移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

张颢晖，严海军,2，惠 鑫，赵 赫，王文涛，郭 辉

移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟

张颢晖1，严海军1,2※，惠 鑫1，赵 赫1，王文涛1，郭 辉1

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 农业节水与水资源教育部工程研究中心，北京 100083）

为减少大型喷灌机的喷灌水分蒸发漂移损失，将低压喷头改装成按适当间距布置的大流量压力补偿滴灌管，使大型喷灌机自走时拖拽滴灌管，实现边移动边滴灌。该移动滴灌系统融合了大型喷灌机与滴灌的技术优势，具有较高的节水潜力，研究其土壤水分入渗规律对于设计节水高效的灌溉系统具有重要意义。为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况，该研究搭建了移动滴灌试验装置，设置30、40与50 mm 3种灌水深度进行移动滴灌土箱试验，同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。模拟与实测结果对比表明，所构建模型能较准确地反映移动滴灌的土壤水分运动规律，土壤剖面中的水分运动均遵循面源入渗模式，灌水后48 h土壤剖面含水率模拟值的标准均方根误差低于20%，各测点处含水率变化过程模拟的标准均方根误差值总体低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土与粉壤土3种不同的土壤质地，20、30与40 mm 3种不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm3/cm35种不同的土壤初始含水率对移动滴灌条件下土壤水分入渗规律的影响。结果表明土壤质地对湿润峰运移距离与湿润体形状的影响较大，土壤砂性越强，湿润体横截面积越大，可以适应更大的滴灌管安装间距；对于供试砂壤土而言，增大灌水深度与土壤初始含水率，均可以提高湿润峰运移距离和灌水均匀性，但会加大深层渗漏风险。该研究结果对于大型喷灌机的移动滴灌系统设计运行具有重要参考价值。

土壤水分；入渗；灌溉；大型喷灌机；压力补偿滴头；数值模拟；HYDRUS-2D

0 引 言

中国是农业大国，全国灌溉面积达7 831.5万hm2[1]，但灌溉水有效利用系数仅0.568[2]，与世界先进水平的0.7～0.8相比仍有较大差距[3]。在日益严峻的农业用水形势下，人们不断研发节水高效的新型灌溉设备。圆形喷灌机与平移式喷灌机等大型喷灌机因具有灌溉面积大、自动化程度高、地形适应性强以及运行维护保养成本低等优势[4]，在土地开阔连片、田间障碍物少、集约化经营程度相对较高的农牧业区得到了广泛使用。然而喷灌过程中无法避免蒸发漂移损失[5]与作物冠层截留[6]，同时灌水质量也容易受到风的影响，这些不足在一定程度上阻碍了其在干旱和半干旱地区的推广应用，导致个别地区拆除现有喷灌机而改用滴灌。与喷灌相比，尽管滴灌的灌溉水利用系数更高，但是对于苜蓿等多年生、多次刈割的大田作物，铺设地表的滴灌系统（毛管、支管等）容易受到田间作业机具破坏，而且灌水器堵塞较为严重[7-8]，其较高的安装与运行维护成本也影响其大面积推广。

为此，国外有学者将现有大型喷灌机上的低压喷头改装为大流量压力补偿滴灌管，充分利用大型喷灌机的自走特点，通过喷灌机桁架拖拽以适当间距布置的滴灌管在地表移动，形成移动滴灌系统并实现大面积的自动化灌溉。移动滴灌系统融合了大型喷灌机与常规滴灌系统的技术优势，与低压喷灌相比，可避免空中的水分蒸发漂移损失，干旱条件下可降低35%的土面蒸发[9]，节水10%～20%[10]，且有效避免喷灌机轮辙处积水和轮胎打滑问题[11]。与常规的滴灌系统相比，该系统采用的大流量滴头不易堵塞[12]，系统投资与运行维护成本较低[10]，尤其是种植高价值、高耗水的作物，其投资回收年限较短[13]。国外田间应用表明，在土豆、高粱、苜蓿以及玉米等作物生产中具有较高的节水、增产效果[14-16]。

