微灌技术在彰武县土壤水分测定中的应用研究

马兴涛

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110094)

0 引言

随着全球水资源短缺的问题日益突出，传统的漫灌和喷灌方式已经难以满足农业生产对水资源的需求。微灌技术通过直接为作物的根系供水，减少了水分蒸发损失和土壤渗漏，能够提高水利用效率。而微润灌水器设备作为实现微灌技术的关键装置，包括供水系统、微灌组件和控制系统，能够保证供水质量和水压稳定，实现对水分、肥料等的监测和控制。微润灌水器设备的不断应用，不但能够提高农业产量，减少用水量和成本，而且能够降低土壤侵蚀和水土流失的风险，对保护生态环境也具有积极的作用[1-3]。随着微灌技术的发展，微润灌水器设备中的土壤毛细吸力作为水分运动的驱动力起着重要作用。因此，研究微润灌水器设备在田间埋藏条件下的灌溉性能、流量变化特性、土壤水分入渗特性以及湿润体变化特性对土壤水分含量的影响具有非常重要的意义[4-5]。探讨微润灌水器土壤水分的测试方法及测试试验，首先，通过分析微润灌水器在田间埋藏条件下的灌溉性能，研究其水分流量的变化特性。其次，通过研究土壤水分入渗特性，了解土壤水分在微润灌水器设备中的入渗过程。同时，还将研究湿润体的变化特性，以及其对土壤水分含量的影响。最后，通过实验得出的数据和结果。通过对微润灌水器设备进行研究，理解水分运动的驱动力——土壤毛细吸力的作用机制，有助于优化灌溉设计，提高水分利用效率[6-7]。研究成果将为微润灌水器的使用和未来的工程设计提供重要的试验数据，为改善和提高微润灌水器的性能提供科学依据。

1 概述

以彰武县西侧平安乡为例，该乡包括红旗村和平安村等村屯。区域总面积39.49km2，其中河谷平原区为16.02km2。该地区种植的所有作物都是玉米，灌溉方式主要是喷灌，也有少量的管道灌溉。本片区为2片，总面积为9300亩，其中红旗村6200亩，平安村3100亩。均为改造工程，灌溉方式采用膜下滴灌，规划灌溉水量55.80万m3。区域地质构造属第四纪地层中生界侏罗系，区内构造体系主要为新华夏系构造体系平安～西谢林台盆地，轴向NE30°，北部北第四系掩埋，盆地由侏罗系吐呼噜组和白垩系孙家湾组地层组成。区内的剥蚀丘陵、剥蚀残丘，均为剥蚀馒头状，长垣状低丘陵形态类型，标高多在100～230m之间。主要由侏罗系安山岩、中生代黑云母花岗岩和震旦系混合花岗岩等组成、剥蚀较剧烈，顶部浑圆平缓，多为长垣状，次为馒头状。地处半湿润季风大陆性气候区，据彰武气象站资料，多年平均降雨量473.2mm左右，多集中在4—10月份，11月以后至翌年3月份水量稀少。含水岩系除具成岩孔隙裂隙外，还受区域构造的影响，多具网格状构造裂隙。加之岩石多裸露，长期遭受风化作用、风化裂隙更为发育，而且发育也较深。安山岩风化带厚15～20m，花岗岩厚20～30m。上述各种孔隙和裂隙为地下水的赋存、径流、降水入渗提供了空间。在一些丘间谷底的砂、砂砾石含水层中，赋存一定量地下水，单井涌水量可达500m3/d。含水介质均为上更新统风成状土，厚度多为10～20m。经长期风化，成壤及溶滤等作用，使土体疏松、形成大小不等、形状各异孔隙孔洞、裂隙及垂直节理，为地下水赋存、运移提供了空间。

2 土壤选取及方法

2.1 土壤选取

土壤呈层状，该地块的粗粒含量为65.0%，0～40cm的土层深度明显高于普通田间土壤的粗粒含量，是砂壤土的土层，而在40～100 cm的土层深度，粗粒含量明显降低，因为该土层属于壤土、35～40 cm的土层深度是土壤质地变化的界面，土壤水的渗透率受到影响。根据土壤颗粒分析，土壤颗粒的原始组成见表1。

