套管長度和灌水器流量對涌泉根灌入滲特性的影響

劉珂瑤，吳普特，朱德蘭，蔡耀輝，宋小林，王建平

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 4. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 5. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 6. 延安市寶塔區(qū)果業(yè)技術(shù)推廣和營銷服務(wù)中心，陜西 延安 716000)

涌泉根灌是一種針對高耗水經(jīng)濟(jì)林果進(jìn)行局部、大流量灌溉的地下灌溉技術(shù)[1-3].該技術(shù)通過微管-灌水器將水肥直接輸送至樹木根區(qū)，形成適宜其生長的水、肥、氣、熱條件[4-7].灌水器一般采用迷宮式流道，流道較長、過水?dāng)嗝孑^大且抗堵塞能力較強(qiáng)[8-11]，外部設(shè)置有PVC或多孔材料套管，可有效解決負(fù)壓吸泥和根系入侵導(dǎo)致的堵塞問題[4].

歷經(jīng)10余年，涌泉根灌技術(shù)在黃土高原應(yīng)用后取得了良好的節(jié)水、增產(chǎn)效果，提高了作物的水分利用效率，減少了表層土壤水分蒸發(fā)[12-15].大田試驗(yàn)中，多以蘋果和紅棗為研究對象.ZHONG等[16]發(fā)現(xiàn)對蘋果從開花至結(jié)果期進(jìn)行中度水分虧缺處理可提高果實(shí)品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率，與漫灌相比，涌泉根灌的節(jié)水效果更明顯.曾健[17]對果樹進(jìn)行調(diào)虧灌溉，分析了蘋果各生育期的耗水規(guī)律以及土壤含水率對果樹生長和果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，建立了陜北山地涌泉根灌蘋果樹灌溉制度評價(jià)體系.強(qiáng)敏敏等[18]發(fā)現(xiàn)利用涌泉根灌技術(shù)對棗樹進(jìn)行輕度和中度水分虧缺處理可有效抑制棗吊和新梢生長，促進(jìn)果實(shí)生長.車銀偉等[19]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每株灌水80 L為應(yīng)用涌泉根灌技術(shù)時(shí)棗樹的最優(yōu)灌水定額.但在實(shí)際應(yīng)用中，由于灌水技術(shù)參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的表層蒸發(fā)損失、深層滲漏問題依然存在.因此，通過明晰涌泉根灌入滲特性，確定其應(yīng)用參數(shù)，將為該技術(shù)的大面積應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐.

近年來，相關(guān)學(xué)者將室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合對涌泉根灌土壤水分入滲特性進(jìn)行了深入研究.牛文全等[20]研究發(fā)現(xiàn)初始含水率對涌泉根灌濕潤體大小有顯著影響，初始含水率越大，濕潤體體積越大.代智光[21]建立了涌泉根灌土壤水分入滲模型，并利用Hydrus-2D軟件進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)測值具有較好的一致性.李耀剛等[22]運(yùn)用Hydrus-3D軟件對涌泉根灌土壤水分入滲進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)灌水量相同時(shí)，隨灌水器流量增加，濕潤體內(nèi)高含水區(qū)域的面積明顯增大.現(xiàn)有研究大多僅揭示了涌泉根灌技術(shù)在單因素影響下的入滲特性，缺乏對其在套管和灌水器參數(shù)交互影響下入滲特性的研究.

在實(shí)際應(yīng)用中，涌泉根灌配套套管多采用PVC打孔管，人工打孔費(fèi)時(shí)費(fèi)力，質(zhì)量控制難度較大.研究中也有學(xué)者將PP棉濾芯作為配套套管，其是以聚丙烯樹脂纖維纏繞粘結(jié)而成的多孔滲水管，具有可工業(yè)化大批量生產(chǎn)、價(jià)格低廉和質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn).陳俊英等[4]應(yīng)用PVC和PP棉2種材料制成涌泉根灌套管，發(fā)現(xiàn)2種套管在土壤表面形成的水平濕潤半徑與時(shí)間的自然對數(shù)呈線性關(guān)系，并建立了由表面水平濕潤半徑反演最大水平濕潤半徑和濕潤深度的預(yù)測模型.但涌泉根灌入滲特性不僅與套管參數(shù)直接相關(guān)，更受灌水器流量和套管參數(shù)交互作用的影響.

