任改萍，吳普特，張 林，朱德蘭，陳俊英

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

微孔陶瓷滲灌是以陶瓷材料制成的地埋式灌水器代替普通塑料灌水器安裝在輸水管道上，以陶瓷灌水器內(nèi)外水勢(shì)差為其主要驅(qū)動(dòng)因素，通過土壤含水率變化調(diào)節(jié)自身出流，最終以小流量緩慢精準(zhǔn)濕潤(rùn)植物根系土壤的一種地下滴灌技術(shù)。它結(jié)合傳統(tǒng)的陶罐灌水與現(xiàn)在最先進(jìn)的滴灌技術(shù)于一體，價(jià)格低廉，節(jié)水環(huán)保，被認(rèn)為是目前最為節(jié)水的灌水方式之一，在干旱、半干旱地區(qū)應(yīng)用前景廣闊[1-3]。目前，尚未有微孔陶瓷灌水器在土壤中的出流狀況及水分運(yùn)移規(guī)律的相關(guān)研究，制約了微孔陶瓷灌水技術(shù)的推廣。

土壤水分入滲是反應(yīng)灌水器灌水性能的重要體現(xiàn)，微孔陶瓷灌水器出流受其內(nèi)部供水壓力和外部周圍土水勢(shì)和自身結(jié)構(gòu)的共同作用，因此供水壓力是影響微孔陶瓷灌水器灌入滲的主要因素之一。研究表明，陶瓷灌水器在空氣中的流量與供水壓力呈顯著的線性關(guān)系，而壓力對(duì)陶瓷灌水器在土壤中出流的影響研究很少[4]。國(guó)外對(duì)利用陶瓷滲水管灌溉下的土壤中入滲研究頗多，Siya等采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)陶瓷滲水管在25～200 cm之間不同壓力下灌溉時(shí)的土壤水分運(yùn)移做了一定的研究，研究表明壓力越大，土壤濕潤(rùn)體越大，但未對(duì)濕潤(rùn)體及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律做深入研究[5,6]；Gupta等研究表明對(duì)于特定的土壤，滲水管出流量隨著壓力的增大而增大，土壤毛管吸力會(huì)隨著土壤含水率的增大而逐漸減小，進(jìn)而影響土壤水分運(yùn)移[7]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于陶瓷灌水器的研究主要集中于負(fù)壓灌溉，Khan等[8]人模擬了蒸發(fā)條件下微孔陶瓷灌水器在土壤中的滲水情況，表明其濕潤(rùn)體形狀為不規(guī)則的截球體；趙亞楠等利用多孔陶土板制成的灌水器進(jìn)行了負(fù)壓灌溉室內(nèi)試驗(yàn)，研究表明隨著壓力的增大，累計(jì)入滲量、土壤濕潤(rùn)體、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率均隨著增大[9-11]；叢萍等、江培福等研究陶瓷頭負(fù)壓滲水性能，研究表明陶土頭在土壤中出流形成的濕潤(rùn)體呈豎直橢球體，累計(jì)入滲量、水平和垂直最大濕潤(rùn)距離隨時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系變化[12,13]。但以上研究中的陶瓷灌水器僅埋于土壤表面以下，埋深較淺。徐增輝等通過對(duì)具有一定埋深的微孔陶瓷灌水器在土壤中滲流的初步研究，表明灌水器的入滲流量隨著灌水歷時(shí)的增加逐步趨于穩(wěn)定，但并未對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律加以探究[14]。微孔陶瓷灌水器作為一種新型的灌水器，埋于地下灌水的土壤入滲規(guī)律與上述研究均有差異，因此有必要對(duì)有一定埋深的微孔陶瓷灌水器灌水條件下的土壤水分入滲情況進(jìn)行深入研究。

本研究以西北農(nóng)林科技大學(xué)自主研發(fā)的微孔陶瓷灌水器[15]為對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M低壓范圍內(nèi)具有一定埋深的微孔陶瓷灌水器入滲過程，探索在微孔陶瓷灌水器灌水條件下，供水壓力對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律的影響差異，為合理確定微孔陶瓷灌水器灌水技術(shù)參數(shù)提供了一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由供水裝置和土箱組成，模擬裝置如圖1所示。試驗(yàn)采用恒壓水箱供水。為便于觀測(cè)和記錄濕潤(rùn)鋒，采用10 mm厚的有機(jī)玻璃制作矩形土箱，箱體規(guī)格大小為50 cm×50 cm×70 cm(長(zhǎng)×寬×高)，其底部設(shè)置若干排氣孔，以防止氣阻。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)供水壓力，分別為1、1.5、2 m，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Layout of the experimental platforms

