不同质地土壤渗灌下水分运动特征实验研究与应用

□朱文武

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自南阳，为了对不同质地土壤渗灌特征进行分析，研究中取3种土壤进行了试验。分别是南阳王村（粘壤土），南阳冯楼（中壤土），白河附近（砂壤土），三种土壤的机械组成见表1。取土深度0～40cm，取土时测量土壤容重。土样取回后，先风干晾晒，挑拣出杂物，再过2mm孔径筛，搅匀，备用。

1.2 试验系统的制作

用土槽进行了物理模型试验。制成试验土槽的规格是 80cm×40cm×100 cm（长×宽×高），土槽壁采用厚1cm的有机玻璃制成，可观察槽内土壤湿润锋运移位置。

1.3 试验方法

试验于2007年1～6月在南阳气象观测站完成。为了使试验具有可比性，将不同质地土壤的含水量差异控制到较小，将土样按照原容重分层（每层5cm）装入土槽中，并注意回装土时均匀（表1）。土槽上加盖，以防试验期间土壤表面蒸发，灌水时，通过调节供水压力使渗灌管内水压保持在2.0m。灌水过程中按既定时间间隔观察土槽内湿润锋的变化情况，并将其描绘在土槽的一侧槽壁上，实验结束后，测量不同时间的湿润锋移动距离。灌水结束时，取下土槽一侧有机玻璃壁槽上的胶塞，立即取土，用烘干法测定土壤含水量，并换算为体积含水量。

表1 试验时三种土壤的土壤含水量和容重

2 结果与分析

2.1 累积灌水量的变化规律

对试验过程中累积灌水量的数据进行作图分析，发现累积灌水量与时间的关系可以使用幂函数来拟合，且关系方程的决定系数均达到了极显著的水平。从幂函数的拟合公式可以看出，幂值项小于1，这表明灌水速率随时间的增长呈幂函数的规律逐渐减小。从整个过程的灌水速率来看，三种土壤分别是0.2786L/min、0.2016L/min、0.1243L/min，砂壤土是中壤土的1.38倍，是粘壤土的2.24倍。

2.2 湿润锋移动距离的变化规律

对不同质地土壤渗灌过程中湿润锋移动距离和灌水时间进行分析，以中壤土为例，在10min时渗灌管上方达到3.5cm，下方达到4.1cm，在水平方向（左侧和右侧的平均值）达到3.8cm；在30min时渗灌管上方达到5.1cm，下方达到7.8cm，在水平方向达到7.3cm；在85min时渗灌管上方达到8.5cm，下方达到15.8cm，在水平方向达到13.2cm；在170min时渗灌管上方达到12.4cm，下方达到23.3cm，在水平方向达到19.6cm；在370min时渗灌管上方达到17.9cm，下方达到29.7cm，在水平方向达到26.1cm。可以看出随着时间的增长，湿润锋移动距离在各个方向逐渐增加；同时可以看出，虽然湿润锋距离在增加，但是增加的速度却不断地减慢。由于湿润锋是以扇形的形式向外扩展，随着时间的增长，湿润区的半径逐渐增加；同时根据上面的分析，产生这个现象的原因是渗水速率随时间逐渐减小，因此湿润锋的移动速度逐渐减缓。

2.3 不同质地土壤湿润锋移动距离变化规律的比较分析

对三种不同质地的土壤渗灌试验结果进行分析。在各方向上，粘壤土中湿润锋移动的距离均小于中壤土和砂壤土，而砂壤土的湿润锋移动距离又略大于中壤土。产生这一现象的原因是在砂壤土中的土壤导水率较中壤土和粘壤土最大，水分自渗灌管渗出后，很快向距渗灌管较远的地方运动；而当土壤质地偏粘时，由于土壤的导水率偏小，水分在土壤中运动通量较小，使水分自渗灌管渗出后，在渗灌管的周围产生积聚作用，使渗灌管周围的土壤含水量较砂壤土升高较快，且相应的土壤含水量较高，因此对渗灌管管壁产生一个反作用力，使渗灌管的渗水速率减小。由于重力的影响，可以看出不同土壤之间的移动距离在渗灌管下方的差别最大。

2.4 剖面含水量分布特征

对不同土壤湿润区内剖面含水量的分布特征进行比较可以看出，当灌水量相同时，在砂壤土中，其湿润区范围较大而剖面含水量较小，这说明在砂壤土中使用渗灌时，容易造成深层的渗漏，这对于节水灌溉是不利的，因此应该设置防渗层或者选择“砂盖粘”的土壤。当土壤质地偏粘时，湿润区向外扩展较慢，如需提高灌水速度，可以增大灌水压力和选择渗水速率较大的渗灌管。

结束语

通过研究，明确了渗灌过程中，湿润区基本特征为环绕渗灌管的纵轴长、横轴短的非对称椭圆体。渗灌过程中，累积灌水量、湿润锋的移动距离与灌水时间成较好的幂函数关系。不同质地土壤采用渗灌时，水分入渗特征之间的差异明显。在砂壤土中，湿润区向外扩展速度较快，但湿润区剖面土壤含水量相对其它土壤较低，因此应注意防止深层渗漏。试验的研究结果对感性认识渗灌条件下土壤水分运动规律，开展数值模拟具有重要实践指导意义。

[1]任杰.地下滴灌灌水设计参数对土壤水分运动规律的影响研究[D].石河子大学,2008