滴灌和微潤(rùn)灌條件下桂西北山區(qū)典型土壤水分運(yùn)移規(guī)律分析

吳衛(wèi)熊，何令祖，張廷強(qiáng)，邵金華

(廣西自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 530023)

0 引 言

廣西山區(qū)包括河池、百色、南寧、柳州、來(lái)賓、崇左等6個(gè)市的30個(gè)縣(市、區(qū))，該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施落后，群眾生活較為貧困，農(nóng)民收入低，是典型的“老、少、邊、山、窮”地區(qū)。30個(gè)縣(市、區(qū))中，國(guó)家級(jí)扶貧開(kāi)發(fā)重點(diǎn)縣25個(gè)、自治區(qū)扶貧開(kāi)發(fā)重點(diǎn)縣5個(gè)。近年來(lái)，廣西大力開(kāi)展精準(zhǔn)扶貧，引進(jìn)微潤(rùn)灌、滴灌等灌溉技術(shù)，在山區(qū)進(jìn)行了推廣，由于這些技術(shù)省工、省時(shí)、能實(shí)現(xiàn)水肥一體化，不僅能提高作物產(chǎn)量，也能改善作物的品質(zhì)，深受當(dāng)?shù)厝罕姷臍g迎。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)滴灌在土壤水分運(yùn)移研究較多，如朱友娟[1]等人研究了新疆棉田地埋滴灌條件下土壤水分運(yùn)移的規(guī)律，趙曄[2]等人以水量平衡原理和考斯加科夫入滲公式為基礎(chǔ)，建立了描述點(diǎn)源滴灌地表積水區(qū)半徑運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型。近幾年來(lái)，隨著微潤(rùn)灌技術(shù)的推廣，也逐漸有部分學(xué)者研究微潤(rùn)灌的土壤水分運(yùn)移規(guī)律，如：李朝陽(yáng)[3]等人通過(guò)西瓜灌溉對(duì)比試驗(yàn)，分析不同斷面不同土層土壤水分分布特征及灌水均勻性，牛文全[2]等人開(kāi)展壓力水頭與埋深對(duì)微潤(rùn)灌土壤水分運(yùn)移規(guī)律，提出黏壤土微潤(rùn)灌最適埋深為15～20 cm。但是尚未見(jiàn)有報(bào)道針對(duì)滴灌和微潤(rùn)灌在廣西山區(qū)典型土壤的水分運(yùn)移規(guī)律研究的文獻(xiàn)，因此，迫切需要開(kāi)展研究，以期為該地區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置分為供水部分、測(cè)量控制部分、試驗(yàn)主體部分。供水部分包括：高位水池；測(cè)量控制部分包括：流量調(diào)節(jié)閥、壓力表；試驗(yàn)主體部分包括：試驗(yàn)主體包括正方體土箱：長(zhǎng)60 cm×寬60 cm×高60 cm、微潤(rùn)管和滴灌管(壁厚0.3 mm、孔間距30 cm、單孔流量2.1 L/h)、堵頭。試驗(yàn)需要的其他材料：烘箱、流量計(jì)、天平、秒表、墑情站，見(jiàn)圖 1所示。

圖1 微潤(rùn)灌和滴灌水分入滲模擬裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1供試土壤

根據(jù)廣西山區(qū)土壤類(lèi)型分布情況，從百色市的田東縣、河池市的大化縣和崇左市的天等縣各取土8 000 kg左右，測(cè)定原狀土容重、土壤飽和含水率、土壤田間持水率、滲透系數(shù)等指標(biāo)，見(jiàn)表1。將試驗(yàn)土壤風(fēng)干和碾碎后，過(guò)2 mm的篩子篩取后供試驗(yàn)用。

表1 試驗(yàn)土壤基本參數(shù)指標(biāo)

1.2.2土樣填筑

將土樣按照每次裝入10 cm，然后用平板壓實(shí)土層，確保填筑后的土壤容重與原狀土土壤容重接近，即砂土容重1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3，裝完土樣后，密封靜置24 h。

在土樣填筑同時(shí)在深度10、20、30 cm三層每層距離微潤(rùn)管和滴灌管水平方向20 cm位置埋設(shè)EDAS 墑情監(jiān)測(cè)站土壤水分測(cè)定儀，便于測(cè)定不同時(shí)間各位置土壤含水率，設(shè)置采集間隔為1 min。

1.2.3試驗(yàn)步驟[5,6]