1.2 供試材料

試驗(yàn)用水為楊凌示范區(qū)灌溉用水，試驗(yàn)用土為楊凌本地土，土樣經(jīng)自然風(fēng)干，碾壓、粉碎過孔徑2 mm篩，進(jìn)行顆分試驗(yàn)，測(cè)定供試土壤的物理性質(zhì)(結(jié)果見表1)，試驗(yàn)前對(duì)土壤進(jìn)行均勻噴水并攪拌，將土壤初始含水率調(diào)至12.5%左右備用。

試驗(yàn)灌水器采用西北農(nóng)林科技大學(xué)自主研制的微孔陶瓷灌水器，灌水器高7 cm，外徑2.7 cm，內(nèi)徑2.0 cm。試驗(yàn)開始前測(cè)定微孔陶瓷灌水器在空氣中的流量，測(cè)得壓力1、1.5、2 m時(shí)的流量分別為5.8、8.4、10.6 L/h。試驗(yàn)裝土深度為70 cm，按設(shè)計(jì)干密度以5 cm為一層分層裝入土箱中，微孔陶瓷灌水器放于土箱的一角，埋深25 cm，土箱裝土結(jié)束后上表面用薄膜覆蓋，防止水分蒸發(fā)，用該裝置模擬無蒸發(fā)條件下灌溉形成濕潤(rùn)體的1/4。試驗(yàn)開始后，打開止水夾進(jìn)行供水，持續(xù)灌水6 h。

表1 供試土壤的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of the test soil

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

累計(jì)入滲量和入滲速率：設(shè)定重量傳感器的采集間隔為2 s，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土箱重量，計(jì)算時(shí)段內(nèi)的累計(jì)入滲量。待試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)累計(jì)入滲量和時(shí)間間隔計(jì)算微孔陶瓷灌土壤水分入滲速率。

濕潤(rùn)鋒運(yùn)移：依先密后疏的原則，用秒表計(jì)時(shí)，將不同時(shí)刻的土體濕潤(rùn)鋒用記號(hào)筆描繪在土箱外壁上，試驗(yàn)結(jié)束后用硫酸紙、坐標(biāo)紙等描繪到電腦中。

土壤含水率：灌水停止后，立即沿著土箱放置灌水器的對(duì)角面取土，用烘干法測(cè)定濕潤(rùn)體內(nèi)重量含水率。

2 結(jié)果分析

2.1 供水壓力對(duì)微孔陶瓷滲灌累計(jì)入滲量和入滲速率的影響

在土壤結(jié)構(gòu)、初始含水率等條件相同的情況下，灌溉系統(tǒng)供水壓力的不同改變了微孔陶瓷灌水器的內(nèi)外表面水勢(shì)差，影響陶瓷灌水器在土壤中的出流狀況，進(jìn)而影響土壤水分入滲過程(見圖2)。

圖2 不同供水壓力條件下土壤水分入滲過程Fig.2 Soil moisture infiltration process under different pressure conditions

圖2(a)為微孔陶瓷灌條件下累計(jì)入滲量隨灌水時(shí)間的變化過程。由圖2(a)可知，各處理下的累計(jì)入滲量隨著灌溉歷時(shí)的增長(zhǎng)而不斷增加，說明灌水器在土壤中不斷的出流。但不同壓力下各時(shí)段內(nèi)增幅差異很大，當(dāng)灌水開始一段時(shí)間(灌水100 min)時(shí)，1、1.5、2 m壓力下累計(jì)入滲量分別為1、1.75、3 L，入滲結(jié)束(灌水360 min)時(shí)，1、1.5、2 m壓力下累計(jì)入滲量分別為1.8、2.4、3.6 L，可見，灌水器在入滲初期相同時(shí)段內(nèi)增幅為2 m>1.5 m>1 m，之后逐漸相反。此外，對(duì)比圖2(a)中3條曲線，隨著壓力的增大，各處理最終入滲量逐漸增大。分析表明，在整個(gè)入滲過程，累計(jì)入滲量與時(shí)間并不符合冪函數(shù)關(guān)系。

