陳 璽，董愛紅，趙 笑，蔡耀輝，張 林

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 咸陽 712100；2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 咸陽 712100)

地下滴灌是目前應用最為廣泛的地下灌溉技術，但其所用灌水器材質(zhì)大多為塑料且工作水頭較高，不利于可持續(xù)發(fā)展。而微孔陶瓷灌水器是以石英砂、滑石粉和硅溶膠等原料通過一定的工藝燒結制備而成的新型地下灌水器[1,2]，與常規(guī)滴灌灌水器相比，具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，適宜在干旱和半干旱地區(qū)推廣應用[3-6]。無壓灌溉作為一種新型的灌水方法，其可行性已通過相關研究[7-9]得到了驗證。趙偉霞等研究[10]發(fā)現(xiàn)無壓灌溉的累計入滲量與時間呈冪指數(shù)關系，土壤入滲率趨于零是無壓灌溉過程結束的標志。無壓灌溉過程中，各層或各深度范圍內(nèi)含水率變化趨勢相近，濕潤體內(nèi)固定點處的含水率在灌水過程中幾乎不發(fā)生變化，灌溉水量的增加只是用來擴大濕潤體的大小[11]。無壓條件下微孔陶瓷滲灌是以土水勢為驅動力進行的一種主動灌溉。在生產(chǎn)實踐中，由于氣候和灌溉制度的不同，往往需要在不同的土壤初始含水率條件下進行灌溉[12]。土壤初始含水率是對土壤基質(zhì)勢及濕潤鋒處的基質(zhì)勢梯度產(chǎn)生影響，從而影響土壤水分的入滲[13,14]。在對涌泉根灌和微潤灌溉等[15,16]的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤初始含水率對濕潤鋒的運移以及水分入滲均有較大影響，土壤初始含水率越大，水分擴散速度越快。因此土壤初始含水率是影響水分入滲的關鍵因素之一。目前針對微孔陶瓷滲灌入滲特性的研究，主要集中在工作壓力、設計流量等系統(tǒng)參數(shù)上[1,17,18]。例如任改萍等[18]研究發(fā)現(xiàn)在微孔陶瓷灌水器灌溉過程中，決定土壤水分累計入滲量和初始入滲速率的關鍵因素是供水壓力，并且在各供水壓力水平下，微孔陶瓷滲灌形成的濕潤體大小和含水率均能滿足作物根系吸水需求。但對不同初始含水率條件下微孔陶瓷滲灌的入滲特性研究還較少。

本文以微孔陶瓷灌水器為研究對象，分析土壤初始含水率對其累計入滲量和濕潤鋒運移距離的影響，探明不同初始含水率條件下微孔陶瓷滲灌的入滲特性，以期為微孔陶瓷灌水器的設計及田間應用提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及土壤

試驗在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學試驗大廳進行。試驗裝置(見圖1)由供水裝置、土箱和微孔陶瓷灌水器組成。供水裝置為能夠提供恒定水頭的馬氏瓶，其橫截面直徑為10 cm，高度90 cm。試驗土箱由有機玻璃制作，尺寸為45 cm×45 cm×75 cm(長×寬×高)。微孔陶瓷灌水器(見圖2)是由西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院自主研制，其結構為圓管形，尺寸為4 cm×2 cm×8 cm(外徑×內(nèi)徑×高)。試驗土壤取自陜西渭河三級階地，將試驗土壤風干、碾壓、混合后過2 mm篩網(wǎng)后備用。土壤顆粒組成采用激光粒度分析儀(MS2000型，馬爾文，英國)測定，其中黏粒23.14%、粉粒34.01%、砂粒42.85%。按國際制土壤質(zhì)地分類標準，試驗土壤屬于黏壤土。

圖1 試驗裝置示意圖(單位：cm)Fig.1 Layout of the experimental platforms

圖2 微孔陶瓷灌水器Fig.2 Porous ceramic emitter

1.2 試驗方法及測定內(nèi)容

試驗土壤按設計干容重1.35 g/cm3分層裝入土箱，每層5 cm，共填15層，為使土壤顆粒充分接觸，兩層之間進行打毛。土壤表面用塑料薄膜覆蓋，防止土壤水分蒸發(fā)影響試驗結果。微孔陶瓷灌水器水平放置埋于距土壤表面30 cm處，如圖1所示。灌水器兩端用管道連接，一端連接至馬氏瓶，另一端尾部設有排氣閥(試驗開始時進行排氣處理，從而使管道充滿水)。馬氏瓶出水口與水平放置的灌水器中心齊平，即灌水器工作水頭為零。本試驗通過采用土壤初始含水率的不同，分別為3%、9%、12%和15%，研究累計入滲量和濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化。試驗觀測時間為50 h。累計入滲量通過觀察馬氏瓶的讀數(shù)進行換算得出。試驗結束后，以灌水器為中心通過尺子在土箱表面對所畫濕潤峰進行量測。選取圖1中土箱正面的垂直向下和垂直向下的濕潤峰運移距離和土箱側面水平方向上的濕潤峰運移距離，再對應所記錄的時間，得出濕潤鋒運移距離隨時間的變化。

