王錦輝，費(fèi)良軍，聶衛(wèi)波

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

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渾水灌溉入滲特性研究進(jìn)展與展望

王錦輝，費(fèi)良軍，聶衛(wèi)波

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

摘要：在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了渾水入滲機(jī)制和渾水入滲模型方面的研究進(jìn)展。從研究成果中可以得出：利用靜水做渾水灌溉入滲試驗(yàn)的較多，而利用動(dòng)水做渾水灌溉入滲試驗(yàn)研究的比較少；不同含沙率對土壤入滲的影響研究方面研究成果比較多，而對不同的泥沙粒度組成對土壤入滲的影響研究較少；一次渾水灌溉土壤入滲研究較多，而致密層形成后進(jìn)行二次灌溉情況下的土壤入滲研究較少；在室內(nèi)利用下滲環(huán)等試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)的較多，而在大田實(shí)驗(yàn)土壤入滲試驗(yàn)方面的研究較少；在裸地做土壤入滲試驗(yàn)的較多，而在有種植作物的大田上進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)的較少。為了更深入的進(jìn)行渾水灌溉下的土壤入滲機(jī)制的研究，建議以后試驗(yàn)中考慮渾水灌溉中動(dòng)水入滲試驗(yàn)方面的研究，并將不同泥沙粒度組成對土壤入滲的影響、大田作物的影響、多次渾水灌溉對土壤入滲的影響以及渾水灌溉條件下水肥耦合方面的試驗(yàn)研究和渾水膜孔灌溉方面的試驗(yàn)研究等作為研究的重點(diǎn)，逐步深入的研究渾水灌溉入滲特性，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：渾水入滲機(jī)制；渾水入滲模型；泥沙粒度組成；水肥耦合

黃土高原地區(qū)，干旱少雨現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，降雨量少且時(shí)間分布集中，常常形成洪水徑流。它不僅對地面造成沖刷、侵蝕，帶走大量土粒及有機(jī)質(zhì)，造成地表支離破碎，養(yǎng)分流失，使得土地難以耕作且貧瘠，而且水資源貧乏，地下水位低，開發(fā)利用較為困難。因此，更好地研究渾水的入滲規(guī)律，對于充分利用暴雨徑流，合理利用有限的水資源，減少地表徑流、增加土壤入滲、防止土壤侵蝕和搞好生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。對于黃河中上游地區(qū)利用高含沙渾水灌溉，提高灌溉水的利用率，提高生產(chǎn)力，也具有十分重要的意義。

1渾水灌溉理論與技術(shù)研究

在我國水資源十分緊缺的黃河流域，大部分是以多泥沙河流為水源的渾水灌區(qū)，由于水資源短缺往往不得不引用渾水灌溉，所以利用渾水灌溉是其顯著特點(diǎn)，且渾水灌溉在我國具有獨(dú)特性。在黃河汛期水沙適宜條件下，人們利用泵抽吸表層粘粒含量較高的渾水，然后通過管道或渠系把水沙排放到格田，用人工控制動(dòng)水放淤，泥沙經(jīng)自由分選沉降固結(jié)后，在沙荒地均勻的平鋪合格客土，以達(dá)到改良土壤來進(jìn)行灌溉。渾水地面灌溉較清水灌溉的最大差別是渾水中挾帶有泥沙，一方面灌溉過程中泥沙在田面掛淤和落淤，使灌溉田面膜上沿畦(溝)長方向沉積有不同厚度和不同顆粒級配組成的泥沙，使田面糙率沿畦(溝)長方向在不斷變化，從而改變了田面糙率；另一方面渾水灌溉時(shí)較細(xì)的一部分泥沙顆粒隨灌溉水入滲被帶入田面表層土壤孔隙中形成入滲滯留，減小了土壤入滲的孔隙率和形成封閉的土壤氣孔，使表層土壤形成致密層，從而減小了土壤入滲能力和改變了土壤入滲特性。以上兩方面的綜合作用提高了渾水灌溉節(jié)水和灌水效果，使渾水灌溉的灌溉機(jī)制、入滲特性和田面水流運(yùn)動(dòng)特性及灌水質(zhì)量等與清水灌溉有明顯不同，且渾水灌溉的影響因素、節(jié)水機(jī)理較清水灌溉的更為復(fù)雜，其灌水效果較清水灌溉更好[1]。

