微潤灌條件下廣西山區主要土壤水分運移規律研究

吳衛熊，張廷強，何令祖，邵金華(廣西自治區水利科學研究院，南寧 530023)

廣西山區包括河池、百色、南寧、柳州、來賓、崇左等6個市的30個縣(市、區)，該區域基礎設施落后，群眾生活較為貧困，農民收入低，是典型的“老、少、邊、山、窮”地區。30個縣(市、區)中，國家級扶貧開發重點縣25個、廣西壯族自治區扶貧開發重點縣5個。近年來，廣西大力開展精準扶貧，引進微潤灌技術，在山區進行了推廣；由于該技術省工、省時、能實現水肥一體化，不僅能提高作物產量，也能改善作物的品質，深受當地群眾的歡迎。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置分為供水部分、測量控制部分、試驗主體部分。供水部分包括：高位水池，測量控制部分包括：球閥、壓力表，試驗主體部分包括：正方體土箱(長60 cm×寬60 cm×高60 cm)、微潤管、PVC管、堵頭。試驗需要的其他材料：墑情站、烘箱、流量計、天平、秒表、薄膜紙、水性筆等，見圖 1所示。

圖1 水分入滲模擬裝置示意圖Fig.1 Diagram of water infiltration device

1.2 供試方法

(1)供試土壤。根據廣西山區土壤類型分布情況，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，測定原狀土容重、土壤飽和含水率、土壤田間持水率、滲透系數等指標，見表1。將試驗土壤風干和碾碎后，過2 mm的篩子篩取后供試驗用。

表1 試驗土壤基本參數指標Tab.1 Basic parameters of test soil

(2)土樣填筑。將土樣按照每次裝入10 cm，然后用平板壓實土層，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。

在土樣填筑同時在深度10、20、30 cm三層每層距離微潤管水平方向20 cm位置埋設EDAS 墑情監測站土壤水分測定儀，便于測定不同時間各位置土壤含水率，設置采集間隔為1 min。

(3)試驗步驟[1，2]。由于只觀測整個濕潤體的一半，用防水膠布在將微潤管背側中間黏貼到土箱壁，防止水分從箱壁下滲。

步驟一：填筑土壤，埋設設備。

步驟二：調整、校核試驗微潤管試驗工作壓力，確保微潤管首部壓力為0.1 MPa。

步驟三：開始試驗觀測。主要觀測指標包括：橫向濕潤鋒變化、豎向濕潤鋒變化、微潤管縱向濕潤鋒變化、不同時間EDAS 墑情監測站土壤水分測定不同深度土壤含水率變化，灌水結束后測定土體內土壤水分分布情況。

濕潤鋒變化通過標記法測定：用畫筆在土箱壁上標定在預定的時間沿著濕潤鋒圖曲線描線。

不同時間EDAS 墑情監測站土壤水分測定儀不同深度土壤含水率變化直接通過電腦讀數。

灌水結束后土體內土壤水分分布情況通過取土烘干法測定：以土箱壁為起點，在豎直方向每隔10cm取一個樣，在水平方向每個5cm取一個樣，取樣后通過烘干法測定不同位置土壤質量含水量。

2 試驗結果與分析

2.1 不同土壤地埋條件下微潤管的出流量

在工作壓力0.1 MPa條件下，分析微潤管在地面自由出流和地埋條件下單米的流量。經試驗分析，地面自由出流條件下，微潤管的單米流量為0.63 L/h；地埋黏土、壤土和砂土條件下微潤管的單米流量分別為0.24、0.31、0.43 L/h；在3種土壤下，微潤管的灌水流量差異較顯著，從大到小的順序為砂土、壤土、黏土。

2.2 土壤類型對濕潤體形狀的影響

圖2～圖4反映了微潤管在黏土、壤土、砂土埋深20 cm的土壤水分運移情況。在黏土中，微潤管的濕潤體形狀基本為圓形，在壤土和砂土中濕潤體形狀為上小下大的橢圓體。在黏土灌溉117.0 h時,每米微潤管的灌水量為28.12 L，縱向運移距離31.1 cm，橫向運移距離21.5 cm；在壤土灌溉74.0 h時,每米微潤管的灌水量為22.73 L，縱向運移距離39.0 cm，橫向運移距離27.0 cm；在砂土灌溉30 h時,每米微潤管的灌水量為13.01 L，縱向運移距離40.0 cm，橫向運移距離23.0 cm。具體數據見表2。

表2 微潤灌土壤水分運移距離統計表Tab.2 Statistics of traffic emitters buried

圖2 黏土濕潤鋒運移圖(單位：min)Fig.2 Migration map of wetting front in clay soil

圖3 壤土濕潤鋒運移圖(單位：min)Fig.3 Migration map of wetting front in loam soil

圖4 砂土濕潤鋒運移圖(單位：min)Fig.4 Migration map of wetting front in sand soil

2.3 灌水后土壤水分空間分布情況

圖5～圖7為灌溉靜置1 h后經墑情站和取土烘干測得的土壤水分分布情況。黏土、壤土和砂土的初始體積含水率分別為15.8%、10.0%和6.5%。這3種土壤中含水率均是從灌溉管的位置往四周含水率降低的趨勢，出水孔附近含水率均處在飽和含水率附近的較高水平，在濕潤體邊緣含水率迅速降低。同樣位置，黏土的含水率最大，壤土次之，砂土最小。

