泥沙顆粒級(jí)配組成對(duì)渾水波涌灌間歇入滲特性的影響研究

魏家興，費(fèi)良軍，梁爽，介飛龍

泥沙顆粒級(jí)配組成對(duì)渾水波涌灌間歇入滲特性的影響研究

魏家興，費(fèi)良軍*，梁爽，介飛龍

（西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

【目的】利用渾水波涌灌提高渾水灌溉地區(qū)水資源利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展?！痉椒ā吭诂F(xiàn)有渾水波涌灌技術(shù)研究基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)北方缺水現(xiàn)狀及黃河流域河流泥沙量高等特點(diǎn)，通過渾水波涌灌間歇入滲試驗(yàn)，以清水間歇入滲為對(duì)照，設(shè)置4種不同渾水含沙率（3%、6%、9%、12%）以及4種不同顆粒級(jí)配組成（A、B、C、D）的渾水，共計(jì)14組試驗(yàn)，研究渾水波涌灌間歇入滲能力、渾水入滲減滲率等指標(biāo)隨入滲時(shí)間的變化規(guī)律?！窘Y(jié)果】渾水波涌灌間歇入滲累積入滲量與入滲所需時(shí)間均符合Philip和Kostiakov入滲模型；在Kostiakov模型各擬合結(jié)果中，隨著周期數(shù)的增加，擬合系數(shù)和擬合指數(shù)則均由大變?。辉赑hilip入滲模型中，隨著周期數(shù)的增加，擬合系數(shù)與擬合系數(shù)均由大變小。【結(jié)論】與清水間歇入滲相比較，渾水泥沙的物理黏性顆粒量越大，相應(yīng)入滲深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同深度下，物理黏性顆粒量越大，土壤含水率越小。

波涌灌；間歇入滲；室內(nèi)試驗(yàn)；Philip入滲模型；Kostiakov入滲模型

0 引言

【研究意義】我國(guó)是水資源極度貧瘠的國(guó)家之一。目前，我國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.536，遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)水平（0.7～0.8），并且因人口基數(shù)大，人均水資源占有量極低[1]。為了改善農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀，許多專家已經(jīng)對(duì)引黃河渾水灌溉進(jìn)行了大量的研究[2-3]，結(jié)果表明，引黃河渾水灌溉對(duì)于緩解旱情及改良土壤等方面有著重大意義。此外，波涌灌在節(jié)水、節(jié)能、保肥、提高水流推進(jìn)速度及提高灌水質(zhì)量等方面效果顯著。波涌灌容易實(shí)現(xiàn)小定額灌溉，并能基本解決長(zhǎng)畦（溝）灌水難的問題，與我國(guó)北方旱作農(nóng)作物的地面灌溉方式相當(dāng)契合[4]。因此，為了提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)行渾水波涌灌的相關(guān)研究對(duì)農(nóng)業(yè)水資源高效利用具有重要意義。【研究進(jìn)展】多年來，高泥沙量存在的水流灌溉實(shí)踐證明[5]，其不僅可以顯著提高土壤肥力，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量，乃至解決該地區(qū)農(nóng)業(yè)缺水的關(guān)鍵問題，同時(shí)黃河是我國(guó)境內(nèi)河流中攜帶泥沙量最大的河流之一，因此，針對(duì)渾水灌溉進(jìn)行科學(xué)研究既體現(xiàn)了我國(guó)在該研究領(lǐng)域的獨(dú)特性，又響應(yīng)了我國(guó)生產(chǎn)的實(shí)際需要[6]。

