不同直徑砂管灌土壤水分運(yùn)移分布研究

許春娟，賈生海，趙 霞，白有帥，曹 睿，王艷琴，楊耀峰

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.民勤縣給排水管理站，甘肅 民勤 733300)

水資源短缺是影響河西綠洲灌區(qū)林果業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。滴灌是目前水分利用最高效的灌水技術(shù)之一[2]，有地表和地下滴灌2種，滴灌相比其他灌溉方式有明顯的優(yōu)勢，但也存在缺點(diǎn)，例如滴頭堵塞、土壤鹽漬化、限制根系更好發(fā)展等問題[3-4]。有學(xué)者對地下滴灌進(jìn)行了探究，Meshkat等[5-8]在1997年提出了間接地下滴灌，采用專用打孔器取出滴頭下方的一部分土壤，形成一個(gè)圓柱形的洞裝入滲透性更強(qiáng)的材料，如粗砂[9]。因此有了砂管灌(Sand Tube Irrigation，STI)，砂管灌是在滴灌技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的新型地下滴灌技術(shù)，主要運(yùn)用于稀植作物，可以將水分更快更直接地輸送到作物根部，即不增加土壤表層含水率也減少了地表蒸發(fā)[10]，避免了滴頭堵塞。

有學(xué)者對砂管灌進(jìn)行了探究，Meshkat等[5]通過實(shí)驗(yàn)測定出灌水后4d內(nèi)地表滴灌的水分蒸發(fā)約有30%，而砂管灌只有3.7%。Meshkat等[6]通過研究得出進(jìn)行連續(xù)灌溉后4d內(nèi)在0.2～0.55m的深度上，砂管灌下的土壤水分明顯高于地表滴灌法。Yanni等[11]采用與Meshkat相類似的方法將垂直砂覆蓋(Gravel Vertical Mulching GVM)運(yùn)用于果樹的灌溉試驗(yàn)研究，得出相同的灌水量條件下，灌溉結(jié)束后14d內(nèi)的根層含水量GVM方式要明顯高于普通地表滴灌方式。孫三民等[12]試驗(yàn)得出了間接地下砂管灌相比滴灌節(jié)水增產(chǎn)效果顯著，駿棗的產(chǎn)量隨著砂管灌導(dǎo)水裝置埋深的增加增大。砂管灌的直徑也直接影響水分在土壤中的運(yùn)移與分布[13]，土壤濕潤鋒不僅可以反映灌溉水量是否滿足要求還可以反映灌溉質(zhì)量[14]。近幾年砂管灌直徑參數(shù)對土壤水分入滲影響的研究鮮有報(bào)道，因此研究砂管灌不同直徑參數(shù)下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律，確定砂管灌的最優(yōu)參數(shù)組合，對于干旱地區(qū)林果業(yè)節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)以及砂管灌的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場地與裝置

整個(gè)試驗(yàn)由土箱和供水裝置2部分組成，場地為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院土工實(shí)驗(yàn)室。土箱為長寬高120cm×55cm×75cm的長方體透明玻璃箱，透明的土箱外壁用來觀測和記錄濕潤鋒分布情況，取入滲形成的1/2濕潤鋒來研究。通過馬氏瓶提供恒壓穩(wěn)定水源，滴灌管連接馬氏瓶用密封膠密封出口，在其上鑲嵌滴頭固定在砂管中心點(diǎn)處。滴頭流量為固定值4L/h，試驗(yàn)所用土壤取自民勤縣勤鋒林業(yè)試驗(yàn)站棗樹種植基地，土壤類型為砂壤土，土壤容重為1.5g/cm3。將土樣按實(shí)測土壤的干容重過2mm篩之后自然風(fēng)干分層填入(每層5cm)，在填土過程中將不透水邊界PVC管(半圓柱)高20cm填入土箱長邊一側(cè)1/4處，待土樣裝填完畢、平整表面后，將粒徑為3～5mm的粗砂填入半圓柱體內(nèi)搗實(shí)隨后將PVC管緩慢抽出，形成邊界完全透水的砂管導(dǎo)水裝置，如圖1所示。

