不同質地土壤滲灌下水分運動特征實驗研究與應用

□朱文武

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自南陽，為了對不同質地土壤滲灌特征進行分析，研究中取3種土壤進行了試驗。分別是南陽王村（粘壤土），南陽馮樓（中壤土），白河附近（砂壤土），三種土壤的機械組成見表1。取土深度0～40cm，取土時測量土壤容重。土樣取回后，先風干晾曬，挑揀出雜物，再過2mm孔徑篩，攪勻，備用。

1.2 試驗系統的制作

用土槽進行了物理模型試驗。制成試驗土槽的規格是 80cm×40cm×100 cm（長×寬×高），土槽壁采用厚1cm的有機玻璃制成，可觀察槽內土壤濕潤鋒運移位置。

1.3 試驗方法

試驗于2007年1～6月在南陽氣象觀測站完成。為了使試驗具有可比性，將不同質地土壤的含水量差異控制到較小，將土樣按照原容重分層（每層5cm）裝入土槽中，并注意回裝土時均勻（表1）。土槽上加蓋，以防試驗期間土壤表面蒸發，灌水時，通過調節供水壓力使滲灌管內水壓保持在2.0m。灌水過程中按既定時間間隔觀察土槽內濕潤鋒的變化情況，并將其描繪在土槽的一側槽壁上，實驗結束后，測量不同時間的濕潤鋒移動距離。灌水結束時，取下土槽一側有機玻璃壁槽上的膠塞，立即取土，用烘干法測定土壤含水量，并換算為體積含水量。

表1 試驗時三種土壤的土壤含水量和容重

2 結果與分析

2.1 累積灌水量的變化規律

對試驗過程中累積灌水量的數據進行作圖分析，發現累積灌水量與時間的關系可以使用冪函數來擬合，且關系方程的決定系數均達到了極顯著的水平。從冪函數的擬合公式可以看出，冪值項小于1，這表明灌水速率隨時間的增長呈冪函數的規律逐漸減小。從整個過程的灌水速率來看，三種土壤分別是0.2786L/min、0.2016L/min、0.1243L/min，砂壤土是中壤土的1.38倍，是粘壤土的2.24倍。

2.2 濕潤鋒移動距離的變化規律

對不同質地土壤滲灌過程中濕潤鋒移動距離和灌水時間進行分析，以中壤土為例，在10min時滲灌管上方達到3.5cm，下方達到4.1cm，在水平方向（左側和右側的平均值）達到3.8cm；在30min時滲灌管上方達到5.1cm，下方達到7.8cm，在水平方向達到7.3cm；在85min時滲灌管上方達到8.5cm，下方達到15.8cm，在水平方向達到13.2cm；在170min時滲灌管上方達到12.4cm，下方達到23.3cm，在水平方向達到19.6cm；在370min時滲灌管上方達到17.9cm，下方達到29.7cm，在水平方向達到26.1cm。可以看出隨著時間的增長，濕潤鋒移動距離在各個方向逐漸增加；同時可以看出，雖然濕潤鋒距離在增加，但是增加的速度卻不斷地減慢。由于濕潤鋒是以扇形的形式向外擴展，隨著時間的增長，濕潤區的半徑逐漸增加；同時根據上面的分析，產生這個現象的原因是滲水速率隨時間逐漸減小，因此濕潤鋒的移動速度逐漸減緩。

2.3 不同質地土壤濕潤鋒移動距離變化規律的比較分析

對三種不同質地的土壤滲灌試驗結果進行分析。在各方向上，粘壤土中濕潤鋒移動的距離均小于中壤土和砂壤土，而砂壤土的濕潤鋒移動距離又略大于中壤土。產生這一現象的原因是在砂壤土中的土壤導水率較中壤土和粘壤土最大，水分自滲灌管滲出后，很快向距滲灌管較遠的地方運動；而當土壤質地偏粘時，由于土壤的導水率偏小，水分在土壤中運動通量較小，使水分自滲灌管滲出后，在滲灌管的周圍產生積聚作用，使滲灌管周圍的土壤含水量較砂壤土升高較快，且相應的土壤含水量較高，因此對滲灌管管壁產生一個反作用力，使滲灌管的滲水速率減小。由于重力的影響，可以看出不同土壤之間的移動距離在滲灌管下方的差別最大。

2.4 剖面含水量分布特征

對不同土壤濕潤區內剖面含水量的分布特征進行比較可以看出，當灌水量相同時，在砂壤土中，其濕潤區范圍較大而剖面含水量較小，這說明在砂壤土中使用滲灌時，容易造成深層的滲漏，這對于節水灌溉是不利的，因此應該設置防滲層或者選擇“砂蓋粘”的土壤。當土壤質地偏粘時，濕潤區向外擴展較慢，如需提高灌水速度，可以增大灌水壓力和選擇滲水速率較大的滲灌管。

結束語

通過研究，明確了滲灌過程中，濕潤區基本特征為環繞滲灌管的縱軸長、橫軸短的非對稱橢圓體。滲灌過程中，累積灌水量、濕潤鋒的移動距離與灌水時間成較好的冪函數關系。不同質地土壤采用滲灌時，水分入滲特征之間的差異明顯。在砂壤土中，濕潤區向外擴展速度較快，但濕潤區剖面土壤含水量相對其它土壤較低，因此應注意防止深層滲漏。試驗的研究結果對感性認識滲灌條件下土壤水分運動規律，開展數值模擬具有重要實踐指導意義。

[1]任杰.地下滴灌灌水設計參數對土壤水分運動規律的影響研究[D].石河子大學,2008