泥沙顆粒級(jí)配組成反映了渾水中泥沙的粒徑組成情況，是渾水泥沙的重要物理指標(biāo)，也是研究渾水入滲的主要因素[7-8]。渾水泥沙顆粒級(jí)配的不同組合會(huì)改變致密層的形成時(shí)間，進(jìn)而在入滲過程中產(chǎn)生阻礙作用，影響入滲結(jié)果[9-12]。卞艷麗等[13]通過分析渾水不同顆粒級(jí)配入滲提出，阻礙渾水入滲的關(guān)鍵指標(biāo)是物理黏性顆粒，其量的大小會(huì)直接影響渾水的入滲效果?！厩腥朦c(diǎn)】渾水灌溉中物理黏性顆粒級(jí)配組成對(duì)于波涌灌間歇入滲特性的相關(guān)研究仍有不足，該研究可以進(jìn)一步完善相關(guān)理論[14-16]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文利用物理黏性顆粒量來表示各渾水泥沙顆粒級(jí)配組成的區(qū)別，通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)，研究渾水泥沙顆粒級(jí)配組成對(duì)渾水間歇入滲特性以及致密層形成特性的影響。研究結(jié)果可為波涌灌在我國(guó)北方地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)所需的土壤取自西安市灞橋區(qū)，自然風(fēng)干后碾碎并用2 mm的篩子進(jìn)行篩分。經(jīng)測(cè)量，試驗(yàn)土壤初始質(zhì)量含水率為3.98%，土壤的粒級(jí)組成為，粒徑≤0.002 mm的占比為7.99%，0.002 mm＜≤0.05 mm占比為47.67%，0.05 mm＜≤2 mm的占比為44.34%。

1.2 試驗(yàn)?zāi)嗌?/h3>

本試驗(yàn)所需泥沙取自陜西省咸陽市涇惠渠，將泥沙風(fēng)干后過1 mm篩后裝袋保存。

由于黃河上下游泥沙量不一，大約分布在3%～15%[17-18]，將試驗(yàn)方案中的泥沙配置成4種不同渾水含沙率（3%、6%、9%、12%）以及4種不同顆粒級(jí)配組成（A、B、C、D）的渾水。表1為4種泥沙顆粒級(jí)配組成。

表1 4種渾水泥沙顆粒級(jí)配組成

表1中0.01表示泥沙顆粒中小于0.01 mm的粒徑體積量。渾水的特別之處在于水中摻有泥沙，而泥沙在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)入滲結(jié)果有直接的影響。

1.3 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

采用傅渝亮等[19]研制的裝置進(jìn)行入滲試驗(yàn)，如圖1所示，馬氏瓶規(guī)格：內(nèi)徑9 cm，高90 cm。改進(jìn)方式是在馬氏瓶?jī)?nèi)部加入1個(gè)60-KTYZ型電動(dòng)機(jī)組成的系統(tǒng)，傳動(dòng)軸直徑為1.4 cm，中間的傳動(dòng)軸連接的葉片以60 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以在入滲過程中使馬氏瓶?jī)?nèi)的渾水泥沙旋轉(zhuǎn)起來，將渾水的含沙量及泥沙顆粒級(jí)配組成維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)沉積在馬氏瓶底部影響入滲結(jié)果。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)土柱高40 cm、內(nèi)徑8.5 cm，土柱由2個(gè)有機(jī)玻璃材質(zhì)的半圓筒拼接而成，兩部分間墊入柔性墊片，通過螺栓加以固定，以免入滲過程中有水流從連接處滲出。本試驗(yàn)設(shè)置的水頭高度為3～5 cm，因?yàn)橛旭R氏瓶與土柱上方的液體相連接，所以土柱上方可以保持一定的水壓不變，進(jìn)而使土壤入滲能力保持不變。在裝土過程中，將試驗(yàn)土樣分層裝入土柱之中，控制土層體積質(zhì)量為1.35 g/cm3；每隔5 cm裝1層土，并且在土壤層間進(jìn)行打毛，避免在入滲過程中由于土壤分層不連續(xù)而影響入滲結(jié)果，最后將土樣裝至預(yù)定高度。

試驗(yàn)于2022年6月7日—7月5日在西安理工大學(xué)進(jìn)行。使用4種不同泥沙顆粒級(jí)配組成的渾水（表1）進(jìn)行波涌灌間歇入滲試驗(yàn)，以清水（CK）入滲作為對(duì)照，按照渾水含沙率、物理性黏粒量、循環(huán)率、周期數(shù)來設(shè)計(jì)試驗(yàn)，具體方案如表2所示。采用正交試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共有14個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，用到42個(gè)土柱。