圖5 黏土微潤灌土壤水分分布圖Fig.5 Soil water distribution of clay soil

圖6 壤土微潤灌水分分布圖Fig.6 Soil water distribution of loam soil

圖7 砂土微潤灌水分分布圖Fig.7 Soil water distribution of sand soil

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情況

圖8～圖10為在黏土、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，黏土的最大含水率較高，壤土次之，最后為砂土。黏土的最大含水率為45.0%，壤土的最大含水率為44.0%，砂土的最大含水率為31.0%。重力對壤土、砂土水分分布受影響較大，對黏土影響較小。

圖8 黏土不同深度含水率變化曲線Fig.8 Variation curves of water content in different depth of clay soil

圖9 壤土不同深度含水率變化曲線Fig.9 Variation curves of water content in different depth of loam soil

圖10 砂土不同深度含水率變化曲線Fig.10 Variation curves of water content in different depth of sand soil

2.5 濕潤鋒運移距離

圖11～圖13為在黏土、壤土、砂土中土壤濕潤鋒的運移位置隨時間變化情況。以出水孔所在深度為中心線，往上為向上濕潤，往下為向下濕潤，水平方向為橫向濕潤。濕潤比為縱向濕潤距離與橫向濕潤距離的比值。在這3種土壤中，向各個方向濕潤速率均隨時間減緩，橫向運移最快，其次向下，向上運移最慢。向下濕潤比大于向上濕潤比，向上濕潤比有增大趨勢，向下濕潤比略有減小。在開始時橫向濕潤距離最大，灌水后向下濕潤距離最大，向上濕潤距離最小。向下濕潤比均大于向下濕潤比，且向上濕潤比隨時間減小，向下濕潤比隨時間增大。

圖11 黏土微潤灌濕潤鋒運移距離Fig.11 Distant of front migration in clay soil

圖12 壤土微潤灌濕潤鋒運移距離Fig.12 Distant of front migration in sand soil

圖13 砂土微潤灌濕潤鋒運移距離Fig.13 Distant of front migration in sand soil

2.6 微潤灌不同土壤水分分布特性

(1)微潤管在廣西山區黏土中的濕潤體為圓形，在壤土以及砂土中的濕潤體均為上小下大的橢圓形。

(2)微潤灌屬飽和入滲，灌溉水分受重力影響分布較大。對不同土壤而言，土壤黏性顆粒越多，對水分的吸附力越強，向上運移的速率越快，但同時也會結合水膜形成阻力，減緩向下和水平方向的水分運移。因此，在廣西山區的砂土、壤土和黏土中，水分在黏土向上的濕潤速率最快、濕潤范圍最大，但水平方向和向下運行都相對較小；砂土向下運移速率最快，濕潤范圍最大。總體來說，微潤灌在砂土、壤土和黏土各方向的濕潤鋒和時間呈現一種對數關系：

H=aLn(x)+b

式中：H為濕潤鋒，cm，x為時間，min；a、b和R2值詳見表3。

表3 不同土壤濕潤深度與時間回歸關系表Tab.3 Statistics of traffic emitters buried

(3)廣西山區砂土、壤土和黏土中土壤含水率的規律也基本一致，均存在出水孔往四周含水率降低的趨勢，在濕潤體內部有個較大的區域含水率接近飽和，在濕潤體邊緣含水率急劇下降。在微潤灌過程中，由于存在穩定的水源供給，土壤的含水率普遍比初始含水率高。但砂土、壤土和黏土的持水能力又有所差別，在土箱同樣位置，黏土的土壤含水率最大、壤土次之，砂土最小。灌水后，黏土的最大含水率為45.0%，比初始含水率15.8%提高29.2%；壤土的最大含水率為44.0%，比初始含水率10.0%提高34.0%；砂土的最大含水率為31.0%，比初始含水率6.5%提高24.5%。

3 結 論

(1)同等條件下，砂土水平和垂直向下的 運移速率最大，壤土次之，黏土最小。黏土中濕潤體橫向運移速率>向下運移速率>向上運移速率，壤土、砂土中濕潤體向下運移速率>橫向運移速率>向上運移速率，向下濕潤比不斷增加，向上濕潤比減小，砂土壤土向下濕潤比灌水后可大于1。

(2)微潤管在黏土中最大含水率的位置是出水孔所在平面20 cm深度，壤土的最大含水率在出水孔往下5 cm處，砂土的最大含水率出現在出水孔往下10 cm處，在壤土、砂土中含水率分布受重力影響較大。

(3)按照微潤管埋深20 cm、濕潤深度40 cm來設計，黏土、壤土和砂土分別需要灌水15、14.8、12.5 L；按照微潤管埋深20 cm、濕潤深度50 cm來設計，黏土、壤土和砂土分別需要灌水31、20.7、20.8 L；按照微潤管埋深20 cm、濕潤深度60 cm來設計，黏土、壤土和砂土分別需要灌水31、29、25 L。

(4)微潤灌應采用少量多灌的方法，可將灌溉水保持在設計濕潤深度范圍內，減少了地面蒸發與水分下滲，達到節水目的。

(5)根據各種土壤水分運移規律，提出微潤管在砂土、壤土和黏土的適宜埋深分別為10、15、20 cm。

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