國內(nèi)在渾水傳統(tǒng)地面灌和波涌灌的土壤水分入滲特性方面開展了一些研究工作，也取得了一些初步研究成果，但還處于初步探索階段，國內(nèi)對渾水灌溉盡管研究問題的側(cè)重點(diǎn)有所不同，但主要集中在渾水一維垂直連續(xù)入滲和波涌灌間歇入滲方面。

2渾水入滲機(jī)制研究進(jìn)展

2.1渾水連續(xù)入滲機(jī)制研究進(jìn)展

對于入滲的研究，國外開展的比較早。國外對入滲的研究，多偏重于機(jī)理方面，特別是入滲模型的研究。美國水保實(shí)驗(yàn)室的Herman Bouwer[2]等對渾水的入滲規(guī)律進(jìn)行了研究。Herman希望解決的是大池塘滲漏問題，在不排水的條件下鋪設(shè)低滲漏層，認(rèn)為渾顆粒水中粗顆粒沉積較快，細(xì)顆粒沉積較慢，形成一個(gè)最大顆粒在最底層、最小顆粒在最頂層的梯度分布狀況。

文獻(xiàn)[3]指出，關(guān)于入滲的研究，將來主要在以下兩個(gè)方面加強(qiáng)：① 土壤水分刨面、毛管力作用和入滲通量等入滲過程特征值的野外和室內(nèi)測定；② 建立有物理意義、且結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于測定的多維入滲模型。

大量實(shí)驗(yàn)表明：含沙渾水土壤入滲較清水土壤入滲具有明顯的差異，且較清水入滲影響因素多，入滲特性也較為復(fù)雜。考斯加可夫公式較好地反映了清水入滲速度隨時(shí)間的變化過程，在各種因素作用下，開始時(shí)入滲速度較大，以后逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。在渾水入滲過程中，渾水特性對入滲影響很大。

白丹等[4]通過實(shí)驗(yàn)，在雙對數(shù)坐標(biāo)中繪制累計(jì)入滲量與時(shí)間的關(guān)系曲線，認(rèn)為一定的含沙量、一定顆粒級配的渾水仍符合考斯加可夫公式的規(guī)律，但渾水入滲在很大程度上受到渾水本身特性的制約，這主要是在渾水入滲過程中，渾水中泥沙沉積在入滲土壤的表面，形成一個(gè)沉積層。與清水入滲相比，這個(gè)沉積層的形成改變了入滲的上邊界條件，且起到阻滲作用。通過配制不同顆粒級配的渾水進(jìn)行入滲實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同入滲時(shí)間、相同含沙量條件下，渾水中泥沙顆粒級配不同，入滲水量也不同，這主要取決于沉積層中土壤物理性粘粒含量的多少。楊素宜等[5]通過研究自然地和翻松地的渾水入滲后認(rèn)為渾水入滲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果仍符合Kostiakov-Lewis模型。王文焰等[6]研究認(rèn)為，在泥沙顆粒組成一定的情況下，隨著水流含沙量的增大，其入滲能力逐漸減小。渾水中物理性粘粒含量越高，其減滲效果越大。

李援農(nóng)[7]從土壤禁錮空氣壓力的角度研究認(rèn)為土壤入滲能力主要由表面土壤致密層控制，伴隨入滲土壤中空氣被禁錮，含沙量不同時(shí)，入滲過程中禁錮土壤空氣壓力對入滲的影響也不同。