截至目前，有关移动滴灌系统安装运行参数设计的研究仍未见报道，而这些参数又影响着系统的灌水质量。移动滴灌管的工作状态不同于普通滴灌管，两者之间的技术参数存在较大的差异，将传统滴灌系统的设计方法直接套用到移动滴灌系统中易引发地表径流、深层渗漏、灌水均匀性差等问题，不仅降低灌溉水利用系数，也难以保证作物产量。为保证灌水后土壤水分分布能与作物根系分布相适应，在系统设计过程中需要对移动滴灌条件下的土壤水分入渗规律进行研究。土箱试验是研究土壤水分入渗的重要方法，相关学者以此对滴灌系统的土壤水分入渗规律开展了大量研究[17-19]。但该方法受限于工作量，往往只能揭示单一因素对水分运动的影响规律，其结果难以直接推广应用到灌溉系统设计中。将土箱试验与耗时更短、灵活性更强的数值模拟相结合，能够更好地解决实际生产中的复杂问题。HYDRUS-2D是目前较为成熟的土壤水分运移数值模型，具有较高的模拟精度，能够适应不同土壤质地与滴灌参数下的水肥运移模拟[20-22]。

因此，为确定移动滴灌管灌水后的土壤湿润体形状及土壤水分分布情况，本文通过搭建移动滴灌土壤水分入渗试验装置开展土箱试验研究，并设置30、40与50 mm 3种不同的灌水深度，同时利用HYDRUS-2D建立移动滴灌条件下的土壤水分运动数值模型。利用试验结果验证数值模型的模拟精度，在此基础上研究不同灌水深度、土壤质地以及初始含水率条件下的移动滴灌土壤水分运动特征，以期为移动滴灌系统的应用设计提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤为砂壤土，取自中国农业大学涿州教学试验场，取土深度为0～40 cm，土壤干容重为1.5 g/cm3，有机质含量为11.56 g/kg。土壤颗粒组成采用MS2000激光粒度仪（英国Malvern公司，测定误差小于±1%，偏差小于±0.5%）进行分析，粒径组成如下：0.01～2.00 μm：7.28%；>2.00～50.00 μm：35.07%；>50.00～2 000.00 μm：57.65%。

试验土壤的van Genuchten模型水力特征参数如表1。

表1 试验土壤水力学特征参数

注：与为土壤水分特征曲线形状相关的经验常数。

ote:andare empirical coefficients affecting the shape of soil-water characteristic curve.

1.2 试验装置

在大型喷灌机移动滴灌系统中，移动滴灌管由喷灌机主输水管路供水，并在喷灌机桁架的牵引下边灌水边移动。为模拟移动滴灌系统中单根滴灌管的工作状态，搭建如图1所示的试验装置，移动滴灌管灌水过程中在试验装置的驱动下在土箱表面移动。试验装置由机井供水，经CHME5-4SC变频泵（南方泵业，中国）加压，通过调节管路中的闸阀可为移动滴灌管提供0.30 MPa的稳定试验水压。试验装置采用伺服电机提供动力，通过减速箱调整滴灌管移动速度（0～5 m/min），可控制试验的灌水深度。试验采用长度为10 m的移动滴灌管（Dragon-Line公司，美国），滴灌管外径16 mm，滴头间距为15 cm，内置的压力补偿滴头流量为7.6 L/h。

图1 试验装置示意图

土箱为长80 cm×宽80 cm×高50 cm的金属土箱，装填的土壤高度为45 cm，土箱两侧面上缘设置半径为5 cm的凹槽供滴灌管通过，使其在灌水过程中能够紧贴土壤表面。试验前在土箱内测点处埋设12枚土壤水分传感器（EC-5，美国METER公司，±2%VWC），用以监测土壤剖面水分分布的动态变化。传感器安装位置及相应编号如图2所示，共分3层布置，层间垂直距离10 cm，相邻传感器间横向距离10 cm。假设土壤各向同性，则水分的运动沿滴灌管两侧对称，因此测点只在滴灌管一侧布置。土箱侧壁开孔供传感器数据线通过，减少设备对土体以及水分运动的干扰。箱底均匀布设9个直径为2 cm的排水孔，可避免气阻现象对水分入渗的影响。

图2 测点布置示意图

1.3 试验内容

试验前将供试土壤充分风干后碾碎并过2 mm筛，每隔5 cm一层按1.5 g/cm3的设计容重将土壤均匀压实填入土箱，层间打毛，共分9层装填。填土过程中埋设土壤水分传感器，土箱装填完毕后静置48 h自然沉降，以获得更为均匀的初始土壤含水率。

