渾水膜孔灌多向交匯入滲濕潤體特征數(shù)值研究

姜瑞瑞，費(fèi)良軍，康守旋

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048)

我國是一個(gè)南北水土資源分布很不平衡的國家，在西北干旱半干旱地區(qū)，降水稀少，可利用水資源少，土地資源多，所以提高水資源利用效率是對(duì)水資源供需不協(xié)調(diào)解決的主要方法。覆膜種植是旱作區(qū)調(diào)節(jié)水分虧缺、增強(qiáng)保墑保肥能力、充分高效利用自然降水的重要技術(shù)手段。膜孔灌是結(jié)合覆膜種植，在膜上開孔進(jìn)行灌水的一種新型灌水技術(shù)。與傳統(tǒng)的灌水技術(shù)相比，膜孔灌顯著提高灌水效率，加大保水保肥作用，因此深入研究膜孔灌溉技術(shù)對(duì)節(jié)水灌溉具有積極意義。

在進(jìn)行田間灌溉時(shí)，土壤參數(shù)和灌水技術(shù)要素對(duì)濕潤體的特性及水分分布起主要作用。對(duì)于渾水膜孔灌灌水技術(shù)而言，其濕潤體特性主要受膜孔直徑、膜孔間距、渾水含沙率等的影響，而膜孔直徑對(duì)其水分入滲速率影響最為顯著。膜孔直徑是膜孔灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)中的重要參數(shù)，膜孔直徑的大小直接影響膜孔灌交匯區(qū)土壤水分的分布特性。膜孔直徑過大，灌溉水量增多，蒸發(fā)損失水量較高，水肥運(yùn)移范圍廣，水肥難以到達(dá)作物根系深處被作物吸收；膜孔過小，適應(yīng)種植作物較少，種植機(jī)械成本較高。對(duì)于渾水膜孔灌多向交匯入滲的研究，國外尚未見到有關(guān)報(bào)道，國內(nèi)有學(xué)者對(duì)其水分入滲特性、減滲特性進(jìn)行了研究。李發(fā)文通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)清水膜孔灌單向交匯和多向交匯入滲特性及其影響因素進(jìn)行了研究，得出膜孔多向交匯入滲、單向交匯入滲、自由入滲能力逐漸減小，對(duì)一維垂直入滲與多向交匯入滲參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；呼喚等研究了膜孔灌多向交匯的入滲量隨交匯界面面積變化規(guī)律，建立了減滲率與交匯界面面積的函數(shù)變化關(guān)系；李毅等研究了在滴灌條件下斥水和親水2種土壤中的濕潤鋒變化規(guī)律，發(fā)生交匯前，濕潤鋒運(yùn)移距離水平方向大于垂直方向，交匯界面上，垂直和水平濕潤鋒均符合對(duì)數(shù)關(guān)系；孫海燕等通過室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定了在滴灌交匯入滲過程中土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，表明同等土層深度處，交匯界面處的含水率大于未交匯處的含水率，且水平和垂直濕潤鋒與入滲時(shí)間之間有良好的線性關(guān)系。

渾水灌溉是我國黃河流域引黃灌溉的主要特點(diǎn)，渾水推移前進(jìn)，其中的泥沙一部分進(jìn)入土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)；一部分在土壤表面沉積，降低水分入滲速率，使得與清水入滲相差較大。渾水膜孔灌和滴灌是不同的點(diǎn)源入滲，其入滲是含有一定面積的積水入滲，因此滴灌入滲的濕潤體與膜孔灌交匯入滲濕潤體變化規(guī)律不同，且膜孔直徑對(duì)渾水膜孔灌入滲影響最為顯著，所以有必要對(duì)渾水膜孔灌交匯土壤入滲濕潤體變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗(yàn)土樣取自西安灞橋區(qū)，在自然風(fēng)干后，碾碎過2 mm的土篩，通風(fēng)保存?zhèn)溆谩Ｔ谠囼?yàn)前對(duì)土樣物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試(美國制標(biāo)準(zhǔn)USDA)，粒徑0～0.002，0.002～0.02，0.02～2 mm的顆粒含量分別為4.66%，53.92%，41.42%，最終確定土壤質(zhì)地為粉土。土壤風(fēng)干土含水率為2.15%，飽和含水率為38.12%，飽和導(dǎo)水率0.022 cm/min。試驗(yàn)在西安理工大學(xué)農(nóng)水大廳實(shí)驗(yàn)中心展開。

