间接地下滴灌条件下红黏土水分入渗特性试验研究

欧阳淼，李珍玉

(中南林业科技大学土木工程学院，长沙 410004)

0 引 言

植物护坡技术[1]作为一种新型的生态技术，已经在世界范围内得到广泛的使用和认可。香根草是优良的护坡植物之一，其根系异常发达，一般可生长至2～3 m，最深可达到5～6 m。因其根系生长具有向重力性，在边坡土体内集中垂直向下生长，而垂直于坡面向内的根系短而少[2]，这种根系构型不能最大限度地发挥出其根系固土能力。嵇晓雷等[3-5]学者研究表明，植物根系应该斜向坡体内生长，与剪切面成锐角，植物根系所穿过的潜在的不稳定土体越多，根系增强土体稳定性的作用越显著。如果能将此类根系发达且深远型的植物进行人工调控向需要的角度生长，则能大大提高植物根系的固土能力，促进植物边坡在工程上的应用。

人工调控手段主要分为生物手段和非生物手段2大类。由于施工规模较大，工程中采用非生物手段调控植物根系的生长，更具有简单、方便和适用的特点。而目前非生物手段调控植物根系构型的有效方法之一是滴灌技术[6-8]——一种局部灌溉技术。滴灌技术包括地表滴灌、地下滴灌和地下间接滴灌3种。地下滴灌通过灌水器可将水或水肥混合液直接送到植物根系附近，有利于植物充分吸收。与地表滴灌相比，可以始终保持地表干燥，消除了水分在土壤表面的蒸发，降低了地表的空气湿度，减少了病虫害和杂草。但是地下滴灌下灌水器堵塞的问题比较突出，由于灌溉停水后，毛管的负压使土壤中的微小颗粒吸入灌水器或根系侵入滴水孔，易造成堵塞。间接地下滴灌由地表滴灌系统与布置在滴头下方土壤当中的导水装置构成[9]，不仅具有减少地表蒸发，增大湿润体范围，为植物根系扩散、吸收营养提供空间，而且还有提高水分和养分均匀度的效果，避免滴头堵塞和充蚀通道[10,11]，弥补了地表滴灌和地下滴灌的不足。由于滴灌技术可控制部分土壤中的含水率分布，国内外许多学者采用这种局部灌溉的滴灌方式来调控作物根系的生长状况。张妙仙[12]通过研究滴灌条件下土壤的湿润体与根系范围优化匹配，认为根系的生长区域受到滴灌条件下的土壤湿润体范围的影响，滴灌系统优化的关键是在滴灌条件下合理匹配土壤湿润体与作物根系分布情况。李明思、孙海燕等[13-15]在地表滴灌条件下，针对重壤土、中壤土、砂壤土研究滴灌点源入渗的湿润锋运移规律，分析了土壤种类、土壤容重、土壤初始含水率、滴头流量、灌水量等对湿润锋运动的影响，建立了点源滴灌滴头流量的数学模型。李道西、程先军等[16-19]在地下滴灌的条件下，研究了滴头流量、土壤容重等对土壤湿润体的影响，为地下滴灌系统的合理设计提供了理论依据，建立了描述地埋点源土壤水运动和溶质运移的数学模型。这些成果丰富了滴灌技术的理论，很好地调控了农作物根系的生长状况，提高了农作物产量。但农作物根系较浅，一般通过地表滴灌就能实现。香根草根系发达且深入土层，地表滴灌无法实现，而地下滴灌的设备难于清洗，容易堵塞。课题组欲采用地下间接滴灌技术来实现对工程边坡上的深根系植物香根草的调控。因此本文研究地下间接滴灌条件下，相关参数如何影响土壤水分运移、湿润体特征值，尤其是南方广泛分布的红黏土的水分入渗特性，为调控该类土质边坡植物根系构型和提高植物边坡固土能力提供设计依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

