基于HYDRUS-2D 的膜調(diào)控潤灌濕潤鋒運(yùn)移數(shù)值模擬研究

段啟蒙，繩莉麗，程伍群，張西平，韓明明，吳現(xiàn)兵

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000）

自上世紀(jì)20 年代Charle Lee 發(fā)明地下滴灌以來，經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，地下滴灌技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是仍然存在很多難以解決的問題。如傳統(tǒng)地下滴灌因供水結(jié)束時(shí)管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓吸泥和作物根系的向水性造成灌水器外部堵塞［1-2］以及由重力配水導(dǎo)致水分下移過多［3-4］。針對地下滴灌存在的水分下移問題，國內(nèi)外進(jìn)行了很多研究。其中在滴灌管下鋪設(shè)塑膜或箔片作為物理阻隔層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣可以減小土壤水分的下滲，增大土壤水分的上滲高度［5-7］；El-Nesr 等通過HYDRUS-2D/3D 數(shù)值模擬表明鋪膜可以有效減少水下移現(xiàn)象［8］。王偉等在滴灌管下鋪設(shè)水平或V型塑膜，在一定程度上解決了水分下移的問題［9］。程伍群等利用塑料薄膜的調(diào)節(jié)水分下移作用開發(fā)了調(diào)節(jié)水分的雙膜結(jié)構(gòu)，發(fā)明了膜調(diào)控潤灌系統(tǒng)［10］。膜調(diào)控潤灌系統(tǒng)主要依靠土壤的毛管吸力達(dá)到灌水效果，可根據(jù)土壤的含水量來對灌水量與灌水時(shí)間進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，與負(fù)壓灌溉有類似的地方。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)也是1 種新型的將灌水器埋入地下的節(jié)水灌溉技術(shù)，主要依靠土壤的基質(zhì)吸力主動吸收水分，灌水量依據(jù)土壤缺水狀態(tài)而改變，能夠?qū)崿F(xiàn)自我調(diào)節(jié)［10-12］。影響傳統(tǒng)地下滴灌土壤水運(yùn)移的重要技術(shù)參數(shù)包括土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)、土壤初始含水率、滴頭出流量以及埋深［13］。除了以上技術(shù)參數(shù)，膜規(guī)格是影響膜調(diào)控潤灌系統(tǒng)土壤水分運(yùn)移的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。在1999 年國際地下水模擬中心開發(fā)的HYDRUS-2D［14］軟件已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于土壤水運(yùn)移的模擬，并且Kandelous 和?im?nek 通過室內(nèi)和田間試驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)了HYDRUS-2D 對地下滴灌土壤水運(yùn)移模擬的可行性［15］；Honari 等利用HYDRUS-2D/3D模型模擬了地下滴灌條件下的土壤水分運(yùn)動，結(jié)果表明模擬效果良好［16］?；谝陨? 個(gè)方面的考慮，筆者將選擇HYDRUS-2D 軟件，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)研究在通量一定的情況下不同膜規(guī)格對膜調(diào)控潤灌土壤水濕潤鋒運(yùn)移的影響，為膜調(diào)控潤灌的膜規(guī)格確定和實(shí)踐提供可靠的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 膜調(diào)控潤灌灌水器

膜調(diào)控潤灌技術(shù)是在傳統(tǒng)地下滴灌的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的1 種新型灌溉技術(shù)，同樣采用地埋式，但是膜調(diào)控潤灌的灌水器與傳統(tǒng)地下滴灌的存在著很大的差異。該技術(shù)的灌水器由4 部分組成，由上到下依次為上膜、中間透水夾層、滴頭和下膜，上膜與下膜均為不透水膜，灌水器分布圖1。中間透水夾層的尺寸與上膜的尺寸相同，厚度為2 mm，上膜與下膜均為正方形，下膜的尺寸大于上膜的尺寸，這樣設(shè)置可以使水有更充分的時(shí)間與膜上土壤接觸，由傳統(tǒng)的重力配水為主轉(zhuǎn)化為以毛管吸附配水為主。