王進(jìn)鑫等[8]采用雙環(huán)法，通過渾水與清水入滲對比試驗(yàn)，認(rèn)為人工林地渾水徑流的入滲性能與渾水特性密切相關(guān)，渾水累積入滲量既與渾水含沙量成反相關(guān)，也與泥沙中的泥沙粒度成反相關(guān)。含沙徑流可顯著削弱人工林地的入滲性能，降低天然水與土壤水的轉(zhuǎn)換能力，并隨樹種的不同而有差異。不同位置、不同地表植被的初滲與穩(wěn)滲差距很大[9]。在渾水特性一定條件下，地面覆蓋對渾水入滲性能的影響，既與土壤質(zhì)地有關(guān)，又與覆蓋材料的透水性和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)[10]。不同林地的初滲率在0.3～0.5 cm·min-1之間，高喬木林地的累積入滲量最大，陰坡林地的濕潤峰比陽坡的下滲的快，喬木林地比灌木林地和裸地的快[11-12]。

孫存喜等[13]研究了不同濃度渾水入滲特性表明:渾水對入滲過程有明顯的影響，渾水有顯著的阻滲作用。第1 min末的入滲速率、穩(wěn)定入滲率和100 min時(shí)累積入滲量3個(gè)特征值都隨渾水濃度的增大而減小，均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。且當(dāng)渾水濃度超過約300 kg·m-3后，3個(gè)特征值隨渾水濃度的增加基本趨于穩(wěn)定；渾水濃度和減滲率之間呈顯著的對數(shù)關(guān)系；隨著渾水濃度的增加，減滲率的增加逐漸減緩。當(dāng)渾水濃度超過約300 kg·m-3后，減滲率隨著濃度的增加基本趨于穩(wěn)定。

曹惠提等[14]研究認(rèn)為：灌溉渾水含沙量越大，泥沙粒徑組成越細(xì)，水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)速度越緩慢；同時(shí)，泥沙粒徑越細(xì)，含沙量變化對土壤水分變化的影響越明顯，可認(rèn)為，細(xì)顆粒泥沙較粗顆粒泥沙能夠更有效地充填土壤孔隙，阻斷土壤水下滲通道，從而減緩?fù)寥浪诌\(yùn)動(dòng)速度。

樊惠芳等[15]針對關(guān)中灌區(qū)大多采用渾水灌溉發(fā)展條播地膜小麥，其灌水量大、灌溉水的利用率低的現(xiàn)實(shí)，分析了渾水膜縫畦灌入滲的主要影響因素-膜縫寬度、含沙率對渾水膜縫入滲的影響，建立了渾水膜縫入滲的數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)測資料對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。此模型需要的試驗(yàn)資料較少，計(jì)算簡便、精度較高，是計(jì)算渾水膜縫入滲水量的有效模型。但是，此模型必須建立在一定的田間試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上。使用時(shí)，需要獲得不同膜縫寬度的清水入滲試驗(yàn)資料及不同含沙率渾水的一維入滲試驗(yàn)資料，以確定模型中的系數(shù)。

姚雷等[16]對渾水入滲的滯留物分布特征及影響因素進(jìn)行分析后得出結(jié)論，在渾水入滲時(shí)，總水力梯度不能描述入滲的過程。

卞艷麗等[17]通過分析不同泥沙級配渾水灌溉入滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與清水灌溉入滲試驗(yàn)對照得出：不同泥沙級配渾水灌溉累計(jì)入滲量與時(shí)間的關(guān)系和清水相同，均為指數(shù)為正的冪函數(shù)曲線。相同含沙量、同一入滲歷時(shí)，泥沙較粗的渾水始終比泥沙較細(xì)的渾水累計(jì)入滲量大。泥沙顆粒越細(xì)的渾水，其相應(yīng)的累計(jì)入滲量越小，減滲量和減滲率越大；而相同累計(jì)入滲量條件下，泥沙顆粒越細(xì)，相應(yīng)入滲歷時(shí)越長。不同泥沙級配渾水相對于清水的時(shí)段減滲量和減滲率隨時(shí)間均先增大后減小，最大值均發(fā)生在前50 min，泥沙組成顆粒越細(xì)，最大值出現(xiàn)的時(shí)間越早，同時(shí)刻渾水的減滲作用越強(qiáng)。