表2 正交試驗(yàn)方案

主要觀測(cè)指標(biāo)及方法：①入滲歷時(shí)：采用秒表計(jì)時(shí)法，開始供水時(shí)，立即計(jì)時(shí)；按照由密到疏的時(shí)間間隔，記錄入滲時(shí)間、馬氏瓶水位以及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離；②累積入滲量：供水過程中，觀測(cè)相應(yīng)入滲歷時(shí)的馬氏瓶水位，停止供水時(shí)立即用針管與棉球吸取土表多余水量，馬氏瓶?jī)?nèi)減少水量與土表多余水量之差即為累積入滲量；③濕潤(rùn)鋒運(yùn)移軌跡：在既定的入滲歷時(shí)下，通過土柱透明玻璃側(cè)壁，可以清晰地看出相應(yīng)的濕潤(rùn)鋒軌跡，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量具體入滲深度；注意事項(xiàng)：試驗(yàn)過程中間歇停水階段，為了保證水分不繼續(xù)下滲，用針管與棉球吸干土柱上方落淤層殘留水分；間歇時(shí)間結(jié)束恢復(fù)供水時(shí)，為防止水流沖刷落淤層，影響試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用擋板擋住水流，使其從圓桶壁上均勻流下。

1.4 計(jì)算項(xiàng)目

采用簡(jiǎn)化的Philip入滲模型、Philip入滲模型和Kostiakov模型分別計(jì)算入滲率，公式如下：

1）簡(jiǎn)化的Philip入滲模型

1/2， （1）

式中：為時(shí)刻的入滲率（cm/min）。

2）Philip入滲模型

式中：()為時(shí)刻的入滲率（cm/min）；為吸滲率（cm/min0.5）；為穩(wěn)定入滲率（cm/min）。

根據(jù)上式，對(duì)時(shí)間積分，即可得出累積入滲量()與入滲歷時(shí)之間的關(guān)系：

()0.5。 （3）

3）Kostiakov模型

Kostiakov模型公式表達(dá)形式簡(jiǎn)單，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、可用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出來，適用性強(qiáng)，獲得了廣泛應(yīng)用，可用于描述渾水波涌灌入滲率和累積入滲量的變化情況。

=， （4）

式中：為渾水入滲率（mm/h）；、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，決定入滲曲線形狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 渾水泥沙顆粒級(jí)配組成對(duì)單位面積累積入滲量的影響

各個(gè)周期累計(jì)入滲量及相應(yīng)入滲率情況如表3所示，與清水相比，4種不同泥沙顆粒級(jí)配組成的渾水入滲量出現(xiàn)明顯變化的時(shí)間發(fā)生在20 min左右，并且相同時(shí)間內(nèi)，物理黏性顆粒量越大的渾水累積入滲量越少。而4種泥沙顆粒級(jí)配組成的渾水相比清水入滲，最終累積入滲量都偏小。當(dāng)累積入滲量相同時(shí)，渾水較清水所花費(fèi)時(shí)間更多，說明渾水間歇入滲的致密層形成時(shí)間比清水間歇入滲更快，減滲作用更好。

表3 不同泥沙顆粒級(jí)配間歇入滲累計(jì)入滲量及入滲率

渾水較清水間歇入滲的區(qū)別在于渾水中所含泥沙的不斷落淤與入滲水流攜帶滯留于表層土壤，改變了原本間歇入滲致密層的形成，使減滲作用進(jìn)一步加強(qiáng)。渾水泥沙顆粒級(jí)配組成反映了泥沙顆粒粒徑大小的相對(duì)組成情況，試驗(yàn)表明，相同入滲歷時(shí)下，泥沙顆粒越細(xì)，物理黏性顆粒量越高，則減滲效果越好，說明渾水泥沙沉積使田面致密層形成所需的歷時(shí)越短，致密層能夠更早的起到減滲作用；反之渾水泥沙細(xì)顆粒越少，物理黏性顆粒量越低，田面致密層形成所需歷時(shí)變長(zhǎng)，減滲效果越差。這是由于物理黏性顆粒量越多，能填入表層土壤孔隙的細(xì)粒就越多，致密層發(fā)展就越快，減滲作用就越好。在本文的試驗(yàn)條件下，物理黏性量為10.45%的渾水致密層形成所需時(shí)間最長(zhǎng)。

