微润交替灌溉下管埋深对土壤水分入渗的影响

尹玉娟，申丽霞，郭英姿，张春一

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水务工程建设监理有限公司，太原 030024)

0　引　言

微润交替灌溉是一种高效的节水灌溉技术，该技术将交替灌溉和微润灌溉结合起来，既发挥交替灌溉的控水性，又发挥微润灌溉的连续性，达到高效灌溉的目的。微润管既是输水管道，也是渗水管道，管壁渗水利用半透膜原理，只允许水分子、离子等小分子通过。渗水的动力为微润管内外水势差[1]，微润管内部水势高于外部土壤水势，从而驱使水分子透过微润管壁向外扩散。与滴灌相比，微润灌溉具有节水效果明显、运行成本低、抗堵塞性等优点[2,3]，适宜旱区作物的用水需求。

樊晓康等[4]研究表明涌泉根灌柱体入渗的土壤湿润体垂直向下入渗距离和水平扩散半径受灌水器埋深的影响，在同一时刻，灌水器埋深越大，垂直方向和水平方向湿润距离越小。牛文全等[5]研究表明埋深对微润灌土壤累计入渗量和入渗率具有明显的作用，微润带埋深显著影响土壤湿润体的形状，湿润锋水平运移距离与宽深比γ均随埋深的增大而减小，垂直运移距离随埋深的增大而略微增大，土壤累计入渗量与埋深呈负相关关系。庄千燕等[6]研究认为在高羊茅草坪种植中，灌水器埋放于地表下15 cm较为合理，在每个滴头附近，根系密度和重量都明显变大，埋深较大时，易造成水资源浪费。李道西等[7]通过砂壤土模拟试验认为滴头埋深是影响地下滴灌土壤水分分布的重要参数。任杰等[8]研究认为在流量和灌水量一定的情况下，无论是在水平方向还是垂直方向上，随着毛管埋深的增加，湿润锋运移的速度减慢，且湿润锋在垂直方向和水平方向的运移距离也随着埋深的增大而减小。马孝义等[9]研究表明在简易地下滴灌条件下，管道埋深对出水量及灌水时间、沿管长方向的灌水均匀度、土壤水分入渗有显著影响，入渗宽度随埋深的减小而增大。埋深小时深层渗漏小。关于普通微润灌溉土壤水分入渗特征已有一定的研究，但对于微润交替灌溉的土壤水分入渗特征的研究鲜少。本试验设置不同的微润管埋深(15、20 cm)，研究不同埋深下的土壤水分累计入渗量，土壤含水率及湿润锋运移距离等指标，为微润交替灌溉确定合理的微润管埋深提供参考。

1　材料与方法

1.1　供试土样

供试土样取自山西省太原市尖草坪区芮城村，试验中经过一定的处理，将土样晒干，碾压后混合均匀，并通过孔径为2 mm的筛备用。通过MS 2000型激光分析粒度仪对土样进行测定分析，试验所选取的土壤为黏壤土，对应容重为1.25 g/cm3，初始含水率为1.44%。其中颗粒粒径分布如下：颗粒粒径为0.02

1.2　试验装置

试验装置由土箱和供水、输水装置组成，如图1所示。土箱由厚度为10 mm的有机玻璃板制成，土箱尺寸为100 cm×40 cm×40 cm(长×宽×高)，在40 cm×40 cm的有机玻璃板面上，距底板高度20 cm，距两边5 cm处对称钻两孔，孔间距为30 cm，孔径为18 mm。主要供水装置为马氏瓶，马氏瓶是内径为10 cm的空心圆柱体，内部装水，顶部由穿有玻璃管的橡胶塞塞住，玻璃管底部液面为大气压，且玻璃管内液面高度保持不变，以保持压力水头恒定。输水装置由连接马氏瓶的PE管(直径为16 mm)和微润管(直径为16 mm)组成，两种管之间由直通阀门连接。

图1　试验装置图Fig.1 Schematic diagram of test arrangement

1.3　试验方法及测定内容

为研究微润管在不同埋深下土壤水分运移的情况，设置微润管埋深为15和20 cm，压力水头为150 cm，土壤容重为1.25 g/cm3。将土样按5 cm厚度分层装入土箱，并稍加振捣。交替周期为12 d，前6 d开L管，关闭R管，后6 d开R管，关闭L管，试验持续一个周期，每组试验重复3次。

试验过程中，定时记录马氏瓶水柱高度，微润管周围形成的湿润体的轮廓及湿润锋运移距离，试验前12 h内每2 h记录一次，24～36 h间，每4 h记录一次，48 h后每6 h记录一次，夜间间隔12 h记录，同时每天记录a区(距土箱边沿10 cm，记为左侧L)、c区(距土箱边沿20 cm处，记为土箱中部)、b区(距土箱边沿30 cm，记为右侧R)的土壤含水率的变化，取土深度为30 cm，其中土壤含水率测定方法采用烘干法。

