試驗槽平行設(shè)置3個垂直土槽，即有3個測量斷面，由于各測量斷面受水量相等，故3個測量斷面即為3次重復(fù)，取3個斷面平均值進行分析。調(diào)節(jié)動力裝置轉(zhuǎn)速使塞閥運移速率為2.3 cm/s，塞閥運移速率根據(jù)灌水定額、灌溉流量、畦田規(guī)格確定：

式中：V為后移式管道移動速度，m/s；m為灌水定額，mm；A為每條畦田面積，hm2；Q為灌溉流量，m3/s，L為畦田長度，m。

將U型管渠布設(shè)在畦田中間，由于管渠兩側(cè)水分分布具有對稱性，故選擇一側(cè)進行研究。管渠灌溉的灌水歷時較短，灌水完成后用秒表計時，采用先密后疏的原則觀測濕潤鋒運移情況，用米尺測量濕潤鋒運移距離；濕潤鋒運移速率取值為單位時間內(nèi)濕潤鋒運移距離，時間間隔與記錄時間間隔一致；灌水完成24 h后在3個斷面上分別用土鉆取土，取土點在水平方向距管渠100 cm內(nèi)每20 cm一個，100~140 cm每10 cm一個，垂直方向每5 cm為一層，取至濕潤鋒位置處結(jié)束，用烘干法測土壤含水率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用MS-Excel 2016數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行濕潤鋒運移規(guī)律分析，并用Surfer軟件繪制土壤含水率等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤初始含水率對濕潤鋒形狀的影響

圖2 不同土壤初始含水率對濕潤鋒運移軌跡的影響

圖2為不同土壤初始含水率條件下濕潤鋒剖面觀測結(jié)果，由圖2可以看出在不同初始含水率下濕潤鋒的運移軌跡相似，均表現(xiàn)為在壟內(nèi)側(cè)濕潤鋒呈水平直線型，壟外側(cè)呈弧線型，這是由于灌溉水從管渠溢出后，主要進行田面橫向運移，流速快且運移距離短，水流可以均勻的分布在畦田內(nèi)側(cè)，使得水分均勻垂直入滲。不同土壤初始含水率對于濕潤體剖面面積影響顯著，水平側(cè)滲距離和垂直入滲深度均隨土壤初始含水率的增大而增大，且垂直入滲深度的變化幅度明顯大于水平側(cè)滲距離。

2.2 土壤初始含水率對濕潤鋒運移距離的影響

圖3為不同土壤初始含水率條件下垂直和水平濕潤鋒隨時間的運移曲線，從圖3可以看出，不同土壤初始含水率處理的垂直入滲深度和水平濕側(cè)滲距離均隨著運移時間的推移而增大。入滲初期，不同初始含水率處理間濕潤鋒運移距離差距不顯著，隨著入滲時間的增加，不同處理間差距逐漸增大。相同入滲時間內(nèi)，垂直和水平濕潤鋒運移距離均隨土壤初始含水率的增大而增大，且對于垂直入滲深度的影響顯著大于水平側(cè)滲距離。以入滲時間240 min為例，土壤初始含水率為2.58％、4.76％、6.36％和8.94％時，垂直入滲深度分別為19.6 cm、21.9 cm、24.1 cm、26.9 cm，與土壤初始含水率2.58％的垂直入滲深度相比，初始含水率為4.76%、6.36%和8.94%的入滲深度增幅分別為11.7％、23.1％、37.2％；水平側(cè)滲距離分別為16.1 cm、16.6 cm、17.7 cm、18.9 cm，與土壤初始含水率2.58％的水平側(cè)滲距離相比，初始含水率為4.76%、6.36%和8.94%的側(cè)滲距離增幅依次為3.11％、9.93％、17.4％。這是因為隨著土壤初始含水率增大，土壤水力傳導(dǎo)度增大，蓄水能力減弱，土壤孔隙的實際過水斷面增加，故土壤初始含水率增大有利于濕潤鋒的運移；但是，非飽和土壤水運動的驅(qū)動力主要是土壤的基質(zhì)勢和重力勢，其中，基質(zhì)勢梯度對水平側(cè)滲起主要作用，重力勢梯度對垂直入滲起主要作用，隨著入滲時間延長，重力勢作用愈加顯著，最終垂直入滲距離大于水平擴散距離。