整个试验系统由有机玻璃试验模型箱、导水装置及供水装置3部分组成，如图1所示。图1中粗线围成的区域为导水装置，上部阴影部分为不透水边界，下部为透水边界。为了方便观测湿润锋的变化规律，以湿润体的1/2为研究对象。试验模型箱规格为500 mm×500 mm×500 mm(长×宽×高)的有机玻璃箱，供水装置采用能够提供恒定水头的马氏瓶，通过调节马氏瓶进气口与导水装置底部的高程控制滴头流量。导水装置由上部分边界、下部分边界和底部透水的砂柱组成，其中不透水边界由PVC材料的管材制成，透水边界(砂柱)是由2～5 nm砂砾组成。

图1 间接地下滴灌试验装置

1.2 试验设计

试验用土为长沙地区常见的红黏土，烘干后过2 mm孔径的筛，通过常规试验测定过筛后的红黏土的物理性质，并采用恒定水头钻孔法测定其饱和导水率，结果如表1所示。

表1 供试土壤物理性质

间接地下滴灌入渗试验中，导水装置高度20 cm，其中透水边界高度5 cm，不透水边界高度15 cm。将烘干的红黏土配制成3种初始含水率(2%、12%和20%)的试验土样，将不同含水率的土样分别分层装入模型箱，待模型箱内的土样自然沉降24 h后进行试验，滴灌速度设3个水平，分别为5、10和15 mL/min。

灌水过程中使用秒表计时，入渗过程中，按照先密后疏的原则观测土壤湿润锋运移，并在模型箱描绘出二维坐标系内不同入渗时刻所对应的湿润锋位置，记录土箱侧面土壤最大湿润锋运移距离，同时记录其对应时间。滴灌结束后，以距离导水装置4 cm为一个取土剖面，每个剖面又以4 cm为一个土层进行取土，用烘干法测定含水率，如图2所示。

图2 含水率测点位置

2 试验结果与分析

2.1 土壤初始含水率对湿润体形状的影响

对供试土壤在滴水入渗试验过程中，描绘湿润锋运移轨迹。图3表示在滴头流量Q为10 mL/min时，土壤初始含水率分别为2%和12%的湿润锋运移曲线。

图3 不同土壤初始含水率湿润锋运移曲线

为方便的观测湿润体形状，将结束滴灌后的湿润锋曲线完整地表示在二维坐标系内，如图4所示。

图4 湿润锋曲线

经计算可知，湿润锋曲线上的任何一点P到定点F1、F2的距离之和近似等于一个常数2a，F1、F2称为椭圆的2个焦点。其数学表达式为，

|PF1|+|PF2|=2a(2a>|F1F2|)

(1)

所以地下滴灌土壤水分运移过程是以滴头底部(不透水边界底部)为中心向四周不断扩散的过程，最终湿润锋运移的形状近似椭圆形，而湿润体的形状则近似为椭球体。以水平方向最大湿润距离为长半轴，竖直方向最大湿润距离为短半轴，建立椭圆方程如下：

(2)

式中：t为滴灌时间，min。

根据椭圆对称性计算湿润体水平方向对称轴距离导水装置底部的距离h(t)，计算结果如图5所示。

图5 湿润体水平对称轴位置变化曲线

滴灌结束后，土壤初始含水率为2%时，h=1.2 cm；土壤初始含水率为12%时，h=-0.7 cm。随着土壤初始含水率的增加，湿润体水平对称轴不断下移。说明湿润锋在垂直方向向上的运移速率小于向下的运移速率，这是由于当土壤越来越湿润时，土壤的孔隙逐渐饱和，毛细管作用力将逐渐变弱，重力对水分运移的影响就超过了毛细管作用力从而使土壤水分向下流动趋势增强。对h(t)进行回归性分析可知，h随时间t的变化规律符合对数函数关系。运用对数函数h=mlnt+n进行拟合，拟合结果如表2所示，决定系数R2均在0.9以上。

2.2 土壤初始含水率对湿润锋运移的影响

在滴灌流量为10 mL/min，土壤初始含水率分别为2%、12%、20%的条件下，湿润锋运移随时间的变化曲线如图6所示。

表2 湿润体水平对称轴距导水装置底部的距离与时间的拟合函数

图6 不同土壤初始含水率湿润锋运移曲线

从图6可看出，湿润锋水平和垂直向下的运移速度和距离随土壤初始含水的增大而增大，湿润锋垂直向上运移速度和运移距离随土壤初始含水率的增加而减少。这是因为土壤初始含水率增大，在土颗粒周围形成的水膜变厚，土颗粒对水分的吸力逐渐减弱，基质势作用越来越弱，从而更容易在土壤中形成自由水。由于重力势作用，垂直向下水分运移速度增大最多，其次是水平运移速度，最慢的是水分垂直向上运移。