2.2渾水間歇入滲機(jī)制研究進(jìn)展

渾水間歇入滲研究主要是西安理工大學(xué)的費(fèi)良軍、王文焰、汪志榮等在清水波涌灌研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合渾水波涌灌理論與技術(shù)研究，開展了波涌畦灌條件下的渾水一維垂直間歇入滲特性及其影響因素研究。費(fèi)良軍等[18-19]通過大田試驗(yàn)研究表明，渾水間歇入滲能力均小于相同條件下的清水連續(xù)入滲和間歇入滲的入滲能力，并且減滲量隨間歇入滲周期數(shù)的增加而增大，減滲量與渾水含沙率、泥沙顆粒級配組成和泥沙中物理性粘粒含量有關(guān)，減滲量隨渾水含沙率和泥沙中物理性粘粒含量的增大而增大。在以上研究的基礎(chǔ)上，費(fèi)良軍等[20]研究了渾水間歇入滲模型，基于不同的已知條件和影響因素，提出了三個(gè)渾水間歇入滲模型，試驗(yàn)實(shí)測資料驗(yàn)證表明，這三個(gè)入滲模型計(jì)算精度均較高，汪志榮等[21]提出了基于不同含沙率的渾水間歇入滲的Green-Ampt模型，費(fèi)良軍等[22]研究提出了根據(jù)渾水大田連續(xù)畦灌水流推進(jìn)資料和畦首停水時(shí)田面各觀測斷面的水深資料推求田面土壤連續(xù)入滲參數(shù)的新方法，在此基礎(chǔ)上，又提出了利用連續(xù)畦灌(或波涌畦灌第一灌水周期)水流推進(jìn)和消退資料推求波涌灌減滲率的新方法，這些方法為解決農(nóng)田土壤空間變異性對入滲參數(shù)的影響找到了一條新途徑。

費(fèi)良軍[1]在渾水波涌灌入滲研究的基礎(chǔ)上，通過大田渾水波涌灌灌水試驗(yàn)和理論分析，研究了渾水波涌畦灌特點(diǎn)、田面水流運(yùn)動(dòng)特性、灌水技術(shù)要素及其設(shè)計(jì)方法等，觀測分析了渾水波涌畦灌和連續(xù)畦灌灌后泥沙沿畦長方向的分布特性。研究表明：渾水波涌畦灌較其連續(xù)畦灌具有節(jié)水、節(jié)能、水流推進(jìn)速度快和灌水質(zhì)量高等特點(diǎn)，渾水波涌畦灌周期推進(jìn)長度和沖長較同條件下渾水連續(xù)畦灌的增大，且隨著渾水含沙率的增大而增大；在渾水波涌畦灌技術(shù)要素研究基礎(chǔ)上，提出了渾水波涌畦灌技術(shù)要素設(shè)計(jì)的理論方法和經(jīng)驗(yàn)方法；在渾水波涌畦灌田面糙率影響因素研究的基礎(chǔ)上，提出了“綜合糙率”的概念，并建立了推求渾水波涌畦灌田面綜合糙率系數(shù)的優(yōu)化模型，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明，所提出的方法能較準(zhǔn)確地推求渾水波涌畦灌田面綜合糙率系數(shù)值。

費(fèi)良軍等[23]在波涌灌技術(shù)要素對渾水間歇入滲減滲性影響研究中表明：在渾水含沙率和泥沙級配組成一定條件下，循環(huán)率和周期數(shù)過大或過小，渾水間歇入滲效果均較差；在一定條件下存在一個(gè)最佳周期數(shù)和循環(huán)率，使渾水間歇入滲減滲率最大；渾水間歇入滲減滲性主要是由于供水期間渾水泥沙的不斷落淤和間歇階段的共同作用，使地表土壤和泥沙沉積層土壤結(jié)構(gòu)性狀發(fā)生變化，其減滲率大小取決于土壤導(dǎo)水率和地表土壤勢梯度的變化。