試驗(yàn)渾水為人工配置，渾水中的泥沙取自陜西省涇惠渠灌區(qū)干渠中，自然風(fēng)干過后，測(cè)量渾水平均質(zhì)量含沙率為4.78%，分析測(cè)定渾水泥沙粒度組成，測(cè)定結(jié)果見表1。泥沙顆粒自然風(fēng)干后過1 mm土篩，稱重配置質(zhì)量含沙率為3%的渾水備用。

表1 涇惠渠灌區(qū)渾水泥沙粒徑基本組成特性

1.2 試驗(yàn)裝置

渾水膜孔灌試驗(yàn)裝置見圖1。在傳統(tǒng)的馬氏瓶內(nèi)加裝電機(jī)和攪動(dòng)葉片，防止泥沙在靜置狀態(tài)下沉淀，影響渾水入滲結(jié)果。試驗(yàn)由供水裝置和土箱2部分組成，試驗(yàn)土箱采用透明有機(jī)玻璃制作，便于試驗(yàn)過程中記錄濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律，規(guī)格為10 cm×12 cm×35 cm(長×寬×高)。為了對(duì)各剖面濕潤鋒進(jìn)行明確觀測(cè)，取1/4濕潤體進(jìn)行研究，1/4膜孔置于土箱一角，緊貼土壤表面，與進(jìn)水孔相連。膜孔中進(jìn)水深度為3 cm，直徑為7 cm。土箱與供水裝置通過輸水管道連接，通過閥門控制進(jìn)水。

圖1 渾水膜孔灌多點(diǎn)源入滲裝置

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)土壤容重為1.35 g/cm，將土樣自然風(fēng)干過篩后，按要求體積質(zhì)量分層(5 cm)裝入土箱中，填裝高度共25 cm。為了使各層土壤相接處緊密貼合，不出現(xiàn)大的孔隙，下層土壤填裝之前，用刮刀刮毛下層土壤表面。在土箱上層用薄膜覆蓋，裝好的土箱靜置2天，使土壤孔隙在重力作用下均勻分布。試驗(yàn)開始后按先密后疏的時(shí)間原則，記錄馬氏瓶的讀數(shù)，并在土箱上記錄相應(yīng)時(shí)間濕潤鋒運(yùn)移的位置。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量土箱外標(biāo)記不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濕潤鋒運(yùn)移距離。記圖1中面為自由入滲面，面為先發(fā)生交匯的面單向交匯面，軸為單向交匯中心；面為后發(fā)生交匯的面多向交匯面，軸為多向交匯中心。

2 結(jié)果與分析

2.1 剖面ABCD濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律

圖2為渾水膜孔灌多向交匯入滲面垂直和水平濕潤鋒運(yùn)移曲線。從圖2可以看出，入滲時(shí)間()增加，垂直和水平濕潤鋒運(yùn)移過程均符合膜孔入滲的一般規(guī)律，入滲時(shí)間相同時(shí)，膜孔直徑()越大，垂直入滲深度越深，垂直濕潤鋒運(yùn)移距離()越大；發(fā)生交匯前，水平濕潤鋒與膜孔中心的距離越遠(yuǎn)，水平濕潤鋒運(yùn)移距離()越大。入滲時(shí)間為150 min時(shí)，膜孔直徑大小分別為5，6，7，8 cm條件下的膜孔入滲，膜孔中心垂直濕潤鋒運(yùn)移距離分別為9.00，10.00，12.03，13.10 cm，在入滲結(jié)束時(shí)，以=5 cm為基礎(chǔ)，運(yùn)移距離分別增加10.00%，25.19%，31.29%。說明膜孔直徑越大，膜孔面積越大，膜孔間距一定條件下，水與進(jìn)水口接觸面積增大，水分進(jìn)入土壤中的通道口增多，入滲率也越大，相同的入滲時(shí)間，入滲距離越遠(yuǎn)。