第2周期的累積入滲量比第1周期明顯下降，這是因?yàn)樵陂g歇時(shí)間內(nèi)形成的致密層起到了減滲作用，也表明第1周期末間歇階段形成的致密層起到的減滲作用比第1周期內(nèi)泥沙沉積形成的落淤層所起到的減滲作用更強(qiáng)。第3周期與第2周期相比，累積入滲量基本相同，說明在第2周期內(nèi)，致密層已經(jīng)完全形成。在間歇入滲的過程中，泥沙粗、細(xì)顆粒對(duì)各個(gè)變量處理下的致密層形成速度的影響程度有明顯不同，其他處理?xiàng)l件相同時(shí)，明顯泥沙中粗顆粒的反應(yīng)快于細(xì)顆粒。將單位面積累積入滲量隨入滲歷時(shí)變化的曲線關(guān)系采用簡(jiǎn)化的Philip入滲模型、Philip入滲模型和Kostiakov模型分別進(jìn)行擬合，各模型的擬合結(jié)果如表4—表6所示。

表4 簡(jiǎn)化的Philip入滲模型擬合結(jié)果

表5 Philip入滲模型擬合結(jié)果

表6 Kostiakov模型擬合結(jié)果

由表4—表6可知，Philip入滲模型以及Kostiakov模型的決定系數(shù)均大于0.97，擬合結(jié)果較好。

在Kostiakov模型各擬合結(jié)果中，渾水泥沙中的物理黏性顆粒量百分比從10.45%增長(zhǎng)到40.74%，3個(gè)周期內(nèi)的擬合系數(shù)和擬合指數(shù)則均由大變小。具體為第1周期，隨著物理黏性顆粒量的增高，擬合系數(shù)從0.513 8減小到0.444 2，擬合指數(shù)從0.614 4減小到0.565 9；第2周期內(nèi)，擬合系數(shù)從0.115 3減小到0.102 7，擬合指數(shù)從0.673 0減小到0.625 6；第3周期內(nèi)，擬合系數(shù)從0.030 5減小到0.024 1，擬合指數(shù)從0.895 2減小到0.858 2。

在Philip入滲模型中，渾水泥沙中的物理黏性顆粒量百分比從10.45%增長(zhǎng)到40.74%，3個(gè)周期內(nèi)的擬合系數(shù)與擬合系數(shù)均由大變小。具體表現(xiàn)為，第1周期，隨著物理黏性顆粒量的增高，擬合系數(shù)從0.620 6減小到0.440 1，擬合系數(shù)從0.026 1減小到0.021 9；第2周期內(nèi)，擬合系數(shù)從0.144 8減小到0.120 8，擬合系數(shù)從0.012 8減小到0.006 2；第3周期內(nèi)，擬合系數(shù)從0.023 5減小到0.015 0，擬合系數(shù)從0.018 3減小到0.012 2。

對(duì)Kostiakov模型中的入滲系數(shù)與入滲指數(shù)進(jìn)行分析，在3個(gè)周期中其與物理黏性顆粒量均為直線關(guān)系。各個(gè)周期中，入滲系數(shù)與入滲指數(shù)與物理黏性顆粒量0.01的關(guān)系如下：

第1周期：

=-0.002 30.01+0.545 0,2=0.916 1， （5）

-0.001 50.01+0.634 0,2=0.914 1， （6）

第2周期：

=-0.000 20.01+0.033 3,2=0.930 8， （7）

=-0.001 70.01+0.688 9,2=0.974 0， （8）

第3周期：

=-0.000 40.01+0.118 7,2=0.924 8， （9）

=-0.001 30.01+0.911 3,2=0.932 5， （10）

3個(gè)周期的擬合系數(shù)與擬合指數(shù)與物理黏性顆粒量0.01相關(guān)系數(shù)2均在0.91之上，直線擬合狀態(tài)較好。由此可以分別得到3個(gè)周期的包含物理黏性顆粒量0.01的Kostiakov入滲模型，模型如下：

