灌水流量對涌泉灌及涌泉根灌濕潤體影響的研究

趙新宇，胡羊羊，彭江涌，朱綠丹

（1.南昌工程學院，南昌330099；2.鄱陽湖流域水工程安全與資源高效國家地方聯(lián)合工程試驗室，南昌330099）

涌泉灌是采用加流量控制器的塑料細管作為灌水器與毛管相連接，并且可以與田間滲水溝輔助，以細流或射流局部濕潤作物根區(qū)附近土壤進行灌溉的一種灌水方法[1]。涌泉根灌是一種將灌水器埋設(shè)于不同土層深度處進行地下局部灌溉的一種灌水方法[2,3]，是在滴灌和涌泉灌基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地下微灌技術(shù)[4]。關(guān)于灌水流量與濕潤體的關(guān)系，國內(nèi)外學者進行了較多的研究，滴灌方面：滴頭流量對土壤濕潤體大小和形狀都有影響[5]，在相同的土壤條件下灌水后土壤形成的濕潤體隨灌水量的增加而增大，在相同灌水量下增加滴頭流量能夠顯著增加水平方向的濕潤距離[6]，滴頭流量越大，土壤濕潤體越寬淺[7]；在相同的灌水時間內(nèi)，濕潤體在水平、垂直方向上濕潤鋒的運移距離隨著滴頭流量的增加而不斷增大[8,9]。涌泉灌方面：在相同的入滲時間內(nèi)，隨著灌水流量的增大，濕潤體相應(yīng)變大，土壤水分運動的各特征值隨之增大[1]。涌泉根灌方面：在相同的入滲時間內(nèi)，濕潤體的水平擴散半徑、向上入滲距離、向下入滲距離隨灌水流量的增大而增大[10]，且3 個入滲特征值均與入滲時間有顯著的冪函數(shù)關(guān)系[11-14]。綜上所述，相同灌水時間下，滴灌、涌泉灌、涌泉根灌的灌水流量對濕潤體的影響基本相同。但在相同的灌水量下，不同的灌水流量對涌泉灌及涌泉根灌濕潤體影響的研究還很少，這項研究對指導生產(chǎn)實際有重要的意義，文章將通過室內(nèi)試驗對此進行研究，并比較二者的不同之處。

1 試驗裝置與方法

1.1 供試土壤

試驗土樣為取自江西省灌溉試驗中心站試驗基地的粘壤土，利用K-SAT 測得土壤飽和導水率為0.055 cm/min，利用BT-9300H 激光粒度分析儀測得土樣的機械組成土壤的機械組成見表1。試驗前將風干土過0.5 mm 孔徑細篩，按照預定容重1.35 g/cm3分層裝進試驗箱內(nèi)，土壤初始含水率為5.4%。

表1 供試土壤的理化特性Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

1.2 試驗裝置

涌泉灌試驗裝置是由馬氏瓶、透明玻璃土箱（50 cm×50 cm×50 cm）組成，試驗裝置如圖1所示；涌泉根灌試驗裝置是由馬氏瓶、透明玻璃土箱（50 cm×50 cm×50 cm）、灌水器等三部分組成。灌水器包括兩個部分：滴頭、套管，滴頭采用連接馬氏瓶，可控制流量的軟管；套管為長30 cm 的PVC管，內(nèi)徑4 cm，其下部15 cm 打孔，孔徑0.1 cm，孔距1 cm，套管外包透水的無紡布。由于試驗?zāi)M的是1/4 灌水情景，所以涌泉根灌采用1/4套管，將一個圓筒套管等分成4份，取其1/4。套管布置在土箱900轉(zhuǎn)角處，埋入土體，其上部與土壤表面齊平，套管與土箱接觸的部分采用膠水粘接。

1.3 試驗方法

在土壤密度相同，初始含水率相同的條件下，采用1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 L/h等5個流量水平進行試驗，灌水量固定為2.5 L。實驗開始前，用量筒校核出水口流量。試驗開始后用秒表計時，記錄濕潤鋒在水平方向的擴散距離、垂直方向的入滲距離，并讀取刻馬氏瓶的刻度。由于水分入滲較快，逐一測量會存在延遲性造成誤差，故先用記號筆在土箱側(cè)面描繪濕潤鋒的位置，試驗結(jié)束后一一記錄試驗數(shù)據(jù)。剛開始1 h 內(nèi)，每隔5 min 記錄一次，1 h 之后每隔10 min 測量一次，直至試驗完畢。

2 流量對積水的影響

涌泉灌的灌水流量較大，容易超過土壤的入滲能力，在土壤表面形成積水。試驗表明：當灌水器流量為1.0 L/h 的時候，土箱土壤表面沒有積水，此時為點源入滲；當灌水流量為1.5 L/h 的時候，開始出現(xiàn)積水，入滲逐漸轉(zhuǎn)為面源入滲；積水呈1/4 圓形，灌水流量為1.5、2.0、2.5 和3.0 L/h 時，土壤表面的最大積水深度分別為0.15、0.30、0.50和0.70 cm，積水的最大半徑分別為2.6、5.4、8.0 和10.2 cm。積水深度、積水面積隨灌水流量的增大而增大，二者均與流量顯著相關(guān)。在田間灌溉中，土壤表面積水，會增加灌溉水的蒸發(fā)損失，而且導致水分在水平方向的擴散距離大于在垂直方向的入滲距離，不利于形成好的濕潤體形狀，影響作物對水分的充分吸收。

