引黄灌区不同灌溉强度和灌溉方式对土壤水分和成分的影响

李东阳

（河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

经过60多年的发展，中国引黄灌溉工程取得了显著的成效，各项基础水利设施陆续建造。在黄河流域沿线，引黄灌溉成为当地居民农业灌溉的主要方式。但是黄河水中泥沙含量较多，容易导致渠道堵塞，不得不使用大量的人力、物力、财力来进行河道 的 清 淤 工 作［1，2］，这 也 制 约 了 引 黄 灌 区 农 业 发展［3］。因此使用科学的手段促进引黄灌区灌溉效率的提升成为研究的热点。

甘肃省位于中国西北部地区，是中国西北大开发涉及的重要省份。甘肃省也是土壤盐渍化程度较高的地区，其存在大量的盐渍化的土地无法有效利用［4，5］，水资源的严重缺乏也制约了盐碱地农业利用，甘肃省虽然存在100多处沿黄灌区的大中小高扬程提灌工程，但水资源的短缺依然是制约土地利用的主要因素［6］。灌溉总量不足、灌水时间错位、灌溉方式落后以及灌溉成本较高成为引黄灌区不可忽视的问题［7］。对灌溉方式以及土地利用现状进行分析，对引黄灌区的灌溉方式进行优化尤为重要。

针对甘肃省引黄灌区的农业土壤的现状展开研究，采用实地试验方法，对比不同灌溉强度下土壤的基本性质以及泥沙输送规律，提出了波涌灌溉的灌溉模式，并对比了波涌灌溉与传统灌溉的差别，突出了波涌灌溉的优越性，旨在明确灌区土壤的基本性质，提出灌溉方式，为甘肃省引黄灌溉中存在的问题提供解决办法。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省白银市靖远县北滩乡，海拔1 385～1 705 m，属于兴电灌区的中游地带，黄河水经过9级泵站的提升引入该灌区内，黄河水提升高度为480 m。兴电灌区的面积约为21 000 hm2，大部分土地为盐碱性土地，约占总耕地面积的30%。研究区土壤类型大部分为灰钙土质，成土母质为黄土。该区域属于黄土丘陵沟壑干旱区，受青藏高原和腾格里沙漠的影响，气候类型为大陆性干旱荒漠气候，年降雨量较少，平均年降雨量仅为200～300 mm，平均气温约为7℃，年日照时间约为3 000 h。

1.2 试验设计

为研究不同灌溉条件下土壤的入渗规律，设计了土壤入渗规律试验研究。试验区分布见图1。试验区设立4个试验小区，分别编号为0、1、2以及3。每个试验小区为2.5 m×2.5 m的正方形，小区间隔1.5 m。0区域为对照组，不进行灌溉处理。而1、2、3区域的灌溉量分别为600、900及1 200 m3/hm2。设置3个重复试验。

试验区大部分土地为干旱盐碱质土地，年降水小，蒸腾量大，不利于农作物生长［8-10］。探究土壤含水率情况，对比传统灌溉以及波涌灌溉对土壤含水率的影响。波涌灌溉是新型地面灌溉技术［11-13］，具有灌水时间短，灌溉均匀［14］，符合引黄灌区的实际情况的特点［15］。不同灌溉方式对土壤含水率的试验设计见图2。设置2个试验区A及B，试验区长80 m，宽2 m，A采用传统灌溉，B采用波涌灌溉。为减少试验误差，试验前将试验田平整，2个试验区用保护行隔开。试验灌溉参数见表1。

表1 灌溉方式的技术参数

由表1可知，灌溉时的灌水流量为8.0 L/（m·s），传统灌溉的放水总时间为20 min。当田地长度在200 m以下时，波涌灌溉的周期数一般选择2～3；当田地的长度大于200 m时，波涌灌溉的周期数一般选择3～4。试验区的长度为80 m，因此选择灌溉周期数为2。由于灌流水量较大，水流速度较快，选取循环率为1/3。

