滴灌在不同土質、流量情況下濕潤體的形狀研究

張彤 何其融

水資源短缺是各個城市面臨的主要問題之一，農業是國民經濟收入的主要來源，其發展在很大程度上受到干旱缺水的制約[1][2]。滴灌系統是一種節水、高效的灌溉系統，能夠提高水分的利用效率，又能減少作物根系層營養物質流失[3]。對滴灌條件下水分分布特征的研究，是進行正確滴灌系統設計和高效田間水分分配的前提。國內外學者對該方面的理論和試驗研究較多[4][5][6][7][8]，研究單一土質不同滴灌流量情況的實驗方法主要通過室內試驗和野外實驗，對滴灌入滲過程中土壤水分運移、分布規律進行數值模擬和計算。多數研究的濕潤體也僅僅是其中的一半，室內研究中有部分使用馬克筆在容器邊緣繪制濕潤體的形狀，不可避免地會有時間與操作上的誤差，在水分到達容器邊緣時，也會有嚴重的邊緣效應。在部分研究中，考慮了整個濕潤體，其操作方法是在土中埋入濕度傳感器，并記錄傳感器的坐標位置，根據傳感器的示數判斷水分的到達，但傳感器埋入的點數有限，得到的擴散坐標數也有限，且現有的測量濕潤體形狀的裝置中，存在連接松弛和實用性弱等問題[9]。多數研究的內容變量單一，僅選擇一種土質情況下，不同流量時濕潤體的變化情況。為了解決以上問題并將此類研究進一步的擴展，本文設置一種新型的濕潤體測量裝置，通過室內的單點源入滲試驗，研究多種變量即不同流量和不同土質條件下整個濕潤體的形狀特征，為滴灌系統的設計和運行管理提供理論依據。

一、試驗設計

1.試驗土壤

試驗采用三種不同性質的土壤，即黏土、壤土和沙土，取試驗土壤深度為20cm。各土樣容重，黏土為 1.30g/cm3，壤土為1.35 g/cm3，沙土為1.40 g/cm3。土樣風干后過2mm土篩清除各種雜質待用。

2.試驗設備和方法

試驗裝置由有機玻璃試驗土槽和供水裝置（馬氏瓶）組成。試驗土槽為用厚2mm的有機玻璃做成的圓柱體，圓柱體由每層高2cm，直徑為40cm的小圓柱體組裝起來，此試驗裝置打破了以往僅能取濕潤體最外層來研究，不能準確測量出其中間層和只能取濕潤體二分之一或四分之一來研究的局限。供水裝置采用馬氏瓶連接橡膠管和針管，可提供穩定水流，比往前試驗中僅使用自制的滴水裝置能更準確地控制流量且沒有任何的滲漏。

試驗裝置安裝與土樣裝入同時進行。先在底部封閉的圓柱體中裝入土樣，使土樣均勻分布，在該層土樣表面鋪設對土壤滲流影響小的紗布。然后安裝下一層小圓柱體，裝入土并鋪上紗布。以此累積裝至一定層數。控制每層土樣容重。在安裝試驗裝置時，為了便于觀測濕潤體形狀特征值，在每層小圓柱體側面做上標記線，使安裝后的圓柱體的標記線在同一豎直線上；將圓柱體土槽移動至針管下方，使圓心對準針管。調節供水裝置高度，下端距土槽上邊緣10cm。

試驗設計黏土、壤土、沙土三種土質，每種土質下設4個流量水平，分別為0.4 L·h-1、0.6 L·h-1、0.8 L·h-1、

1.0 L·h-1，每個流量滴灌時間為2h，具體試驗方案見表1，符號說明見表2.

3.數據測量與處理

滴灌結束后，以滴灌點為圓心每間隔15度測量一次濕潤體表層的擴散直徑，共12組；將第一層的土用紗布提起后，繼續測量第二層、第三層等的擴散數據，直到擴散的最后一層；然后找到濕潤體最低點，得到該濕潤體擴散的最大深度。

采用Excel 2016軟件對數據進行整理，求取12組擴散直徑平均值的一半作為平均擴散半徑，即：再采用MATLAB軟件分別繪制出各土質在4種不同流量下的濕潤體擴散平均半徑與入滲深度關系圖（組1），以及在相同流量下，不同土質的濕潤體擴散平均半徑與入滲深度關系圖（組2），進行統計分析。

