供水压力对微孔陶瓷渗灌土壤水分运移的影响

任改萍，吴普特，张 林，朱德兰，陈俊英

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

微孔陶瓷渗灌是以陶瓷材料制成的地埋式灌水器代替普通塑料灌水器安装在输水管道上，以陶瓷灌水器内外水势差为其主要驱动因素，通过土壤含水率变化调节自身出流，最终以小流量缓慢精准湿润植物根系土壤的一种地下滴灌技术。它结合传统的陶罐灌水与现在最先进的滴灌技术于一体，价格低廉，节水环保，被认为是目前最为节水的灌水方式之一，在干旱、半干旱地区应用前景广阔[1-3]。目前，尚未有微孔陶瓷灌水器在土壤中的出流状况及水分运移规律的相关研究，制约了微孔陶瓷灌水技术的推广。

土壤水分入渗是反应灌水器灌水性能的重要体现，微孔陶瓷灌水器出流受其内部供水压力和外部周围土水势和自身结构的共同作用，因此供水压力是影响微孔陶瓷灌水器灌入渗的主要因素之一。研究表明，陶瓷灌水器在空气中的流量与供水压力呈显著的线性关系，而压力对陶瓷灌水器在土壤中出流的影响研究很少[4]。国外对利用陶瓷渗水管灌溉下的土壤中入渗研究颇多，Siya等采用室内试验和数值模拟相结合的方法对陶瓷渗水管在25～200 cm之间不同压力下灌溉时的土壤水分运移做了一定的研究，研究表明压力越大，土壤湿润体越大，但未对湿润体及湿润锋运移规律做深入研究[5,6]；Gupta等研究表明对于特定的土壤，渗水管出流量随着压力的增大而增大，土壤毛管吸力会随着土壤含水率的增大而逐渐减小，进而影响土壤水分运移[7]。目前国内外对于陶瓷灌水器的研究主要集中于负压灌溉，Khan等[8]人模拟了蒸发条件下微孔陶瓷灌水器在土壤中的渗水情况，表明其湿润体形状为不规则的截球体；赵亚楠等利用多孔陶土板制成的灌水器进行了负压灌溉室内试验，研究表明随着压力的增大，累计入渗量、土壤湿润体、湿润锋运移速率均随着增大[9-11]；丛萍等、江培福等研究陶瓷头负压渗水性能，研究表明陶土头在土壤中出流形成的湿润体呈竖直椭球体，累计入渗量、水平和垂直最大湿润距离随时间呈幂函数关系变化[12,13]。但以上研究中的陶瓷灌水器仅埋于土壤表面以下，埋深较浅。徐增辉等通过对具有一定埋深的微孔陶瓷灌水器在土壤中渗流的初步研究，表明灌水器的入渗流量随着灌水历时的增加逐步趋于稳定，但并未对土壤水分运移规律加以探究[14]。微孔陶瓷灌水器作为一种新型的灌水器，埋于地下灌水的土壤入渗规律与上述研究均有差异，因此有必要对有一定埋深的微孔陶瓷灌水器灌水条件下的土壤水分入渗情况进行深入研究。

本研究以西北农林科技大学自主研发的微孔陶瓷灌水器[15]为对象，通过室内试验模拟低压范围内具有一定埋深的微孔陶瓷灌水器入渗过程，探索在微孔陶瓷灌水器灌水条件下，供水压力对土壤水分运移规律的影响差异，为合理确定微孔陶瓷灌水器灌水技术参数提供了一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院灌溉水力学实验大厅进行。试验系统由供水装置和土箱组成，模拟装置如图1所示。试验采用恒压水箱供水。为便于观测和记录湿润锋，采用10 mm厚的有机玻璃制作矩形土箱，箱体规格大小为50 cm×50 cm×70 cm(长×宽×高)，其底部设置若干排气孔，以防止气阻。试验设置3个供水压力，分别为1、1.5、2 m，每个处理重复3次，试验结果取平均值。

图1 试验装置示意图Fig.1 Layout of the experimental platforms

1.2 供试材料

试验用水为杨凌示范区灌溉用水，试验用土为杨凌本地土，土样经自然风干，碾压、粉碎过孔径2 mm筛，进行颗分试验，测定供试土壤的物理性质(结果见表1)，试验前对土壤进行均匀喷水并搅拌，将土壤初始含水率调至12.5%左右备用。

