微润管(带)埋深及压力水头对湿润锋影响

毕远杰，雷 涛，雷明杰，王 坚

(1.山西省水利水电科学研究院，太原 030002； 2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030002)

微润灌是一种以半透膜为核心技术的地下灌溉方法[1-3]。该方法能够使土壤水分从微润管中缓慢渗出，并直达根系集中层，具有较高的水分利用效率和作物生产率[4, 5]，因此，近年来得到了大力发展。然而，该灌溉方法技术参数方面的相关理论还有待进一步完善。

压力水头和管带埋深是影响微润灌土壤水分运动的关键因素。湿润锋是描述土壤水分运动快慢的最直观指标。在前人研究报道中，湿润锋对管带埋深的响应各不相同。研究结果表明，湿润锋推移距离与埋深呈正相关[6]，负相关[7]或者无显著关系[8]。在这些研究中，压力水头分别为1.5～1.7 m、1.8 m和0.6～2.4 m，说明湿润锋推移距离对埋深的响应强度可能受到压力水头的影响，为此，埋深和压力水头间的交互效应对湿润锋推移距离的影响有待进一步明确。大多数研究结果表明，压力水头有助于加快湿润锋推移和增加湿润体面积[8-10]，但这些研究均是某一固定埋深条件下进行的，并未考虑到压力水头和埋深双因素耦合效应对试验结果的影响，还有待进一步深入研究。湿润锋半径R及其变化速率b是描述微润灌水分运动的重要指标，前人研究仅考虑了埋深和压力水头单因素效应对指标R的影响[11]，双因素耦合效应的影响还未见相关报道，有待进一步深入研究。

鉴于前人在压力水头、管带埋深及其耦合效应对湿润锋推移方面的研究尚不充分，本文将采用室内土箱模拟试验，旨在于揭示埋深和压力水头耦合效应对湿润锋半径及其变化速率的影响，以期为微润灌技术参数设计提供依据，为微润灌相关理论的完善提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土壤样品采集于山西省水利水电科学研究院节水高效示范基地，取土深度为0～200 cm。将土壤样品风干、碾压，过2 mm筛后混匀备用。土壤质地为黏壤土，容重为1.39 g/cm3。土壤初始含水率为3.1%，田间持水率为35.07%，饱和含水率为51.3%。

1.2 试验装置

图1为室内模拟试验装置。试验装置主要由试验台、马氏瓶和土箱三部分组成。马氏瓶和土箱均由有机玻璃板制成，规格分别为5.5 cm×5.5 cm×70 cm和60 cm×60 cm×50 cm。试验所采用的微润管由深圳微润灌溉技术有限公司提供，规格为φ25 mm。以分层厚度5 cm和容重1.39 g/cm的试验要求，对土壤进行逐层装填，并确保管路安装密封性良好。

图1 室内模拟试验示意图Fig.1 Schematic of indoor simulation experiment

1.3 试验设计及测定方法

本文主要进行管带埋深与压力水头耦合条件下土壤水分入渗特性研究。其中，管带埋深设D5、D15和D20三个水平，分别代表埋深5、15和20 cm。压力水头设H100、H150和H200三个水平，分别代表压力水头100、150和200 cm。采用全面试验设计，共9个处理，每个处理设置三个重复。每组试验均在相同初始含水率条件下进行。试验开始后，分别在2、4、6、10、18、26、34、42、54和72 h，采用记号笔在有机玻璃板上对湿润锋进行描绘。灌水至72 h时，入渗试验结束。

1.4 数据处理

根据湿润锋半径动态变化特征，采用Elovich模型进行定量描述，如式(1)所示。采用决定系数R2和平均相对误差MAPE对模型精度进行评价，分别如式(2)和式(3)所示。

R=A+Bln(t)

(1)

(2)

(3)

式中：R为湿润半径，cm；A为系数；B为湿润锋半径变化速率；t为入渗时间，h；WL为累积入渗量预测值，cm3；WR为累积入渗量实测值，cm3；W为累积入渗量实测值的平均值，cm3；N为样本数。

2 结果与分析

2.1 管带埋深与压力水头对湿润体的影响

在任意埋深时，不同压力水头处理后的土壤湿润锋分布特征基本相似，为此，仅以10 cm埋深为例进行分析。图2为不同压力水头处理后的土壤湿润锋。由图2可以看出，不同压力水头处理后的湿润锋均呈近似圆形分布特征。随着入渗时间增加，湿润锋边缘不断向外扩散，湿润锋面积逐渐增加。由图2还可以看出，在相同时间内，不同压力水头处理后的湿润锋在竖直向上，竖直向下和水平方向上的推移快慢均存在显著差异。与H100处理相比，在相同时间内，经H150处理后的湿润锋在竖直向上、水平方向和竖直向下上的推移距离会多1.8%～14.0%、22.2%～136.9%和0.6%～11.9%，平均值分别为8.0%、51.5%和4.4%；经H200处理后的结果分别为4.5%～21.6%、31.3%～135.2%和6.5%～16.7%，平均值分别为12.5%、64.5%和9.8%。不同压力水头处理后湿润锋在竖直向上、水平方向和竖直向下的推移速度均表现为：H200>H150>H100。由此可以说明，当压力水头增加时，能够加快水分沿各个方向扩散，湿润体面积也将进一步增加。这是由于随着压力水头增大，入渗界面的压力势会增大，从而导致入渗速率增大，湿润锋推移速度加快。