圖2(b)為不同供水壓力下入滲速率隨灌水時(shí)間的變化曲線。從圖2(b)看出，在初始入滲階段，不同供水壓力下入滲速率均隨著時(shí)間的增大急劇下降，然后逐漸變緩，隨著灌溉歷時(shí)的增長(zhǎng)，入滲速率趨于一個(gè)非常小的穩(wěn)定值。入滲初期，由于灌水器周圍土壤處于嚴(yán)重的非飽和狀態(tài)，土壤入滲速率非?？欤?、1.5、2 m壓力下初始入滲速率分別為30、60、75 mL/min，與供水壓力呈正相關(guān)。1、1.5、2 m供水壓力下相對(duì)達(dá)到逐漸變緩的趨勢(shì)的時(shí)間分別為200、150、100 min，最終入滲速率接近，由此可見壓力越大，入滲速率減小的速度越快，達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間越短。對(duì)于同一種型號(hào)的灌水器，陶瓷灌水器在土壤中的出流量受其內(nèi)部供水壓力和外部土壤基質(zhì)勢(shì)的共同影響，灌水初期，灌水器周圍土壤孔隙較大，土壤水吸力較大，灌水器內(nèi)外壓力差很大，故土壤入滲速率較大，累計(jì)入滲量大幅上升，灌水器周圍的含水率隨之迅速增高；隨著灌水歷時(shí)的增長(zhǎng)，灌水器外部周圍土壤吸力隨著含水率的升高而逐漸減小，基質(zhì)勢(shì)增大，導(dǎo)致灌水器內(nèi)外壓力差越來越小，當(dāng)周圍土壤逐漸趨于飽和時(shí)，灌水器內(nèi)外水勢(shì)差也趨于一個(gè)固定的值，結(jié)合陶瓷灌水器自身的滲水性能，累計(jì)入滲量將趨于緩慢平穩(wěn)上升。且灌水器供水壓力越大，累計(jì)入滲量增加越快，灌水器周圍土壤越易達(dá)到飽和，從而入滲速率達(dá)到較小的穩(wěn)定值的歷時(shí)也越短。綜上所述，供水壓力是決定陶瓷灌水器周圍土壤初始入滲速率和累計(jì)入滲量的關(guān)鍵因素，影響土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲的歷時(shí)，而對(duì)最終的入滲速率影響不大。

2.2 供水壓力對(duì)陶瓷滲灌濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

微孔陶瓷灌水器在土壤中出流受陶瓷灌水器自身出流面積的影響，可以認(rèn)為是柱狀面源出流，故濕潤(rùn)體的形狀等特征與普通地下點(diǎn)源滴灌存在一定的差異。圖3顯示了不同供水壓力條件下不同時(shí)刻的濕潤(rùn)鋒輪廓。由圖3可見，微孔陶瓷灌灌初期，濕潤(rùn)體輪廓接近以陶瓷灌水器為中心的球形；隨著灌水歷時(shí)的增加，濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移距離逐漸大于水平距離和豎直向上距離；灌水結(jié)束時(shí)，入滲的濕潤(rùn)體輪廓為上下不對(duì)稱的橢球體。灌水結(jié)束時(shí)，1、1.5、2 m壓力下濕潤(rùn)鋒在陶瓷灌水器上方濕潤(rùn)鋒位置為16.9、18.5、19.5 cm，水平方向濕潤(rùn)鋒位置為30.4、36.1、37.8 cm，灌水器下方的運(yùn)移位置57.5、70.3、75.2 cm，可見不同供水壓力下三者的水分向下運(yùn)移距離差異明顯，濕潤(rùn)體大小也隨著供水壓力的增大而增大。對(duì)各組數(shù)據(jù)分析可知，供水壓力對(duì)土壤水分向下入滲的影響最為顯著，其次為水平方向，對(duì)向上運(yùn)移影響最小。經(jīng)觀察，微孔陶瓷灌的水平最大濕潤(rùn)半徑Rmax如圖3中虛線位置，均在灌水器底部下方，這主要有兩方面原因，一是水分在土壤中運(yùn)動(dòng)的過程，在豎直方向由于受重力作用影響，因此更易向下運(yùn)動(dòng)；二是由于微孔陶瓷灌水器的入滲情況受灌水器滲流面積即自身設(shè)計(jì)的限制，滲流面積越大，滲流越快，本試驗(yàn)中的灌水器上方為塑料蓋，即不出流邊界，而下方及四周均為陶瓷滲水材料，水流更容易朝水平方向和豎直向下方向移動(dòng)。且對(duì)比圖3可知，供水壓力越大，濕潤(rùn)鋒最大水平半徑離灌水器中心越遠(yuǎn)。灌水結(jié)束后，整個(gè)濕潤(rùn)體豎直方向和水平方向的運(yùn)移距離分別50 cm以上和60 cm以上，可以滿足作物根系對(duì)水分的要求。

圖3 不同供水壓力下各時(shí)刻濕潤(rùn)鋒輪廓圖Fig.3 Wetting profiles over time under different pressure conditions