试验灌水器采用西北农林科技大学自主研制的微孔陶瓷灌水器，灌水器高7 cm，外径2.7 cm，内径2.0 cm。试验开始前测定微孔陶瓷灌水器在空气中的流量，测得压力1、1.5、2 m时的流量分别为5.8、8.4、10.6 L/h。试验装土深度为70 cm，按设计干密度以5 cm为一层分层装入土箱中，微孔陶瓷灌水器放于土箱的一角，埋深25 cm，土箱装土结束后上表面用薄膜覆盖，防止水分蒸发，用该装置模拟无蒸发条件下灌溉形成湿润体的1/4。试验开始后，打开止水夹进行供水，持续灌水6 h。

表1 供试土壤的物理性质Tab.1 Physical properties of the test soil

1.3 测定指标与方法

累计入渗量和入渗速率：设定重量传感器的采集间隔为2 s，实时监测土箱重量，计算时段内的累计入渗量。待试验结束后，根据累计入渗量和时间间隔计算微孔陶瓷灌土壤水分入渗速率。

湿润锋运移：依先密后疏的原则，用秒表计时，将不同时刻的土体湿润锋用记号笔描绘在土箱外壁上，试验结束后用硫酸纸、坐标纸等描绘到电脑中。

土壤含水率：灌水停止后，立即沿着土箱放置灌水器的对角面取土，用烘干法测定湿润体内重量含水率。

2 结果分析

2.1 供水压力对微孔陶瓷渗灌累计入渗量和入渗速率的影响

在土壤结构、初始含水率等条件相同的情况下，灌溉系统供水压力的不同改变了微孔陶瓷灌水器的内外表面水势差，影响陶瓷灌水器在土壤中的出流状况，进而影响土壤水分入渗过程(见图2)。

图2 不同供水压力条件下土壤水分入渗过程Fig.2 Soil moisture infiltration process under different pressure conditions

图2(a)为微孔陶瓷灌条件下累计入渗量随灌水时间的变化过程。由图2(a)可知，各处理下的累计入渗量随着灌溉历时的增长而不断增加，说明灌水器在土壤中不断的出流。但不同压力下各时段内增幅差异很大，当灌水开始一段时间(灌水100 min)时，1、1.5、2 m压力下累计入渗量分别为1、1.75、3 L，入渗结束(灌水360 min)时，1、1.5、2 m压力下累计入渗量分别为1.8、2.4、3.6 L，可见，灌水器在入渗初期相同时段内增幅为2 m>1.5 m>1 m，之后逐渐相反。此外，对比图2(a)中3条曲线，随着压力的增大，各处理最终入渗量逐渐增大。分析表明，在整个入渗过程，累计入渗量与时间并不符合幂函数关系。

图2(b)为不同供水压力下入渗速率随灌水时间的变化曲线。从图2(b)看出，在初始入渗阶段，不同供水压力下入渗速率均随着时间的增大急剧下降，然后逐渐变缓，随着灌溉历时的增长，入渗速率趋于一个非常小的稳定值。入渗初期，由于灌水器周围土壤处于严重的非饱和状态，土壤入渗速率非常快，1、1.5、2 m压力下初始入渗速率分别为30、60、75 mL/min，与供水压力呈正相关。1、1.5、2 m供水压力下相对达到逐渐变缓的趋势的时间分别为200、150、100 min，最终入渗速率接近，由此可见压力越大，入渗速率减小的速度越快，达到稳定入渗的时间越短。对于同一种型号的灌水器，陶瓷灌水器在土壤中的出流量受其内部供水压力和外部土壤基质势的共同影响，灌水初期，灌水器周围土壤孔隙较大，土壤水吸力较大，灌水器内外压力差很大，故土壤入渗速率较大，累计入渗量大幅上升，灌水器周围的含水率随之迅速增高；随着灌水历时的增长，灌水器外部周围土壤吸力随着含水率的升高而逐渐减小，基质势增大，导致灌水器内外压力差越来越小，当周围土壤逐渐趋于饱和时，灌水器内外水势差也趋于一个固定的值，结合陶瓷灌水器自身的渗水性能，累计入渗量将趋于缓慢平稳上升。且灌水器供水压力越大，累计入渗量增加越快，灌水器周围土壤越易达到饱和，从而入渗速率达到较小的稳定值的历时也越短。综上所述，供水压力是决定陶瓷灌水器周围土壤初始入渗速率和累计入渗量的关键因素，影响土壤达到稳定入渗的历时，而对最终的入渗速率影响不大。