2.3 滴头流量对湿润锋运移的影响

当滴头流量分别为5、10、15 mL/min时，湿润锋变化过程如图7所示。

图7 不同滴头流量对湿润锋运移速率的影响

由图7可知：灌水初期，同一时刻湿润锋运移速度随滴头流量的增大而增大，但随灌水时间的延长，这一现象逐渐减弱。这是因为较大的滴头流量使砂柱(透水边界)周围土壤的含水率剧增，与周围土壤之间的土水势差骤然变大，从而促使土壤水分迅速向外扩散，但是湿润体内部含水率由内向外递减，随着湿润体的延伸，其外缘土壤含水率值接近于周围土壤含水率值，土水势梯度不断减小，使得湿润锋的运移速度减缓。对不同流量下的湿润锋半径R(t)进行回归分析，发现土壤的湿润锋半径随时间的变化规律符合幂函数关系，即：

R=Atα

(3)

对式(1)求一阶导数，可得湿润锋运移速率关系：

V=αAt(α-1)

(4)

式中：R为湿润锋半径，cm；V为湿润锋运移速率，cm/min；t为滴水时间，min；A、α为拟合参数。

不同滴速的拟合结果如表3所示，该结果可以用来预测不同流量条件下间接地下滴灌土壤水分运动规律，为调控植物根系构型提供有价值的依据。

2.4 滴头流量对湿润体含水率分布的影响

滴灌结束后，在不同剖面取样，用烘干法测得湿润体含水率分布如图8所示。

从图8中可以看出，在相同的灌水量下，流量较小的湿润体的范围稍大于流量较大的湿润体范围，砂柱(透水边界)附近的含水率均为最高，距离砂柱越远处含水率越低。流量5 mL/min时，砂柱附近的含水率为27.18%；流量15 mL/min时，砂柱附近的含水率为28.62%。随着流量的增大，砂柱附近的土壤含水率也相应增大，这是由于流量较大时，砂柱附近含水率急剧增高，但土壤导水能力有限，水分不能及时扩散，在砂柱附近形成一个高含水率区。在距砂柱相同间距的情况下，随着滴头流量的增加，水平面上土壤含水率均逐渐增加，而垂直面上含水率逐渐减少，说明大流量有利于水分向水平方向运移，小流量有利于水分向垂直方向运移。

表3 各个方向的湿润锋运移距离和速度与时间的拟合函数

图8 不同滴头流量土壤含水率等值线

3 结论与讨论

本文通过试验研究，得到了在间接地下滴灌条件下，滴头流量和土壤初始含水率对红黏土内水分入渗特性的影响规律，主要结论如下。

(1)在相同的灌水量条件下，流量越大湿润锋运移越快，但湿润体范围略微较小。灌水初期，同一时刻湿润锋运移速度随滴头流量的增大而增大，但随灌水时间的延长，这一现象逐渐减弱，湿润锋半径随时间的变化规律符合幂函数关系。

(2)滴头附近的土壤含水率最高，距离滴头越远，土壤含水率逐渐降低。试验证明，滴灌流量大时，有利于水分向水平方向运移，而滴灌流量小时，有利于水分向垂直方向运移。

(3)试验研究发现，湿润锋运移的形状近似椭圆形，而湿润体的形状则近似为椭球体。随着土壤初始含水率的增加，湿润体水平对称轴不断下移，随时间呈对数函数变化。湿润锋水平和垂直向下的运移速度和运移距离随土壤初始含水率的增大而增大，而湿润锋垂直向上运移速度和运移距离随土壤初始含水率的增加而减少。

试验研究发现，不同滴头流量和土壤初始含水率会形成不同形状和大小的湿润体，也会导致湿润体含水率分布不同。在调控所需的植物根系构型时，可通过控制滴头流量和土壤初始含水率来控制植物根系分布情况，调控植物根系生长构型，提高植物根系固土的能力。