圖1 灌水器分布圖Fig.1 Distribution map of irrigators

1.2 膜調(diào)控潤灌灌水面與通量

傳統(tǒng)的地下滴灌都是以點(diǎn)源入滲的，而膜調(diào)控潤灌技術(shù)則是將傳統(tǒng)的地下滴灌由點(diǎn)源入滲轉(zhuǎn)化為面源入滲。由圖1 可知，由于中間透水夾層存在一定的厚度，實(shí)際的灌水面將是中間透水夾層前后左右4 個(gè)面。由于中間透水夾層與上膜大小是相同的，所以灌水面均處在上膜與下膜的交界處。由于本試驗(yàn)為面源入滲，所以灌水器的通量為滴頭流量與灌水面面積的比值。

1.3 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬試驗(yàn)的可行性。室內(nèi)試驗(yàn)采用的試驗(yàn)箱規(guī)格為70 cm×35 cm×70 cm( 長× 寬× 高)。試驗(yàn)所用土取自衡水試驗(yàn)田，土壤顆粒組成見下表1。

表1 土壤物理顆粒組成Table 1 Soil physical particle composition

首先將土風(fēng)干過2 mm 的篩，并且采用1.4 g/cm3的容重進(jìn)行分層夯實(shí)裝填，每5 cm 1 層，在填裝下一層時(shí)要對上一層進(jìn)行打毛。供水設(shè)備采用恒位水箱，以保證滴頭出流的穩(wěn)定性。為了試驗(yàn)過程中方便觀察濕潤鋒的形狀，將灌水器的一半靠近正面觀察面放置，埋深35 cm，試驗(yàn)裝置示意圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test apparatus

其觀察時(shí)間采用先密后疏的原則，灌水結(jié)束后采用土鉆對其膜上與膜下不同位置進(jìn)行取土并用烘干法測出含水率。

1.4 模擬設(shè)計(jì)

利用數(shù)值模擬試驗(yàn)來研究在通量一定時(shí)膜規(guī)格的改變對膜調(diào)控潤灌土壤水濕潤鋒運(yùn)移的影響。膜處理設(shè)計(jì)4 種處理，每種處理的下膜邊長均為40 cm，處理一至處理四的上膜邊長分別為35、30、25 和20 cm。

1.5 模擬區(qū)域的確定

本數(shù)值模擬試驗(yàn)，是以下膜為基準(zhǔn)面，下膜以上距離為正，下膜以下距離為負(fù)，灌水器埋深35 cm，膜下空間設(shè)置為35 cm。上膜與下膜均設(shè)為零通量面，灌水器中間透水夾層厚度為2 mm。膜調(diào)控潤灌的土壤水運(yùn)移為三維運(yùn)動，由于土壤均質(zhì)、各項(xiàng)同性，膜調(diào)控潤灌土壤水分運(yùn)動可作為軸對稱二維問題處理［17］，以處理二為例，其研究區(qū)域如圖3 所示(以滴頭位置為原點(diǎn)，可表示區(qū)域內(nèi)具體位置，為了方便觀察橫坐標(biāo)移至區(qū)域頂端，下同)，為了更好地研究膜上與膜下水量的分布，以下層膜為分界面，將研究區(qū)域劃分為2 個(gè)計(jì)算區(qū)域，下層膜以上為1 個(gè)計(jì)算區(qū)域，下層膜以下為另外1 個(gè)計(jì)算區(qū)域。

圖3 研究區(qū)域Fig.3 Study area

1.6 控制方程

根據(jù)達(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律，在不考慮根系吸水的情況下，土壤水模擬的控制方程采用二維Richard 方程如式（1）：

式中：θ—土壤體積含水率，cm3/cm3；

t—入滲時(shí)間，min；

K（θ）—土壤非飽和導(dǎo)水率，mm/min；

φ—土壤總水勢，cm，對于非飽和土，φ=φm±z中φm為土壤基質(zhì)勢；

z—垂直坐標(biāo)，原點(diǎn)坐標(biāo)以上為正，以下為負(fù)。

對于HYDRUS-2D 軟件，其中能夠模擬土壤水分入滲的過程的模型有5 種，本研究在沒有作物的情況下要選用van Genuchten 模型，對土壤水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行描述，van Genuchten 模型［18］如式:

式中：θr—土壤剩余含水率，cm3/cm3;