2.2 供水压力对陶瓷渗灌湿润锋运移的影响

微孔陶瓷灌水器在土壤中出流受陶瓷灌水器自身出流面积的影响，可以认为是柱状面源出流，故湿润体的形状等特征与普通地下点源滴灌存在一定的差异。图3显示了不同供水压力条件下不同时刻的湿润锋轮廓。由图3可见，微孔陶瓷灌灌初期，湿润体轮廓接近以陶瓷灌水器为中心的球形；随着灌水历时的增加，湿润锋向下运移距离逐渐大于水平距离和竖直向上距离；灌水结束时，入渗的湿润体轮廓为上下不对称的椭球体。灌水结束时，1、1.5、2 m压力下湿润锋在陶瓷灌水器上方湿润锋位置为16.9、18.5、19.5 cm，水平方向湿润锋位置为30.4、36.1、37.8 cm，灌水器下方的运移位置57.5、70.3、75.2 cm，可见不同供水压力下三者的水分向下运移距离差异明显，湿润体大小也随着供水压力的增大而增大。对各组数据分析可知，供水压力对土壤水分向下入渗的影响最为显著，其次为水平方向，对向上运移影响最小。经观察，微孔陶瓷灌的水平最大湿润半径Rmax如图3中虚线位置，均在灌水器底部下方，这主要有两方面原因，一是水分在土壤中运动的过程，在竖直方向由于受重力作用影响，因此更易向下运动；二是由于微孔陶瓷灌水器的入渗情况受灌水器渗流面积即自身设计的限制，渗流面积越大，渗流越快，本试验中的灌水器上方为塑料盖，即不出流边界，而下方及四周均为陶瓷渗水材料，水流更容易朝水平方向和竖直向下方向移动。且对比图3可知，供水压力越大，湿润锋最大水平半径离灌水器中心越远。灌水结束后，整个湿润体竖直方向和水平方向的运移距离分别50 cm以上和60 cm以上，可以满足作物根系对水分的要求。

图3 不同供水压力下各时刻湿润锋轮廓图Fig.3 Wetting profiles over time under different pressure conditions

为进一步探究微孔陶瓷灌湿润锋的推进规律，由试验数据可得各处理下不同方向的运移距离随时间的变化曲线，见图4，并将推移过程用幂函数(R=atb)进行拟合，拟合结果列于表2。由图4可知，各供水压力下湿润锋运移距离的基本特征为“向上<水平<向下”，但1 m压力下，入渗初期，水平入渗距离略微大于向下入渗距离，不同于其他两组压力下的水分运移规律。这是由于1 m压力下，灌水初期，微孔陶瓷灌水器在土壤中出流量较其他两组小，水分的重力势作用表现的不明显，主要驱动力为土壤吸力，又由于水平方向灌水器与土壤的接触面较底面的接触面大，故表现为水平向水分运移距离大于竖直向下，由此可以推测，若微孔陶瓷灌水器自身出流量较小时，土壤水分运移规律与本试验结果可能有一定的差异。由表2中拟合结果可以看出，不同压力下，各方向上湿润锋运移距离随时间变化呈幂函数关系，相关系数均在0.99以上。入渗指数随着供水压力的增大整体呈增大趋势，且垂直向下方向的入渗指数最大，各方向的入渗指数具体表现为“垂直向下>水平方向>垂直向上”，而入渗系数的随压力的变化没有明显的规律。故微孔陶瓷灌的湿润锋推进过程可以利用一部分已知数据推算整个入渗过程的湿润锋位置。

2.3 供水压力对陶瓷渗灌土壤剖面含水率的影响

为便于分析湿润土体内含水率的空间分布，将不同供水压力条件下土体竖直剖面上的含水率等值线绘出(见图5)。由图

图4 不同供水压力下各方向湿润锋推进过程曲线Fig.4 The process of infiltration wetting front movement under different pressure conditions

R1mRr21.5mRr22mRr2垂直向上Ru=7.961t0.22480.9936Ru=6.322t0.2390.9963Ru=7.923t0.2170.9961垂直向下Rd=6.388t0.2810.9942Rd=6.419t0.3350.9982Rd=5.778t0.3840.9960水平方向Rx=6.388t0.2410.9936Rx=8.316t0.2550.9969Rx=8.479t0.2800.9963

图5 不同供水压力下土壤竖直剖面含水率等值线图Fig.5 Contour map of soil moisture content in the vertical plane of soil under different pressure conditions