第1周期：

第2周期：

第3周期：

2.2 不同渾水泥沙顆粒級(jí)配間歇入滲減滲率分析

表7為不同泥沙顆粒級(jí)配間歇入滲平均減滲率情況。由表7可知，不同泥沙顆粒級(jí)配組成的間歇入滲下，在相同周期內(nèi)，物理黏性顆粒量越大，平均減滲率越大。其中在物理黏性顆粒量為10.45%時(shí)，第2周期略低于第1周期內(nèi)的減滲率，之后第3周期又有所減少，這可能是由于泥沙量較小，入滲時(shí)泥沙沉積量小，使得致密層形成不完全，減滲率一直處于較小狀態(tài)。而其他泥沙顆粒級(jí)配組成的間歇入滲的情況則是在第2周期內(nèi)減滲率達(dá)到最大，第3周期有所減小，這是由于物理黏性顆粒量變多，能較快地填補(bǔ)大顆粒間的空隙，形成良好致密層的時(shí)間相較更短。

表7 不同泥沙顆粒級(jí)配間歇入滲平均減滲率

圖2為物理性黏粒量為10.45%、25.26%、34.87%、40.74%渾水在不同的入滲歷時(shí)（20、40、60、80、100、120 min）的減滲量的變化過程?？梢缘贸鼋Y(jié)論：渾水間歇入滲減滲量隨著入滲歷時(shí)的增大而增大，但是增大幅度隨著周期的不斷增加而減小，且每個(gè)階段的平均減滲率先增大后減小。渾水泥沙的物理黏性顆粒量越大，相應(yīng)同時(shí)刻的減滲量越大，減滲效果越明顯，減滲作用越強(qiáng)。

圖2 不同泥沙顆粒級(jí)配組成下減滲量隨時(shí)間變化曲線

圖3為整個(gè)凈入滲時(shí)間各個(gè)時(shí)段減滲量的變化過程。可以看出，不同渾水泥沙顆粒級(jí)配組成處理下的減滲量的變化過程基本相同，均是在前期達(dá)到一個(gè)最高值，然后緩慢變小。渾水的物理黏性顆粒量越大，同一時(shí)段的減滲量越大，相較于清水的減滲作用越強(qiáng)。B、C、D泥沙顆粒級(jí)配下減滲量最大值均出現(xiàn)在第1周期的0～20 min，A處理的減滲量的最大值則出現(xiàn)在20～40 min，最小值均發(fā)生在最后時(shí)段，這可能是由于A處理中的物理黏性顆粒量較小，使得致密層形成時(shí)間較長(zhǎng)，在20～40 min時(shí)段減滲效果才逐漸體現(xiàn)。

圖3 不同泥沙顆粒級(jí)配組成下減滲量各時(shí)段變化過程

3 討論

利用渾水進(jìn)行灌溉是中國(guó)黃河流域灌區(qū)灌溉的基本模式，本研究通過不同因素影響下渾水波涌灌間歇入滲室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究了不同泥沙顆粒級(jí)配對(duì)渾水間歇入滲特性的影響，分析了土壤入滲能力、土壤減滲率的變化和土壤含水率的分布情況。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與入滲規(guī)律，渾水泥沙的物理黏性顆粒量越大，相同時(shí)刻的減滲量越大，減滲效果越明顯，減滲作用越強(qiáng)。不同泥沙顆粒級(jí)配組成下土壤含水率與入滲深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同深度下，物理黏性顆粒量越大土壤含水率越小，試驗(yàn)結(jié)論與卞艷麗等[20-21]結(jié)果一致。這是由于渾水所含泥沙顆粒組成不同，在入滲過程中進(jìn)入土壤的細(xì)顆粒越來越多，不是簡(jiǎn)單的沉積在土壤表面，而是逐漸填充土壤孔隙，堵塞了細(xì)顆粒繼續(xù)進(jìn)入的通道，并起到一定的阻滲作用，其中物理性黏粒量越大，在入滲過程中進(jìn)入土體的細(xì)顆粒也將增加，隨著入滲的進(jìn)行，形成了不同厚度、泥沙顆粒級(jí)配組成的致密層，因此對(duì)入滲結(jié)果產(chǎn)生了不同影響，該結(jié)論與劉利華等[22]研究結(jié)論相似。