参考田间生产管理的经验，对于试验砂壤土，30～50 mm灌水深度下灌溉水既能覆盖作物根系所在区域，又能避免发生深层渗漏。同时考虑不同灌水深度的梯度处理，试验设计30、40以及50 mm 3种灌水深度，以此探究不同灌水深度对土壤水分入渗规律的影响，不同灌水深度对应的试验装置行走速度可由式（1）计算。

式中为试验装置行走速度，m/min；为移动滴灌管长度，m，本试验取10 m；为移动滴灌管中单个滴头的流量，L/h，本试验为7.6 L/h；为灌水深度，mm；为土箱宽度，本文为80 cm；为移动滴灌管滴头间距，本文为15 cm；为土壤计划湿润比，本文取70%[23]。

试验过程中测量灌水后土表的积水宽度，作为数值模拟中入渗边界宽度。灌水结束后用保鲜膜覆盖土箱上表面，尽可能减小土表蒸发对试验结果的干扰。土壤水分传感器每隔5 min采集一次所在测点的土壤体积含水率，直至试验开始后48 h停止采集，每组试验共采集576 组土壤含水率实测值。

1.4 数值模拟

1.4.1 数学模型

依据非饱和土壤水动力学理论，假设土壤为质地均匀且各向同性的刚性多孔介质，不考虑作物根系的吸水过程，则在二维土壤剖面上水分的运动可由简化后的Richards方程[24]描述如下：

式中为横坐标，cm；定义垂直向上为轴正方向，为土壤体积含水率，cm3/cm3；为时间，h；()为土壤非饱和导水率，cm/h；Ψ为土壤基质势，cm。土壤基质对水分吸持作用的大小与土壤的含水率有关，此处两者的关系以及土壤水分特征曲线采用van Genuchten模型进行描述。

式中S为表征土壤有效饱和度的无量纲数；θ为残余土壤含水率，cm3/cm3；θ为饱和土壤含水率，cm3/cm3；K为饱和导水率，cm/h；为土壤孔隙弯曲度因子；、与为土壤水分特征曲线形状相关的无量纲经验常数，且有=1/。

1.4.2 定解条件

移动滴灌数值模型的计算域为长80 cm、深45 cm的土壤剖面（如图3），对应土箱试验中传感器所在的土壤剖面。初始条件为土壤剖面的初始含水率（式（5）），0取试验开始前各传感器读数的平均值。忽略土表面蒸发，则上边界AB与CD（式（6））以及左右两侧边界（式（7））均可设置为零通量边界，下边界由于土箱底部存在排水孔可设置为自由排水边界（式（8））。上边界BC在灌水过程中为入渗边界，宽30 cm，深3 cm，对应移动滴灌管在灌水过程中给土壤上表面造成的凹坑，假设积水宽度等于边界宽度，采用第二类边界条件，入渗通量由滴灌管流量与积水面积之比求得（式（9）～式（10））。

初始条件可描述为

边界条件描述如下：

式中和分别为单位法向量在x和z方向上的分量；Jw为入渗通量，cm/min；LBC为入渗边界BC的宽度，cm。

1.4.3 统计分析

在求解区域中的对应位置设置观测点，获取该处不同时刻的土壤体积含水率，与土箱试验的实测值进行对比，采用均方根误差（RMSE）、标准均方根误差（NRMSE）、平均绝对误差（MAE）以及纳什效率系数（NSE）评价模型模拟结果的准确性与可靠性[25]。RMSE与NRMSE可衡量模型模拟值与试验实测值的绝对误差与相对误差，其值越小表明模拟精度越高，NRMSE值低于30%可认为模拟结果可靠。MAE数值越接近于0，表明数值模拟精度越高。NSE常用于评价水文模型模拟结果的优劣，NSE值越接近1表明模型质量越高，模拟值接近观测值，大于0.5可认为模拟结果令人满意[26]，远小于0则表明模型模拟结果不可信。

