內蒙古典型土壤在地下滴灌中水運移規律研究

王榮蓮，張智超，嘉曉輝，張 瓊，昝慧龍

(1.內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區水利廳，呼和浩特 010018； 3. 內蒙古自治區水利水電勘測設計院，呼和浩特 010018)

近年來，國內外對地下滴灌的研究成果較多，關于地下滴灌條件下土壤水分運動規律、土壤水能態方面也有一些報道。張和喜[1]等人開展了地下滴灌土壤水分運動規律研究，得出停止灌溉24 h后，土壤濕潤體的現狀和范圍有了較大改變，水分達到了地表下70 cm處，但濕潤體在水平方向的運移卻不明顯。仵峰[2,3]等人對地下滴灌條件下土壤水能態進行研究，得出在灌水器流量不大于土壤擴散能力時，灌水器出口處的土壤水勢等于該處的土壤吸力，為非正壓狀態；否則，灌水器出口處的土壤水勢為正。李道西[3]等人研究發現地下滴灌管壁的導水作用將對土壤水分分布產生一定影響，3個方向上濕潤峰運移均近似為時間平方根的線性函數。許迪、李光永等人[4-10]通過建立數學模型研究地下滴灌土壤水分運動規律。

地下滴灌水分運移與滴灌帶類型、流量、土壤等都有關系。目前針對內蒙古自治區常用的滴灌帶、典型土壤類型上開展的地下滴灌水分運動規律研究還未見報道。本文將在這方面開展初步研究，得出特定條件下水分運動規律，為獲得適宜內蒙古自治區開展地下滴灌必需的水力要素、滴灌帶選型等奠定基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用目前國內外常用的3種類型滴灌帶(管)，分別為甘肅大禹節水灌溉設備廠家生產的單翼迷宮式滴灌帶、內鑲片式滴灌帶及吉林喜豐集團生產的內鑲圓柱狀滴灌管，型號分別為MGD16×300-2.7-100、NFG16×200-2.4-100及DN16×300-3.2-100，額定壓力都為100 kPa，額定流量分別為2.7、2.4及3.2 L/h，滴頭間距分別為300、200、300 mm，壁厚分別為0.2、0.3及0.6 mm。

1.2 試驗裝置及試驗方法

試驗在呼和浩特市東郊呼市園藝所的溫室內進行。試驗裝置及試驗布置簡圖如圖1和圖2所示，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(帶電位調速器)、輸水管、回水管、回水水箱、土箱、地下滴灌帶(管)、壓力表、KN213金屬管浮子流量計、閥門等組成。試驗采用3個尺寸為70×50×100 cm(長×寬×高)鋼化玻璃箱，每個土箱內沿長度方向埋設3條滴灌帶(管)，每條長70 cm，滴頭3～4個，分兩層，埋深分別為25、65 cm，確保滴灌帶(管)之間濕潤體不搭接，土層總高度90 cm，每條滴灌帶(管)距土箱壁5 cm。每種處理設3次重復。箱底布置直徑1 cm的滲水孔15個，共3排。供水和回水水箱采用邊長為50 cm的正方體玻璃箱，用于測試、校核灌水流量。水泵壓力范圍為0～0.14 MPa，流量范圍為0～1.5 m3/h，帶電位調速器，可方便調速調壓，實現在恒定壓力下供水。

圖1 試驗裝置簡圖

圖2 試驗布置示意圖(單位：cm)

試驗前，先對內蒙古自治區具有代表性的土壤進行調研，確定西部巴彥淖爾市磴口縣、東部赤峰市松山區、中部呼和浩特市后桃花村土壤為試驗土壤，對土壤顆粒組成、容重進行取樣測試。用環刀取0～40 cm內原狀土，烘干法測試容重；用篩分法測試土壤顆粒組成。將試驗土壤拉到試驗地后，先過1 mm篩，灑水到接近最優含水率時分層裝入各自土箱，按照實測20～40 cm厚土層容重進行裝土，赤峰、呼市及磴口縣土容重分別為1.36、1.44及1.53 g/cm3，每裝5 cm厚夯實一次，將表面刨毛，再裝上層，依次進行。裝土到滴灌帶(管)埋設高程時，安裝滴灌帶(管)，除單翼迷宮式外，其他滴灌帶(管)滴頭向上。薄壁滴灌帶安裝好后，向管內插入一根直徑14 mm的實心套管，以防裝土及夯實時將滴灌帶壓扁，測試時將套管拔出。