從圖2b可以看出，在入滲時(shí)間為0時(shí)，水平濕潤鋒運(yùn)移距離≠0，而是從/2的位置開始增大。土箱—中，膜孔位于點(diǎn)處，膜孔為原點(diǎn)，為水平濕潤鋒運(yùn)移方向，水平濕潤鋒從膜孔半徑處開始，隨著入滲時(shí)間的延長，水平濕潤鋒運(yùn)移距離增大，圖2b中運(yùn)移曲線斜率逐漸減小，說明運(yùn)移速率逐漸減慢。入滲前期，土壤含水率為初始含水率，含水率較低，膜孔與土壤之間的水勢(shì)梯度較高，濕潤鋒運(yùn)移速率較快。入滲時(shí)間增大，濕潤體體積增大，土壤含水率增加，土壤水勢(shì)梯度較小，膜孔內(nèi)水頭一定，入滲速率減緩。直至發(fā)生單向交匯，水平濕潤鋒在2個(gè)膜孔中間相連，達(dá)到最大值，理想狀態(tài)為膜孔間距的1/2，本次試驗(yàn)max為12 cm，水分在垂直方向的入滲不受限制，持續(xù)增大。

圖2 ABCD面濕潤鋒運(yùn)移距離曲線

表2為灌水50 min時(shí)4種膜孔直徑條件下水平和垂直濕潤鋒的運(yùn)移距離。從表2可以看出，膜孔直徑對(duì)渾水膜孔灌入滲的水平和垂直濕潤鋒均有影響，但對(duì)水平運(yùn)移的影響大于垂直運(yùn)移的影響。

表2 50 min不同膜孔直徑下濕潤鋒垂直和水平運(yùn)移距離 單位：cm

經(jīng)分析，可以用冪函數(shù)關(guān)系表達(dá)面濕潤鋒運(yùn)移距離與灌水時(shí)間的變化規(guī)律，其關(guān)系式為：

=，=

(1)

式中：和為面垂直和水平濕潤鋒的運(yùn)移距離(cm)；和為運(yùn)移參數(shù)；和為運(yùn)移指數(shù)。

從表3可以看出，決定系數(shù)均大于0.9，說明與之間呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系。運(yùn)移參數(shù)和均隨著膜孔直徑()的增加而增加，而運(yùn)移指數(shù)和均逐漸減小。水平和垂直運(yùn)移參數(shù)、變化相對(duì)較大，大于，而入滲指數(shù)、相對(duì)變化幅度較小，且兩者數(shù)值大小相差較小。

表3 垂直和水平運(yùn)移距離與D擬合參數(shù)

將影響變量膜孔直徑與運(yùn)移參數(shù)、、、分析得：

=08234(2)06531=0985 9

(2)

=-00226(2)+04127=0982 7

(3)

=1092806386=0987 3

(4)

=-04401-03970=0966 1

(5)

擬合結(jié)果決定系數(shù)均大于0.9，將擬合結(jié)果分別帶入和表達(dá)式中。確定出面，垂直和水平濕潤鋒運(yùn)移距離與膜孔直徑和入滲時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

=08234(2)06531-00226(2)+04127

(6)

=1092806386-04401-03970

(7)

2.2 交匯剖面CcDd濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律

圖3為膜孔灌渾水入滲濕潤鋒在土箱面上相連，出現(xiàn)交匯面后濕潤鋒在交匯面上垂直和水平濕潤鋒運(yùn)移曲線。由圖3可知，發(fā)生交匯后，隨著膜孔直徑的增加，交匯區(qū)剖面的寬度和濕潤深度逐漸增加。膜孔直徑減小，交匯時(shí)間增加，交匯面積減小。在濕潤鋒到達(dá)土層深度8 cm位置時(shí)，膜孔直徑6 cm比8 cm所用時(shí)間增加118 min。水平運(yùn)移6 cm，膜孔直徑6 cm比8 cm所用時(shí)間增加143 min。發(fā)生單向交匯后，同一膜孔直徑的垂直濕潤鋒運(yùn)移曲線曲率小于水平方向的，說明交匯剖面上相同入滲時(shí)間水平濕潤鋒運(yùn)移距離變化幅度大于垂直方向的。膜孔直徑為7 cm時(shí)，入滲時(shí)間由140～180 min，垂直方向濕潤鋒由7.15 cm運(yùn)移至8.84 cm，平均每分鐘運(yùn)移0.04 cm。水平方向濕潤鋒由3.70 cm運(yùn)移至6.40 cm位置處，平均每分鐘運(yùn)移0.07 cm。因?yàn)樗值竭_(dá)交匯面上時(shí)，交匯剖面水平方向的土壤為未濕潤土壤，含水率低，基質(zhì)勢(shì)大，運(yùn)移速度快。單向交匯中心與自由面接觸，該處土壤含水率大，基質(zhì)勢(shì)小，同時(shí)水分入滲至交匯剖面量少，重力勢(shì)能小，運(yùn)移速率慢。