2　结果与分析

2.1　不同微润管埋深对累计入渗量的影响

图2显示了两种不同埋深下两根微润管交替打开后累计入渗量随时间的变化。由图2可以看出，L侧、R侧的累计入渗量均随时间呈线性递增的趋势，埋深15 cm时的累计入渗量均高于埋深20 cm时的累计入渗量，分别高11.33%和13.57%，这是由于在压力水头相同的情况下，微润管内外的水势差成为水分入渗的动力，在容重为1.25 g/cm3时，土较松散，埋深为20 cm处的土层压力可能比埋深为15 cm处的大，土粒间空隙较小，保水性较强。通过线性拟合可知，在本试验条件下水分累计入渗量是关于时间的线性递增函数，其中，埋深为15 cm时，L侧、R侧累计入渗量与时间的趋势线相关系数分别为0.998 9、0.997 2，埋深为20 cm时，L侧、R侧累计入渗量与时间的趋势线相关系数分别为0.997 3、0.994 7，可见相关性显著。

图2　累计入渗量随时间的变化情况Fig.2 The change trend of cumulative infiltration rate of soil moisture with time

2.2　不同微润管埋深下土壤含水率变化

图3显示了不同埋深下不同区域的土壤含水率，图3中a区土壤含水率的变化可以看出，埋深为15 cm时的土壤含水率远远高于埋深为20 cm时的土壤含水率，试验前6 d，L侧微润管打开，埋深为15和20 cm的土壤含水率均快速增加，试验第7 d起，L侧微润管关闭，R侧微润管打开，湿润体没有水分子继续供给，外侧含水率低的土体对毛管水的吸力使得水分子由梯度高的一侧向梯度低的一侧不断扩散，导致埋深15和20 cm的土壤含水率均逐渐减少。

c区的土壤含水率的变化较不稳定，当埋深为15 cm时，试验前5 d，土壤含水率处于较平稳的水平，第6天湿润锋扩散到中间，则土壤含水率增加，当第7 d关闭L管，开启R管，由于微润管中存的部分水仍在渗出，土壤含水率持续增大，第9 d测定时，L侧水分入渗减弱，R侧水分还未渗至中间，因此测得的土壤含水率减小，第10 d后，R侧水分入渗接触到L侧湿润体，继续入渗，使得中间土壤含水率增加。埋深为20 cm时，试验前6 d，L侧湿润体未渗到中间，因此土壤含水率较低，且保持稳定，待第7 d，湿润锋持续渗入到中间，土壤含水率稍微有所增加，R侧水分未渗到中间，因此含水率又逐渐减小。

就b区土壤含水率随时间的变化而言，试验前6 d未开启R管，因此两种埋深下含水率均保持稳定，R管开启后，两种埋深下b区的土壤含水率均增加，且埋深为15 cm的处理的土粒之间的压力较小，空隙较大，对毛管水束缚小，水分扩散较快，因此埋深15 cm的土壤含水率比埋深20 cm的土壤含水率增加的快。

图3　土壤含水率随时间的变化情况Fig.3 The change trend of soil moisture content of three area with time

2.3　不同微润管埋深下湿润锋随时间的运移距离

图4显示了两种不同埋深下L侧和R侧水平方向、垂直向上方向及垂直向下方向的湿润锋随时间运移情况，其中，(a)、(b)、(c)为L侧的湿润锋的运移情况，(d) 、(e)、 (f)为R侧的湿润锋的运移情况。由图4可以看出，埋深15 cm和埋深20 cm时在水平方向和垂直方向的湿润锋运移距离随时间的变化均呈抛物线状，在试验前期增长较快，之后逐渐减慢并趋于平稳。由(a)、(b)、(c)三图可以看出，埋深为15 cm时，水平方向、垂直向上方向及垂直向下方向湿润锋运移距离均大于埋深为20 cm时的运移距离，因为埋深为20 cm的土粒之间空隙小，对土粒之间的毛管水的吸力较强，毛管水不易扩散，因此，运移距离小，说明埋深对土壤水分运移有一定的影响。同时，埋深为15 cm和埋深为20 cm的处理的在三个方向上运移距离相差均较小，均介于0.5～2.9 cm，由于土壤容重为1.25 g/cm3，土壤松散，埋深为20 cm时的土粒之间的压力与埋深为15 cm时相差不大，因此在管间距、压力水头等条件相同的情况下，埋深对对土壤水分运移的影响不大。由(d) 、(e)、 (f)三图也可以得出相同的结论，埋深对水分运移有一定的影响，但影响不大。