對于滴灌，研究[5]表明當灌水流量達到1.0 L/h 的時候，黏性土壤表面開始出現(xiàn)積水，隨著滴頭流量的增加，地表積水區(qū)半徑增大，而且積水區(qū)的增大，使?jié)駶欎h在水平方向上的運移速率增加。流量對土壤表面積水半徑的影響，滴灌與涌泉灌類似。

相對于滴灌、涌泉灌的點源（面源）入滲，涌泉根灌是柱面入滲，入滲過程是不同的。試驗表明：當灌水流量為1.0 L/h 的時候，灌水器外部的套管中就開始積水，積水的深度隨著流量的增大而增大，灌水流量為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 L/h 時，套管內(nèi)的最大積水深度分別為1.6、3.7、6.0、8.3 和10.7 cm，流量與積水深度之間顯著線性相關(guān)。所有流量水平的試驗中，涌泉根灌在土壤表面沒有形成積水。

涌泉灌與灌泉根灌入滲的灌水流量與積水深度的關(guān)系如圖2所示，二者有兩處不同，一是涌泉根灌由于存在套管，積水都在套管內(nèi)部，不會像涌泉灌一樣形成土壤表面積水，這對減少無效蒸發(fā)、降低水平入滲距離，改善濕潤體的形狀，使水分充分入滲到作物根部是有利的；二是相對于涌泉灌，灌泉根灌流量與積水深度影響的線性關(guān)系更加明顯，這是因為涌泉灌在土壤表面形成積水之后，點源入滲轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬖慈霛B，灌水流量對水分入滲過程的影響比較復雜，而涌泉根灌由于沒有土壤表面積水，水分一直通過套管開孔處入滲土壤，灌水流量對入滲過程的影響相對穩(wěn)定。

3 入滲結(jié)束后濕潤體的形狀

涌泉灌濕潤體、涌泉根灌的濕潤體形狀如圖3所示。涌泉灌入滲剛開始的時候，基質(zhì)勢起主要作用，前5 min 土壤水分在水平方向的擴散距離遠大于豎直向擴散距離，以流量1.5 L/h 為例，前5 min 水平向運移距離為11.2 cm，豎直向運移距離僅為5.8 cm，濕潤體剖面為1/4橢圓形。隨著入滲時間的增加，水平向濕潤鋒運移速度降低，水平與垂直方向的運移距離逐漸接近，并一直持續(xù)到入滲結(jié)束。從圖3可看出涌泉灌入滲結(jié)束后，濕潤體的豎直剖面接近于1/4 圓形。涌泉根灌條件下的土壤水分入滲屬于柱面入滲，由于灌水器在土體內(nèi)部有15 cm的埋深，水分不僅會向下入滲，還會向上入滲。以流量1.5 L/h為例，入滲開始后，水平方向濕潤鋒運移距離較大，濕潤體剖面呈半扁橢圓形，30 min 時濕潤鋒各向運移距離基本趨平，濕潤體剖面形狀接近于半圓形，70 min時濕潤鋒向上運移即將達到頂端，垂直向下方向繼續(xù)運移，垂直方向與水平方向上的運移距離逐漸拉大，到入滲結(jié)束時濕潤體剖面呈近似1/4 橢圓形。

試驗表明：涌泉灌土壤水分入滲后，會形成一個近似半球體，而涌泉根灌入滲后會形成一個近似半橢圓球體；在入滲水量相同，流量不同的條件下，涌泉灌濕潤體的水平方向的長度是涌泉根灌1.25～1.50 倍，垂直方向的長度是涌泉根灌0.50～0.75 倍。所以，相對于涌泉灌，涌泉根灌的濕潤體形狀更為修長，在水平方向短，在垂直方向長，土壤水分分布表層較少，中層、深層較多，這對于農(nóng)作物、特別是根系分布比較深的果樹對水分的吸收是有利的。

對于滴灌，文獻[5]研究表明經(jīng)過180 min 入滲后，濕潤體的形狀一個扁平的半橢圓球體，水平方向的入滲距離遠大于垂直方向的入滲距離；文獻[8]研究表明經(jīng)過240 min 入滲后，濕潤體的形狀一個扁平的半橢圓球體，但水平、垂直方向上的入滲距離差值較文獻[5]要少；文獻[7]研究表明經(jīng)過480 min入滲后，濕潤體的形狀近似半圓球體；文獻[6]研究表明在入滲結(jié)束3 d 后，濕潤體的形狀是一個修長的半橢圓球體。濕潤體形狀由水平方向較大，逐漸變?yōu)榇怪狈较蜉^大的過程，是由于重力勢在入滲過程的所起的作用隨入滲時間增加而增加，對于滲透性能較好的土壤，這種趨勢更為明顯。滴灌和涌泉灌的濕潤體形狀、形成過程非常相似，和涌泉根灌有較大的不同。

