不同初始含水率下风沙土地下渗灌水分运移特性研究.pdf

2023 年 7 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 7 期 Jul.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.7 Vol.42 52 文章编号：1672-3317（2023）07-0052-08 不同初始含水率下风沙土地下渗灌水分运移特性研究 马宏秀1，孙 权1*，鲁海涛1，马文礼2，蒋 鹏1，张晓娟1，蔡崭红2，贾登成3（1.宁夏大学 农学院，银川 750021；2.宁夏农垦农林牧技术推广服务中心，银川 750011；3.宁夏农垦国营简泉农场，宁夏 石嘴山 753299）摘 要：【目的】探究风沙土埋设新型地下渗灌系统后土体水分运移规律，明确地下渗灌管适宜的埋设间距和埋土深度。【方法】运用室外土箱模拟试验，监测了不同初始含水率（5.1%、11.5%、16.8%）湿润体承压后土壤水分入渗趋势和再分布规律，并运用数学模型对入渗过程进行了拟合。【结果】地下渗灌下湿润体形状近似以渗灌管为中心的椭圆状，同一时段初始含水率越大，湿润锋运移速率越快，累计入渗量和入渗速率越小，累积入渗量和入渗时间呈幂函数关系，而入渗指数则随初始含水率的增大而增大；与 Kostiakov 模型（R2为 0.783）、Philip 模型（R2为 0.785）和通用经验模型（R2为 0.923）相比，Horton 模型（R2为 0.943）对不同初始含水率下风沙土入渗过程拟合效果较好，该模型更适用于描述地下渗灌风沙土的水分入渗过程；初始含水率为 5.1%、11.5%、16.8%条件下，渗灌管适宜埋深应分别小于 10、20、30 cm，管间距应分别小于 30、60、90 cm，【结论】综上可知，风沙土湿度越大，渗灌管埋深越深，管间距可相应增大。关 键 词：风沙土；地下渗灌；入渗特性；初始含水率 中图分类号：S275.4 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2023039 OSID：马宏秀,孙权,鲁海涛,等.不同初始含水率下风沙土地下渗灌水分运移特性研究J.灌溉排水学报,2023,42(7):52-59.MA Hongxiu,SUN Quan,LU Haitao,et al.Impact of Initial Soil Water Content on Infiltration of Irrigation Water in Aeolian Sandy SoilJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(7):52-59.0 引 言【研究意义】西北地区虽然光热资源丰富，农业生产潜力巨大，但因缺水且缺乏养分，仅在有水源灌溉的区域零星分布着绿洲农业区。地下渗灌是一种地下微灌形式，是指在低液压条件下，使灌溉水（含可溶性养分）通过埋设在每株作物根系范围内的渗水管道，其管壁上分布有均匀的微孔，水分由内向外呈发汗状渗出，以滴渗方式湿润作物根系层周围土壤，即直接向每株作物根系适时适量地供水、供养的一种节水增产的灌溉技术方法1。该技术比地表滴灌更进一步减少了水分蒸发与肥料运移的损失，达到良好的节水、节肥效果，从而对干旱半干旱地区水肥资源的高效利用更具有现实意义。【研究进展】土壤入渗是土壤水分的形成、转化与消耗的动态变化过程2，涉及土壤水分再分布、蒸发以及离子迁移等多方面3。土壤水分入渗受土壤体积质量、孔隙度等影响较大4-5，其中，土壤初始含水率作为重要的土壤物理性质，主要通过土壤湿润体收稿日期：2023-02-08 修回日期：2023-03-17 网络出版日期：2023-05-09 基金项目：宁夏重点研发计划与宁夏农垦自主研发计划项目（NXNK2022-Z03）作者简介：马宏秀（1994-），女。博士研究生，主要从事旱区土壤养分与水肥高效利用研究。E-mail: 通信作者：孙权（1965-），男。