圖1 砂管布置圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

砂管灌入滲試驗(yàn)中，導(dǎo)水裝置高度20cm為完全透水邊界。為探究砂管灌不同直徑大小對土壤水分入滲的影響，設(shè)計(jì)3個(gè)砂管灌直徑d=5cm(T1)，d=10cm(T2)，d=15cm(T3)。對T1、T2、T3 3個(gè)處理下的砂壤土水分運(yùn)移進(jìn)行研究，滴頭流量為固定值4L/h，每個(gè)處理設(shè)置重復(fù)。

1.3 觀測內(nèi)容

濕潤體形狀：砂管灌試驗(yàn)開始后用秒表計(jì)時(shí)，分別在3、10、30、60、120、180min時(shí)記錄灌水量，用記號筆在玻璃土箱外側(cè)描出每個(gè)時(shí)刻對應(yīng)的濕潤鋒運(yùn)移曲線。灌水結(jié)束時(shí)采用剖面法結(jié)合沿濕潤線在地表及豎直觀測面濕潤線特征點(diǎn)處插細(xì)針(至少5個(gè))[15]，用直尺測量每個(gè)特征點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)繪制成圖。濕潤體土壤水分：入滲結(jié)束24h后迅速用直徑1cm土鉆在砂管外側(cè)固定一側(cè)取土，水平和垂向均以5cm為間隔取土裝入鋁盒，土壤含水率采用烘干法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同砂管灌直徑對土壤濕潤鋒的影響

為方便觀測濕潤鋒變化規(guī)律，取1/2實(shí)測的濕潤體運(yùn)移曲線對稱得出整個(gè)濕潤體。如圖2所示為砂管灌直徑為5cm時(shí)的濕潤體形狀，在10min時(shí)地表出現(xiàn)了濕潤，在3min時(shí)沒有觀察到濕潤鋒，可能由于滴頭附近粗砂和土壤比較干、砂管直徑較小。濕潤體形狀在10min之后近似為垂向作為長半軸扁率比較大的橢球體直至入滲結(jié)束。入滲結(jié)束后在24h時(shí)觀察土壤水分再分布情況，地表形成的濕潤體長軸為17cm、短半軸為20cm。垂向最大入滲距離為35cm，橫向最大入滲距離為21.6cm。

圖2 砂管灌直徑d=5cm濕潤體形狀

如圖3所示為砂管灌直徑為10cm時(shí)的濕潤體形狀，在入滲初期，同一時(shí)間間隔內(nèi)水平入滲距離大于垂向入滲距離，濕潤體形狀近似為平臥的橢球體且扁率在不斷減小。在60min時(shí)濕潤體形狀近似為圓球形，水平入滲距離和垂向入滲距離分別為13cm和13.1cm。60min之后濕潤體形狀為垂向變?yōu)殚L軸的近似直立的橢球體且扁率有增大趨勢。這可能是由于入滲初期土壤基質(zhì)勢起主要作用加上砂管的影響，水沒有完全浸潤砂管，橫向的砂管半徑為5cm小于垂向的砂管深度20cm，橫向的粗砂透水性大于垂向粗砂透水性和基質(zhì)勢作用，使得橫向入滲距離大于垂向入滲距離。在60min之后水分已完全浸潤整個(gè)砂管垂向的粗砂透水性完全大于橫向，基質(zhì)勢逐漸減小重力勢增大，出現(xiàn)了垂向入滲距離大于橫向入滲距離的情況。直至入滲結(jié)束，在24h時(shí)觀察濕潤體再分布情況，垂向入滲距離最大達(dá)到44.4cm，水平入滲距離最大達(dá)22.3cm，沒有出現(xiàn)地表積水。