表1 土壤颗粒构成

土壤最初的含水量随着深度的变化而发生变化，从而导致土层的容重及导水性能也是如此，该区域的土壤容重高的原因是由于含沙量较高、土壤改良、压实等原因，而在40～60cm深处的导水率显著降低。其特征详见表2。

表2 土壤水分特性

2.2 测试方法

本测试共分两个小区，小区一水管长度为450cm，灌水器数量为7个，间距为60cm，在开始灌溉后的0.25、0.5、1、2和4h，以及停水后的24和48h这7个时间点测试了湿润锋输送距离和湿体含水量分布，小区二水管长150cm，灌水器数5个，间隔30cm，连续灌水，测试表面过程中第一次润湿点T1，直到表面润湿体的宽度不再增加、润湿体的宽度不再变化T2，停止灌溉后T3阶段的湿锋输送距离、湿体含水量分布和累积灌溉量的特征。

3 测试试验

3.1 入渗流量变化

在测试期间，总共浇灌一个月(720h)，在此期间，灌水器断水两次，一是研究渗透最初堵塞后流量的变化，二是田间径流减少与设备堵塞的关系。试验表明，在0～4h以内，灌水器流量从1.64L/h降至1.60L/h，然后又降至0.30L/h。断水后48h，据观察，水的重新分布仍在继续，灌水8h后，流量从1.54L/h逐渐降至0303L/h.断水10天后，在720h的灌水流量为0.222L/h，但随着灌水时间的延长而下降。持续灌溉360h后，流量达到最小值0.022L/h，流量保持在0.022L/h和0.156L/h之间。

3.2 土壤水分入渗

3.2.1湿锋变化特点

图1—2显示了在灌水0.25、0.5、1、2和4h以及断水24和48h的湿润锋的运移距离。

图1 垂直方向湿润锋运移随入渗时间变化趋势

图2 水平方向湿润锋运移随时间变化

如图1—2所示，湿峰的移动距离与渗透时间具有良好的对数关系，在湿润初期，湿峰移动距离相对较大，经过湿润4h以后，其移动逐渐放缓。具有以下特点。

在灌水发生的4h内，湿锋面的水平和垂直移动路径较长，最高垂直移动路径向上，最低垂直移动路径向下。发生在渗透的初始阶段，水分传输尤其受到土壤基质的潜力、成分和特性的影响，导致下渗速度明显加快，运移路径增加。结果显示，土壤类型、土壤水分含量、土壤密度、土壤结构是影响水的渗透速度的因素[8-10]，密度越高，孔隙度和渗透率越低越小。如果灌水器装置的出水率大于土壤的入渗率，则实际入渗率即为灌水器装置的出水率。而实际渗透率便是土壤的渗透率，与灌水器实际流量无关。在渗透的早期阶段，水的扩散与基质势影响有关，并随着渗透的发展，颗粒孔隙便逐渐被填充，湿润体含水量不断增加，其扩散更多地受到重力的影响，从而削弱了其渗透能力。

3.2.2土壤水分分布规律

在0到0.25h之间，灌水器的流量为1.62L/h，低于1.67L/h，的流入量。水流主要与出水压力以及导水芯的几何形状相关，湿锋之间的距离一般在1.5至3cm之间，无论土壤条件如何，灌溉体一般较浅。

在0.25到0.5h之间，由于土壤开始对水的输送进行干扰，堵塞灌水器并阻止土壤扩散，排水速率继续下降，降幅为0.82L/h，湿锋面向上和向侧的垂直输送距离接近5.1cm，向下的垂直输送距离为3.3cm。

在0.5～1h之间，出水量减少到0.80L/h，湿锋水平方向移动6.8cm，垂直方向向上移动7.1cm，垂直方向向下移动3.4cm，这是由于35～40cm深度土壤界面的快速变化，影响了水的渗透模式。在1～2h之间，出水量下降到0.496L/h，湿润锋水平移动为8cm，垂直向上移动为8.5cm，垂直向下移动仅为3.4cm，这是由于30～40cm处土壤界面的快速变化对入渗模式的影响。在2～4h之间，出水量下降到0.312L/h，湿锋水平移动12cm，垂直向上移动12cm，垂直向下仅移动3.4cm。由于土壤界面的快速变化在30～40cm处对水分入渗的影响。