圖3 不同土壤初始含水率條件下各向濕潤鋒運移曲線

管渠灌溉條件下，不同土壤初始含水率條件下的垂直濕潤鋒、水平濕潤鋒運移距離特性曲線與入滲時間呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，即：

=b；=d(2)

式中：H為管渠灌溉垂直濕潤鋒運移距離，cm；a和b為垂直入滲的擬合參數(shù)；R為管渠灌溉水平濕潤鋒運移距離，cm；c和d為水平入滲的擬合參數(shù)；t為入滲時間，min。

利用（2）式將不同土壤初始含水率條件下垂直濕潤鋒運移距離和水平濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系進行擬合，結(jié)果見表1。

表 1 不同土壤初始含水率條件下各向濕潤鋒運移距離與入滲時間擬合參數(shù)

由表1可以看出，各決定系數(shù)R2均大于0.95，說明不同初始含水率條件下，垂直入滲深度和水平側(cè)滲距離與時間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，在相同條件下，垂直擬合系數(shù)a、b和水平擬合系數(shù)c、d均隨著θ的增大而增大。通過對垂直和水平濕潤鋒運移距離曲線的擬合系數(shù)分析得出，a、b和c、d均與θ具有明顯的線性關(guān)系：

（1）垂直濕潤鋒運移距離為：=28.543θ+4.47762=0.9952

=0.0861θ+0.24072=0.9552

將擬合系數(shù)a、b代入公式（2），得出不同土壤初始含水率下的垂直濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系模型：=(28.543θ+4.4776)0.0861θ+0.2407

2.58％≤ θ≤8.94％ 0≤ t ≤480

式中：θ為土壤初始含水率。

（2）水平濕潤鋒運移距離為：=12.615θ+8.57122=0.9983

=0.0978θ+0.10952=0.9326

將擬合系數(shù)c、d代入公式（3），得出不同土壤初始含水率下的水平濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系模型：R=(12.615θ+8.5721)t0.0978θ+0.01095

2.58％≤ θ ≤8.94％ 0≤ t ≤480

2.3 土壤初始含水率對濕潤鋒運移速率的影響

圖4為不同土壤初始含水率下各向濕潤鋒運移速率的變化曲線。由圖4可以看出，同一土壤初始含水率處理，濕潤鋒垂直運移速率和水平運移速率均隨入滲時間的推移呈遞減的趨勢，入滲初期，各向濕潤鋒運移速率遞減幅度大，以初始含水率為6.36％為例，入滲10 min時，垂直和水平濕潤鋒運移速率分別為1 cm/min和0.95 cm/min，與入滲10 min相比，30 min時垂直和水平濕潤鋒運移速率均下降80％以上，60 min時垂直和水平濕潤鋒運移速率分別下降90％以上，40 min后垂直和水平濕潤鋒運移速率均低于0.1 cm/min并持續(xù)緩慢減小。不同土壤初始含水率處理之間，在相同入滲時間下，各向濕潤鋒運移速率均隨著土壤初始含水率的增大而增大，當入滲時間為20 min時，以土壤初始含水率2.58％為基準，土壤初始含水率為4.76％、6.36％和8.94％的垂直濕潤鋒運移速率增幅依次為13.6％、20.9％和36.4％，水平濕潤鋒運移速率增幅依次為4.73％、8.49％、16.04％，并隨入滲時間推移各處理差異越來越小，這是由于濕潤鋒下移，濕潤體中含水率梯度逐漸減小所致。