3渾水入滲模型研究進(jìn)展

3.1渾水連續(xù)入滲模型研究進(jìn)展

目前，國外土壤水分連續(xù)入滲研究主要集中在Green-Ampt模型的修正以及Philip和Parlange入滲方程的求解兩方面。經(jīng)過修正的Green-Ampt模型能較好地模擬非勻質(zhì)土壤的降水入滲過程，但在應(yīng)用該模型時(shí)，如何測定濕潤鋒處土壤水勢的問題未能很好地解決。

王文焰等[6]通過室內(nèi)及大田入滲實(shí)驗(yàn)表明，累積入滲量F和入滲時(shí)間T的關(guān)系，采用兩參數(shù)擬合有如下關(guān)系:

F=A×TB

(1)

式中: F為累積入滲量(mm)；T為時(shí)間(min)；A，B為常數(shù)。A系數(shù)的含義是第1分鐘末的累積入滲量。在一定的條件下(即土壤質(zhì)地、前期含水量、含沙量一定)，它是反映土壤入滲能力大小的重要參數(shù)之一。

針對某一泥沙顆粒級配入滲渾水，采用不同含沙率的渾水入滲試驗(yàn)資料，應(yīng)用一元回歸分析法，推導(dǎo)出渾水累計(jì)入滲量計(jì)算公式為：

I=αΑ0tβB0

(2)

式中， I為累積入滲量；t為入滲時(shí)間；A0、B0為清水入滲系數(shù)；α和β為含沙量修正系數(shù)，α= 1-aρC，β=1-bρd，ρ為渾水含沙量，以百分?jǐn)?shù)計(jì)，a、b、c、d為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，由試驗(yàn)資料確定。

白丹等[4]根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果引入粘粒指數(shù)的概念，定義為:M=100/(100+ρS)。粘粒指數(shù)反映了物理性粘粒含量的大小，其值與物理性粘粒含量大小成反比，在清水中，M=1。通過配置不同顆粒級配、不同含沙量的渾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在雙對數(shù)坐標(biāo)中，繪出粘粒指數(shù)與累積入滲量的關(guān)系，結(jié)果表明：累積入滲量與入滲時(shí)間、粘粒指數(shù)均呈直線關(guān)系。

I=22.30M0.3507T0.257

(3)

式中， I為累積入滲量(mm)；T為入滲時(shí)間(min)；M為粘粒指數(shù)；ρ為渾水含沙量(%)；S為渾水中小于0.01mm粒徑顆粒含量的百分?jǐn)?shù)。

李援農(nóng)[7]對渾水入滲機(jī)制及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，認(rèn)為渾水入滲的減滲機(jī)理是在渾水入滲過程中，由于泥沙會(huì)沉積在土壤表面，形成致密層而改變原來的土壤結(jié)構(gòu)，從而影響土壤入滲能力：得出了土壤水分入滲通量與含沙量的關(guān)系及土壤層內(nèi)累積入滲量的計(jì)算公式，分別為:

q=ks(1+Fs×ρ/H)

(4)

I=(θs-θ0)H

(5)

式中， q為土壤入滲通量(cm·min-1)；Fs為濕潤鋒處的土壤平均吸力；ks為土壤飽和導(dǎo)水率(cm·min-1)；ρ為渾水泥沙含量(g·g-1)；H為濕潤鋒深度(cm)；I為累積入滲量(mm)；θs、θ0分別為飽和含水量及前期含水量。

王進(jìn)鑫[8]對人工林地渾水入滲規(guī)律進(jìn)行了研究，應(yīng)用Levenberg-Marquardt非線性參數(shù)擬合統(tǒng)計(jì)分析，得出不同林分渾水與清水累積入滲通用模型。