為進(jìn)一步探究微孔陶瓷灌濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)規(guī)律，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得各處理下不同方向的運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化曲線，見圖4，并將推移過程用冪函數(shù)(R=atb)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果列于表2。由圖4可知，各供水壓力下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的基本特征為“向上<水平<向下”，但1 m壓力下，入滲初期，水平入滲距離略微大于向下入滲距離，不同于其他兩組壓力下的水分運(yùn)移規(guī)律。這是由于1 m壓力下，灌水初期，微孔陶瓷灌水器在土壤中出流量較其他兩組小，水分的重力勢(shì)作用表現(xiàn)的不明顯，主要驅(qū)動(dòng)力為土壤吸力，又由于水平方向灌水器與土壤的接觸面較底面的接觸面大，故表現(xiàn)為水平向水分運(yùn)移距離大于豎直向下，由此可以推測(cè)，若微孔陶瓷灌水器自身出流量較小時(shí)，土壤水分運(yùn)移規(guī)律與本試驗(yàn)結(jié)果可能有一定的差異。由表2中擬合結(jié)果可以看出，不同壓力下，各方向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。入滲指數(shù)隨著供水壓力的增大整體呈增大趨勢(shì)，且垂直向下方向的入滲指數(shù)最大，各方向的入滲指數(shù)具體表現(xiàn)為“垂直向下>水平方向>垂直向上”，而入滲系數(shù)的隨壓力的變化沒有明顯的規(guī)律。故微孔陶瓷灌的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)過程可以利用一部分已知數(shù)據(jù)推算整個(gè)入滲過程的濕潤(rùn)鋒位置。

2.3 供水壓力對(duì)陶瓷滲灌土壤剖面含水率的影響

為便于分析濕潤(rùn)土體內(nèi)含水率的空間分布，將不同供水壓力條件下土體豎直剖面上的含水率等值線繪出(見圖5)。由圖

圖4 不同供水壓力下各方向濕潤(rùn)鋒推進(jìn)過程曲線Fig.4 The process of infiltration wetting front movement under different pressure conditions

R1mRr21.5mRr22mRr2垂直向上Ru=7.961t0.22480.9936Ru=6.322t0.2390.9963Ru=7.923t0.2170.9961垂直向下Rd=6.388t0.2810.9942Rd=6.419t0.3350.9982Rd=5.778t0.3840.9960水平方向Rx=6.388t0.2410.9936Rx=8.316t0.2550.9969Rx=8.479t0.2800.9963

圖5 不同供水壓力下土壤豎直剖面含水率等值線圖Fig.5 Contour map of soil moisture content in the vertical plane of soil under different pressure conditions

5可知，灌水結(jié)束后，各供水壓力下土壤剖面含水率均表現(xiàn)為離微孔陶瓷灌水器距離越遠(yuǎn)，含水率越低，在半徑為20～30 cm之內(nèi)濕潤(rùn)體土壤含水率為21.6%，達(dá)到90%的田間持水率，滿足植物生長(zhǎng)需要。對(duì)比圖5可知壓力對(duì)土壤含水率分布影響較大，壓力越大，灌水器周圍含水率越高，高含水率的區(qū)域越大，整個(gè)濕潤(rùn)體有向下偏移的趨勢(shì)。此外，含水率高的區(qū)域在灌水器下方明顯大于上方。在水分在土壤豎直剖面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，受到重力作用水分更容易向下運(yùn)動(dòng)，因此造成灌水器下方滲水量大于上方，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)較遠(yuǎn)，高含水率區(qū)域較大。另外，在濕潤(rùn)體下端濕潤(rùn)體輪廓清晰，并未產(chǎn)生排水，說明微孔陶瓷灌水器灌水形成的濕潤(rùn)體含水率分布比較均勻，不易引起水分深層滲漏，有利于作物根系吸取水。

3 結(jié) 語

(1)供水壓力是決定微孔陶瓷滲灌土壤水分初始入滲速率和累計(jì)入滲量的關(guān)鍵因素，影響灌水器達(dá)到穩(wěn)定入滲的歷時(shí)，而對(duì)最終的入滲速率影響不大。供水壓力越大，入滲初期的入滲速率越大，最終累計(jì)入滲量也越大。

(2)本試驗(yàn)所用微孔陶瓷灌水器在土壤中出流形成的濕潤(rùn)體范圍較大，濕潤(rùn)體輪廓為上下不對(duì)稱的橢球體，水平最大濕潤(rùn)半徑在微孔陶瓷灌水器底部下方，且供水壓力越大，距離灌水器底部距離越遠(yuǎn)；各供水壓力下濕潤(rùn)鋒在各方向上的運(yùn)移規(guī)律與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，且向上距離<水平距離<向下距離。

(3)微孔陶瓷滲灌條件下，供水壓力對(duì)土壤含水率分布影響較大，供水壓力越大，灌水器周圍含水率越高，高含水率的區(qū)域越大，濕潤(rùn)體在半徑為20～30 cm之內(nèi)土壤含水率為21.6%，達(dá)到90%的田間持水率，滿足植物生長(zhǎng)需要。應(yīng)用微孔陶瓷灌水器灌水不易形成積水和深層滲漏，有利于作物根系吸水，證明了微孔陶瓷灌是一種較好的灌溉方式。

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