本研究通過室內(nèi)入滲試驗(yàn)，在波涌灌間歇入滲條件下設(shè)置4種泥沙顆粒級(jí)配組成，對(duì)波涌灌水分入滲過程的影響進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了不同顆粒級(jí)配對(duì)水分入滲過程的影響，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期不同泥沙顆粒級(jí)配組成波涌灌間歇入滲符合Kostiakov入滲模型，從而進(jìn)一步得到入滲率數(shù)學(xué)模型，即對(duì)入滲過程的研究。本文成果更加完善了波涌灌土壤間歇入滲在不同地區(qū)灌溉用水條件下的作用機(jī)理與適用性，作為基礎(chǔ)性研究結(jié)論，可為后續(xù)波涌灌渾水間歇入滲提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，更為后續(xù)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

同時(shí)，本研究還存在諸多不足，考慮到在農(nóng)作物灌溉過程中，肥料的加入對(duì)入滲特性的影響以及不同類型土壤中波涌灌的實(shí)際應(yīng)用情況，以后試驗(yàn)中會(huì)著重考慮進(jìn)行渾水灌溉中動(dòng)水入滲試驗(yàn)方面的研究，并將大田作物的影響、水溫對(duì)于間歇入滲特性的影響、多次渾水灌溉對(duì)土壤入滲的影響以及渾水灌溉條件下水肥耦合方面的試驗(yàn)研究和渾水膜孔灌溉方面的試驗(yàn)研究等作為研究的重點(diǎn)，逐步深入的研究渾水灌溉入滲特性，為波涌灌灌水技術(shù)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1）波涌灌渾水間歇入滲各周期累積入滲量和入滲歷時(shí)間的關(guān)系采用Philip和Kostiakov入滲模型擬合結(jié)果的決定系數(shù)均大于0.97，擬合結(jié)果較好。

2）渾水泥沙的物理黏性顆粒量越大，相應(yīng)同時(shí)刻的減滲量越大，減滲效果越明顯，減滲作用越強(qiáng)。

3）不同泥沙顆粒級(jí)配組成下土壤含水率與入滲深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同深度下，物理黏性顆粒量越大土壤含水率越小。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在利益沖突）

[1] 張小帥, 張耀哲, 黨永仁, 等. 涇惠渠灌區(qū)渾水泥沙輸移特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(S1): 180-187.

ZHANG Xiaoshuai, ZHANG Yaozhe, DANG Yongren, et al.Sediment transport characteristics in cannal irrigation district[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(S1): 180-187.

[2] 茹曉雅, 李廣, 陳國(guó)鵬, 等. 不同降水年型下水氮調(diào)控對(duì)小麥產(chǎn)量及生物量的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2019, 45(11): 1 725-1 734.

RU Xiaoya, LI Guang, CHEN Guopeng, et al. Regulation effects of water and nitrogen on wheat yield and biomass in different precipitation years[J]. Acta Agronomica Sinica, 2019, 45(11): 1 725-1 734.

[3] 劉利華. 渾水膜孔肥液自由入滲土壤水氮運(yùn)移特性及影響因素研究[D].西安: 西安理工大學(xué), 2018.

LIU Lihua. Study on the characteristics about the transport of water and nitrogen and influential factors of muddy water film hole free infiltration[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2018.

[4] 李廣, 黃高寶. 基于APSIM模型的降水量分配對(duì)旱地小麥和豌豆產(chǎn)量影響的研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(2): 342-347.

LI Guang, HUANG Gaobao. Determination of the effect of precipitation distribution on yield of wheat and pea in dryland using APSIM[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(2): 342-347.

[5] 紀(jì)亞男. 山東引黃灌區(qū)不同灌水定額對(duì)田間泥沙入滲規(guī)律的影響機(jī)理研究[D]. 泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

JI Ya’nan. The research on the effect mechanism on the field’s sediment infiltration rule under the different irrigation quota in the Shandong Yellow River irrigation area[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2015.

[6] 鐘韻, 費(fèi)良軍, 陳琳, 等.渾水膜孔灌多向交匯入滲及減滲特性[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2018, 32(1): 269-273.