由圖3可知，發(fā)生交匯時(shí)和的值均不為0，說明交匯剖面最先出現(xiàn)濕潤鋒的位置并不是土壤表層，而是表層以下位置。這主要是因?yàn)槟た兹霛B，膜孔邊界對(duì)水分水平入滲的阻擋，水分先從膜孔向下運(yùn)移，短時(shí)間后繞過膜孔下邊緣在土壤水平方向開始運(yùn)移。

圖3 CcDd面濕潤鋒運(yùn)移距離曲線

對(duì)圖3a和3b中數(shù)據(jù)分析可知，單向交匯剖面上垂直和水平運(yùn)移距離與入滲時(shí)間滿足關(guān)系：

=ln+，=ln+

(8)

式中：為交匯剖面上垂直濕潤鋒運(yùn)移距離(cm)；為交匯剖面上水平濕潤鋒運(yùn)移距離(cm)；、、、均為運(yùn)移參數(shù)。

通過利用公式(8)對(duì)圖4中數(shù)據(jù)擬合得表4中擬合參數(shù)，擬合結(jié)果的決定系數(shù)均大于0.9，說明交匯剖面上和均與入滲時(shí)間()滿足對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)關(guān)系顯著。

圖4 剖面abcd濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律

由表4可以看出，運(yùn)移參數(shù)和均隨著膜孔直徑的增大而減小，和則相反。經(jīng)分析、、、與膜孔直徑()的擬合關(guān)系為：

表4 交匯剖面濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間擬合參數(shù)

=220150-06123=0999 2

(9)

=(1-0561304260)=0999 9

(10)

=2112-15050=0946 0

(11)

=(1-0670902741)=0964 2

(12)

將公式(9)～公式(12)帶入公式(8)的和表達(dá)式中，將得到和與膜孔直徑()和入滲時(shí)間()的擬合關(guān)系：

=(220150-06123)ln+(1-0561304260)

(13)

=(2112-15050)ln+(1-0670902741)

(14)

2.3 剖面abcd濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律

圖4為渾水膜孔灌濕潤體剖面上垂直濕潤鋒運(yùn)移曲線。由圖4可知，膜孔直徑越大，濕潤鋒在剖面發(fā)生相連所需時(shí)間越小，交匯時(shí)間越?。欢嘞蚪粎R剖面濕潤鋒出現(xiàn)位置和單向交匯剖面上相似，均在土壤表層以下位置，大概在2 cm土層深度處。分析不同膜孔直徑條件下，剖面垂直濕潤鋒運(yùn)移距離()與時(shí)間()的關(guān)系(表5)和單向交匯剖面垂直濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律相同，即：

表5 abcd剖面濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間擬合參數(shù)

=ln+

(15)

擬合結(jié)果的決定系數(shù)>0.9，運(yùn)移參數(shù)()隨著的增大而減小，逐漸增大。經(jīng)分析、與的數(shù)值關(guān)系可知：

=289340-06070=0946 0

(16)

=(1-0710202618)=0964 2

(17)

將公式(16)和公式(17)帶入公式(15)的表達(dá)式中得與的關(guān)系式：

=289340-06070ln+(1-0710202618)

(18)

