土壤初始含水率对管渠灌溉水分入渗特性的影响

李宗毅,张安琪,荣旭,王春堂

土壤初始含水率对管渠灌溉水分入渗特性的影响

李宗毅,张安琪,荣旭,王春堂*

山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

为了探究初始含水率对管渠灌溉过程中湿润锋运移和水分分布的影响，通过室内土槽模拟试验与理论分析，研究了4种不同土壤初始含水率（2.58％、4.76％、6.36％、8.94％）对水分入渗特性的影响。结果表明：不同土壤初始含水率下的湿润体运移轨迹均呈现出垄内侧为直线型，垄外侧为曲线型；垂直和水平湿润锋运移距离随入渗时间的延长而增大；相同入渗历时，垂直和水平湿润锋的运移距离随土壤含水率增大而增大；分别建立了在管渠灌溉条件下垂直和水平湿润锋运移距离、入渗时间和土壤初始含水率之间的经验公式，其相关系数2均大于0.9，满足精度要求；同一入渗时间下，垂直和水平湿润锋的运移速率随土壤初始含水率增大而增大，并随着入渗时间的增加，湿润锋运移速率迅速减小并趋于稳定；土壤初始含水率与湿润体内水分分布密切相关，含水率等值线随入渗深度的增加呈由疏到密分布，土壤初始含水率越大，湿润体内高含水率体积越大。

土壤湿度; 灌溉; 渗水性

土壤水分入渗是“四水转化”的重要环节[1]，入渗强度直接影响作物根系水分收支平衡[2]，进而影响灌溉效果。土壤水分入渗是自身重力与土壤的基质吸力共同作用的结果[3]，土壤基质吸力的大小会影响水分入渗速率[4]，土壤初始含水率通过改变土壤的基质势以及湿润锋前端的水势梯度进而影响水分入渗和传导过程[5-7]，因此，初始含水率是影响土壤的入渗能力的关键因子[8-10]。国内学者关于土壤初始含水率对不同灌水方式下水分入渗的影响研究较多，张新燕等[11]分析了初始含水率对沟灌水分入渗的影响，得出入渗速率和湿润锋均与土壤初始含水率呈正相关，但土壤初始含水率的增大更有利于沟灌水平侧渗；牛文全等[12]研究表明，在涌泉根灌条件下，土壤初始含水率会显著影响湿润体的大小，并提高湿润体中水分分布的均匀度；费良军[13]、陈琳[14]和金世杰[15]等通过大量膜孔灌试验建立了土壤初始含水率、湿润锋与入渗时间的模型，可靠程度高；此外，张建丰[16]、陈洪松[17]和王振华[18]等分别研究了土壤初始含水率对深层坑渗灌，坡面降雨入渗和地下线源滴灌的影响机理，结果表明，灌溉方式不同土壤初始含水率对水分入渗的影响也存在较大差异。

管渠灌溉技术是一种新型的地面灌水技术，该技术将U型管渠布设在畦田中间，以管渠代替田面输水，解决了长畦灌溉所产生的灌水均匀度低，水分浪费严重等问题。吴强[19]分别对管渠灌溉装置进行室内性能测试确定了管渠灌溉各项技术参数，并通过田间实际测试表明，管渠灌溉与传统畦灌相比节水19.35％，灌水均匀度显著提高；辛琪[20]以冬小麦为研究对象，表明管渠灌溉对于冬小麦生长指标影响显著，并有助于冬小麦增产。然而，目前国内外关于管渠灌溉技术下水分入渗特性鲜有报道。因此，本文通过室内试验研究了不同土壤初始含水率对管渠灌溉土壤水分入渗的影响，为管渠灌溉大面积推广应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1为管渠灌溉水分入渗室内试验装置，供试装置分为模拟大田的试验土槽和管渠灌溉装置两部分。其中，试验槽是由厚度为10 mm的有机玻璃制成，其规格为3.2 m×3 m×1.3 m（长×宽×高），水平方向设置3个同样的测量断面长×宽×高为3 m×0.1 m×1.2 m，水平槽底部设置为波折型，并布置若干排水通气孔，以排除积水，便于通气，避免因底部积水而造成的试验误差。管渠灌溉装置由供水装置和输水装置构成，供水装置为自制恒定水头装置，为更好模拟大田给水栓的供水实际，水头设置为高于试验槽顶部1.5 m；输水装置由顶部开口的U型管渠（图2所示）、塞阀和动力装置等部分构成，由图3管渠灌溉装置工作原理示意图可知，该设备利用管渠输水替代传统田面输水形式，当U型管中有水流涌入时，通过动力装置牵引拉绳带动塞阀匀速移动，阻挡管中水流运动，使灌溉水从塞阀两侧均匀溢出，由于管渠灌溉以等压恒量形式供水且塞阀匀速运动，故畦长方向各处灌水量相同，灌水均匀度较高。