1.4.4 影响因素模拟

土壤水分入渗规律及灌水后湿润体的特征主要受到土壤性质与灌水技术要素的影响[27]，土壤质地、灌水深度与土壤初始含水率都是其中的重要影响因素[28-30]，很大程度上决定了移动滴灌系统的水力设计以及灌溉决策。为对比分析这3种影响因素对移动滴灌条件下土壤水分入渗的影响，在数值模型中设置了3种土壤质地（砂壤土、壤土与粉壤土）、3种工程应用中常见的灌水深度（20、30与40 mm）以及5种土壤初始含水率（0.050、0.075、0.100、0.125与0.150 cm3/cm3）进行数值模拟计算。砂壤土、壤土与粉壤土在干旱和半干旱地区均有较广的分布，且3种土壤之间饱和导水率、饱和含水率、田间持水量以及孔隙度等参数存在较大差异，选择这3种土壤进行分析，不仅能够较好地反映干旱和半干旱地区不同的土壤质地情况，也能为粒径分布相近的土壤提供参考。土壤初始含水率设置则参考了田间生产管理的经验，0.150 cm3/cm3以上的土壤初始含水率往往超过灌水下限，不会触发灌溉，而土壤含水率低于0.050 cm3/cm3时将严重影响作物正常生长。

2 结果与分析

2.1 移动滴灌土壤水分运动数值模型的验证

2.1.1 土壤水分分布模拟

图4为灌水24与48 h时3种灌水深度下各测点体积含水率的模拟值与传感器实测值对比。由图4可知，含水率实测值与模拟值为坐标的点均分布在1∶1线附近，模型模拟结果与试验一致性较好。统计分析可知，各工况下模型的RMSE值均不大于0.044 cm3/cm3，NRMSE值均不大于28.92%，NSE值不低于0.793，均表明模型能够准确描述移动滴灌条件下土壤剖面的水分分布，此结果与KANDELOUS等[31-32]学者的研究接近。

此外，灌水24、48 h的土壤含水率实测值与模拟值间的RMSE值分别为0.020～0.044 cm3/cm3与0.018～0.026 cm3/cm3，NRMSE值分别为14.58%～28.92%与11.87%～19.56%，MAE值则分别为0.012～0.030 cm3/cm3与0.012～0.019 cm3/cm3，土壤水经过48 h再分布后，湿润体内的水分运动趋于稳定，土壤水分分布受土箱装填不匀引入的影响减小，故模拟误差降低，这也表明数值模型能更准确地预测此时土壤水分的分布。

注：SRMSE为均方根误差；SNRMSE为标准均方根误差；SMAE为平均绝对误差；SNSE为纳什效率系数。

图5展示了3种灌水深度工况下灌水48 h土壤含水率模拟值与实测值的偏离情况，可以看出3种工况下10 cm深度处横向距离较小的测点含水率实测值均大于模拟值，其中横向距离为10 cm的测点偏差最为明显。产生误差的原因可能是移动滴灌管与土壤的相对运动以及滴头水流的扰动会使土壤表面产生形状不规则的凹坑并形成积水，该处的土壤结构更为复杂。此外，数值模拟时为易于求解，将上边界近似处理为形状光滑的通量边界，并假定土质均匀且各向同性，这些假定在实际情况中显然并不成立。在灌水结束后凹坑中被水流带起的细小土壤颗粒将重新沉淀干燥，降低了该处的土壤孔隙度，减缓了水分下渗，并影响后续土壤水的再分布过程。随着横向距离与垂直距离增大，由入渗边界引入的误差逐渐变小，模拟值与拟合曲线吻合良好。

2.1.2 土壤水分运移动态模拟

土壤水分传感器每5 min采集一组实测值，同时数值模型输出相应时间的模拟值。分析3种工况下12个测点处含水率模拟值与实测值间的误差（表2），除靠近湿润体边界处的个别测点外，模型对48 h内含水率变化过程的模拟NRMSE值总体低于25%，SRMSE值低于0.05 cm3/cm3，表明HYDRUS-2D模型对湿润体内各处土壤含水率的动态变化能进行较精确的模拟。而在3种工况下，模型均难以准确描述湿润体边界附近的含水率变化（如灌水深度40 mm工况下的测点8、10、11与12），误差较大的主要原因可能是湿润峰两侧具有较高土壤含水率梯度，湿润体边界附近测点的土壤含水率在大部分时间处于较低初始值，在土壤水分的再分布结束前迅速升高。这一过程受数值模拟中对土壤物理性质及边界条件的简化处理影响，难以准确描述。同时，RMSE值对异常值敏感，较低含水率实测值均值使NRMSE值进一步偏大。总体而言，HYDRUS-2D模型能够较好地描述土壤剖面中水分的动态变化，分析移动滴灌系统灌水下土壤水分运移规律的结果是可信的。

注：θ为土壤体积含水率，y为垂直距离，即土壤深度。

表2 各测点土壤含水率统计

注：“-”，该测点处模拟值与实测值在48 h内均未发生变化。

Note: “-”, the simulated and measured values at that position have not changed within 48 h.