教授，博士生导师，主要从事旱区土壤养分与水肥高效利用研究。E-mail: 灌溉排水学报编辑部，开放获取 CC BY-NC-ND 协议 内平均土水势梯度来影响土壤水分入渗过程6。康金林等7通过室内模拟土柱试验研究指出，均质红壤入渗能力与土壤初始含水率负相关，湿润锋运移速率随初始含水率的增大而增大。曾辰等8通过研究初始含水率对砂黄土和塿土的线源入渗特征的影响表明，2 种类型土壤的累积入渗量与初始含水率为二次函数关系。介飞龙等9基于 HYDRUS 模型研究不同初始含水率对膜孔灌湿润体的影响，结果表明该模型优于Kostiakov 等传统入渗模型。然而，不同条件下初始含水率对土壤水分入渗过程影响不同，地下渗灌是一种利用土壤吸水作用发挥效能的被动供水方式且可以根据土壤初始含水率调节出水流量，因此，初始含水率对地下渗灌入渗特性有较大的影响10。【切入点】受地下渗灌管管材特质与承压特性的限制，地下渗灌技术尚在初始应用阶段，目前对不同初始含水率条件下地下渗灌入渗机制的研究较少。【拟解决的关键问题】为此，以西北主要土壤类型风沙土为对象，基于新型地下渗灌技术分析不同初始含水率条件下土壤水分入渗特征，以期为地下渗灌技术推广提供参考。1 材料与方法 1.1 供试土壤 试验土壤风沙土于 2022 年 8 月取自宁夏银川市金凤区良田镇植物园二村，取土深度为 030 cm，将马宏秀 等：不同初始含水率下风沙土地下渗灌水分运移特性研究 53 取得不同土层深度土壤自然风干后，清除杂质，均匀混合，过 2 mm 筛备用。土壤基本物理性质见表 1。表 1 供试土壤物理性质 Table 1 Physical properties of the soil tested 砂粒量/%(0.022.0 mm)粉粒量/%(0.0020.02 mm)黏粒量/%(0.002 mm)土壤 体积 质量/(g cm-3)田间 持水率/%饱和 含水率/%88.76 8.38 2.86 1.47 20.1 30.2 注 田间持水率和饱和含水率均为体积含水率。试验前按设计含水率（质量含水率）加水，混合均匀后用塑料布覆盖静置 24 h，次日开展入渗试验，待土壤水分分布均匀后，按照设计土壤体积质量 1.47 g/cm3，每 5 cm 为 1 层分层装入试验土箱。1.2 试验材料和装置 试验所用渗灌管由南京德水节能科技有限公司提供，其主要参数为：内径 13 mm，壁厚 1.5 mm，外表面布满微孔，工作运行压力 0.06 MPa，稳定压力下额定流量为 6 L/（h m）。试验装置由土箱和供水装置组成（图 1），试验土箱为 1 cm 厚有机玻璃制成，箱体规格为 200 cm 200 cm 100 cm（长 宽 高），其底部均匀分布有直径 0.2 cm 的小孔便于通气。供水装置主要由供水箱、回水箱、水泵、压力表、流量计等组成。土层总高度100 cm，渗灌管埋深 50 cm。为了真实模拟田间应用情况，箱内安插 2 条间距为 100 cm 的渗灌管，渗灌管长度与土箱长度均为 200 cm，进口端连接供水系统，出口端封闭。供水箱和回水箱的箱体上标有刻度，用于测定和校核供水流量。水泵内设置电位调速器，以便调节供水压力。注 1.土箱；2.地下渗灌管；3.供水箱；4.回水箱；5.水泵；6、7.阀门；8.压力表；9.流量计。图 1 试验装置图 Fig.1 Diagram of the test device 1.3 试验设计 根据前人11关于沙土含水率分布情况的研究，试验设置 3 个不同初始含水率水平（土壤自然风干时的含水率），分别为 5.1%、11.5%、16.8%，为排除土壤水分蒸发的影响，表层用塑料膜覆盖，每组试验设置4 次重复，选取平均值进行数据分析。试验开始后，记录不同时刻湿润锋的轮廓和灌水流量。在最初入渗 0.5 h 内，分别在 2、5、10、15、30 min 用卷尺测量出湿润体各向湿润锋运移距离，0.5 h 之后每隔 30 min 观测 1 次；采用 L99-TWS-3 型土壤水分记录仪测定土壤水分，将传感器预先埋设在水平距管 10、20、30、40、50 cm 处，埋设深度在 10、20、30、40、60、70、80、90、100 cm 处，长期连续监测，测定前用烘干法测定含水率校正仪器。