图 1 管渠灌溉入渗试验装置示意图

图 2 U型管渠示意图

图 3 管渠灌溉工作原理示意图

1.2 供试土壤

本试验在山东农业大学水利土木工程实验中心进行，供试土壤采自山东农业大学马庄试验地（东经117°，北纬36°），该地区土壤肥力较好，质地均匀。试验用土取自0~40 cm的耕层土壤，清除土壤中的碎石和植物根系将土样自然风干后过筛（孔径2 mm），土壤质地采用BT-9300S激光粒度分布仪测量，测得粒径< 0.002 mm的质量含量占5.89％，0.002～0.02 mm占75.31％，0.02~2 mm占18.8％，根据国际土壤质地分类标准该土壤为粉砂质壤土。

1.3 试验方法与测定内容

本试验共设置4个土壤初始含水率，分别是2.58％、4.76％、6.36％和8.94％，按设定的土壤初始含水率配置土壤后用塑料布包裹好静置48 h，保证土壤水分均匀分布。将配置好的土壤按照5 cm一层，分层填入槽中，层间打毛避免分层，装填容重控制为1.4 g/cm3，装填完成后，在土壤表面设置一长3 m，宽2.2 m的畦田，然后将土壤表面用塑料薄膜盖住避免蒸发影响，静置24 h后进行试验。灌水定额设为60 mm，灌水流量为3 L/s，试验槽平行设置3个垂直土槽，即有3个测量断面，由于各测量断面受水量相等，故3个测量断面即为3次重复，取3个断面平均值进行分析。调节动力装置转速使塞阀运移速率为2.3 cm/s，塞阀运移速率根据灌水定额、灌溉流量、畦田规格确定：

式中：V为后移式管道移动速度，m/s；m为灌水定额，mm；A为每条畦田面积，hm2；Q为灌溉流量，m3/s，L为畦田长度，m。

将U型管渠布设在畦田中间，由于管渠两侧水分分布具有对称性，故选择一侧进行研究。管渠灌溉的灌水历时较短，灌水完成后用秒表计时，采用先密后疏的原则观测湿润锋运移情况，用米尺测量湿润锋运移距离；湿润锋运移速率取值为单位时间内湿润锋运移距离，时间间隔与记录时间间隔一致；灌水完成24 h后在3个断面上分别用土钻取土，取土点在水平方向距管渠100 cm内每20 cm一个，100~140 cm每10 cm一个，垂直方向每5 cm为一层，取至湿润锋位置处结束，用烘干法测土壤含水率。

1.4 数据分析

采用MS-Excel 2016数据处理系统进行湿润锋运移规律分析，并用Surfer软件绘制土壤含水率等值线图。

2 结果与分析

2.1 土壤初始含水率对湿润锋形状的影响

图2 不同土壤初始含水率对湿润锋运移轨迹的影响

图2为不同土壤初始含水率条件下湿润锋剖面观测结果，由图2可以看出在不同初始含水率下湿润锋的运移轨迹相似，均表现为在垄内侧湿润锋呈水平直线型，垄外侧呈弧线型，这是由于灌溉水从管渠溢出后，主要进行田面横向运移，流速快且运移距离短，水流可以均匀的分布在畦田内侧，使得水分均匀垂直入渗。不同土壤初始含水率对于湿润体剖面面积影响显著，水平侧渗距离和垂直入渗深度均随土壤初始含水率的增大而增大，且垂直入渗深度的变化幅度明显大于水平侧渗距离。