ZHONG Yun, FEI Liangjun, CHEN Lin, et al. Experimental study on the characteristics of bilateral interference infiltration and infiltration reduction in film hole irrigation with muddy water[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(1): 269-273.

[7] 康守旋, 費(fèi)良軍, 鐘韻, 等. 渾水顆粒級(jí)配對(duì)一維入滲規(guī)律及致密層形成特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2021, 35(6): 222-227.

KANG Shouxuan, FEI Liangjun, ZHONG Yun, et al. Effects of muddy water particle gradationon on one-dimensional infiltration law and characteristics of tight layer formation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(6): 222-227.

[8] 鐘韻, 費(fèi)良軍, 朱士江, 等. 渾水膜孔灌入滲特性與致密層形成特性[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2022, 36(1): 238-246, 254.

ZHONG Yun, FEI Liangjun, ZHU Shijiang, et al. Infiltration characteristics of muddy water film-hole irrigation and formation characteristics of dense layers[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2022, 36(1): 238-246, 254.

[9] 鐘韻, 費(fèi)良軍, 傅渝亮, 等. 土壤容重對(duì)渾水膜孔灌單點(diǎn)源自由入滲特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2016, 30(2): 88-91, 96.

ZHONG Yun, FEI Liangjun, FU Yuliang, et al. Influence of Soil bulk density on single hole point source free infiltration characteristics of muddy water film hole irrigation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 88-91, 96.

[10] 鐘韻, 費(fèi)良軍, 康守旋, 等. 土壤容重對(duì)渾水一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2022, 36(2): 91-98.

ZHONG Yun, FEI Liangjun, KANG Shouxuan, et al. Effect of soil bulk density on one-dimensional vertical infiltration and dense layer formation characteristics of muddy water[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2022, 36(2): 91-98.

[11] 鐘韻, 費(fèi)良軍, 朱士江, 等. 渾水含沙率對(duì)一維垂直入滲特性及致密層形成特性的影響[J]. 土壤, 2022, 54(3): 602-609.

ZHONG Yun, FEI Liangjun, ZHU Shijiang, et al. Effect of sediment concentration of muddy water on one-dimensional vertical infiltration characteristics and dense layer formation characteristics[J]. Soils, 2022, 54(3): 602-609.

[12] 秦剛, 高昌珍. 波涌灌地表致密層特性研究[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 23(4): 359-362.

QIN Gang, GAO Changzhen.Study on surface sealing properties of surge flow irrigation[J]. Journal of Shanxi Agricultural University, 2003, 23(4): 359-362.

[13] 卞艷麗, 曹惠提, 張會(huì)敏, 等. 渾水灌溉下泥沙級(jí)配對(duì)土壤水入滲影響的試驗(yàn)研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2018(11): 39-47, 50.

BIAN Yanli, CAO Huiti, ZHANG Huimin, et al. An experimental study of muddy water infiltration affected by sediment concentration and size[J].Water Saving Irrigation, 2018(11): 39-47, 50.

[14] 王錦輝, 費(fèi)良軍, 聶衛(wèi)波. 渾水灌溉入滲特性研究進(jìn)展與展望[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2016, 34(2): 265-270.

WANG Jinhui, FEI Liangjun, NIE Weibo.Research progress and prospect on characteristics of muddy water irrigation infiltration[J].Agricultural Research in the Arid Areas, 2016, 34(2): 265-270.

[15] 劉樂. 渾水膜孔灌自由入滲氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化與水肥耦合特性及影響因素研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2019.

LIU Le. Study on the characteristics about nitrogen transportation and water and fertilizer coupling and influencing factors of muddy water film hole free infiltration[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2019.

[16] 鐘韻. 渾水畦灌與膜孔灌的減滲機(jī)理及其影響因素研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2020.

ZHONG Yun. Study on the mechanism and influencing factors of infiltration reduction under the border irrigation and the film-hole irrigation with muddy water[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2020.

[17] 劉俊峰, 金瑞琴, 谷碩, 等. 黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用[J]. 人民黃河, 2014, 36(9): 14-15, 19.

LIU Junfeng, JIN Ruiqin, GU Shuo, et al.New technology introduction and application of Yellow River sediment grain size analysis[J]. Yellow River, 2014, 36(9): 14-15, 19.