圖4 不同土壤初始含水率條件下各向濕潤鋒運移速率曲線

2.4 土壤初始含水率對濕潤體內(nèi)水分分布特性影響

為探究不同初始含水率對濕潤體內(nèi)水分分布的影響，利用Surfer軟件繪制灌水結(jié)束24 h后濕潤體內(nèi)部的土壤含水率等值線圖。如圖5所示，在其它條件相同的情況下，濕潤體等值線形狀與其濕潤鋒運移軌跡形狀相似，均表現(xiàn)為相同入滲深度的土壤含水率等值線沿畦寬方向呈直線分布，這表明在管渠灌溉條件下，水分橫向分布較均勻。土壤表層含水率等值線相對稀疏，含水率較高，水勢梯度較小，不同初始含水率之間差異較??；隨土層深度增加等值線由疏到密分布，水勢梯度增大，土壤含水率減小，不同土壤初始含水率之間差異變大。不同初始含水率對濕潤體內(nèi)水分分布影響顯著，土壤初始含水率越大，濕潤體內(nèi)高含水率區(qū)域越大，濕潤體內(nèi)同一深度含水率也越大，灌水后第24 h，初始含水率為2.58％、4.76％、6.36％和8.94％的土壤含水率為10%的土層分別位于25 cm、30 cm、35 cm和40 cm，這是因為土壤初始含水率越大，土壤中充水孔隙越多，充氣孔隙越少，致使土壤導(dǎo)水性增強，高含水率范圍擴大。

圖 5 不同土壤初始含水率條件下濕潤體含水率等值線圖

3 結(jié)論

本試驗研究了不同土壤初始含水率對管渠灌溉土壤水分入滲的影響，得出以下結(jié)論：

（1）不同初始含水率條件下，管渠灌溉濕潤鋒運移軌跡均為壟內(nèi)側(cè)呈直線型，外側(cè)呈弧線型；隨初始含水率的增大，濕潤體面積顯著增大；

（2）隨土壤初始含水率的增大，相同入滲時間內(nèi)管渠灌溉濕潤體各向運移距離均增大；各向濕潤鋒運移距離與入滲時間均有較好的冪函數(shù)關(guān)系；建立了以各向濕潤鋒運移距離、入滲時間和土壤初始含水率間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

（3）同一入滲時間下，土壤初始含水率越大，各向濕潤鋒運移速率越大，并隨著入滲時間的增加，濕潤鋒運移速率迅速減小并趨于穩(wěn)定，運移速率穩(wěn)定后，不同土壤初始含水率處理間濕潤鋒運移速率差距較小；

（4）土壤初始含水率對濕潤體內(nèi)水分分布有較大的影響，含水率等直線隨入滲深度呈由疏到密分布，土壤初始含水率越大，濕潤體內(nèi)高含水率的面積越大，同一位置處質(zhì)量含水率越大。

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LI Zong-yi, ZHANG An-qi, RONG Xu, WANG Chun-tang*

271018,

In order to identify the effects of soil initial content on the movement and distribution of wetting front in the process of canal irrigation, this paper explored the water infiltration properties of pipe canal irrigation under 4 different kinds of soil initial content (2.58%, 4.76%, 6.36%, 8.94%) through indoor simulation and theoretical analysis. The results showed that the movement track of wet body under different soil initial moisture contents were linear in the ridge and curve outside the ridge. The distance of vertical and horizontal wetting front migration increased with the extension of infiltration time. In the same infiltration time, the migration distance of vertical and horizontal wetting front increased with the increase of initial soil moisture content. The empirical formulas of the wetting front migration distance，infiltration time and initial moisture content of soil were established respectively. The correlation coefficients were all greater than 0.9, which met the accuracy requirements. The speed of wetting front migration increased with the increase of soil moisture content and decreased with increasing infiltration time. At the same time, the speed of vertical and horizontal wetting front increased with the increase of initial soil water content, and decreased rapidly and tended to be stable. The initial soil water content was closely related to the water distribution in the wetting body. The contour of moisture content was distributed from sparse to dense with the increase of infiltration depth. The larger the initial moisture content of soil, the larger the volume of high moisture content in the wetted soil volume.

Soil humidity; irrigation; water permeability

S275.9

A

1000-2324(2021)02-0270-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.020

2019-12-12

2020-01-02

山東省重點研發(fā)計劃項目(2018GNC110015);山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2017MEE001)

李宗毅(1994-),男,碩士研究生,主要從事管渠自動灌溉技術(shù)研究. E-mail:394689131@qq.com

Author for correspondence. E-mail:slx@sdau.edu.cn