2.2 移动滴灌土壤水分运移规律

试验的滴头流量为7.6 L/h，远大于常见的滴头流量，灌水后湿润体的形状与湿润体内水分的分布也与普通滴灌系统存在差异。受篇幅所限，本文仅以灌水量30 mm、土壤初始含水率为0.15 cm3/cm3的工况为例，分析移动滴灌条件下土壤水分的动态分布。图6展示了不同时刻垂直于滴灌管移动方向的土壤剖面中含水率的分布情况。灌水过程中滴灌管产生的积水使水分的入渗模式有别于传统滴灌所遵循的线源入渗，整体呈面源入渗。在灌水结束时，土壤剖面中存在一个扁椭圆状的饱和区，此时湿润锋的横向和垂直运移距离分别为22.05与15.60 cm，湿润体内的土壤基本达到饱和。灌水结束后，饱和区内的水分在较大水势梯度的驱动下迅速向四周扩散，湿润体在这一过程中迅速扩大。灌水结束6 h后，湿润锋的横向与垂直运移距离分别达27.03与22.18 cm，由于湿润体内外土壤含水率梯度的不断降低，湿润锋的横向运移速度逐渐减缓，土壤水在重力作用的主导下继续向下运移。经过48 h的再分布后，土壤剖面中的湿润体最终接近半圆形，湿润峰横向与垂直运移距离分别为32.78与30.48 cm。

注：x为离土箱左边界的距离。

移动滴灌系统灌水过程中短暂存在的地表积水使湿润体的横向运移距离相较传统滴灌更大，在实际生产中这将有利于相邻两滴灌管产生的湿润体更快地交汇融合并形成湿润带[32]，进而使水平方向的土壤含水率在水分再分布中趋于均匀，以满足小麦、苜蓿等平播作物的灌水需要。

2.3 影响因素模拟分析

2.3.1 土壤质地

设置20 mm灌水深度与0.15 cm3/cm3的初始含水率，研究不同土壤质地对土壤水分入渗规律的影响。模拟砂壤土与土箱试验一致，土壤水力学特征参数见表1。壤土与粉壤土的水力学特征参数则来自CAESEL等[33]的统计分析数据，如表3所示。

图7为灌水后48 h滴灌管一侧土壤剖面的水分分布，灌溉水的分布在不同质地的土壤下存在较大差异。土壤质地越粗，湿润体面积越大，湿润体内的平均含水率越低；而土壤质地越细，土壤水的运移距离越短，湿润体内平均含水率越高。在数值模拟中，相同条件下砂壤土和壤土的湿润体截面积分别为粉壤土的2.03与1.37倍，砂壤土、壤土与粉壤土入渗边界附近的土壤体积含水率分别为0.229、0.252与0.291 cm3/cm3。

表3 土壤水力学特征参数

注：变量含义见表1。

Note: Contents of variables are shown in Table 1.

图7 不同质地的土壤在初始含水率0.15 cm3·cm-3和灌水深度20 mm条件下灌水后48 h的土壤剖面含水率空间分布

相同初始含水率条件下灌水后土壤水分分布的差异与土壤的机械组成有关，不同质地的土壤具有不同的孔隙尺度与分布[34]，在相同初始含水率下具有不同的基质势，土壤水运动的驱动力也因此存在差异。土壤质地越黏重，黏粒含量越高，土壤中的细小孔隙越多，孔隙的连通性越差[35]，相同含水率下土壤基质对土壤水的吸力越大，此时毛细作用在土壤水的运动中占主导地位，湿润锋向各个方向的运移距离相近，湿润体形状在土壤水再分布过程中变化不大。而砂性较强的土壤孔隙直径普遍更大，土壤对水分的吸持作用较弱，土壤水更倾向于在重力作用下向下运移，在再分布过程中湿润锋向下运移的距离也更大，湿润体形状逐渐由扁椭圆形变为半圆形。