圖3 砂管灌直徑d=10cm濕潤體形狀

如圖4所示為砂管灌直徑為15cm時(shí)的濕潤體形狀，濕潤體的形狀和砂管直徑為10cm時(shí)基本相同，也是在60min時(shí)近似為圓球形，之前和之后分別為橫向和垂向?yàn)殚L半軸的橢球體。在24h時(shí)觀察濕潤體再分布情況，垂向入滲距離最大達(dá)到45.3cm，水平入滲距離最大達(dá)23.7cm，沒有出現(xiàn)地表積水。停止灌溉后24h內(nèi)不同直徑砂管灌土壤水分運(yùn)移均有再分布情況，水分再分布后濕潤體近似呈直立的橢球體，水平入滲速率均大于垂向入滲速率。分析可能是由于停止灌水后水分再分布過程，主要由水勢梯度和重力勢決定[16]。

圖4 砂管灌直徑d=15cm濕潤體形狀

2.2 砂管灌條件下入滲距離與時(shí)間的關(guān)系

在砂管灌不同直徑條件下土壤水分入滲過程中，將垂向方向和水平方向上的入滲距離與時(shí)間進(jìn)行曲線擬合，如圖5所示為砂管灌直徑10cm時(shí)水平和垂向濕潤鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系，入滲初期，水平入滲距離大于垂向入滲距離，在60min時(shí)垂向和水平入滲距離基本相同，最終垂向入滲距離大于水平入滲距離，二者與時(shí)間均有良好的冪函數(shù)關(guān)系[17]。由擬合曲線的橫向R2=0.99375和垂向R2=0.99447大于0.99可知，直徑為5、10、15cm砂管灌土壤水分入滲過程中的入滲距離與時(shí)間均有顯著的相關(guān)性。

圖5 入滲距離與時(shí)間的關(guān)系

橫向：x=48512t0.2458R2=0.99375

垂向：y=249034t0.40325R2=0.99447

2.3 砂管灌條件下入滲速率與時(shí)間的關(guān)系

如圖6所示為砂管灌直徑為10cm時(shí)入滲速率和時(shí)間的關(guān)系，土壤水分入滲過程中，砂管灌直徑為5、10、15cm時(shí)水平和垂向入滲速率都隨著時(shí)間呈現(xiàn)3種變化規(guī)律，入滲初期入滲速率快速下降，入滲中期入滲速率緩慢下降，入滲后期入滲速率基本趨于穩(wěn)定。砂管灌直徑為15cm時(shí)的入滲速率最大，水平入滲速率最大達(dá)2.67cm/min，在入滲開始至60min時(shí)水平入滲速率明顯大于垂向入滲速率，60min之后垂向入滲速率大于水平入滲速率。砂管灌直徑為10cm時(shí)最大入滲速率為1.97cm/min。

圖6 T2處理下入滲速率與時(shí)間的關(guān)系

2.4 砂管灌條件下濕潤體含水率分布規(guī)律

取直徑10cm砂管灌的含水率數(shù)值分析濕潤體含水率分布規(guī)律。含水率在水平和垂向方向上均采用平均含水率來分析，水平方向平均質(zhì)量含水率是將豎直方向上的土壤含水率取平均值[18]。將砂管底部垂向向下20cm處作為出水口，土壤含水率的變化與出水口的距離密切相關(guān)，如圖7所示為含水率隨水平距離的變化趨勢，隨著距離的增大逐漸減小，距出水口越遠(yuǎn)含水率越小，在出水口處土壤含水率最高為11.47%，距離出水口20cm處的土壤含水率最低為3.08%。將平均土壤質(zhì)量含水率隨水平距離的變化關(guān)系進(jìn)行二次函數(shù)擬合，得出：

圖7 土壤含水率隨水平距離的變化

θm=-0.00529x2-0.30718+11.41483

(1)

R2=0.99801

式中，θm—質(zhì)量含水率，%；x—濕潤鋒水平運(yùn)移距離，cm。

擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.99801大于0.99表明擬合關(guān)系達(dá)顯著水平[19]，平均土壤質(zhì)量含水率和濕潤鋒水平運(yùn)移距離之間具有良好的二次函數(shù)關(guān)系。