2.4 含水率分布規(guī)律

渾水膜孔灌多向交匯入滲，在入滲前期，含水率曲線和濕潤體形狀相同，近似為一水平方向?yàn)殚L軸的橢球體，隨著入滲的進(jìn)行，濕潤范圍擴(kuò)散，水分不斷向遠(yuǎn)離膜孔的位置擴(kuò)散。到達(dá)交匯時(shí)間后，濕潤區(qū)交匯，除膜孔下方土壤含水率分布曲線近似于1/4橢圓形外，濕潤體下方含水率相等的等值線將會(huì)相連，形成類似于馬鞍狀的分布形狀，與滴灌交匯入滲含水率分布規(guī)律相同。入滲結(jié)束時(shí)，除膜孔處土壤含水率還保留近似1/4橢球體外，濕潤區(qū)下方土壤含水率均呈帶狀分布(圖5)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，隨著膜孔直徑的增大，含水率等直線由密變疏，含水率變化梯度逐漸減小。膜孔直徑越大，水分入滲量越大，同一位置土壤含水率越大。入滲結(jié)束時(shí)，靠近膜孔中心位置，不同膜孔直徑的土壤含水率值幾乎相同，均在38%，接近土壤飽和含水率，說明多向交匯膜孔中心處土壤含水率最大。、、位置同一深度處>>。同一膜孔直徑的含水率等值線圖呈現(xiàn)出由膜孔向土層深度從疏到密的分布規(guī)律，入滲結(jié)果符合點(diǎn)源入滲規(guī)律，即離膜孔越遠(yuǎn)，土壤含水率越小。上層土壤含水率高，土壤水吸力小等值線分布間距較大，含水率變化梯度小。

圖5 剖面ABCD含水率分布規(guī)律

為對(duì)交匯中心和含水率進(jìn)行進(jìn)一步說明，分析了交匯中心的含水率分布規(guī)律(圖6)。交匯剖面上和位置處的含水率先增大后減小，增大位置大約在土層深度2.5 cm的位置，該變化規(guī)律和濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律相同。因?yàn)槟た兹霛B水分先擴(kuò)散至膜孔下方，再向水平方向擴(kuò)散和土壤表層擴(kuò)散，所以交匯剖面含水率最大的位置不在土層表面。以膜孔直徑6 cm為例，土壤埋深0，2.5，5，7.5 cm的含水率分別為33.04%，33.24%，31.14%，27.98%。土壤埋深5 cm處，位置膜孔直徑5，6，7，8 cm的含水率分別為30.46%，31.10%，32.83%，35.01%，以膜孔直徑5 cm為基礎(chǔ)，含水率分別增加2.10%，7.78%，14.94%。

圖6 交匯中心CD含水率分布規(guī)律

灌水均勻度是評(píng)價(jià)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，可采用克里斯琴均勻系數(shù)評(píng)價(jià)膜孔灌渾水入滲的均勻度：

經(jīng)沿膜孔灌濕潤體相同濕潤半徑采樣計(jì)算，渾水膜孔灌灌水均勻度非常高，、、同一深度處的灌水均勻度均達(dá)到90%以上(表6)。根據(jù)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》判斷，膜孔灌灌水均勻度遠(yuǎn)大于70%，所以其屬于高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù)。渾水膜孔灌灌水均勻度高，可以減少深層滲漏和顆間蒸發(fā)，從而減少水分的損耗，達(dá)到節(jié)水高產(chǎn)的目的。

表6 abcd剖面濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)渾水膜孔灌多向交匯入滲條件下，膜孔直徑對(duì)濕潤鋒運(yùn)移距離影響顯著；膜孔直徑越大，水平和垂直濕潤鋒運(yùn)移距離越大；自由入滲剖面和交匯剖面，膜孔直徑對(duì)水平運(yùn)移距離的影響均大于垂直方向的。

(2)建立了多向交匯各入滲面濕潤鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間和膜孔直徑的函數(shù)關(guān)系模型，相關(guān)性均較好，用其模擬渾水膜孔灌多向交匯濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律是可行的。

(3)多向交匯入滲濕潤體內(nèi)，含水率最大的位置在膜孔中心位置；同一土層深度處，膜孔中心、單向交匯中心、多向交匯中心含水率逐漸減??；膜孔灌為高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù)。