寬壟溝灌土壤濕潤體運移規律與模擬研究

王宏飛

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

引言

寬壟溝灌是一種在引黃灌區逐漸推行的地面灌溉方式，水分入滲過程為二維平面入滲[1]，土壤容重、質地、灌水溝型、土壤初始含水率、壓力水頭等因素均會影響土壤水分運動[2,3]。土壤初始含水率、入滲水深對垂直向土壤水分分布的質量重心影響較大[4]，不同灌水水深，土壤水分側滲程度也不同[1]。由于在大田中不易進行多種條件下的水分運移試驗[5]，國內外學者大多采用HYDRUS對溝灌土壤水分運動機理進行研究，通過模擬值與實測值的對比，表明使用HYDRUS模擬水分運動是準確的[6-9]。但在使用HYDRUS軟件之前，需要確定合適的土壤水力參數，Ebrahimian H等[10]利用Levenberg-Marquardt優化技術反演了6個土壤水力參數，采用HYDRUS-2D模擬了溝灌灌水溝剖面土壤含水量；朱鵬程[11]使用RETC軟件擬合V-G模型參數，分析了不同影響因素對2種溝灌情況下土壤水分入滲特性和濕潤體特征的影響。溝灌土壤濕潤體運移特性是灌水方案設計和管理的重要基礎[12]，特別是對寬壟溝灌而言，故探究寬壟溝灌條件下濕潤鋒運移規律至關重要。

基于此,本文對不同壓力水頭和土壤初始含水率條件下的寬壟溝灌進行正交試驗。利用HYDRUS-2D數值模擬對初始含水率和壓力水頭2個因素條件下的土壤濕潤體運移。結果可為寬壟溝灌灌水技術提供科學依據，進而促進引黃灌區寬壟溝灌灌水技術的發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區土壤條件及試驗方案

1.1.1 試驗區土壤特性

試驗用土處理后土壤基本物理特性見表1。

1.1.2 試驗土箱

表1 土壤基本物理特性

寬壟溝灌灌水橫斷面為對稱梯形，取灌水溝橫斷面的半邊為模擬區域，在試驗和模擬中僅考慮ABCDEF區域內的水分運移。模型圖見圖1。

1.1.3 試驗方案和觀測內容

試驗設置了不同初始含水率(8%、10%、12%、16%、20%)和壓力水頭h(3cm、6cm、9cm、12cm、15cm)2個因素，每個因素設5個水平，共25個處理，每個處理重復3次。試驗時間為120min，試驗過程中在土箱光滑側描繪出對應時刻的濕潤鋒運移輪廓，顯示濕潤體形狀，并用毫米刻度尺量出濕潤鋒運移距離，試驗方案見表2。

圖1 溝灌模型圖

表2 寬壟溝灌土壤水分入滲試驗設計表

1.2 溝灌土壤水分運動模型及參數率定

1.2.1 溝灌土壤水分運動模型

1.2.1.1 溝灌水分入滲運動方程

溝灌水分入滲采用Richards方程[13]進行求解。

1.2.1.2 邊界條件

(1)

1.2.2 參數率定

根據土壤容重和顆粒級配，使用HYDRUS-2D軟件內置Rosetta模塊對V-G模型參數α、n進行參數反演，當迭代后的參數值殘差最小，為參數值最優解[14]。土壤水分運移模擬V-G模型參數見表3。

表3 土壤水分運動模型參數

在進行試驗前需驗證所選模擬參數是否滿足試驗要求，驗證試驗設置土壤初始含水率為14%，將壓力水頭取為9cm，土壤容重依據實測結果取為1.35g·cm-3，按照試驗設計將土裝入土箱，開始供水，每組試驗3次重復，取每次試驗結果平均值。試驗實測值與HYDRUS-2D模擬值對比見圖2。

由圖2可以看出，實測值與模擬值擬合效果良好，在垂直方向和水平方向上的模擬值與實測值擬合R2分別為0.9899和0.9946，驗證了所選擬合參數的合理性，HYDRUS-2D數值模擬具有較高的準確性。

2 結果與分析

2.1 初始含水率對土壤濕潤體運移的影響

在h=12cm，不同土壤初始含水率條件下濕潤鋒運移距離與時間關系如圖3所示。從圖3中可以看出，0～30min，水分運動速度較快，濕潤鋒運移范圍增加速率較大，30～50min后水分運動速率逐漸降低，然后趨于穩定，這是由于在水分入滲初期階段，土壤含水率較低導致的土壤水吸力大，有較快的入滲速度。與初始含水率為8%時相比，初始含水率10%、12%、16%和20%時濕潤鋒運移距離垂直方向增幅為3.62%、8.49%、19.30%和35.99%，水平方向增幅為2.14%、4.76%、11.87%和22.40%。

2.2 壓力水頭對土壤濕潤體運移的影響

土壤初始含水率為8%，不同壓力條件下垂向和水平方向濕潤鋒運移距離與時間關系如圖4。從圖4可以看出，0～30min濕潤鋒運移速率較快，30～60min速率逐漸降低，最后逐漸趨于穩定。與壓力水頭為3cm時相比，壓力水頭6cm、9cm、12cm和15cm時濕潤鋒運移距離垂直方向增幅為9.60%、17.04%、22.92%和29.70%，水平方向增幅為9.75%、17.87%、25.65%和33.30%。

圖2 實測值與模擬值比較

圖4 不同壓力水頭下濕潤鋒運移距離

3 討論

通過將濕潤鋒運移距離實測值與HYDRUS模型模擬值進行分析，垂直方向的R2為0.9899，水平方向的R2為0.9946，均在0.98以上，驗證了HYDRUS軟件Rosetta模塊模擬軟件擬合V-G模型參數的準確性，可以在后續試驗中繼續使用HYDRUS軟件。這與聶坤堃等[15]、代智光[16]的發現一致，但模擬結果優于聶堃坤等的研究，主要是本次試驗并未加入溶質，所構建的模型相較于聶堃坤的模型更簡單，而與代小平的研究結果不同，溝灌水分入滲過程與涌泉根灌的水分運動過程并不相同，溝灌水分運動過程為二維面源入滲，涌泉根灌為一維入滲，2種入滲方式的不同，導致水分模擬結果出現區別。

在灌水試驗過程中，初始含水率對垂直方向的濕潤鋒運移影響比水平方向更顯著，這是由于受到了水的重力勢影響，這與聶衛波等[4]和張勇勇等[17]的研究一致。隨壓力水頭的增大，濕潤鋒運移距離逐漸增大，壓力水頭對水平方向的濕潤鋒運移距離影響較垂直方向比較顯著，這是由于壓力水頭的增大，灌水溝斷面濕周增大，增大了水分與灌水溝斷面接觸面積，從而提升了水平方向水分入滲速率，進而增加了水平方向濕潤鋒運移距離。聶坤堃[18]研究發現，溝中水深變化僅對水平向濕潤鋒運移影響較大，對垂直向幾乎無影響，這是由于試驗方案中壓力水頭大小跨度不同，并未觀察到明顯區別。

4 結論

本文在溝灌水分入滲實驗基礎上，運用HYDRUS-2D軟件模擬不同初始含水率和壓力水頭條件下濕潤鋒的運移規律。將濕潤鋒運移距離實測值和HYDRUS-2D軟件模擬值進行擬合，驗證了HYDRUS-2D模擬實驗參數的準確性，可以使用HYDRUS-2D構建溝灌水分運動模型。濕潤鋒運移距離隨初始含水率以及壓力水頭的增大而增大。