由于只觀測(cè)整個(gè)濕潤(rùn)體的一半，用防水膠布將微潤(rùn)管和滴灌管背側(cè)中間黏貼到土箱壁，防止水分從箱壁下滲。

步驟一：填筑土壤，埋設(shè)設(shè)備。

步驟二：調(diào)整、校核試驗(yàn)微潤(rùn)管和滴灌管試驗(yàn)工作壓力，確保微潤(rùn)管和滴灌管首部壓力為100 kPa。

步驟三：開(kāi)始試驗(yàn)觀測(cè)。主要觀測(cè)指標(biāo)包括：橫向濕潤(rùn)鋒變化、豎向濕潤(rùn)鋒變化、微潤(rùn)管和滴灌管縱向濕潤(rùn)鋒變化、不同時(shí)間EDAS 墑情監(jiān)測(cè)站土壤水分測(cè)定不同深度土壤含水率變化，灌水結(jié)束后測(cè)定土體內(nèi)土壤水分分布情況。

濕潤(rùn)鋒變化通過(guò)標(biāo)記法測(cè)定：用畫(huà)筆在土箱壁上標(biāo)定在預(yù)定的時(shí)間沿著濕潤(rùn)鋒圖曲線描線。

不同時(shí)間EDAS 墑情監(jiān)測(cè)站土壤水分測(cè)定儀不同深度土壤含水率變化直接通過(guò)電腦讀數(shù)。

灌水結(jié)束后土體內(nèi)土壤水分分布情況通過(guò)取土烘干法測(cè)定：以土箱壁為起點(diǎn)，在豎直方向每隔10 cm取一個(gè)樣，在水平方向每個(gè)5 cm取一個(gè)樣，取樣后通過(guò)烘干法測(cè)定不同位置土壤質(zhì)量含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 地埋條件下微潤(rùn)管和滴灌管在不同土壤的出流量

在工作壓力0.1 MPa條件下，分析滴灌、微潤(rùn)管在地表自由出流和地埋條件下單米管道的流量。地表自由出流條件下，滴灌帶的單米流量為6.17 L/h，微潤(rùn)管的單米流量為0.63 L/h；地埋黏土條件下滴灌管的單米流量為4.17 L/h，微潤(rùn)管的單米流量為0.24 L/h；地埋壤土條件下滴灌管的單米流量為5.92 L/h，微潤(rùn)管的單米流量為0.31 L/h；地埋砂土條件下滴灌管的單米流量為6.10 L/h，微潤(rùn)管的單米流量為0.43 L/h；微潤(rùn)管和滴灌管在各土壤出流量關(guān)系為：砂土>壤土>黏土。滴灌與微潤(rùn)管在3種土壤下灌水流量差異顯著，滴灌管的滴孔出流量大，為有壓入滲。微潤(rùn)管流量較小，為無(wú)壓入滲[7]。

2.2 土壤類(lèi)型對(duì)濕潤(rùn)體形狀的影響

圖2 黏土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：min)

圖3 壤土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：min)

圖4 砂土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：min)

由圖2～圖4可知，滴灌管在黏土中地埋20 cm水分運(yùn)移形狀初期為圓形，后期為橢圓形，灌溉時(shí)間5.1 h，每米流量31.47 L，縱向濕潤(rùn)深度50.2 cm，橫向濕潤(rùn)寬度33.6 cm，在整個(gè)運(yùn)移時(shí)間內(nèi)土壤水分單位時(shí)間運(yùn)移距離大致相等。滴灌管在壤土地埋20 cm的濕潤(rùn)鋒隨著時(shí)間推移，由圓形變?yōu)闄E圓形，越往后重力對(duì)水分運(yùn)移影響越大，橢圓長(zhǎng)軸越長(zhǎng)，單位時(shí)間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移縱橫距離差距增大，灌溉5 h，每米流量29.59 L，縱向運(yùn)移深度54 cm，橫向運(yùn)移寬度31 cm。滴灌管砂土濕潤(rùn)鋒運(yùn)移形狀為橢圓形，灌溉6 h，每米流量25.00 L，縱向運(yùn)移深度53 cm，橫向運(yùn)移寬度26 cm。在黏土、壤土、砂土中的灌溉流量呈現(xiàn)減小，濕潤(rùn)寬度減小，濕潤(rùn)深度增加，濕潤(rùn)層頂部與土壤表面距離增加，各時(shí)段水分運(yùn)移距離差距變大，見(jiàn)表2。

表2 土壤水分運(yùn)移距離統(tǒng)計(jì)表

圖5 黏土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：h)

圖6 壤土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：h)

圖7 砂土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移圖(單位：h)