目前，選用PP棉濾芯作為涌泉根灌套管，探究其入滲特性對流量和套管長度反饋機(jī)制的研究尚未見報(bào)道.因此，文中研究選用PP棉濾芯作為涌泉根灌配套套管進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)，設(shè)置不同的套管長度和灌水器流量，揭示兩者交互作用下土壤水分入滲特性，明確灌水器的出流機(jī)制，提出技術(shù)應(yīng)用參數(shù)(流量和套管長度)，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

涌泉根灌入滲試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)試驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)裝置以及灌水器和PP棉套管細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.試驗(yàn)裝置由供水裝置、灌水裝置、土箱和土壤水分傳感器4部分組成.供水裝置由水箱、水泵和管道等組成.灌水裝置由涌泉根灌灌水器和孔徑為5 μm的PP棉套管組成.灌水器埋置于土箱一角，以模擬實(shí)際大田中1/4的土壤水分運(yùn)移情況，進(jìn)水口距土壤表層10 cm.矮化蘋果樹的根系主要集中在0～80 cm土層深度，上層根系分布密集，下層稀疏[23].為確定濕潤體區(qū)域與果樹根系分布范圍的匹配效果，選擇尺寸為45 cm×45 cm×75 cm(長×寬×高)的有機(jī)玻璃土箱.

圖1 試驗(yàn)裝置以及灌水器和PP棉套管細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)土壤取自陜西省延安市寶塔區(qū)，土壤類型為黃綿土.試驗(yàn)前,土壤經(jīng)自然風(fēng)干后碾壓、粉碎過2 mm篩后混合均勻制成試驗(yàn)土樣備用.土壤顆粒組成由馬爾文激光粒度分析儀MS2000測定，其中黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)分別為16.15%，28.36%和55.49%，土壤質(zhì)地為砂壤土.將試驗(yàn)土樣按1.35 g/cm3的容重裝入土箱，每層10 cm，層間打毛.試驗(yàn)過程中用塑料薄膜覆蓋土壤表面，以防止土壤水分蒸發(fā).

1.3 試驗(yàn)方法與觀測內(nèi)容

試驗(yàn)過程中，各處理的總灌水量相同，計(jì)算式為

m=γzp(θmax-θmin)，

(1)

式中:m為灌水定額，mm；γ為土壤容重，取1.35 g/cm3；z為計(jì)劃濕潤層深度，取0.75 m；p為濕潤比，取0.35；θmax，θmin分別為土壤體積含水率上、下限(占土體積百分比)，分別取41.08%，1.89%.

經(jīng)計(jì)算，總灌水量為7 L.試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)不同的套管長度I(20，40，60 cm)和2個(gè)灌水器流量Q[18,19,24](4，12 L/h)，共6個(gè)處理.試驗(yàn)處理見表1.

表1 試驗(yàn)處理表

由于試驗(yàn)時(shí)將套管和灌水器置于土箱一角，模擬大田試驗(yàn)1/4濕潤體情況，故取大田實(shí)際使用流量的1/4，分別為1和3 L/h進(jìn)行土箱試驗(yàn).

土壤經(jīng)自然沉降24 h后開始試驗(yàn).入滲開始后,采用秒表計(jì)時(shí)，定時(shí)觀測所形成濕潤體的水平濕潤半徑和垂直向上入滲距離.按照先密后疏的原則，在有機(jī)玻璃外壁描出不同時(shí)刻所對應(yīng)的濕潤體形狀，并用鋼尺測量濕潤鋒距離.隨后應(yīng)用美國Decagon公司的EM50土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對濕潤體形狀的影響

圖2為不同處理水平(L)和垂直向上(R)濕潤鋒隨灌溉時(shí)間(t)的變化情況：變化趨勢基本相同，先快速增加，而后速率逐漸減慢.入滲初期，基質(zhì)吸力較大，灌水器流量為4和12 L/h時(shí)，分別在0～50和0～20 min時(shí)間段內(nèi)濕潤鋒的變化速率最快.隨入滲時(shí)間增加，灌水器周圍一定范圍內(nèi)的土壤體積含水率接近體積飽和含水率，毛管懸著水達(dá)到最大，基質(zhì)吸力減小，使得濕潤鋒變化速率明顯下降.

灌水結(jié)束時(shí)，相同灌水器流量下，套管長度為40 cm所形成的水平和垂直向上濕潤鋒均最大.套管長度相同時(shí)，灌水器流量為4 L/h所形成的水平濕潤鋒大于12 L/h的；垂直向上濕潤鋒則相反.在套管長度和灌水器流量的交互影響下，水平和垂直向上方向最有利于土壤水分運(yùn)移的配套組合分別是處理2和5.