θs—土壤飽和含水率，cm3/cm3;

ks—飽和導(dǎo)水率，cm/min;

se—土壤有效含水率，cm3/cm3;

h—土壤吸力，cm;

α、λ、m、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，se=（θ-θr）/（θs-θr）；m=1-1/n，n＞1。

1.7 定解條件

如下圖4 所示。

圖4 計(jì)算區(qū)域Fig.4 Computational domain

計(jì)算區(qū)域各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)A（0,350），B（0,2.1），C（x0,2.1），D（x0,0.1），E（200,0.1），F(xiàn)（200,0），G（0,0），H（0,-350），L（500,-350），M（500,350）。（單位：mm）

說明：如下圖5 為放大的B、C、D、E、F、G的位置圖。

圖5 細(xì)節(jié)放大圖Fig.5 Detail enlarged

EF 表示為下層膜，2 點(diǎn)之間的距離也就是下膜的厚度為0.1 mm；對于x0，表示為上層膜邊長的1/2；CD 表示為透水夾層的厚度，為2 mm，所以C點(diǎn)橫坐標(biāo)為上層膜邊長的1/2，縱坐標(biāo)為下層膜厚度與透水夾層厚度之和，即（x0,2.1）。

（1）初始條件，表示為:

θ(x,z,t)=θ0(x,z,0) (0 ≤x≤5 0 0，350 ≤z≤350)

式中θ0(x,z,0)為土壤初始含水率，cm3/cm3；

（2）邊界條件

AB、GH、EF、ML 零 通 量 邊 界-K(θ)=0,t≥0 (0 ≤x≤500, -350 ≤z≤350)

CD恒定流量邊界q=-K(θ)=q0(x,z,t),t≥0(x=x0,0.1 ≤z≤2.1)

式中：q0恒定流量，x0上膜邊長的1/2。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)率定

對于4 種膜處理所采用的土壤與其室內(nèi)試驗(yàn)保持一致，依據(jù)所用土壤的物理顆粒組成的配比以及土壤容重，利用HYDRUS-2D 中自帶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對土壤水力參數(shù)進(jìn)行了初步預(yù)測，其預(yù)測后的土壤水力參數(shù)如下表2。然后選擇處理三的試驗(yàn)結(jié)果對模型中土壤水力參數(shù)進(jìn)行了率定，經(jīng)率定后的土壤水力參數(shù)見表3。

表2 預(yù)測后土壤水力參數(shù)表Table 2 Table of soil hydraulic parameters after prediction

表3 率定后土壤水力參數(shù)表Table 3 Soil hydraulic parameters after calibration

圖6 為數(shù)值模擬所插觀測點(diǎn)。

圖6 觀測點(diǎn)分布Fig.6 Observation point distribution

表4 為經(jīng)參數(shù)率定后模型所模擬的各個(gè)觀測點(diǎn)灌水339 min 后停止灌水時(shí)實(shí)測值與模擬值的相對誤差?？梢钥闯龈鼽c(diǎn)含水率的實(shí)測值與模擬值的相對誤差大部分都在10%以內(nèi)，表明了率定后所得的土壤水力參數(shù)具有一定的準(zhǔn)確性。

表4 土壤含水率實(shí)測值與模擬值的相對誤差Table 4 The relative error of soil moisture content between the measured value and the simulated value

圖7 ～9 給出了用率定好的土壤水力參數(shù)試驗(yàn)濕潤鋒各向的實(shí)測值以及數(shù)值模擬濕潤鋒模擬值的對比圖。

圖7 垂直向上對比圖Fig.7 Vertical upward comparison chart

圖8 水平向右對比圖Fig.8 Horizontal right comparison chart

圖9 垂直向下對比圖Fig.9 Contrast the graph vertically downward

由于試驗(yàn)存在一定的膜間滲漏，所以模擬值與實(shí)測值存在一定的差異性。濕潤鋒運(yùn)移距離垂直向上、水平向右和垂直向下的模擬值與實(shí)測值的均方根誤差分別為3.07、1.83、2.37 cm，均方根誤差變化范圍為1.83 ～3.07 cm，3 個(gè)方向全部濕潤鋒運(yùn)移距離的模擬值與實(shí)測值的均方根誤差為2.49 cm。