圖5～圖7為微潤(rùn)管在黏土、壤土、砂土埋深20 cm的土壤水分運(yùn)移情況，微潤(rùn)管在3種土壤中水分運(yùn)移形狀初期為圓形，后期逐漸變?yōu)闄E圓形，微潤(rùn)管黏土灌溉時(shí)間117 h，每米流量28.12 L，縱向運(yùn)移距離31.1 cm，橫向運(yùn)移距離21.5 cm。微潤(rùn)管壤土灌溉時(shí)間74 h，每米流量22.73 L，縱向運(yùn)移距離39 cm，橫向運(yùn)移距離27 cm。微潤(rùn)管砂土灌溉時(shí)間30 h，每米流量13.01 L，縱向運(yùn)移距離40 cm，橫向運(yùn)移距離23 cm。

圖5～圖7為微潤(rùn)管在黏土、壤土、砂土埋深20 cm的土壤水分運(yùn)移情況，微潤(rùn)管在3種土壤中水分運(yùn)移形狀基本為圓形，微潤(rùn)管黏土灌溉時(shí)間117 h，每米流量28.12 L，縱向運(yùn)移距離31.1 cm，橫向運(yùn)移距離21.5 cm。微潤(rùn)管壤土灌溉時(shí)間74 h，每米流量22.73 L，縱向運(yùn)移距離39 cm，橫向運(yùn)移距離27 cm。微潤(rùn)管砂土灌溉時(shí)間30 h，每米流量13.01 L，縱向運(yùn)移距離40 cm，橫向運(yùn)移距離23 cm。

2.3 灌水后土壤水分空間分布情況

圖8～圖13為滴灌、微潤(rùn)管灌溉后取土烘干測(cè)得的土壤水分的分布情況。黏土初始體積含水率為15.8%，壤土初始含水率10%，砂土初始含水率6.5%。對(duì)比黏土、壤土、砂土3種類(lèi)型土壤水分分布：三種土壤中含水率均是從灌溉管位置往四周含水率降低的趨勢(shì)，出水孔附近含水率均處在飽和含水率附近的較高水平，在濕潤(rùn)體邊緣含水率迅速降低。黏土含水率高于壤土高于砂土，從含水率變化梯度來(lái)看，黏土梯度最大，壤土次之，砂土最緩，黏土的保水性能最強(qiáng)。同種土壤，微潤(rùn)管的含水率曲線較滴灌管含水率曲線更趨近于圓形，更規(guī)則，土壤不均勻性對(duì)灌溉水量分布的影響較小。滴灌管為有壓入滲，水量分布受重力以及水壓力影響較大；微潤(rùn)管為無(wú)壓入滲，主要由土壤導(dǎo)水率影響。

圖8 黏土滴灌土壤水分分布圖

圖9 壤土滴灌水分分布圖

圖10 砂土滴灌水分分布圖

圖11 黏土微潤(rùn)管水分分布圖

圖12 壤土滴灌水分分布圖

圖13 砂土微潤(rùn)管水分分布圖

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情況

圖14～圖19為滴灌管和微潤(rùn)管在黏土、壤土、砂土3種土壤下不同深度土壤含水率變化曲線。各深度含水率均呈拋物線形狀，相同灌溉方式黏土的最大含水率較高，壤土次之，最后為砂土。黏土滴灌最大含水率為52%，黏土微潤(rùn)管最大含水率為45%；壤土滴灌最大含水率為51%，壤土微潤(rùn)管最大含水率為44%；砂土滴灌最大含水率為34%，砂土微潤(rùn)管最大含水率為31%。在同類(lèi)土壤中滴灌的最大含水率大于微潤(rùn)灌的最大含水率，滴灌含水率變化梯度均大于微潤(rùn)管。不同深度含水率變化形狀幾乎一致，只是濕潤(rùn)時(shí)間、濕潤(rùn)寬度不同。黏土滴灌與微潤(rùn)管最大含水率均在20 cm深度，其次是30、10、60 cm含水率最低。壤土滴灌管各層含水率差距不大，但60 cm深度含水率最高，壤土微潤(rùn)管40 cm含水率最高，說(shuō)明重力作用對(duì)水分分布影響較大，水分在重力作用下在下方積累。砂土滴灌也是60 cm深度含水率最高，10cm深度最低，砂土微潤(rùn)管30 cm含水率最高，0 cm含水率最低。黏土中重力對(duì)水分分布的影響較小，水分分布主要仍然是土壤影響；壤土、砂土水分分布受重力影響較大，土壤水分在出水孔下部積累，往上運(yùn)移較少。在同種土壤中，重力作用對(duì)滴灌的水分分布影響大于微潤(rùn)管，因?yàn)槲?rùn)管流量較小，水分并未達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖14 黏土滴灌不同深度含水率變化曲線