土壤质地是移动滴灌系统设计中考虑的主要因素，对于质地黏重的土壤应采用较小的滴灌管布置间距以及较大的灌水深度，以提高灌水均匀性并减少频繁灌水带来的土表蒸发。质地较粗的土壤则可以使用较大的滴灌管安装间距以降低安装成本，但需要注意避免单条滴灌管控制灌溉面积过大引发深层渗漏。对于砂壤土，模拟条件下土壤水分的横向运移距离可达40 cm，为使相邻滴灌管产生的湿润峰恰好能够互相融合，形成湿润带整体向下入渗，同时尽可能降低系统成本，建议采用75 cm的滴灌管安装间距，可在灌水质量与成本控制之间取得较好的平衡。

2.3.2 灌水深度

图8对比了初始含水率为0.15 cm3/cm3的砂壤土在不同灌水深度下灌后48 h土壤剖面中的水分分布情况。可以看出，灌水深度越大，相同位置处的土壤含水率越高，同时湿润锋运移距离越远。40 mm灌水深度与30及20 mm灌水深度相比，湿润锋横向运移距离分别提高9.66%与21.01%，垂直运移距离分别提高了11.09%与27.69%。相较于水平方向，灌水深度的增加对垂直方向上的湿润锋运移距离影响更大，对于砂壤土来说，更大的灌水深度虽然能够提高灌水均匀性，但也存在较大的渗漏风险。

灌水深度的增大能够明显提高灌水结束后土壤剖面各处的含水率，但并未对湿润体的形状造成影响，表明设计合理的移动滴灌系统在生产中根据作物需要对灌水深度进行调整并不会影响灌水质量。砂性土壤在进行移动滴灌时应少量多次地进行灌溉，以避免灌水深度过大引起深层渗漏。

2.3.3 土壤初始含水率

以砂壤土为例，灌水深度为30 mm时不同土壤初始含水率条件下土壤水分的分布情况如图9所示。土壤初始含水率的增加会降低土壤基质的吸力与湿润体内外的水势梯度，导致土壤水运移的驱动力降低。但由于土壤的非饱和导水率与土壤含水率呈正相关，非饱和导水率的增加意味着灌溉水在初始含水率更高的土壤中运动阻力更低，土壤水分能更快地运移[36]。从结果来看，土壤初始含水率越高，湿润锋运移距离越远，相邻两湿润体可以更快地交汇融合，该结果也与聂卫波等[37]的研究一致。但由于砂壤土持水能力较弱，初始含水率对灌水后湿润体内的土壤含水率影响较小。

图8 初始含水率0.15 cm3·cm-3的砂壤土在不同灌水深度下灌后48 h的土壤水分分布

图9 灌水深度为30 mm时砂壤土在不同初始含水率条件下灌水后48 h的土壤水分分布

土壤初始含水率对水分入渗的影响会因土壤质地的不同而存在明显差异[34]，因此在实际生产实践中应针对当地的土壤条件制定合理的灌溉策略，寻找最佳的灌水下限，以兼顾灌水均匀性与灌溉水利用效率。对于砂壤土，以0.150 cm3/cm3作为灌溉的初始含水率将频繁触发灌溉，而低于0.100 cm3/cm3的土壤初始含水率湿润峰运移距离较短，难以保证灌水均匀性，建议以土壤含水率0.125 cm3/cm3作为灌水下限为宜，此时灌水可使湿润峰获得较远的横向运移距离，同时避免灌溉频率过高。

3 讨 论

数值模拟与试验结果具有较高的一致性，表明模型精度良好，在此基础上进一步模拟研究不同土壤质地、灌水深度以及土壤初始含水率对移动滴灌系统灌水下土壤水分运动的影响。然而，土壤水分的入渗过程还会受到土壤结构、容重、作物根系以及灌溉系统的灌水参数等诸多因素的影响，且各个因素往往相互耦合，共同影响水分入渗结果[18]，因此准确预测灌水后土壤剖面的水分分布较为困难。