安塞刺槐林:I=5.8545αT0.8691+β

(6)

淳化刺槐林:I=10.0756αT0.7206+β

(7)

淳化側(cè)柏林:I=7.1909αT0.7206+β

(8)

式中， I為累積入滲量(mm)；α、β分別是根據(jù)泥沙含量及渾水泥沙中<0.01mm的物理性粘粒含量確定的參數(shù)。

在渾水灌溉過程中，灌溉水中所攜帶的泥沙會(huì)沉積在土壤表面，影響土壤入滲能力。王全九等[21]在分析渾水入滲物理過程和內(nèi)在機(jī)制的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)存的Green-Ampt公式進(jìn)行了必要的改進(jìn)，并將渾水泥沙對入滲的影響歸結(jié)為對濕潤鋒平均吸力的影響。同時(shí)將濕潤鋒平均吸力與泥沙含量建立關(guān)系，便于利用現(xiàn)有的清水入滲資料計(jì)算渾水入滲過程。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料對模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的結(jié)果證明模型是合理的。同時(shí)也說明了Green-Ampt公式適合于黃土地區(qū)的清水渾水入滲過程的模擬計(jì)算。

q=kS(1+H(ρ)/Lf)

(9)

式中， q為土壤入滲通量(cm·min-1)； H(ρ)為濕潤鋒處的平均吸力(cm)；kS為土壤飽和導(dǎo)水率(cm·min-1)；ρ為渾水泥沙含量(g·g-1)；Lf為濕潤鋒的深度(cm)。

此渾水入滲模型，與Green-Ampt公式的不同之處在于概化濕潤鋒處的平均吸力值，引入了渾水含沙量的影響關(guān)系，并將清水與渾水兩種入滲通過概化濕潤鋒處平均吸力有機(jī)地聯(lián)系起來。因此，這一公式能否與實(shí)際的渾水入滲過程相吻合，以及如何確定濕潤鋒處平均吸力與渾水含沙量的函數(shù)關(guān)系式，對將渾水入滲與清水入滲有機(jī)聯(lián)系起來，十分重要。

趙西寧[24]對坡耕地渾水入滲進(jìn)行研究，采用擬合方法，得出累積入滲量F和入滲時(shí)間T成對數(shù)關(guān)系。

F=AlnT+B

(10)

式中，F(xiàn)為累積入滲量(mm)；T為入滲時(shí)間(min)；A、B為常數(shù)

在泥沙顆粒組成一定的情況下，隨著渾水含沙量的增大，其累積入滲量增加幅度逐漸減小，尤其是在清水與含沙量9.5%的渾水之間差異大。

樊惠芳[15]對渾水膜縫入滲模型進(jìn)行了研究，建立了渾水膜縫入滲模型:

Ihm=λIh=λktα=λβ1k0tβ2α0

(11)

其中:

β1=k/k0=1-aρb

(12)

β2=α/α0=1-cρd

(13)

式中，Ihm為渾水膜縫累計(jì)入滲水量(cm)；Ih為渾水一維累計(jì)入滲水量(cm)；λ為膜縫入滲系數(shù)，主要與膜縫寬度有關(guān)；a，b，c，d為擬合參數(shù)；k、α為渾水一維入滲的系數(shù)和指數(shù)；k0、α0為清水一維入滲的入滲參數(shù)；ρ為含沙率。

3.2渾水間歇入滲模型研究進(jìn)展

土壤水分間歇入滲，自1983年Walker等提出了應(yīng)用Kostiakov-Levi模型對波涌灌土壤入滲的初滲、過渡和穩(wěn)滲三過程進(jìn)行描述后，先后出現(xiàn)了分段函數(shù)模型、周期-循環(huán)率模型、梯函數(shù)模型等。