本試驗先在空氣內測試3種滴灌帶(管)壓力、流量，確保每條滴灌帶(管)滴水正常后再埋入土壤。試驗時將水泵置于供水水箱內，水位高于水泵吸水管。將供水管閥門打開，開啟水泵向系統供水，每次測試一條滴灌帶(管)，且保持土壤初始含水量相同。系統通水后，通過排氣閥排除管道內空氣，調節水泵電位調速器及回水管閥門，使壓力表讀數穩定在設計壓力值0.05及0.10 MPa 2個等級。系統穩定運行2～3 min后，由KN213金屬管浮子流量計測試系統流量。為校核浮子流量計精度，在管道內滿流狀態下記錄規定時間內供水水箱的出水量及回水水箱的進水量，用兩者差即可準確計算灌水器流量，用該值核定浮子流量計讀數，校核好后便可用流量計快速測量灌水器流量。每隔5 min通過透明玻璃箱壁量測每個滴頭到該濕潤體外邊界上、下、左、右的距離，與流量值一一對應。系統灌水到相鄰兩個滴頭的濕潤峰出現搭接為止，為地埋單點源入滲模式。

2 結果分析與討論

2.1 土樣測試結果分析

測試得各地區0～40 cm厚土樣的顆粒組成見表1。

表1 各地區土樣(0～40 cm)粒徑組成表 %

根據國際制土壤質地分級標準，赤峰、呼市及磴口縣土壤分別為黏壤土、壤土及沙壤土，此順序即為黏性從高到低的順序，赤峰土黏性較高，磴口縣土壤沙性較大。

2.2 水分運動規律試驗結果分析

(1)空氣內不同壓力下的流量測試。每種規格滴灌帶(管)在每種壓力下測試3組，取平均值，結果見表2。

表2 空氣內不同壓力下的流量表 L/h

(2)同一滴灌帶(管)在不同土壤內濕潤峰分布特征。以每個滴頭所在位置為坐標原點，橫坐標正、負方向分別表示滴頭右、左側，縱坐標正、負方向分別表示滴頭上、下側，繪制出接近圓形的圖形，較直觀地反映每個滴頭處的濕潤峰邊界。每條滴灌帶(管)的3～4個滴頭濕潤峰范圍取平均值。每條滴灌帶(管)測試時間為15～35 min，為了比較相同時間內的濕潤峰規律，本次分析灌水15 min時濕潤峰分布特征。0.05 MPa壓力下濕潤峰分布特征，見圖3；0.1 MPa壓力下濕潤峰分布特征，見圖4。

圖3 0.05 MPa下3種滴灌帶(管)在不同土壤中濕潤峰分布圖

圖4 0.10 MPa下3種滴灌帶(管)在不同土壤中濕潤峰分布圖

(3)結果分析與討論。由圖3可知，0.05 MPa下3種滴灌帶(管)在不同土壤內濕潤峰分布有共同規律，即在赤峰土壤內濕潤峰都最小，而在磴口和呼市土壤內濕潤峰較大且比較接近。總體而言，3種土壤內滴灌帶(管)濕潤峰從小到大的順序為：內鑲片式滴灌帶、單翼迷宮式滴灌帶及圓柱狀滴灌管，此順序與它們在空氣中流量大小順序一致，且濕潤峰分布都為向下距離最大，水平次之，向上最小，此成果與仵峰[11]的研究成果類似。向下和向上距離偏差值：赤峰土都為2 cm左右，磴口和呼市土2～4 cm，即沙性較大的土壤向下擴散距離略高于黏性較高的土壤。水分向上運移的距離至關重要，關系到作物根系是否可以吸收到水分。本試驗中，0.05 MPa下，內鑲片式、單翼迷宮滴灌帶及內鑲柱狀滴灌管流量分別為1.5、1.7及2.3 L/h，除單翼迷宮滴灌帶及內鑲柱狀滴灌管在呼市及磴口土中向上濕潤8～10 cm，隨著灌水歷時延長，基本可滿足作物根系吸水要求外(滴灌帶埋深一般為犁底以下10 cm左右)，其他處理向上濕潤范圍都較小，即流量為1.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量為2.3 L/h的內鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中較適用。