圖15 壤土滴灌不同深度含水率變化曲線

圖16 砂土滴灌不同深度含水率變化曲線

圖17 黏土微潤(rùn)管不同深度含水率變化曲線

圖18 壤土微潤(rùn)管不同深度含水率變化曲線

圖19 砂土微潤(rùn)管不同深度含水率變化曲線

2.5 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比

圖20～圖25為滴灌、微潤(rùn)管在黏土、壤土、砂土中土壤濕潤(rùn)鋒也運(yùn)移位置及濕潤(rùn)比隨時(shí)間變化情況圖。以滴水孔所在深度為中心線，往上為向上濕潤(rùn)，往下為向下濕潤(rùn)，水平方向?yàn)闄M向濕潤(rùn)。濕潤(rùn)比為縱向濕潤(rùn)距離與橫向濕潤(rùn)距離的比值。

圖20 黏土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比變化圖

圖21 黏土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比變化圖

圖22 壤土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比變化圖

圖23 壤土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比變化圖

圖24 砂土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比變化

圖25 砂土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及濕潤(rùn)比變化圖

滴灌與微潤(rùn)管在黏土中向各個(gè)方向濕潤(rùn)速率均隨時(shí)間減緩，橫向運(yùn)移最快，其次向下，最后為向上運(yùn)移。滴灌與微潤(rùn)管向下濕潤(rùn)比均大于向上濕潤(rùn)比，向上濕潤(rùn)比有增大趨勢(shì)，向下濕潤(rùn)比略有減小，滴灌濕潤(rùn)比向上增大以及向下減小的速率大于微潤(rùn)管。當(dāng)土壤為黏土?xí)r，灌水后滴灌濕潤(rùn)比與微潤(rùn)管濕潤(rùn)比差距不大，向下濕潤(rùn)比在0.8附近，向上濕潤(rùn)比在0.6附近。

當(dāng)土壤為壤土?xí)r，滴灌與微潤(rùn)管向上以及橫向濕潤(rùn)速率隨著時(shí)間減慢，向下濕潤(rùn)速率增加。在開(kāi)始時(shí)橫向濕潤(rùn)距離最大，灌水后向下濕潤(rùn)距離最大，向上濕潤(rùn)距離最小。兩種灌溉方式向下濕潤(rùn)比均大于向下濕潤(rùn)比，且向上濕潤(rùn)比隨時(shí)間減小，向下濕潤(rùn)比隨時(shí)間增大。滴灌濕潤(rùn)比與變化幅度均大于微潤(rùn)管。

當(dāng)土壤為砂土?xí)r，滴灌、微潤(rùn)管濕潤(rùn)距離變化情況與在壤土中變化情況一致，濕潤(rùn)比變化情況也相同，不同的是砂土中濕潤(rùn)比均比較大，向下濕潤(rùn)比在灌水后均大于1。

2.6 不同灌溉方式土壤水分分布對(duì)比

圖26～圖31為滴灌、微潤(rùn)管在設(shè)計(jì)額定灌水流量下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移以及濕潤(rùn)范圍情況圖。在設(shè)計(jì)灌水量下，微潤(rùn)管與滴灌在黏土中濕潤(rùn)體大小幾乎一致，濕潤(rùn)形狀也都是圓形，濕潤(rùn)寬度35 cm，濕潤(rùn)深度50 cm，濕潤(rùn)體剛好到達(dá)地面。設(shè)計(jì)灌水量下，滴灌與微潤(rùn)管在壤土中濕潤(rùn)體形狀有所不同，微潤(rùn)管濕潤(rùn)體近似為圓形，滴灌濕潤(rùn)體呈下部略長(zhǎng)的橢圓形，濕潤(rùn)深度范圍為5～55 cm，微潤(rùn)管濕潤(rùn)寬度為30 cm，滴灌濕潤(rùn)寬度較窄為25 cm。在砂土中設(shè)計(jì)灌水量下，滴灌與微潤(rùn)管濕潤(rùn)體形狀差異較大，由于灌水量較小，滴灌濕潤(rùn)體主要存蓄在土壤中，受重力影響較小，而微潤(rùn)管灌溉時(shí)間較長(zhǎng)，砂土持水能力較弱，因此濕潤(rùn)體為橢圓形，微潤(rùn)管濕潤(rùn)體范圍大于滴灌濕潤(rùn)體，滴灌濕潤(rùn)深度為10～40 cm，濕潤(rùn)寬度為20 cm，微潤(rùn)管濕潤(rùn)深度為10～50 cm濕潤(rùn)寬度為25 cm。