1.3 指标计算

选取灌溉参数、土壤含水率、土壤颗粒泥沙含量作为评价指标，其中灌溉参数包括灌溉水量以及灌溉均匀度。

1）灌溉水量的计算如式（1）。

灌溉水量=灌溉流量×灌溉时间×田地宽度

式中，灌溉流量使用电磁流量计测定；灌溉时间使用秒表测定。

2）灌溉均匀度用于评价灌溉质量，灌溉均匀度可评价作物的生长效果以及产量［16］。灌溉均匀度计算如式（2）。

式中，S为灌溉均匀度；Hi为第i点的灌溉入渗量，Ha为灌溉的平均入渗量，N为试验点数。

3）土壤含水率测定。以试验区0～10 cm表层土为研究对象，将表层土壤分为0～2、3～5及6～10 cm试验，分别取样置于烘干铝盒中，准确称取重量，记为土样的湿重；烘箱中恒温烘干8 h后称重记为土样的干重［17］。

式中，m湿为土样的湿重；m干为土样的干重；m盒为铝盒的质量。

4）按照土壤粒径的分布规律，将土壤分为砂粒（0.050～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）以及黏粒（<0.002 mm），研究不同灌溉强度土壤泥沙粒径的分布。土壤中入田泥沙质量根据灌水前后土壤颗粒分配及灌溉水中泥沙颗粒分配计算［18］。

式中，m沙为入田泥沙的质量；m土为土壤的质量；ai为灌水后土壤中某粒径的沙重百分数；bi为灌水前土壤中某粒径的沙重百分数；ci为灌溉水中泥沙中某粒径的沙重百分数。

式中，ρ为田泥沙的质量比重。

由于一次灌水的泥沙量较小，可以忽略不计，因此，得出某一田地中的各点的泥沙含量算式。

式中，f为田地中的各点的泥沙含量。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率

不同深度土壤在不同灌溉强度时的含水率变化见图3。灌溉前的含水量0～2、3～5、6～10 cm分别为9.51%、9.34%及10.18%。灌溉水量为600 m3/hm2时，土壤含水率在18%左右。灌溉水量为900 m3/hm2时，土壤含水率在21%左右，灌溉水量为1 200 m3/hm2时，土壤含水量在23%左右，6～10 cm土壤含水量大。

2.2 土壤泥沙颗粒分布

土壤泥沙粒径的分布规律见图4。土壤灌溉前0～2 cm土壤砂粒、粉粒以及黏粒的占比分别为2.59%、80.37%及17.04%。随灌溉强度的增加，土壤砂粒含量先增加后减少，而粉粒含量逐渐减少。3～5 cm及6～10 cm土壤表现出相同的规律。可以看出，在同一灌溉强度下，随土层厚度增加，砂粒含量增加，粉粒含量则呈下降趋势。

2.3 波涌灌溉灌水强度

波涌灌溉模式灌溉水量为61.61%，灌溉均匀度为88.39%。波涌灌溉的灌溉均匀度较高，且灌溉水量较少。

2.4 波涌灌溉土壤含水量

研究不同灌溉方式下0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率情况见图5。

传统灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分别为23.45%、26.39%以及29.47%，波涌灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分别为27.58%、29.31%及32.52%。波涌灌溉可提高土壤含水率，从而保证农作物的正常生长。同时也证明波涌灌溉的优越。

3 小结与讨论

对甘肃省引黄灌区的实际情况展开针对性研究，实地取样探究土壤基本情况及泥沙颗粒输送规律。

1）不同灌溉强度土壤含水率的变化。0～2、3～5、6～10 cm土壤含水率分别为9.51%、9.34%、10.18%。灌溉水量为600、900及1 200 m3/hm2时，土壤中含水率分别为18%、21%及23%左右。

2）泥沙颗粒分布规律。灌溉前，占比为砂粒<黏粒<粉粒，随灌溉强度及土层厚度增加，砂粒先增加后减少，粉粒减少。

3）波涌灌溉应用效果良好。波涌灌溉灌溉水量为61.61%，灌溉均匀度为88.39%，好于传统灌溉。波涌灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分别为27.58%、29.31%及32.52%，相同土层深度，波涌灌溉的土壤含水量均高于传统灌溉。

4）研究探究了灌区土壤的物理性质，提出了科学的灌溉方式，具有实际应用价值。但仅对表层土壤展开研究，后续研究将进一步扩大土壤范围，充实研究内容。