二、結果與分析

1.滴頭流量與土質對濕潤體水平擴散距離的影響

對同一種土質，其水平擴散距離隨著流量的增大而增大。通過組1的擬合函數曲線，分別得到了三種土壤的水平擴散距離與流量之間的關系，可以明顯看出，流量增大，濕潤體的水平擴散表面也隨之擴大。

在流量固定的條件下，黏土、壤土、沙土的水平擴散距離大致相等。通過組2的擬合函數曲線，可以看出三種土質的水平擴散能力相當，但黏土的水平擴散能力在大流量條件下更有優勢，沙土的水平擴散能力在小流量條件下更有優勢。

2.滴頭流量與土質對濕潤體豎直擴散深度的影響

對黏土和沙土，其豎直擴散深度隨著流量的增大而增大，而壤土的豎直擴散深度隨著流量的增大先增大后減小，流量為0.8 L·h-1時深度最大。

在流量固定的條件下，黏土的豎直擴散深度較小，沙土較大，壤土居其中，且在小流量條件下壤土的豎直擴散能力接近黏土，在大流量條件下接近沙土。

3.滴頭流量與土質對濕潤體形狀的影響

從組1的擬合函數曲線可以直觀地看出：黏土的濕潤體呈漏斗形；壤土的濕潤體大致呈托盤形；沙土的濕潤體近似為鼓形。為了進一步描述濕潤體的形狀特征，引入濕潤體形狀系數m即濕潤體的體積與其外接圓柱體體積之比，即：

通過上述積分的近似計算得到不同土質在不同流量下的形狀系數m如下表3：

根據該表格作出形狀系數變化情況如下圖8：

由表3看出，黏土的形狀系數m在區間[0.633，0.684]范圍內變化，在

0.8 L·h-1和1.0 L·h-1的流量下最大；壤土的形狀系數m在區間[0.591，0.642]范圍內變化，在0.4 L·h-1的流量下最大；沙土的形狀系數m在區間[0.6748，0.8008]范圍內變化，在0.6 L·h-1的流量下最大。

由圖8看出，黏土的形狀系數m隨流量增大先變小再變大，之后幾乎維持在0.68左右；壤土的形狀系數m在流量小于0.8 L·h-1時變化不大，維持在0.64左右，再增大流量則明顯變?。簧惩恋男螤钕禂祄隨流量增大先快速增大，到0.8 L·h-1 時達到最大，之后略有下降再維持在0.78左右，其m值除了在0.4 L·h-1的小流量下與另兩種土質相近外，在大流量情況下均顯著大于另兩種土質。

三、結論

（1）濕潤體的水平擴散半徑與流量呈正相關，且三種土質的水平擴散能力相當。

（2）沙土和黏土的擴散深度與流量呈正相關，但壤土的擴散深度由大變小。

（3）三種土質的濕潤體形狀系數在一定的范圍內變化；在流量一定的情況下，濕潤體的形狀系數按照壤土、黏土、沙土的順序依次增大。

參考文獻：

[1]劉雪芹，范興科.滴灌條件下土壤水分再分布過程研究[J].干旱地區農業研究，2006（4）：42-45.

[2][3]趙穎娜，汪有科，馬理輝，等.不同流量對滴灌土壤濕潤體特征值的影響[J].干旱地區農業研究，2010（4）：30-34.

[4]安巧霞，孫三民，徐 镕，等.不同流量對間接地下滴灌濕潤體特征的影響[J].人民黃河，2016（6）：154-156.

[5]張志剛，李 宏，李 疆，等.地表滴灌條件下滴頭流量對土壤水分入滲過程的影響[J].干旱地區農業研究，2014（4）：53-58.

[6]張志剛.滴灌條件下土壤水分運移規律研究[D].烏魯木齊：新疆師范大學，2013：11-44.

[7]馬勤學，李紅旭.痕量灌溉水分運移調控與水分分布過程實驗研究[J].新疆環境保護，2015（1）：28-34.

[8]李明思，康紹忠，孫海燕.點源滴灌滴頭流量與濕潤體關系研究[J].農業工程學報，2006（4）：32-35.

[9]張志剛，李 宏，李 疆，等.地表滴灌條件下滴灌量對土壤水分入滲、再分布過程的影響[J].農業現代化研究，2016（1）：174-181.