圖2 水平濕潤鋒和垂直向上濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間關(guān)系圖

研究表明[4]L和R與灌溉時(shí)間t之間的關(guān)系可用冪函數(shù)表示，即

(2)

擬合參數(shù)a,b,c,d見表2，相關(guān)系數(shù)R2均不低于0.97，各參數(shù)擬合結(jié)果較好，能較好說明涌泉根灌土壤入滲濕潤鋒與入滲時(shí)間的關(guān)系.

表2 不同套管長度和灌水器流量下濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間關(guān)系的擬合結(jié)果

灌水結(jié)束后土壤水分仍在繼續(xù)運(yùn)移.與灌水過程中的運(yùn)移速率相比，此時(shí)的運(yùn)移速率大大降低.表3為再分布過程中水平和垂直向上方向上濕潤鋒運(yùn)移距離.由表可知，從灌水結(jié)束時(shí)至灌水結(jié)束后24 h，灌水器流量為4 L/h的水平和垂直向上方向濕潤鋒的變化量均大于灌水器流量為12 L/h的.再分布過程中，處理2的濕潤鋒運(yùn)移距離變化最明顯，水平和豎直向上方向濕潤鋒的變化量分別為4.6和4.3 cm.

表3 再分布過程中水平和垂直向上方向上濕潤鋒運(yùn)移距離

2.2 對濕潤體內(nèi)土壤水分分布的影響

2.2.1 灌水結(jié)束時(shí)土壤水分分布規(guī)律

圖3為灌水結(jié)束時(shí)不同處理所形成濕潤體剖面的土壤水分分布圖，圖中θ為土壤體積含水率；x,y分別為水平和垂直位置.相同套管長度、不同灌水器流量所形成濕潤體的形狀以及土壤水分分布規(guī)律相似，土壤體積含水率均從最大值處向四周遞減，分布曲線由疏到密變化，濕潤體高含水區(qū)出現(xiàn)在灌水器下方偏右位置.灌水器流量相同時(shí)，套管長度為40 cm所形成濕潤體的體積最大且水分分布更加均勻.灌水器流量為12 L/h的濕潤體體積含水率最大值均大于灌水器流量為4 L/h的.在流量和套管長度的交互作用下，處理1所形成濕潤體高含水區(qū)域范圍以及含水率的最大值均小于其他處理.處理6由于土箱尺寸的限制，濕潤體內(nèi)土壤水分積聚現(xiàn)象最明顯，含水率的最大值明顯大于其他處理.處理5所形成濕潤體的體積最大，水分分布更加均勻，最有利于土壤水分運(yùn)移.

圖3 不同處理灌水結(jié)束時(shí)土壤剖面水分分布圖

2.2.2 灌水結(jié)束24 h后土壤水分再分布規(guī)律

圖4為灌水結(jié)束24 h后濕潤體剖面的土壤水分分布圖.

圖4 不同處理灌水結(jié)束24 h后土壤剖面水分分布圖

再分布過程中，濕潤體高含水區(qū)的含水率減小，土壤水分分布趨于均勻，濕潤體體積明顯增大.與大流量相比，小流量灌水歷時(shí)長，基質(zhì)勢對其水分?jǐn)U散的影響大，灌水過程中已開始進(jìn)行水量平衡，因此再分布過程中濕潤體內(nèi)體積含水率變化程度較小.在流量和套管長度交互作用下經(jīng)過24 h再分布，處理6土壤水分消退現(xiàn)象最明顯.處理5濕潤體體積變化最大，水分分布最均勻.

3.3 對套管內(nèi)積水深度和入滲速率的影響

灌水過程中，灌水器流量為4 L/h的處理，其入滲速率始終小于或等于土壤入滲速率，套管內(nèi)并未形成積水.因此，此處僅討論灌水器流量為12 L/h的情況.

圖5為灌水器流量為12 L/h時(shí)套管內(nèi)積水深度h和入滲速率v隨時(shí)間的變化圖.0～30 min套管內(nèi)的積水深度快速增加，30～60 min增速減緩，趨于穩(wěn)定，80 min后基本為定值(圖5a).套管長度為40 cm時(shí)，套管內(nèi)積水深度最大，但僅較其他2個(gè)處理高2 cm.由圖5b可以看出,20～30 min入滲速率迅速降低，30～60 min入滲速率緩慢降低，60 min后基本穩(wěn)定.穩(wěn)定時(shí)，套管長度40 cm的入滲速率最小為0.225 cm/min.