图2 不同压力水头处理后的土壤湿润锋Fig.2 Soil wetting front under different pressure head

在任意压力水头时，不同管带埋深处理后的土壤湿润锋分布特征基本相似，为此，仅以150 cm压力水头为例进行分析。图3为不同管带埋深处理后的土壤湿润锋。由图3可以看出，不同管带埋深处理后的湿润锋均呈近似圆形分布特征。随着入渗时间增加，湿润锋边缘不断向外扩散，湿润体面积逐渐增加。由图3还可以看出，在相同时间内，不同埋深处理后的湿润锋在竖直向上，竖直向下和水平方向上的推移快慢均存在显著差异。与D5处理相比，在相同时间内，相对管带埋设位置，经D15处理后的湿润锋在竖直向上、水平方向上的推移距离会平均减少17.2%和13.8%，但在竖直向上方向上的推移距离会平均增加9.0%；经D20处理后的结果分别为27.9%、12.8%和14.8%。不同管带埋深处理后湿润锋竖直向上和水平方向的推移速度均表现为：D5>D20>D15，而竖直向下的推移速度表现为：D20>D15>D5。由此可以说明，水分沿竖直向下的推移速度会随埋深增加呈增加趋势，而沿竖直向上和水平方向的推移速度呈先增后减趋势。

2.2 管带埋深与压力水头耦合效应对湿润锋半径影响

由前面分析可知，沿三个特征方向，土壤水分对压力水头的响应均表现为正响应，但对埋深的响应会因推移方向不同而存在差异。为了进一步探明埋深、压力水头及其交互效应对湿润锋的影响，有必要建立一个具体的量化表征参数。由图2和图3可知，不同处理后的湿润锋近似圆形分布趋势，当湿润锋扩散速度越快时，对应的湿润锋半径R也就越大。为此，本文采用参数R来综合表征水分在各个方向上的平均变化情况。图4为不同压力水头和管带埋深对湿润锋半径R的影响。由图4可知，经不同压力水头和管带埋深处理后的湿润锋半径R随时间呈对数型增加趋势。不同压力水头和埋深处理后的湿润锋半径大小表现为：H200>H150>H100，D5>D15>D20。由此说明，当压力水头越大和埋深越小时，越有利于水分在土壤中入渗。压力水头和埋深对湿润锋半径的影响存在拮抗效应。当灌溉结束后，湿润锋范围的确定对于制定科学合理的灌溉方案具有重要的指导意义。图5为不同压力水头和管带埋深处理后的湿润锋半径极大值Rmax。由图5可以看出，Rmax随压力水头和埋深的增加分别呈线性增加和线性衰减趋势。当埋深分别为D5、D15和D20时，当压力水头由H100增加到H200时，Rmax会分别增加51.2%、45.0%和30.1%；当压力水头分别为H100、H150和H200时，当埋深由D5增加到D20时，Rmax会分别减小8.8%、6.4%和21.6%。由此说明，埋深和压力水头对Rmax存在极显著影响。为了进一步明确双因素耦合效应对Rmax的影响，进行了多因素方差分析。结果表明埋深、压力水头及其耦合效应对Rmax的影响均达到极显著水平(p<0.01)，三者对Rmax的影响大小表现为：H>D>H·D。

图4 不同压力水头和管带埋深对湿润锋半径的影响Fig.4 The effects of different tube depth and pressure head on the radius of wetting front

图5 不同压力水头和管带埋深对湿润锋半径极大值的影响Fig.5 The effects of different tube depth and pressure head on the maximum radius of wetting front

2.3 管带埋深与压力水头耦合效应对湿润锋半径变化速率影响

本文采用Elovich模型对湿润锋动态变化过程进行了模拟，具体参数及精度如表1所示。由表1可知，不同处理下Elovich模型的决定系数为0.923～0.997，平均值为0.969，说明采用Elovich模型对湿润锋半径进行定量描述是合理可行的。在Elovich模型中，参数b反映了湿润锋半径的变化速率。由表1还可以看出，在D5、D15和D25处理下，当压力水头由H100增加到H200时，参数b可分别增加73.8%、43.1%和30.4%。由此说明，压力水头对参数b存在极显著的促进作用，并且当埋深越浅时，这种促进作用越明显。由表1还可以看出，在H100和H150处理下，当埋深由D5增加到D25时，参数b可分别增加10.2%和9.7%；但在H200处理下，当埋深由D5增加到D25时，参数b会减少17.3%。由此说明，在H100和H150处理下，埋深对参数b存在显著的促进作用，但当压力水头达到H200时，埋深对参数b存在抑制作用。由此可以说明，埋深和压力水头对参数b的影响可能存在一定的交互效应，因此，对其进行了多因素方差分析，结果表明埋深、压力水头及其耦合效应对参数b的影响均达到极显著水平(p<0.01)，三者对参数b的影响大小表现为：H>H·D>D。

表1 Elovich模型参数及精度Tab.1 Parameters and accuracy of Elovich model

3 结 论

(1)不同管带埋深和压力水头处理后的湿润锋均呈近似圆形分布特征。不同压力水头处理后湿润锋沿各个方向的扩散速率表现为：H200>H150>H100。不同管带埋深处理后湿润锋竖直向上和水平方向的推移速度均表现为：D5>D20>D15，而竖直向下的推移速度表现为：D20>D15>D5。

(2)不同压力水头和管带埋深处理后的湿润锋半径R随时间呈对数型增加趋势。不同压力水头和埋深处理后的湿润锋半径大小表现为：H200>H150>H100，D5>D15>D20。管带埋深和压力水头对湿润锋半径极大值Rmax分别存在抑制作用和促进作用。埋深、压力水头及其耦合效应对Rmax的影响大小表现为：H>D>H·D。

(3)不同压力水头处理后的湿润锋半径变化速率快慢b表现为：H200>H150>H100。在H100和H150处理下，埋深与b呈正相关，但在H150处理下，埋深与b呈负相关。埋深、压力水头及其耦合效应对b的影响大小表现为：H>H·D>D。

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