对湿润锋运移距离和时间进行拟合，发现水平方向和垂直方向湿润锋运移距离与时间的拟合关系符合幂函数的公式：S=atb，表1、表2显示了L侧、R侧湿润锋运移距离X、Y+及Y-与时间t的拟合结果。各拟合结果中a、b值差距不大，说明各方向运移距离随时间的变化趋势一致。对各拟合幂函数进行求导，结果为单调递减函数，即原幂函数的斜率逐渐减小，湿润锋运移的速率也逐渐减小，各趋势线的走向符合图4。R2均大于0.99，说明L侧、R侧湿润锋运移距离X、Y+及Y-与时间t的拟合结果具有显著的相关性。

2.4　不同微润管埋深对湿润体形状的影响

图5显示了不同埋深下形成的湿润体的形状随时间的变化情况，由图5，在微润管间距为30 cm，压力水头为150 cm，土壤容重为1.25 g/cm3，交替周期为12 d，埋深为15 cm及埋深为20 cm时，微润灌溉形成的湿润体都为以微润管为中心的近似圆形。埋深为15 cm时两侧微润管产生的水平方向的湿润锋运移距离大于15 cm，则形成的湿润体最终交汇，土体中间的土壤含水率上升，且土体表层已经湿润，埋深为20 cm时两侧微润管产生的湿润锋水平运移距离小于15 cm，则形成的湿润体未相交，且土体表层也未湿润。通过两种埋深下垂直湿润锋运移距离的对比，可知无论是L侧，还是R侧，埋深15 cm时形成的湿润体均比埋深20 cm形成的湿润体大，说明埋深为15 cm时水分入渗较埋深为20 cm时快。

图4　湿润锋运移距离随时间变化情况Fig.4 The change trend of wetting front migration distance with time

微润管埋深/cmX/cmabR2Y+/cmabR2Y-/cmabR2151．38170．46330．99901．57990．45250．99541．57560．44380．9940200．99430．51930．99721．29740．51930．99561．32300．47120．9958

表2　R侧湿润锋运移距离随时间变化的拟合情况Tab.2 The fitting situation of wetting front migration distance with time of R side

图5　不同微润管埋深下湿润体形状Fig.5 The shape of the wetting body of different buried depth ofmoistubes

3　结　语

为研究微润交替灌溉中微润管中水分入渗情况，本试验在室内土箱中进行试验，设定土壤容重、压力水头、微润管间距及交替周期一致，微润管埋深不同的两组试验，对比分析不同埋深下水分入渗及湿润体随时间的变化，得出以下结论：

(1)就累计入渗量而言，交替微润灌溉L侧、R侧的累计入渗量均随时间呈线性递增的趋势，且埋深15 cm时的累计入渗量高于埋深20 cm时累计入渗量。

(2)微润交替灌溉条件下，埋深为15 cm时土壤含水率均大于埋深为20 cm的土壤含水率，埋深15 cm时产生的湿润体交汇至土体中部，含水率变化较复杂。

(3)就湿润锋运移距离而言，埋深15 cm时湿润锋在水平方向、垂直向上及垂直向下方向运移的距离均大于埋深20 cm时湿润锋的运移距离，介于0.5～2.9 cm之间，差距较小，说明埋深对湿润锋运移有影响但不显著。湿润锋运移距离与时间的拟合结果为良好的幂函数关系，且两者之间具有显著的相关性。

(4)通过对不同埋深下产生的湿润体的形状进行对比，说明埋深为15 cm时形成的湿润体截面积较埋深20 cm时大，进一步证实在相同的入渗时间内，埋深15 cm时水分入渗较埋深20 cm时快。

参考文献：

[1]杨文君,田磊,杜太生,等.半透膜节水灌溉技术的研究进展[J].水资源与水工程学报,2008,19(6):60-63.

[2]Koumanov KS, Hopmans J W, Schwankl L W. Spatial and temporal distribution of root water uptake of an almond tree under microsprinkler irrigation[J].Irrigation Science,2006,24(4):267-278.

[3]何玉琴,成自勇,张芮,等.不同微润灌溉处理对玉米生长和产量的影响[J].华南农业大学学报,2012,33(4):566-569.

[4]樊晓康,陈俊英,牛文全,等.涌泉根灌土壤湿润体影响因素的试验研究[J].节水灌溉,2011,(10):1-5.

[5]牛文全,张俊.埋深与压力水头对微润灌湿润体水分运移的影响[J].农业机械学报,2013,44(12):128-134.

[6]庄千燕,宋雪枫.滴头埋设深度对土壤水分运移及草坪草生长的影响[J].草地学报,2010,18(3):435-440.

[7]李道西,彭世彰.地下滴灌灌水设计参数对土壤水分分布影响的计算机模拟[J].沈阳农业大学学报,2008,35(6):507-509.

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[9]马孝义,康绍忠,王凤翔,等.果树地下滴灌灌水技术田间试验研究[J].西北农业大学学报,2000,28(1):57-61.