汪志榮等[21]對渾水波涌灌溉入滲機(jī)制及Green-Ampt模型進(jìn)行了研究，提出了不同含沙量條件下渾水間歇入滲的Green-Ampt模型為:

q=kS(i，ρ)(1+Hm/Zf(t))

(14)

式中，q為地表處的水分通量或入滲率；KS(i,ρ)為致密層的導(dǎo)水率，應(yīng)該是放水周期和時(shí)間的函數(shù)；Zf(t)為致密層的厚度；Hm為致密層的下層土壤基質(zhì)吸力。

費(fèi)良軍[22]在渾水連續(xù)入滲Kostiakov模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)渾水間歇入滲特性和已知資料的情況，提出三種渾水間歇入滲數(shù)學(xué)模型。

模型一：該模型是建立在一個(gè)具有充分試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上的渾水間歇入滲模型，即建立在渾水間歇入滲相對渾水連續(xù)入滲減滲率η2i和清水連續(xù)入滲參數(shù)K0、a0已知條件下的一個(gè)入滲模型。

Z渾c=K×ta

(15)

式中，K、a分別為渾水連續(xù)入滲系數(shù)和指數(shù)。

渾水與清水連續(xù)入滲參數(shù)比為：

(16)

K=β1K0=(1-αρb)k0

(17)

a=β2a0=(1-cρd)a0

(18)

Z渾si=(1-η2i)Z渾c=(1-η2i)kta

=(1-η2i)(1-aρb)k0t(1-cρd)a0

(19)

式中，ρ為渾水含沙率，以百分?jǐn)?shù)計(jì)；a,b,c,d為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)資料確定。

此模型沒有直接將波涌灌循環(huán)率r、周期數(shù)n反映在模型中，而是間接地反映在減滲率η2i中。

模型二：該模型是建立在具有部分試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上的渾水間歇入滲模型，即基于渾水連續(xù)入滲參數(shù)K、a為已知和間歇入滲參數(shù)r、n基礎(chǔ)上的入滲模型。

渾水周期～循環(huán)率入滲模型假定渾水波涌灌條件下各入滲周期時(shí)間內(nèi)的累積入滲量曲線與相應(yīng)時(shí)間的渾水連續(xù)入滲曲線相重合。

渾水波涌畦灌第n周期末單位面積上的累積入滲量為Z，則周期～循環(huán)率入滲模型為

Zn=Kn×tan

(20)

相同條件下的渾水連續(xù)入滲量為Z=Kta，則

(21)

利用兩點(diǎn)回歸法時(shí)，一點(diǎn)選取連續(xù)入滲曲線上的入滲時(shí)間t1=r×tc，另一點(diǎn)選取 t2=(n+1)rtc，則

Kn=K(rtc)(α-dn)

(22)

式中，t為凈入滲時(shí)間；n、tc、r分別為渾水波涌灌的周期數(shù)、周期時(shí)間和循環(huán)率；Kn、an分別為渾水間歇入滲n周期內(nèi)的間歇入滲參數(shù)。

若已知渾水連續(xù)入滲參數(shù)K、a，則可求得Kn、an。K、a均為渾水含沙率ρ和渾水泥沙物理性粘粒含量d0.01的函數(shù)，即:

K=f(ρ,d0.01)

a=g(ρ,d0.01)

(23)

模型三：該模型是建立在清水和渾水連續(xù)入滲試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上的一個(gè)渾水間歇入滲模型， 即建立在已知清水連續(xù)入滲參數(shù)K0、α0及其與渾水連續(xù)入滲參數(shù)K、α的關(guān)系以及渾水間歇入滲要素基礎(chǔ)上的入滲模型。

Zn=Kntαn

Kn=K(rtc)(α-dn)=β1K0(rtc)(β2α0-dn)

=(1-αρb)K0(rtc)[(1-cρd)a0-an]

(24)