圖26 額定水量黏土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

圖27 額定水量黏土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

圖28 額定水量壤土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

圖29 額定水量壤土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

圖30 額定水量砂土滴灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

圖31 額定水量砂土微潤(rùn)管濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)滴灌管、微潤(rùn)管地埋在不同土壤中出流量會(huì)有不同程度減小，滴灌管地埋出流量在黏土、壤土、砂土中為地表出流量的67.6%至98.8%，微潤(rùn)管相應(yīng)出流量為地表出流量的38.1%至68.2%，微潤(rùn)管地埋出流影響大于滴灌地埋出流。

(2)黏土中滴灌與微潤(rùn)管濕潤(rùn)體為圓形，壤土以及砂土中滴灌、微潤(rùn)管濕潤(rùn)體均為下部較大的橢圓形；滴灌為有壓入滲，微潤(rùn)管為無(wú)壓入滲，重力作用對(duì)于滴灌影響大于微潤(rùn)管，滴灌向下入滲現(xiàn)象明顯，在砂土中最為突出。

(3)滴灌、微潤(rùn)管在三種土壤中濕潤(rùn)體均為由出水孔往四周含水率降低的趨勢(shì)，在濕潤(rùn)體內(nèi)部有個(gè)較大的區(qū)域含水率接近飽和，在濕潤(rùn)體邊緣含水率急劇下降，滴灌含水率變化坡度大于微潤(rùn)管，含水率變化坡度黏土>壤土>砂土。

(4)滴灌、微潤(rùn)管在黏土中含水率最高位置是出水孔所在平面20 cm深度，壤土、砂土最大含水率在出水孔之下，砂土最大含水率深度大于壤土，兩種灌溉方式在壤土、砂土中含水率分布受重力影響較大。

(5)黏土中濕潤(rùn)體橫向運(yùn)移速率>向下運(yùn)移速率>向上運(yùn)移速率，壤土、砂土中濕潤(rùn)體向下運(yùn)移速率>橫向運(yùn)移速率>向上運(yùn)移速率，向下濕潤(rùn)比不斷增加，向上濕潤(rùn)比減小，砂土壤土向下濕潤(rùn)比灌水后可大于1。

(6)同灌水量滴灌、微潤(rùn)管在黏土的濕潤(rùn)體形狀、大小幾乎一致；在壤土中滴灌濕潤(rùn)體較微潤(rùn)管濕潤(rùn)體濕潤(rùn)寬度窄、濕潤(rùn)深度深；在砂土中灌溉為飽和入滲，滴灌濕潤(rùn)體較小，微潤(rùn)管灌溉時(shí)間較長(zhǎng)受重力影響明顯，含水率變化平緩。

(7)按照規(guī)范設(shè)計(jì)灌水量下，壤土濕潤(rùn)深度0～50 cm，濕潤(rùn)寬度35 cm; 壤土濕潤(rùn)深度范圍為5～55 cm，微潤(rùn)管濕潤(rùn)寬度30 cm，滴灌濕潤(rùn)寬度25 cm; 砂土滴灌濕潤(rùn)深度10～40 cm，濕潤(rùn)寬度20 cm，砂土微潤(rùn)管濕潤(rùn)深度10～50 cm濕潤(rùn)寬度25 cm。

(8)不同作物、不同土壤地埋灌溉應(yīng)設(shè)置不同埋深、不同灌水量，滴灌與微潤(rùn)管灌溉均是飽和入滲、滴灌更是有壓入滲，灌溉水分受重力影響分布較大。有效濕潤(rùn)深度為40 cm的黏土灌水15 L，壤土灌水14.8 L，砂土灌水12.5 L埋深20 cm，有效濕潤(rùn)深度50 cm黏土灌水31 L，壤土灌水20.7 L，砂土灌水20.8 L，有效濕潤(rùn)深度大于60 cm可黏土灌水31 L，壤土灌水29 L砂土灌水25 L，埋深20 cm。少量多次灌溉能夠?qū)⒐喔人钤诘孛嬷?、設(shè)計(jì)濕潤(rùn)深度范圍內(nèi)，減少了地面蒸發(fā)與水分下滲，達(dá)到節(jié)水目的。

(9)根據(jù)各種土壤水分運(yùn)移規(guī)律，提出微潤(rùn)管和滴灌管在廣西山區(qū)砂土、壤土的適宜埋深為20 cm，在黏土的適宜埋深為10 cm。

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