在数值模拟中，如果边界条件设置不能准确反映实际情况将给模拟结果带来较大的误差。围绕滴灌开展的土壤水分入渗数值模拟研究常在计算域中将滴头近似为一个点源，俞明涛等[32,38]均以这种方法取得了较高的模拟精度。然而移动滴灌系统滴头流量大且滴头间距小，灌水过程中会在土壤表面产生积水，采用点源入渗进行描述显然不合适。此外，由于HYDRUS-2D模型的边界长度与边界形状均无法随时间变化，在描述积水时还需要对边界条件进行一定的简化。李久生等[22,39]假设积水深度与积水区域半径在模拟过程中不发生变化，通过测量积水的深度定义入渗边界的水势。但移动滴灌系统灌水时间短，积水存在的时间远低于上述学者所讨论的情况，若假设灌水过程中积水深度稳定将会造成较大误差。因此本文参考了AZAD等[40-41]学者的方法，假设积水区域面积不变，灌水过程中土体增加的水量近似为移动滴灌管的灌水量。这种做法在地势平坦、不易产生径流的情况下能够准确地反映土壤剖面所接受的实际灌水量，也便于对曲线边界进行定义，与试验结果对比可以看出，这种处理方法具有较高的模拟精度。但在实际移动滴灌过程中，由于滴灌管与土壤的相对运动，土表积水区域存在较为复杂的水流运动与土壤结构，目前的模型仍无法对此进行描述。在今后的研究中还需要完善边界条件的设置，同时在算法上优化求解过程，以进一步提高模拟精度。

另一方面，移动滴灌系统由于其滴灌管具有局部灌溉的特点，能够避免喷灌过程中的蒸发漂移及冠层截留损失，在大风天气下保证灌水质量，并避免喷灌机轮辙处积水造成轮胎打滑，可有效降低运行管理成本。但这一特点也对移动滴灌系统的设计提出了更高的要求，过大的滴灌管安装间距难以保证横向灌水均匀性，而过小的滴灌管安装间距除了增加系统安装成本外，还可能引起地表径流，滴灌管也更容易与作物发生缠绕。受试验条件限制，本文并未讨论多滴灌管组合布置的情况，而多条滴灌管组合布置下的土壤水分运移规律对于讨论移动滴灌系统的灌水质量及水力设计参数更具有参考意义。此外，由于实际田间条件中土壤具有较强的各向异性，作物根系会吸收土壤水分，使得土壤水分的运动与分布变得更为复杂。受工作量限制，本文提出的数值模型仅针对均质砂壤土进行了试验验证，该模型在不同土壤类型下是否具有较强的通用性仍有待确认。

在今后的研究中，还应开展移动滴灌系统的田间试验，定量分析移动滴灌的节水效益，并讨论该系统与喷灌相比能否提高作物产量、品质以及灌溉水利用系数。通过经济性分析寻找适合应用移动滴灌的大型喷灌机工作参数与种植作物，同时将数值模拟与移动滴灌系统的水力设计及灌溉决策制定相结合，更好地为大型喷灌机移动滴灌系统的推广应用提供技术支撑。

4 结 论

本文通过搭建移动滴灌试验装置开展了3种不同灌水深度下的土壤水分入渗土箱试验，并利用HYDRUS-2D建立移动滴灌土壤水分运动数值模型，通过试验结果验证数值模型的模拟精度，并在此基础上研究了不同灌水深度、土壤质地以及初始含水率条件下的移动滴灌土壤水分运动特征，结论如下：

1）通过移动滴灌土箱试验验证HYDRUS-2D模型能够较为准确地模拟移动滴灌条件下的土壤水分运动，模拟与试验所呈现的规律基本吻合。灌水后48 h时土壤剖面含水率的模拟标准均方根误差值不高于19.56%，湿润体内含水率变化过程的模拟标准均方根误差值总体低于25%。

2）移动滴灌大流量滴头土壤水分的入渗规律不同于传统滴灌所呈现的线源入渗，更接近面源入渗模式，湿润体截面呈扁椭圆形。这一规律有利于相邻滴灌管产生的湿润体更快地交汇融合，令整个土壤剖面的含水率趋于均匀。