式中符號意義同前。

4結(jié)論與建議

從以上的研究成果中可以得出：利用靜水做渾水灌溉入滲試驗(yàn)的較多，而利用動(dòng)水做渾水灌溉入滲試驗(yàn)研究的比較少；對不同含沙率對土壤入滲的影響研究方面研究成果比較多，而對不同的泥沙粒度組成對土壤入滲的影響研究較少；一次渾水灌溉土壤入滲研究較多，而致密層形成后進(jìn)行二次灌溉情況下的土壤入滲研究較少；在室內(nèi)利用下滲環(huán)等試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)的較多，而在大田實(shí)驗(yàn)土壤入滲試驗(yàn)方面的研究較少；在裸地做土壤入滲試驗(yàn)的較多，而在有種植作物的大田上進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)的較少。目前，在國內(nèi)外還沒有看到有關(guān)渾水灌溉條件下水肥耦合方面的研究和渾水膜孔灌溉方面的研究。

由于我國黃河流域以多泥沙河流為水源的渾水灌區(qū)，水資源短缺往往不得不引用渾水灌溉，所以利用渾水灌溉是其顯著特點(diǎn)，且渾水灌溉在我國具有獨(dú)特性。且針對黃土高原地區(qū)常形成暴雨徑流的特點(diǎn)，如何充分利用暴雨徑流，關(guān)鍵要清楚渾水的入滲機(jī)制，以增加土壤入滲，有效利用自然降水量。為了更深入地進(jìn)行渾水灌溉下的土壤入滲機(jī)制的研究，建議以后試驗(yàn)中考慮渾水灌溉中動(dòng)水入滲試驗(yàn)方面的研究，不同泥沙粒度組成對土壤入滲的影響，大田作物的影響，多次渾水灌溉對土壤入滲的影響以及渾水灌溉條件下水肥耦合方面的試驗(yàn)研究和渾水膜孔灌溉方面的試驗(yàn)研究等作為研究的重點(diǎn)，逐步深入地研究渾水灌溉入滲特性，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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Research progress and prospect on characteristics of muddy water irrigation infiltration

WANG Jin-hui, FEI Liang-jun, NIE Wei-bo

(InstituteofWaterResourcesandHydro-electricEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Abstract：In this article, on the basis of the comprehension on domestic and foreign literatures relevant to this research, progress of muddy water infiltration mechanism and muddy water infiltration model were analyzed. It could be concluded that a big portion of the experiments were accomplished using static water for muddy water irrigation infiltration test, and a relative small portion was done using dynamic water to do so. More achievements were obtained by studying the influence of different sand content on soil infiltration than by investigating the influence of different sediment grain size on soil infiltration. More studies on muddy water irrigation soil infiltration than on a second irrigation over soil infiltration after a dense layer was formed. Indoors utilization of equipment such as infiltration ring on soil infiltration was more than field test. Infiltration experiments in bare land were more than those in field soil with growing crops. To gain insightful understanding on soil infiltration mechanism of muddy water irrigation, it is advised that dynamic water may be involved in muddy water irrigation infiltration test. The influences of different sediment grain size composition, field crops, many muddy water irrigations, and water/fertilizer coupling under muddy water irrigation may need to take into experimental consideration. Muddy water in film hole irrigation experimental study should become the focus, gradually allowing in-depth research on characteristics of muddy irrigation water infiltration, and providing a theoretical basis for practical application.

Keywords:muddy water infiltration mechanism; muddy water infiltration model; sediment grain size; water and fertilizer coupling

中圖分類號：S274.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：王錦輝(1989—)，男，陜西岐山人，碩士研究生，主要從事水資源評價(jià)與節(jié)水灌溉方面研究。E-mail:460033572@qq.com。通信作者：費(fèi)良軍(1963—)，男，陜西藍(lán)田人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉和農(nóng)業(yè)水資源利用研究。E-mail:feiliangjun2008@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51279157,51479161)；陜西省水利科技項(xiàng)目(2011-8)；公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201203003)

收稿日期：2015-03-25

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.42

文章編號：1000-7601(2016)02-0265-06