5可知，灌水结束后，各供水压力下土壤剖面含水率均表现为离微孔陶瓷灌水器距离越远，含水率越低，在半径为20～30 cm之内湿润体土壤含水率为21.6%，达到90%的田间持水率，满足植物生长需要。对比图5可知压力对土壤含水率分布影响较大，压力越大，灌水器周围含水率越高，高含水率的区域越大，整个湿润体有向下偏移的趋势。此外，含水率高的区域在灌水器下方明显大于上方。在水分在土壤竖直剖面内运动，受到重力作用水分更容易向下运动，因此造成灌水器下方渗水量大于上方，湿润锋推进较远，高含水率区域较大。另外，在湿润体下端湿润体轮廓清晰，并未产生排水，说明微孔陶瓷灌水器灌水形成的湿润体含水率分布比较均匀，不易引起水分深层渗漏，有利于作物根系吸取水。

3 结 语

(1)供水压力是决定微孔陶瓷渗灌土壤水分初始入渗速率和累计入渗量的关键因素，影响灌水器达到稳定入渗的历时，而对最终的入渗速率影响不大。供水压力越大，入渗初期的入渗速率越大，最终累计入渗量也越大。

(2)本试验所用微孔陶瓷灌水器在土壤中出流形成的湿润体范围较大，湿润体轮廓为上下不对称的椭球体，水平最大湿润半径在微孔陶瓷灌水器底部下方，且供水压力越大，距离灌水器底部距离越远；各供水压力下湿润锋在各方向上的运移规律与时间呈幂函数关系，且向上距离<水平距离<向下距离。

(3)微孔陶瓷渗灌条件下，供水压力对土壤含水率分布影响较大，供水压力越大，灌水器周围含水率越高，高含水率的区域越大，湿润体在半径为20～30 cm之内土壤含水率为21.6%，达到90%的田间持水率，满足植物生长需要。应用微孔陶瓷灌水器灌水不易形成积水和深层渗漏，有利于作物根系吸水，证明了微孔陶瓷灌是一种较好的灌溉方式。

[1] 蔡耀辉,吴普特,朱德兰，等. 黏土基微孔陶瓷灌灌水器制备与性能优化[J]. 农业机械学报,2015,46(4):183-188.

[2] 张 涛. 粗陶微孔地埋灌装置的研制与应用试验[J]. 灌溉排水学报,2010,29(6):126-128.

[3] 梁红梅.粗陶微孔地埋灌装置的性能研究[J]. 新疆农机化,2010,(5):5-6,8.

[4] 蔡耀辉,吴普特,朱德兰,等. 硅藻土微孔陶瓷灌水器制备工艺优化[J]. 农业工程学报,2015,31(22):70-76.

[5] Siyal A A, Genuchten M T V, Skaggs T H. Performance of pitcher irrigation system[J]. Soil Science,2009,174(6):312-320.

[6] Siyal A A, Skaggs T H. Measured and simulated soil wetting patterns under porous clay pipe sub-surface irrigation [J]. Agricultural Water Management, 2009,96(6):893-904.

[7] Gupta A D, Babel M S, Ashrafi S. Effect of soil texture on the emission characteristics of porous clay pipe for subsurface irrigation [J]. Irrigation Science, 2009,27(3):201-208.

[8] Khan N N, Islam M M, Islam S, et al. Effect of porous pipe characteristics on soil wetting pattern in a negative pressure difference irrigation system[J]. American Journal of Engineering Research,2015,4(2):1-12.

[9] 赵亚楠. 供水水头、灌水器及水质对负压灌溉土壤水运移的影响[D].太原：太原理工大学,2011.

[10] 郭秀峰,肖 娟,邱照宁. 灌溉水浓度和供水水头对负压灌溉土壤水分运移的影响[J]. 中国农村水利水电,2013,(1):61-66.

[11] 肖 娟,郭秀峰,高晓丽，等. 负压灌溉对湿润体特征参数的影响[J]. 灌溉排水学报,2013,32(2):30-32,36.

[12] 丛 萍,龙怀玉,岳现录. PVFM渗水器规格对其负压渗水性能的影响[J]. 灌溉排水学报,2015,34(9):7-14.

[13] 江培福, 雷廷武, Vincent F Bralts, 等. 土壤质地和灌水器材料对负压灌溉出水流量及土壤水运移的影响[J]. 农业工程学报, 2006,22(4):19-22.

[14] 徐增辉,李向明,林 力，等. 免烧微孔陶瓷灌灌水器制备与性能研究[J]. 节水灌溉,2015,(10):74-77.

[15] 朱德兰,蔡耀辉,李向明，等. 一种地埋式微孔陶瓷根灌灌水器的制备方法：中国，CN103553571A[P]. 2014-02-05.