2.2 模型驗(yàn)證

室內(nèi)試驗(yàn)選用膜處理二對率定完成后土壤水力參數(shù)如表2 的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，表5 為各個(gè)觀測點(diǎn)灌水339 min 后停止灌水時(shí)實(shí)測值與模擬值的相對誤差。

表5 土壤含水率實(shí)測值與模擬值的相對誤差Table 5 The relative error of soil moisture content between the measured value and the simulated value

可以看出各點(diǎn)含水率的實(shí)測值與模擬值的相對誤差都在10%以內(nèi)，并且相對誤差的平均值為4.28%，在5%以內(nèi)，兩者具有很好的一致性［19,20］，說明膜調(diào)控潤灌應(yīng)用數(shù)值模擬試驗(yàn)來模擬的可行性，具有一定的準(zhǔn)確性。

圖10 ～12 給出了試驗(yàn)濕潤鋒各向的實(shí)測值以及數(shù)值模擬濕潤鋒模擬值的對比圖。由于試驗(yàn)存在一定的膜間滲漏，所以模擬值與實(shí)測值存在一定的差異性。濕潤鋒運(yùn)移距離垂直向上、水平向右和垂直向下的模擬值與實(shí)測值的均方根誤差分別為3.20、2.08、1.28 cm，均方根誤差變化范圍為1.28 ～3.20 cm，3 個(gè)方向全部濕潤鋒運(yùn)移距離的模擬值與實(shí)測值的均方根誤差為2.41 cm，表明模擬值與實(shí)測值存在很好的一致性［21］。圖10 ～12 進(jìn)一步說明了數(shù)值模擬地下膜調(diào)控潤灌的可行性以及模擬的精度較好。

圖10 垂直向上對比圖Fig.10 Vertical upward comparison chart

圖11 水平向右對比圖Fig.11 Horizontal right comparison chart

圖12 垂直向下對比圖Fig.12 Contrast the graph vertically downward

2.3 濕潤鋒運(yùn)移階段的劃分

濕潤鋒的運(yùn)移規(guī)律是研究土壤水運(yùn)移的重要部分。當(dāng)通量保持不變的情況下，膜大小的改變會影響土壤水的運(yùn)移。通過數(shù)值模擬試驗(yàn)可將膜調(diào)控潤灌的入滲過程分為3 個(gè)階段：

第1 階段（膜上運(yùn)移階段）：灌水面出水短膜出現(xiàn)濕潤鋒——濕潤鋒運(yùn)移到下膜的邊界，如圖13所示；

圖13 膜上運(yùn)移階段Fig.13 Upper membrane migration stage

第2 階段（膜下運(yùn)移階段）：濕潤鋒運(yùn)移到下膜邊界開始存在膜下入滲——膜上濕潤鋒左右開始融合，如圖14 所示；

圖14 膜下運(yùn)移階段Fig.14 Inferior membrane migration stage

第3 階段（左右交融運(yùn)移階段）：膜上濕潤鋒左右開始融合——入滲結(jié)束，如圖15 所示；

圖15 左右交融運(yùn)移階段Fig.15 Left and right blending migration stage

2.4 膜調(diào)控潤灌濕潤鋒的形狀

對于傳統(tǒng)的地下滴灌濕潤體形狀的研究，通過試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)濕潤體剖面一般為半橢圓形，濕潤體為半橢球體［22］。對于膜調(diào)控潤灌，在灌水初期，由于膜的阻擋作用，濕潤鋒只會垂直向上和水平方向運(yùn)移，其濕潤體截面形狀為以上膜邊界為圓心的上半圓，如上圖13 所示；隨著濕潤鋒向四周繼續(xù)運(yùn)移，濕潤鋒超出下膜，水將開始下滲，下滲部分的截面形狀是以下膜邊界為圓心的不規(guī)則下半圓，如圖14 所示；在入滲的后期，膜上兩端濕潤鋒開始交匯繼續(xù)向上運(yùn)移；當(dāng)入滲結(jié)束時(shí)，其濕潤體截面將呈現(xiàn)出耳蝸形狀如圖15 所示。