3 討 論

垂直向上方向受基質(zhì)吸力與反方向的重力勢作用，隨套管內(nèi)積水深度增加，垂直向上濕潤鋒與積水上邊界的水分梯度減小，將增大該方向上濕潤鋒的運(yùn)移速率.因此，灌水結(jié)束時(shí)灌水器流量為12 L/h時(shí)的垂直向上濕潤鋒要大于4 L/h的，這與費(fèi)良軍等[25]研究結(jié)果一致.

濕潤體的位置主要受套管長度影響.套管長度越長，濕潤體越接近底層土壤，且在重力勢和基質(zhì)勢的共同作用下，高含水率區(qū)域也會(huì)發(fā)生下移和右移現(xiàn)象，這與地下滴灌濕潤體的特征有一定區(qū)別[26].文中研究由于受土箱尺寸的限制，套管長度為60 cm所形成的濕潤體主要位于土壤底層，土箱底板與分層土壤中的不透水層類似[27]，可有效阻隔土壤水向底層運(yùn)移，減少深層滲漏風(fēng)險(xiǎn)，提高灌溉水利用效率.因此，在土壤質(zhì)地較輕、蒸發(fā)強(qiáng)烈的地區(qū)可將較長的套管和隔離層聯(lián)合使用，使有限的水分匯聚至作物根系集中的土層.GUO等[28]發(fā)現(xiàn)通過土壤壓實(shí)可減小土壤孔隙度，降低水分入滲速率，有效防止灌溉水向下層滲漏.因此，實(shí)際應(yīng)用中可先將與套管底部接觸的土壤區(qū)域進(jìn)行壓實(shí)處理再放置套管進(jìn)行填埋，以降低深層滲漏，提高保水能力.

對于同一種土壤，灌水器流量和土壤特性的交叉作用會(huì)對其穩(wěn)定入滲速率產(chǎn)生影響，從而使積水深度發(fā)生變化.灌水器流量相同時(shí)，由于套管長度不同會(huì)導(dǎo)致濕潤體體積和濕潤體內(nèi)高含水區(qū)域范圍不同，則在土壤水勢作用下會(huì)對積水深度產(chǎn)生一定影響.套管長度為40 cm時(shí)所形成濕潤體的體積和高含水區(qū)域范圍均最大，使得土壤水勢對套管內(nèi)積水入滲的抑制作用最明顯.灌水過程中套管內(nèi)腔并未被水完全充滿，仍存留有少量空氣，對套管頂部和底部進(jìn)行密封處理后，空氣壓力也會(huì)對灌溉水出流產(chǎn)生影響.其中60 cm時(shí)壓縮空氣對出流的促進(jìn)作用最明顯.因此，在土壤水勢和壓縮空氣的共同作用下，套管長度為40 cm時(shí)積水深度最大.

套管內(nèi)積水深度發(fā)生變化時(shí)，積水上沿的灌溉水會(huì)迅速入滲，使得積水深度降低，基本上維持平衡，使得穩(wěn)定入滲后入滲速率維持相同.但相對于地下滴灌點(diǎn)源入滲，灌水器出口處形成正壓[29]，使得灌水器流量降低，涌泉根灌套管內(nèi)部的積水顯著提高了土壤入滲的水勢梯度，形成有壓壓差水頭入滲，提高了土壤水分的運(yùn)移速率，促進(jìn)土壤水分?jǐn)U散.當(dāng)土壤水分入滲達(dá)到穩(wěn)定后，套管內(nèi)積水深度不再變化，表現(xiàn)出典型的柱狀出流面源入滲.這與李耀剛等[30]的初步研究結(jié)論一致.

4 結(jié) 論

1) 在套管長度和灌水器流量的交互影響下，最有利于土壤水分在水平和垂直向上方向上運(yùn)移的配套組合：灌水器流量為12 L/h、套管長度為40 cm.

2) 灌水器流量主要影響濕潤體的特征，而套管長度主要影響濕潤體的位置.灌水器流量為12 L/h、套管長度為40 cm時(shí)所形成濕潤體的體積更大，水分分布更加均勻，最有利于土壤水分的運(yùn)移.

3) 涌泉根灌入滲時(shí)，套管內(nèi)部積水會(huì)使入滲面增大，提高土壤入滲水勢梯度，形成有壓入滲，從而提高土壤水分的運(yùn)移速率.流量和土壤特性對積水深度影響較大，套管長度對積水深度影響較小.

4) 根據(jù)不同果樹主根系的分布范圍合理確定套管長度和埋深，選擇適宜的灌水器流量，并進(jìn)行土壤壓實(shí)處理，可降低深層滲漏和表層蒸發(fā)損失，提高水分利用效率和保水能力.