2.2 土壤初始含水率对湿润锋运移距离的影响

图3为不同土壤初始含水率条件下垂直和水平湿润锋随时间的运移曲线，从图3可以看出，不同土壤初始含水率处理的垂直入渗深度和水平湿侧渗距离均随着运移时间的推移而增大。入渗初期，不同初始含水率处理间湿润锋运移距离差距不显著，随着入渗时间的增加，不同处理间差距逐渐增大。相同入渗时间内，垂直和水平湿润锋运移距离均随土壤初始含水率的增大而增大，且对于垂直入渗深度的影响显著大于水平侧渗距离。以入渗时间240 min为例，土壤初始含水率为2.58％、4.76％、6.36％和8.94％时，垂直入渗深度分别为19.6 cm、21.9 cm、24.1 cm、26.9 cm，与土壤初始含水率2.58％的垂直入渗深度相比，初始含水率为4.76%、6.36%和8.94%的入渗深度增幅分别为11.7％、23.1％、37.2％；水平侧渗距离分别为16.1 cm、16.6 cm、17.7 cm、18.9 cm，与土壤初始含水率2.58％的水平侧渗距离相比，初始含水率为4.76%、6.36%和8.94%的侧渗距离增幅依次为3.11％、9.93％、17.4％。这是因为随着土壤初始含水率增大，土壤水力传导度增大，蓄水能力减弱，土壤孔隙的实际过水断面增加，故土壤初始含水率增大有利于湿润锋的运移；但是，非饱和土壤水运动的驱动力主要是土壤的基质势和重力势，其中，基质势梯度对水平侧渗起主要作用，重力势梯度对垂直入渗起主要作用，随着入渗时间延长，重力势作用愈加显著，最终垂直入渗距离大于水平扩散距离。

图3 不同土壤初始含水率条件下各向湿润锋运移曲线

管渠灌溉条件下，不同土壤初始含水率条件下的垂直湿润锋、水平湿润锋运移距离特性曲线与入渗时间呈现出幂函数关系，即：

=b；=d(2)

式中：H为管渠灌溉垂直湿润锋运移距离，cm；a和b为垂直入渗的拟合参数；R为管渠灌溉水平湿润锋运移距离，cm；c和d为水平入渗的拟合参数；t为入渗时间，min。

利用（2）式将不同土壤初始含水率条件下垂直湿润锋运移距离和水平湿润锋运移距离与入渗时间的关系进行拟合，结果见表1。

表 1 不同土壤初始含水率条件下各向湿润锋运移距离与入渗时间拟合参数

由表1可以看出，各决定系数R2均大于0.95，说明不同初始含水率条件下，垂直入渗深度和水平侧渗距离与时间具有较好的幂函数关系，在相同条件下，垂直拟合系数a、b和水平拟合系数c、d均随着θ的增大而增大。通过对垂直和水平湿润锋运移距离曲线的拟合系数分析得出，a、b和c、d均与θ具有明显的线性关系：

（1）垂直湿润锋运移距离为：=28.543θ+4.47762=0.9952

=0.0861θ+0.24072=0.9552

将拟合系数a、b代入公式（2），得出不同土壤初始含水率下的垂直湿润锋运移距离与时间的关系模型：=(28.543θ+4.4776)0.0861θ+0.2407

2.58％≤ θ≤8.94％ 0≤ t ≤480

式中：θ为土壤初始含水率。

（2）水平湿润锋运移距离为：=12.615θ+8.57122=0.9983

=0.0978θ+0.10952=0.9326

将拟合系数c、d代入公式（3），得出不同土壤初始含水率下的水平湿润锋运移距离与时间的关系模型：R=(12.615θ+8.5721)t0.0978θ+0.01095

2.58％≤ θ ≤8.94％ 0≤ t ≤480

2.3 土壤初始含水率对湿润锋运移速率的影响

图4为不同土壤初始含水率下各向湿润锋运移速率的变化曲线。由图4可以看出，同一土壤初始含水率处理，湿润锋垂直运移速率和水平运移速率均随入渗时间的推移呈递减的趋势，入渗初期，各向湿润锋运移速率递减幅度大，以初始含水率为6.36％为例，入渗10 min时，垂直和水平湿润锋运移速率分别为1 cm/min和0.95 cm/min，与入渗10 min相比，30 min时垂直和水平湿润锋运移速率均下降80％以上，60 min时垂直和水平湿润锋运移速率分别下降90％以上，40 min后垂直和水平湿润锋运移速率均低于0.1 cm/min并持续缓慢减小。不同土壤初始含水率处理之间，在相同入渗时间下，各向湿润锋运移速率均随着土壤初始含水率的增大而增大，当入渗时间为20 min时，以土壤初始含水率2.58％为基准，土壤初始含水率为4.76％、6.36％和8.94％的垂直湿润锋运移速率增幅依次为13.6％、20.9％和36.4％，水平湿润锋运移速率增幅依次为4.73％、8.49％、16.04％，并随入渗时间推移各处理差异越来越小，这是由于湿润锋下移，湿润体中含水率梯度逐渐减小所致。