3）通过数学模型模拟了移动滴灌条件下不同土壤质地、灌水深度以及土壤初始含水率3种因素对土壤水分入渗规律的影响。土壤质地越粗，湿润体面积越大，湿润体内的平均含水率越低；灌水深度越大，灌水结束后土壤剖面各处的含水率越高，但灌水深度不会对湿润体的形状造成明显影响；土壤初始含水率越高，湿润锋运移距离越远，相邻两湿润体能够更快地交汇融合。模拟结果可为移动滴灌系统在不同土壤条件下安装间距的选择以及灌水下限、灌水深度的确定提供理论依据。对于砂壤土，推荐采用75 cm的滴灌管安装间距，当土壤含水率接近0.125 cm3/cm3时开始灌溉，同时应少量多次灌水，以避免深层渗漏。

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Experiments and numerical simulations of soil water movement under mobile drip irrigation system

ZHANG Haohui1, YAN Haijun1,2※, HUI Xin1, ZHAO He1, WANG Wentao1, GUO Hui1

(1.,,100083,; 2.-,,100083,)

The low-pressure sprinklers have to be modified to replace the high flow rate pressure-compensating driplines at a certain spacing, in order to reduce the wind drift and evaporation loss of large-sized sprinkler irrigation machines. This mobile drip irrigation (MDI) system can be used to realize drip irrigation when moving, due to the self-propelled characteristics of the irrigation machines. This system can be utilized to combine the center pivot and drip irrigation, leading to a large coverage area of irrigation, high automation, low evaporation and drift losses. It is necessary to optimize the design parameters for the soil water infiltration under mobile drip irrigation. Therefore, laboratory experiments were carried out with the MDI test system. The mobile dripline was dragged and moved on the soil surface of a lysimeter. EC-5 soil moisture sensors were installed in the lysimeter to detect the dynamic change of the soil water contents at observation points. The irrigation depth was controlled to adjust the speed of the dripline. Three irrigation depths were set as 30, 40, and 50 mm. A numerical model was established to improve the soil water infiltration and redistribution under MDI using HYDRUS-2D software. The comparison between the simulated and the measured data showed that the water movement in the soil profile under MDI was followed by the non-point source infiltration model, indicating the better agreement of the model with the measured. The NRMSE value of simulated water distribution in the soil profile was less than 20%, while the simulated water content change in the wetting body was generally lower than 25%, indicating the high accuracy of the model. HYDRUS-2D model was used to clarify the influences of three soil textures (sandy loam, loam, and silty loam), three irrigation depths (20, 30, and 40 mm), and the five initial soil water contents (0.050, 0.075, 0.100, 0.125, and 0.150 cm3/cm3) on the soil water movement under MDI. The HYDRUS-2D performed better to simulate the soil water distribution after irrigation under the MDI system. The simulation results show that the soil texture posed a great impact on the shape and size of the wetting body. Specifically, the stronger the soil sandiness was, the larger the wetting front transport distances were, suitable for the larger installation spacing of driplines. However, much attention should be paid to avoiding the deep percolation of the soil with a coarser texture. In addition, the root distribution of crops should be considered, when designing an irrigation system, or a smaller dripline spacing should be used for the finer soil texture. Therefore, the high irrigation depth and the initial soil water content can be expected to increase the transport distance of the wetting front in the tested sandy loam. As such, irrigation uniformity can be improved to overcome the greater risk of deep percolation. These findings can offer practical significance for the decision-making on the mobile drip irrigation system.

soil moisture; infiltration; irrigation; large-sized sprinkler irrigation machine; pressure-compensating emitter; numerical simulation; HYDRUS-2D

10.11975/j.issn.1002-6819.202209084

S275.6

A

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张颢晖，严海军，惠鑫，等. 移动滴灌系统土壤水分入渗试验与数值模拟[J]. 农业工程学报，2023，39(6)：158-168.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209084 http://www.tcsae.org

ZHANG Haohui, YAN Haijun, HUI Xin, et al. Experiments and numerical simulations of soil water movement under mobile drip irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 158-168. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209084 http://www.tcsae.org

2022-09-11

2023-02-20

国家牧草产业技术体系项目（CARS-34）；河北省现代农业产业技术体系草业创新团队专项资金资助项目（HBCT2018160202）；国家重点研发计划项目（2022YFD1300804）

张颢晖，博士生，研究方向为节水灌溉技术与装备。Email：971029710@qq.com

严海军，教授，博士生导师，研究方向为节水灌溉技术与装备。Email：yanhj@cau.edu.cn