4 流量對濕潤體形狀的影響分析

涌泉灌和涌泉根灌土壤水分入滲試驗結(jié)束時，涌泉灌濕潤鋒的水平運移距離、垂直運移距離，涌泉根灌濕潤鋒的水平運移距離、垂直向下運移距離、垂直向上運移距離如表2所示。

表2 不同流量下涌泉灌與涌泉根灌的濕潤鋒運移距離Tab.2 Wetting front of bubble irrigation and bubble root irrigation under different irrigation flow

可以發(fā)現(xiàn)，在相同灌水量不同流量條件下，隨著灌水流量的增大，涌泉灌水平方向的濕潤鋒運移距離逐漸增大，垂直方向的濕潤鋒運移距離逐漸減少，但在水平方向、垂直方向上，灌水流量與濕潤鋒的運移距離都不是線性相關(guān)的關(guān)系。涌泉灌水平方向上入滲距離明顯大于在垂直方向上的入滲距離，而且隨著灌水流量的增大，二者之間的差值變得更大，其原因是隨著灌水流量的增大，超過了土壤的入滲能力，造成土壤表面積水，而且積水深度隨著流量的增大而增大，這就導致水體在土壤表面外溢，增大了水平濕潤鋒的運移距離，同時，也減少了土壤在垂直方向的入滲水量，減少了在垂直方向的濕潤鋒運移距離。涌泉灌在實際應(yīng)用中，也存在灌水器流量增大后，發(fā)生田面積水的情況。水平入滲距離大于垂直入滲距離，使入滲到土壤表層的水量增加，水分的無效蒸發(fā)增加，到達作物根系的水量會減少，對于節(jié)水灌溉是不利的。在涌泉灌條件下，灌水流量對濕潤體的形狀有顯著的影響，流量越大，濕潤體在水平方向的直徑越大，在垂直方向的直徑越小，濕潤體越扁平。

在相同灌水量不同流量的條件下，涌泉根灌水平方向濕潤鋒的運移距離在20.1±0.8 cm 的范圍內(nèi)波動，垂直向下的運移距離在18.3±0.8 cm 的范圍內(nèi)波動，垂直向上的運移距離都到達了土壤表面（15 cm)，在考慮試驗誤差的情況下，灌水流量對濕潤體形狀的影響不明顯。流量對濕潤體形狀影響不明顯的原因，是因為涌泉根灌條件下水分是通過套管孔進行土壤入滲的，在灌水器流量為1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0 L/h 時，套管內(nèi)積水深度分別為1.6、3.7、6.0、8.3 和10.7 cm，但套管長度30 cm，開孔長度15 cm，管內(nèi)的積水深度都沒有溢出套管形成土壤表面積水，都是通過開孔處向外入滲，不同灌水流量的入滲邊界條件變化并不大。涌泉根灌技術(shù)在實際應(yīng)用中，即使在灌水器流量較大的情況下，也很少出現(xiàn)管口溢水，產(chǎn)生田面積水的情況，濕潤體直達作物的根部，減少了水分的無效蒸發(fā)。

對于滴灌，從一些文獻[5,7,8]提供的圖表數(shù)據(jù)可以推算得出：在相同灌水量不同流量的滴灌條件下，隨著流量的增大，水平方向的濕潤鋒運移距離增大，垂直方向的濕潤鋒運移距離減少，而且在入滲時間不是很長(180 min)的條件下，水平方向的濕潤鋒運移距離大于垂直方向上的濕潤鋒運移距離。由此可見，灌水流量對濕潤體形狀的影響，滴灌與涌泉灌很相似，與涌泉根灌不同。

5 結(jié)論

（1）在灌水流量相同的條件下，涌泉灌比涌泉根灌更容易形成土壤表面積水；隨著灌水流量的增大，涌泉灌土壤表面積水的深度、面積逐漸增大，涌泉根灌灌水套管內(nèi)的積水深度逐漸增大，并且灌水流量與套管內(nèi)的積水深度呈線性相關(guān)關(guān)系。

（2）入滲結(jié)束后，涌泉灌的濕潤體形狀是一個近似半球體，涌泉根灌的濕潤體形狀是一個近似半橢圓球體，而且在垂直方向更為修長。

（3）灌水流量對涌泉灌濕潤體的形狀有顯著的影響，流量越大，濕潤體形狀越扁平，但在一定流量范圍內(nèi)，灌水流量對涌泉根灌的濕潤體形狀無顯著影響；在相同的灌水量和灌水流量條件下，涌泉灌在水平方向的入滲距離顯著大于涌泉根灌，在垂直方向上的入滲距離顯著小于涌泉根灌。

（4）相對于涌泉灌，涌泉根灌不易產(chǎn)生土壤表面積水，水分分布更深，入滲的水量更容易到達作物根區(qū)，減少了水分的無效蒸發(fā)，有利于作物對土壤水分的吸引。