2.5 膜規(guī)格對水量分布的影響

以下膜所處的面為基準(zhǔn)面，其4 個(gè)處理的膜上與膜下的水量百分比對比圖如圖16 所示，可以看出膜規(guī)格的改變對于膜上與膜下（膜指的是雙模結(jié)構(gòu)中的下層膜）水量有明顯的調(diào)控作用。當(dāng)上膜最小時(shí)，膜上的水量百分比最大，占總水量的79.57%，膜的調(diào)控作用最明顯；上膜最大時(shí)，膜上的水量百分比就會是最小的，占總水量的66.33%，膜的調(diào)控作用比較差，處理四比處理一上膜的水量多13.24%。由此可知當(dāng)上膜尺寸遞減時(shí)，膜調(diào)控作用的明顯性呈增大趨勢，膜上所保留的水量將會呈增多趨勢，下膜的水量百分比則相反。

圖16 膜上與膜下水量百分比對比圖Fig.16 Comparison of the percentage of water on and under the membrane

2.6 膜規(guī)格對濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律的影響

當(dāng)通量一定時(shí)，膜的4 個(gè)處理在入滲時(shí)濕潤鋒的運(yùn)移是有差異的。4 個(gè)膜規(guī)格處理最后結(jié)束時(shí)的結(jié)果如圖17：

圖17 濕潤鋒模擬結(jié)果圖Fig.17 Simulation results of wetting front

在同一方向上，不同膜處理時(shí)濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系見圖18 ～20。

圖18 濕潤鋒垂直向上運(yùn)移對比圖Fig.18 Comparison of the vertical upward migration of the wet front

圖18 ～20 為通量一定時(shí)不同膜處理的不同方向濕潤鋒運(yùn)移與時(shí)間的關(guān)系圖。從對比圖可以發(fā)現(xiàn)濕潤鋒在不同方向上的運(yùn)移速率隨著入滲時(shí)間的增大運(yùn)移速率呈減小趨勢。入滲初期，濕潤鋒的運(yùn)移會非?？欤嗨嬷車耐寥篮枯^低，灌水面周圍會形成較高的土水勢；隨著灌水時(shí)間的延長，濕潤體的體積增加，濕潤體內(nèi)部的含水量也會增加，灌水面周圍所造成的飽和區(qū)域也會增大，微潤帶的入滲流量會隨著飽和區(qū)域的增大而減小，濕潤鋒的運(yùn)移速率也會變慢。經(jīng)過試驗(yàn)可知，對于傳統(tǒng)的地下滴灌隨著入滲時(shí)間的延長，其濕潤鋒運(yùn)移的速率將會呈減小趨勢［23-24］。膜調(diào)控潤灌的濕潤鋒運(yùn)移速率的變化與傳統(tǒng)地下滴灌保持一致。

圖18 為4 種膜處理濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系圖，可以看出在入滲前期4 種膜處理濕潤鋒垂直向上的運(yùn)移距離差距不是很大，這是由于前期4種膜處理大部分仍處在膜上運(yùn)動階段，運(yùn)動狀態(tài)相同；在入滲后期，4 種膜處理濕潤鋒垂直向上的運(yùn)移距離差距呈增大趨勢，膜處理四的垂直向上運(yùn)移距離最大，為29.04 cm，膜處理一的垂直向上運(yùn)移距離最小，為23.03 cm；圖19 為4 種膜處理濕潤鋒垂直向下運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系圖，可以看出膜處理四的垂直向下運(yùn)移距離反而最小，為10.06 cm，膜處理一的垂直向下運(yùn)移距離反而最大，為15.13 cm。分析圖18 與圖19，各個(gè)膜處理濕潤鋒垂直向上的運(yùn)移距離都要大于垂直向下的濕潤鋒，并且上膜在變小的同時(shí)濕潤鋒垂直向上的運(yùn)移距離在增大，濕潤鋒垂直向下的運(yùn)移距離在減小，就會出現(xiàn)濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離最大的膜處理相對應(yīng)的濕潤鋒垂直向下的運(yùn)移距離會最小。

圖19 濕潤鋒垂直向下運(yùn)移對比圖Fig.19 Comparison of the vertical downward migration of the wet front