图4 不同土壤初始含水率条件下各向湿润锋运移速率曲线

2.4 土壤初始含水率对湿润体内水分分布特性影响

为探究不同初始含水率对湿润体内水分分布的影响，利用Surfer软件绘制灌水结束24 h后湿润体内部的土壤含水率等值线图。如图5所示，在其它条件相同的情况下，湿润体等值线形状与其湿润锋运移轨迹形状相似，均表现为相同入渗深度的土壤含水率等值线沿畦宽方向呈直线分布，这表明在管渠灌溉条件下，水分横向分布较均匀。土壤表层含水率等值线相对稀疏，含水率较高，水势梯度较小，不同初始含水率之间差异较小；随土层深度增加等值线由疏到密分布，水势梯度增大，土壤含水率减小，不同土壤初始含水率之间差异变大。不同初始含水率对湿润体内水分分布影响显著，土壤初始含水率越大，湿润体内高含水率区域越大，湿润体内同一深度含水率也越大，灌水后第24 h，初始含水率为2.58％、4.76％、6.36％和8.94％的土壤含水率为10%的土层分别位于25 cm、30 cm、35 cm和40 cm，这是因为土壤初始含水率越大，土壤中充水孔隙越多，充气孔隙越少，致使土壤导水性增强，高含水率范围扩大。

图 5 不同土壤初始含水率条件下湿润体含水率等值线图

3 结论

本试验研究了不同土壤初始含水率对管渠灌溉土壤水分入渗的影响，得出以下结论：

（1）不同初始含水率条件下，管渠灌溉湿润锋运移轨迹均为垄内侧呈直线型，外侧呈弧线型；随初始含水率的增大，湿润体面积显著增大；

（2）随土壤初始含水率的增大，相同入渗时间内管渠灌溉湿润体各向运移距离均增大；各向湿润锋运移距离与入渗时间均有较好的幂函数关系；建立了以各向湿润锋运移距离、入渗时间和土壤初始含水率间的经验模型；

（3）同一入渗时间下，土壤初始含水率越大，各向湿润锋运移速率越大，并随着入渗时间的增加，湿润锋运移速率迅速减小并趋于稳定，运移速率稳定后，不同土壤初始含水率处理间湿润锋运移速率差距较小；

（4）土壤初始含水率对湿润体内水分分布有较大的影响，含水率等直线随入渗深度呈由疏到密分布，土壤初始含水率越大，湿润体内高含水率的面积越大，同一位置处质量含水率越大。

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LI Zong-yi, ZHANG An-qi, RONG Xu, WANG Chun-tang*

271018,

In order to identify the effects of soil initial content on the movement and distribution of wetting front in the process of canal irrigation, this paper explored the water infiltration properties of pipe canal irrigation under 4 different kinds of soil initial content (2.58%, 4.76%, 6.36%, 8.94%) through indoor simulation and theoretical analysis. The results showed that the movement track of wet body under different soil initial moisture contents were linear in the ridge and curve outside the ridge. The distance of vertical and horizontal wetting front migration increased with the extension of infiltration time. In the same infiltration time, the migration distance of vertical and horizontal wetting front increased with the increase of initial soil moisture content. The empirical formulas of the wetting front migration distance，infiltration time and initial moisture content of soil were established respectively. The correlation coefficients were all greater than 0.9, which met the accuracy requirements. The speed of wetting front migration increased with the increase of soil moisture content and decreased with increasing infiltration time. At the same time, the speed of vertical and horizontal wetting front increased with the increase of initial soil water content, and decreased rapidly and tended to be stable. The initial soil water content was closely related to the water distribution in the wetting body. The contour of moisture content was distributed from sparse to dense with the increase of infiltration depth. The larger the initial moisture content of soil, the larger the volume of high moisture content in the wetted soil volume.

Soil humidity; irrigation; water permeability

S275.9

A

1000-2324(2021)02-0270-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.020

2019-12-12

2020-01-02

山东省重点研发计划项目(2018GNC110015);山东省自然科学基金项目(ZR2017MEE001)

李宗毅(1994-),男,硕士研究生,主要从事管渠自动灌溉技术研究. E-mail:394689131@qq.com

Author for correspondence. E-mail:slx@sdau.edu.cn