[18] 丁心瑞, 丁萌. 黃河泥沙顆粒分析新技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用分析[J]. 中國(guó)科技縱橫, 2015(6): 247.

[19] 傅渝亮, 費(fèi)良軍, 聶衛(wèi)波, 等. 波涌灌間歇入滲飽和-非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(2): 66-71.

FU Yuliang, FEI Liangjun, NIE Weibo, et al.Numerical simulation and experiment of soil moisture movement in saturated-unsaturated soil under surge irrigation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(2): 66-71.

[20] 卞艷麗, 曹惠提, 張會(huì)敏, 等. 泥沙級(jí)配對(duì)渾水灌溉下土壤水分增長(zhǎng)過程的影響分析[J]. 節(jié)水灌溉, 2016(7): 23-30, 35.

BIAN Yanli, CAO Huiti, ZHANG Huimin, et al. Influence of different sediment gradations on increasing process of soil moisture content under muddy water irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2016(7): 23-30, 35.

[21] 卞艷麗, 曹惠提, 張會(huì)敏, 等. 不同泥沙級(jí)配渾水灌溉入滲量及減滲作用分析[J]. 人民黃河, 2015, 37(3): 145-148.

BIAN Yanli, CAO Huiti, ZHANG Huimin, et al.Analysis on infiltration capacity and infiltration reduction effect of muddy water with different sediment gradation under the conditions of irrigation[J]. Yellow River, 2015, 37(3): 145-148.

[22] 劉利華, 費(fèi)良軍, 陳琳, 等. 渾水含沙率對(duì)膜孔灌肥液入滲土壤水氮運(yùn)移特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2020, 36(2): 120-129.

LIU Lihua, FEI Liangjun, CHEN Lin, et al. Effects of sediment concentration of muddy water on water and nitrogen transport characteristics under film hole irrigation with fertilizer infiltration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(2): 120-129.

Influence of Sediment Particle Size Distribution on Intermittent Infiltration of Water under Surge Irrigation

WEI Jiaxing, FEI Liangjun*, LIANG Shuang, JIE Feilong

(State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

【Objective】Water sourced from the Yellow River in China, which has been extensively used for irrigation in the northern irrigation districts of the country, is characterized by high sediment content. This paper aims to investigate the influence of sediment particle size distribution on water infiltration under surge irrigation. 【Method】The infiltration tests encompassed four treatments with sediment content being 3%, 6%, 9%, and 12%,respectively. Each sediment treatment included four particle gradings labeled as A, B, C, and D, respectively. In each infiltration test, we meticulously measured both the infiltration rate and the variation in infiltration over time.【Result】The relationship between cumulative infiltration and time can be described by the Philip and Kostiakov models, regardless of sediment content and particle grading. As the number of irrigation cycles increased, the parameters K and α in the Kostiakov model, as well as the parameters S and A in the Philip model, all exhibited a declining trend. 【Conclusion】In comparison to the infiltration of clean water, the infiltration depth of sedimentwater was inversely related to the presence of physically cohesive particles. Conversely, when the infiltration depth was the same, soil water content was negatively correlated to the quantity of physically cohesive particles in the water.

surge irrigation; intermittent infiltration; laboratory test; Philip infiltration model; Kostiakov infiltration

1672 - 3317（2023）10 - 0057 - 07

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022565

魏家興,費(fèi)良軍, 梁爽, 等. 泥沙顆粒級(jí)配組成對(duì)渾水波涌灌間歇入滲特性的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(10): 57-62, 84.

WEI Jiaxing, FEI Liangjun, LIANG Shuang, et al. Influence of Sediment Particle Size Distribution on Intermittent Infiltration of Water under Surge Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 57-62, 84.

2022-10-13

2023-06-20

2023-09-15

陜西省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020slkj-11）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（520791105，517792205）

魏家興（1999-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水資源高效利用研究。E-mail: wjx962207778@outlook.com

費(fèi)良軍（1963-），男。教授，主要從事節(jié)水灌溉與生態(tài)灌區(qū)研究。E-mail: feiliangjun2008@163.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