圖20 為水平向右不同膜處理濕潤鋒運(yùn)移與時(shí)間的關(guān)系圖，可以看出隨著上膜的變小，濕潤鋒水平向右的運(yùn)移距離也隨之減小，膜處理四的水平向右運(yùn)移距離最小，為34.28 cm；膜處理一的水平向右運(yùn)移距離最大，為38.18 cm。在入滲的前期4 種膜處理的水平向右運(yùn)移的差距還是比較大，但隨著入滲時(shí)間的增加4 種膜處理的水平向右運(yùn)移的差距呈減小趨勢。入滲后期上膜大的處理重力對土壤水的影響要大于前期，相比較上膜小的會有更多的土壤水膜下滲漏，造成了隨著入滲時(shí)間的增加4 種膜處理的水平向右運(yùn)移的差距呈減小趨勢。

圖20 濕潤鋒水平向右運(yùn)移對比圖Fig.20 Comparison of the horizontal migration of the wet front to the right

2.7 濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)散點(diǎn)圖進(jìn)行函數(shù)擬合濕潤鋒各向運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系，如表6 所示。

表6 濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系Table 6 The migration distance of wet front is a function of time

擬合結(jié)果表明，垂直向上與水平向右的濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的變化關(guān)系，能夠擬合成函數(shù)y=mtn，并且決定系數(shù)R2在0.99 以上，非常接近1，達(dá)到顯著水平，說明4 個(gè)處理的膜調(diào)控潤灌入滲過程中，濕潤鋒垂直向上與水平向右運(yùn)移距離與時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系；垂直向下的濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的變化關(guān)系，能夠擬合成函數(shù)y=kt，決定系數(shù)R2在0.95 以上，非常接近1，也達(dá)到了顯著水平，說明4 個(gè)處理的膜調(diào)控潤灌入滲過程中，濕潤鋒垂直向下運(yùn)移距離與時(shí)間存在線性關(guān)系。對于傳統(tǒng)地下滴灌，其濕潤鋒各個(gè)方向運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系已經(jīng)通過試驗(yàn)得出存在很好的冪函數(shù)關(guān)系［25-27］。由此可以看出，膜調(diào)控潤灌濕潤鋒垂直向上與水平向右運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系與傳統(tǒng)地下滴灌保持一致，垂直向下的與傳統(tǒng)的地下滴灌存在著較大的差異。垂直向上的濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系擬合中隨著上膜的變小決定系數(shù)R2也在變小，顯著水平在降低；水平向右與垂直向下的與之相反，隨著上膜的變小顯著水平呈增大趨勢，見表6。

3 討論

膜調(diào)控潤灌是基于地下滴灌而來的1 種全新灌溉方式，膜調(diào)控潤灌土壤水運(yùn)移規(guī)律與傳統(tǒng)地下滴灌的土壤水運(yùn)移規(guī)律既有保持一致的地方又有不同的地方。對于傳統(tǒng)地下滴灌的數(shù)值模擬，Kandelous和?im?nek 通過室內(nèi)和田間試驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)了HYDRUS-2D 對地下滴灌土壤水運(yùn)移模擬的可行性［15］；Honari 等利用HYDRUS-2D/3D 模型模擬了地下滴灌條件下的土壤水分運(yùn)動，結(jié)果表明模擬效果良好［16］。基于HYDRUS-2D 探究在通量一定時(shí)膜規(guī)格對膜調(diào)控潤灌濕潤鋒運(yùn)移的影響，第一步要驗(yàn)證HYDRUS-2D 對膜調(diào)控潤灌數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。通過對膜規(guī)格40 cm×30 cm 各個(gè)觀測點(diǎn)土壤含水率實(shí)測值與數(shù)值模擬值進(jìn)行對比，相對誤差均小于10%，平均值在5%以內(nèi)，濕潤鋒運(yùn)移距離的模擬值與實(shí)測值的均方根誤差也保證了在合理的范圍之內(nèi)，充分說明了HYDRUS-2D 對膜調(diào)控潤灌數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