分析上述結論的成因：地下滴灌條件下，土壤水分運移主要受土壤特性、滴灌帶類型、滴頭壓力及流量、土壤初始含水量及灌水歷時等多種因素的影響[5]，本試驗各種處理土壤初始含水量保持相同，在相同灌水歷時下，分析土壤特性、滴灌帶類型、滴頭壓力及流量對濕潤峰的影響。3種滴灌帶(管)在赤峰土壤內濕潤峰都呈最小，主要是因為赤峰土為黏壤土，滲透性較小，呈現出濕潤峰分布最小；而呼市土為壤土，磴口土為沙壤土，滲透性較大，因此濕潤峰分布較大；3種滴灌帶(管)濕潤峰分布從小到大的順序與它們在空氣中流量從小到大的順序一致，即在一定范圍內，自由流量較大的滴灌帶(管)埋入土壤后，其濕潤峰分布也較大，反之亦然，因為當流量小于土壤導水率時，水在土壤內流動速度主要由流量決定；3種滴灌帶(管)濕潤峰向下分布距離略大于向上距離，主要是由于土壤中水流受重力作用影響，在沙性越大的土壤中表現越明顯，而對黏性較大的土壤，由于其滲透性較小，水流即使在重力作用下，向下擴散的速度也相對較慢。向下擴散的范圍小有利于降低水分入滲損失，增大水的有效利用率，且有利于作物出苗，對地下滴灌系統是有利的。

由圖4可知，0.10與0.05 MPa相比，每種情況下濕潤峰范圍都有所擴大，主要是因為壓力增加，滴灌帶(管)的流量都相應增大；3種土壤內滴灌帶(管)濕潤峰從小到大的順序與它們在空氣中流量大小順序不完全一致，即流量從2.4 L/h增加到2.7 L/h時，濕潤峰范圍隨之增大，但從2.7 L/h增加到3.2 L/h，濕潤峰范圍幾乎沒有增加，說明濕潤峰并不是始終隨著滴灌帶流量的增大而增大，而是增大到一定程度后不再增大，主要是與滴頭自由流量和土壤飽和導水率的大小有關，當滴頭自由流量小于土壤飽和導水率時，濕潤峰范圍主要由流量控制，但當滴頭流量接近或大于土壤飽和導水率時，濕潤峰范圍主要由導水率控制，滴頭出口處形成飽和區出現了土壤水勢為正壓，阻礙了滴頭出流；在內鑲片式滴灌帶和內鑲圓柱狀滴灌管內，出現個別濕潤峰水平方向大于垂直向下的情況，主要是由于水流有順滴灌管壁橫向流動的趨勢，當流量較大時，易沿管壁形成水力沖蝕通道，增大水平向流速，這與李紅和李道西的研究成果類似[4,5]。此外，0.10 MPa下，除內鑲片式滴灌帶在呼市及赤峰土、內鑲柱狀滴灌管在赤峰土中向上濕潤范圍較小外，其他處理向上濕潤范圍為8～12.2 cm，隨著灌水歷時延長，基本可滿足作物根系吸水要求，即流量為2.4 L/h的內鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的內鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中都較適用。

3 結 語

(1)兩種壓力下3種滴灌帶(管)在不同土壤內濕潤峰分布有共同規律，即在黏壤土內濕潤峰最小，而在壤土及沙壤土內濕潤峰較大。

(2)總體而言，3種土壤內滴灌帶(管)濕潤峰從小到大的順序為：內鑲片式滴灌帶、單翼迷宮式滴灌帶及圓柱狀滴灌管，此順序與它們在空氣中流量大小順序一致。

(3)各種情況下，濕潤峰分布都為向下距離略大于向上距離，沙性越大的土壤表現越明顯。

(4)壓力從0.05 MPa 增大到0.10 MPa，每種情況下濕潤峰范圍都有所擴大。

(5)濕潤峰范圍與滴頭流量和土壤飽和導水率的大小有關，并不始終隨著滴灌帶流量增大而增大，當滴頭流量小于土壤飽和導水率時，濕潤峰范圍隨流量增大而增大，但當滴頭流量接近或大于土壤飽和導水率時，濕潤峰范圍不隨流量增大而增大。

(6)水流有順滴灌管壁橫向流動的趨勢，當流量較大時，易沿管壁形成水力沖蝕通道，增大水平向流速。

(7)從地下滴灌水分向上運移角度分析，流量1.7～2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量2.3～3.2 L/h的內鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中較適用，流量2.4 L/h的內鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土中都較適用。

(8)建議用戶根據作物類型及單位時間需水量、根系范圍和種植間距等因素，基于土壤類型選擇合適的滴灌帶，一般要選擇自由流量小于土壤飽和導水率的滴灌帶為宜。

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