本试验设置单次灌水量为 600 m3/hm2，即连续渗灌 10 h 后，停止供水。1.4 入渗模型拟合与评价指标 本研究选取 Kostiakov、Philip、Horton 和通用经验型共 4 种模型分别对入渗过程进行模拟，并对各模型拟合结果进行评价。Kostiakov 模型：F(t)=At-B，（1）式中：F(t)为入渗速率（cm/min）；A 和 B 为模型参数；t 为入渗时间。Philip 模型：F(t)=S+Vt-0.5，（2）式中：S 为稳定入渗率（cm/min）；V 为模型参数。Horton 模型：F(t)=Fi+(F0-Fi)a-bt，（3）式中：F0为初始入渗率（cm/min）；Fi为稳定入渗率（cm/min）；b 为模型参数。通用经验模型：F(t)=m+nt-k，（4）式中：m、n、k 为经验参数。1.5 累积入渗量拟合 选择幂函数对累计入渗量变化进行拟合：Z=Kta，（5）式中：Z 为累计入渗量；K 为入渗系数；a 为入渗指数。1.6 克里斯琴森均匀系数 灌溉均匀度计算式为：CU=（1-|-i|NNi=1）100%，（6）式中：CU 为灌溉均匀度（cm3/cm3）；为湿润体平均含水率（cm3/cm3）；i为第 i 节点处土壤含水率（cm3/cm3）；N 为湿润体选取节点数。1.7 数据处理与分析 采用 Microsoft Excel 2016、Sigmaplot 12.5 软件处理数据及制图，运用 SPSS 18 中的 LSD 法进行方差分析，数据处理显著水平为 0.05。2 结果与分析 2.1 初始含水率对湿润锋运移的影响 2.1.1 湿润体形状变化特征 为了方便观测，以湿润体 1/2 横剖面为研究对象。灌溉排水学报 http:/ 54 图 2 为不同初始含水率对应的湿润锋动态变化过程，X 为水平距离，Y 为土层深度，坐标原点（0，0）为渗灌管所在位置，湿润锋以渗灌管位置为中心向外缓慢运移。选取不同灌溉时间湿润体水平移动半径 R，垂直向下移动距离 D，垂直向上移动距离 L 描述湿润体的形状和大小。由图 2 可知，随着初始含水率的增大，湿润体横剖面形状越来越接近椭圆形，初始含水率对地下渗灌下湿润体形状具有较大影响。当初始含水率为 5.1%时，RLD 从 10.81.2 逐渐变为 10.81.25；初始含水率为 11.5%时，RLD 从 10.631.25 逐渐变为 10.641.22；初始含水率为 16.8%时，RLD 从 10.691.48 逐渐变为 10.671.43。随着灌水时间的延长，不同方向的湿润锋运移速率无显著差异，但随着初始含水率的增加，湿润锋垂直向上的扩散速率相对降低，而垂直向下的扩散速率相对增大。(a)初始含水率为 5.1%(b)初始含水率为 11.5%(c)初始含水率为 16.8%图 2 湿润体动态分布Fig.2 Dynamic distribution of moisturites 2.1.2 湿润锋运移速率 图 3 为初始含水率对湿润锋运移速率的影响。由图 3 可知，不同初始含水率下湿润锋运移速率均呈下降趋势，随着灌水时间的增加，湿润锋运移速率逐渐趋于稳定。湿润锋在不同方向的推进速率均随初始含水率的增大而增大，原因是在初始含水率较高的条件下，土壤较快达到饱和状态，下渗率趋于稳定，然后在毛管水和重力水的作用下渗透移动，湿润锋运移速率相对较快12。初始含水率 5.1%、11.5%、16.8%的垂直向上的平均扩散速率为 1.45、1.86、2.54 cm/h，垂直向下的平均扩散速率为 2.28、3.57、5.40 cm/h，水平方向的平均扩散速率为 1.75、2.96、3.90 cm/h，说明初始含水率对垂直向下的运移过程影响最大，对水平方向的运移过程影响程度最小。(a)垂直向上(b)垂直向下(c)水平方向图 3 初