通過對膜調(diào)控潤灌土壤水分運(yùn)移的模擬，可以很清晰地看出運(yùn)移過程可以分為3 個(gè)階段，第1 個(gè)階段為膜上運(yùn)移階段，第2 個(gè)階段為膜下運(yùn)移階段，第3 個(gè)階段為左右交融運(yùn)移階段，這與傳統(tǒng)地下滴灌存在著很大的差異。土壤水分在運(yùn)移的過程中，隨著入滲時(shí)間的增加，運(yùn)移速率在不斷地減小。對于傳統(tǒng)的地下滴灌經(jīng)過試驗(yàn)可知，隨著入滲時(shí)間的延長，其濕潤鋒運(yùn)移的速率將會呈減小趨勢［21-22］。膜調(diào)控潤灌的濕潤鋒運(yùn)移速率的變化與傳統(tǒng)地下滴灌保持一致。對于4 種膜處理，在通量一定的情況下，土壤水分運(yùn)移前期濕潤鋒的運(yùn)移會非?？?，隨著灌水時(shí)間的增加，濕潤體體積的增加，伴隨著飽和區(qū)域的增大濕潤鋒的運(yùn)移速率會變慢，并且各個(gè)膜處理濕潤鋒垂直向上的運(yùn)移距離都要大于垂直向下的運(yùn)移距離。對于計(jì)算區(qū)域劃分膜上與膜下2 個(gè)區(qū)域，灌水結(jié)束后各個(gè)膜處理的膜上水量都要大于膜下的水量，并且伴隨著上膜不斷減小膜上水量在不斷增加。上膜變小濕潤鋒垂直向上運(yùn)移距離增大以及上膜變小膜上水量也在不斷增加的原因是上膜變小可使得更多的水量保持在膜上位置，使得膜上的土壤有更充分的時(shí)間利用毛管吸力對水分進(jìn)行吸收，與此同時(shí)由于下膜的阻擋作用削減了重力對土壤水的影響，這樣減少了土壤水的膜下滲漏。傳統(tǒng)的地下滴灌土壤水分運(yùn)移由于重力配水會導(dǎo)致土壤水分下移過多［3-4］，經(jīng)過研究膜調(diào)控潤灌與地下滴灌相比能夠很好地解決地下滴灌深層滲漏的問題。圖17 可以清晰地看到當(dāng)通量一定時(shí)隨著上膜的不斷增大濕潤鋒所能到達(dá)的右邊界越遠(yuǎn)，但是相對應(yīng)的土壤水分垂直向上的運(yùn)移距離會變小。當(dāng)土壤水分垂直向上運(yùn)移距離最大時(shí)，膜下滲漏的水量最小，濕潤鋒到達(dá)右邊界的距離也是最小的，卻不利于相鄰2 個(gè)灌水器濕潤鋒的搭接。

對于濕潤鋒各向運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系，根據(jù)散點(diǎn)圖進(jìn)行了函數(shù)擬合。對于膜調(diào)控潤灌，垂直向上與水平向右的濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系，對于傳統(tǒng)地下滴灌，其濕潤鋒各個(gè)方向運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系已經(jīng)通過試驗(yàn)得出存在很好的冪函數(shù)關(guān)系，2 種灌溉方式存在一致性［25-27］。對于膜調(diào)控潤灌，濕潤鋒垂直向下的運(yùn)移距離與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系擬合存在很好的線性關(guān)系，與傳統(tǒng)地下滴灌存在很大的差異性。

4 結(jié)論

通過以上內(nèi)容的研究表明，利用HYDRUS-2D軟件所建立的土壤入滲模型能夠很好地模擬出膜調(diào)控潤灌土壤水分運(yùn)移的規(guī)律，可以用來研究膜規(guī)格的變化對膜調(diào)控潤灌濕潤鋒運(yùn)移的影響。在膜規(guī)格的改變情況下能夠調(diào)控膜上下濕潤鋒的運(yùn)移距離和水量百分比。在試驗(yàn)通量和土質(zhì)一致條件下，隨著上膜尺寸的減小，其入滲結(jié)束時(shí)濕潤鋒向上運(yùn)移的距離呈增大趨勢，而在水平方向與豎直向下的運(yùn)移距離呈減小趨勢，有效地減少了膜下滲漏的水量。在研究膜調(diào)控潤灌濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系中，垂直向上與水平方向濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間存在著顯著的冪函數(shù)關(guān)系；垂直向下濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間存在著顯著的線性關(guān)系。