经过24h的断水后，湿锋水平移动为13.0cm，垂直向上为17.7cm，垂直向下为3.6cm，且略有增加。说明在土壤基质的势能作用下，孔隙中的含水量会减少，断水后，水分会继续扩散。经过48h的断水后，湿锋水平移动为15.5cm米，垂直向上18.8cm和垂直向下4.2cm，增加很小，水继续扩散，中心的含水量(17.6%)继续下降。

3.2.3湿润特性

测试表明，在灌水初期，湿锋上升迅速，4h内达到12cm。之后上升缓慢，但上升速度较慢，结果显示，在320h后，湿润锋向地下运移6cm，在258h后，湿润锋移动缓慢，逐渐到达地表，说明地表入渗非常缓慢，可见表土被压实，将极大地影响水的渗透性，如图3所示。

图3 湿润锋运移距离地表湿润宽度随时间变化趋势

从图4中可见，第一个湿点出现在577h时，宽度约为10cm，之后，湿体宽度逐渐增大，速度略有减慢，当湿体的宽度为100cm时，连续两天不增加可以看出，在本阶段，水主要是垂直向下流动的。断水24h后，增加到105cm，连续断面24h后停止增加，说明断水有利于水的横向扩散。从577h到720h，累积入渗量明显增加，然而，在稳流区，流量会从较大值逐渐减小，流速也相应减小。表明在地表湿润体的扩散过程中，水的入渗量增加，增加速率逐渐降低。

图4 湿体宽度随时间变化趋势

3.2.4土壤水分空间分布

在时间为577h，粒径为10cm，不连续斑点状的第一湿润点T1和湿润点T=577h时，流量为0.193L/h，为稳流区最大流量，当湿锋到达地面时，湿体宽10cm，离地面5cm和10cm的湿体宽分别60cm和80cm。

地下50cm处湿体宽度为85cm，湿体的深度为68cm。因为湿润锋向上渗透的初始阶段，但随着土壤含水量的增加，水分会向下渗透。当时间达到为625h，灌水器的流量为0.147L/h，，湿体宽度为60cm，地下5cm处湿体宽度为100cm，地下10cm处湿体宽度为105cm，地下50cm处湿体宽度为116cm。

当t为720h时，灌水器流量为0.085L/h，地表湿润体宽度为100cm，而地下湿润体的宽度在5cm时为121cm，10cm时为125cm，50cm时为141cm，运动的水平距离持续增大，深度不同时水平距离差异逐渐减小，说明这一阶段的水分运动以入渗为主，因此地表湿润体的宽度没有变化。湿润体的深度为75cm。然而，由于该深度的土壤初始含水量较低，没有明显的深层渗透，这是由于灌水器的流量较低造成的。

当湿润锋从土壤表面向上移动1～6cm时，土壤难以破碎，增加土壤表面以下的湿润宽度。播种深度一般为5～10cm，以便对分层土壤的湿润宽度有进一步了解；分别在土壤底部5cm、10cm和50cm处观察湿润宽度，同时在80cm处观察土壤的含水量，为了确定渗透深度和局部渗漏，见表3。

表3 灌水器的地表灌溉试验

4 结语

分析结果表明，运移距离与渗透率之间存在良好的对数关系。初灌期，水平和垂直湿锋面的传输速度较快，运移距离更长，垂直向下的运移距离更短，运移速度更慢。当湿锋面上升到离地表1～5cm的高度时，湿锋面就不太可能穿透地面。总之，微灌技术能够提供精确的土壤水分测定结果；微灌技术在农业生产中的应用具有广阔的前景；优化的灌溉控制策略可提高农业生产效益，并实现节水与减排的目标。通过充分利用微灌技术的优势，可以实现精确的土壤水分测定和合理的灌溉控制，为农业生产提供科学的支持。未来的研究应进一步完善微灌技术在土壤水分测定中的应用，促进农业生产的可持续发展。