如圖8所示為垂向方向上的平均土壤質(zhì)量含水率變化曲線圖，將水平方向上的土壤含水率取平均值求得。同樣將砂管底部垂向向下20cm處作為出水口，出水口向上取為負(fù)、出水口向下取為正。垂向的平均土壤含水率的變化與距離出水的位置緊密相關(guān)。距離出水口向下5cm處土壤含水率達(dá)到了最大值約13.85%，在出水口附近形成了高含水率區(qū)，距離出水口越遠(yuǎn)含水率越小。表面的土壤由于沒有地表積水為干土含水率最小約為1.09%，最下側(cè)土壤在距離出水口30cm處為干土土壤含水率也為1.09%，下側(cè)被濕潤土壤的最小含水率約為5.36%。垂向向下的平均土壤質(zhì)量含水率分布規(guī)律為距離出水口向下的含水率值整體大于向上的含水率值，這可能是由于重力和砂管的作用，更有利于水分向下擴(kuò)散，使得距離出水口向下的含水率高于向上且最大值出現(xiàn)在距離出水口向下5cm處。將平均土壤質(zhì)量含水率隨垂向距離的變化關(guān)系用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，得出：

圖8 土壤含水率隨垂向距離的變化

θm=-0.0198y2+0.21035y+12.64565

(2)

R2=0.99226

式中，θm—質(zhì)量含水率，%；y—濕潤鋒垂向運(yùn)移距離，cm。

由擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.99226大于0.99表明擬合關(guān)系達(dá)顯著水平，平均土壤質(zhì)量含水率和濕潤鋒垂向運(yùn)移距離之間具有良好的二次函數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)語

在滴頭流量為4L/h，灌水時(shí)間持續(xù)3h，不同直徑砂管灌土壤水分入滲規(guī)律基本一致；且隨著時(shí)間推移，水分在垂向的運(yùn)移距離大于水平方向的運(yùn)移距離。濕潤體的形狀由最初的近似橢球體變化為近似圓球體再到最后的近似橢球體。最后垂向入滲距離大于水平入滲距離，水平和垂向入滲距離均與時(shí)間有極顯著的相關(guān)性，可表示為冪函數(shù)關(guān)系。入滲速率為最終的垂向入滲速率大于水平入滲速率。

在砂管灌條件下水平方向平均土壤質(zhì)量含水率和垂向方向平均土壤質(zhì)量含水率均與距離有顯著的相關(guān)性，可表示為二次函數(shù)關(guān)系。土壤含水率在水平和垂向均表現(xiàn)為靠近水源處最大，距離水源處越遠(yuǎn)含水率逐漸減小。在垂向方向上從出水口向下的含水率均大于向上的含水率。隨著入滲量的增加，垂向向下的粗砂透水性加上水分的重力作用大于土壤的毛細(xì)管力，使得垂向向下水分入滲速率大于垂向向上入滲速率，出現(xiàn)了下部含水率高于上部的情況，靠近出水口處各點(diǎn)的含水率比較高。

綜上所述，T1處理下在入滲3min時(shí)沒有觀察到濕潤鋒，在10min時(shí)地表出現(xiàn)了濕潤鋒，造成了土壤表面水分蒸發(fā)。T2和T3處理直至入滲結(jié)束都未出現(xiàn)地表濕潤。T3處理下的土壤水分入滲過程與T2處理基本相似，入滲達(dá)到的水平和垂向最大濕潤距離略高于T2處理，水平方向增加了6.3%，垂向方向增加了2%，且砂管直徑15cm相比10cm增大了工作量和成本，不適宜采用。將砂管直徑10cm運(yùn)用于河西綠洲地區(qū)棗樹的灌溉中，以期為地下砂管灌在河西綠洲地區(qū)棗樹種植中的試驗(yàn)和推廣以及干旱地區(qū)林果業(yè)節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。