2 結果與分析

2.1 土壤初始含水率對累計入滲量的影響

圖3為不同初始含水率條件下累積入滲量隨入滲時間的變化曲線。從圖3可以看出，隨著入滲時間的增加，累計入滲量的變化率逐漸減小。這是由于無壓條件下，微孔陶瓷灌水器出流的驅動力為土水勢，即累計入滲量隨時間變化規(guī)律是由土水勢決定[19]。開始入滲時土壤初始含水率較低，土壤水分主要受到土壤顆粒的吸力(最小值31 atm)和顆粒之間所形成孔隙的毛細管力(最小值0.3 atm)作用[19]，此時基質(zhì)吸力非常大，促進灌水器出流，故累計入滲量的變化率較大；隨著時間的增大，灌水器附近一定范圍內(nèi)的土壤含水率高于田間持水率，土壤中的毛管懸著水達到最大，毛管力為0，此時基質(zhì)吸力非常小，從而減緩了灌水器的出流，故隨著入滲時間的增加，累計入滲量的變化率逐漸減小。同一時刻，土壤初始含水率越大，累計入滲量越小是因為土壤初始含水率越大，基質(zhì)勢越大即基質(zhì)吸力越小，故累積入滲量越小。為定量分析累計入滲量隨時間的變化關系，對數(shù)據(jù)進行擬合，結果見表1。

圖3 不同土壤初始含水率下累積入滲量隨時間的變化Fig.3 Changes of accumulative infiltration by time with different initial soil water contents

表1 不同初始含水率條件下累積入滲量隨時間變化的擬合公式Tab.1 Fitting results of cumulative infilitration over time at different initial soil water contents

由表1可知，所擬合公式的相關系數(shù)均達到0.98以上，可靠性較高，能較好地說明累計入滲量隨時間的關系。在非飽和土壤水分入滲中，土水勢只需考慮基質(zhì)勢和重力勢，且基質(zhì)勢是土壤含水率的函數(shù)[19]。入滲初期，灌水器周圍的土壤含水率低于田間持水率，土壤水分主要受到土壤顆粒的吸力和顆粒之間所形成孔隙的毛細管力，二者之和遠大于所受重力。故在入滲初期，累計入滲量隨時間的變化是由基質(zhì)勢決定，即累計入滲量隨時間的變化與土壤初始含水率有關。隨著時間的增加，灌水器周圍的土壤含水率高于田間持水率，但此時形成可自由流動的重力水仍是受基質(zhì)勢控制。因為整個土箱內(nèi)的土壤初始含水率均低于田間持水率，隨著時間的增加，在濕潤鋒干濕交界處的土壤水分仍是受到土壤顆粒的吸力和顆粒之間所形成孔隙的毛細管力的共同作用。故在入滲整個過程，累計入滲量隨時間的變化規(guī)律一直由基質(zhì)勢決定，而基質(zhì)勢是土壤含水率的函數(shù)?；诖耍岢鲆环N以入滲時間和土壤初始含水率為自變量、微孔陶瓷滲灌的累計入滲量為因變量的預測模型:

I=f1(θ0) ln(t)-f2(θ0)

(1)

f1(θ0)、f2(θ0)由表1對應的系數(shù)得出：

(2)

(3)

綜上所述，微孔陶瓷滲灌的累計入滲量預測模型為:

(4)

公式(4)是在灌水器長度為8 cm時擬合出來，故也可知單位長度下累計入滲量和土壤初始含水率與入滲時間的關系。在實踐中，此模型可根據(jù)作物生長周期所需水量和土壤初始含水率，來確定在作物生長周期內(nèi)灌水量是否能得到滿足其生長需要。如若不能，可通過單位長度下累計入滲量與初始含水率和時間的關系推求灌水器長度，使其達到最優(yōu)。

為檢驗模型的可靠性，配置土壤初始含水率為12%的土樣，按相同的標準進行試驗，選取8個時間點進行分析，將其實測值和模型擬合值進行對比分析，結果見表2。

表2 累積入滲量實測值與模型擬合值Tab.2 Measured and model fitted values of cumulative infiltration

由表2可知，累積入滲量實測值和模型擬合值的相對誤差均在±5%范圍以內(nèi)，說明該模型對無壓條件下微孔陶瓷滲灌的累積入滲量預測精度較好。

2.2 土壤初始含水率對濕潤鋒運移距離的影響

圖4為在不同初始含水率條件下，垂直向下濕潤鋒運移距離、水平方向濕潤鋒運移距離和垂直向上濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化曲線。從圖4可看出，在3個方向上都具有相同的規(guī)律：同一入滲時刻，土壤初始含水率越大，運移距離越大。這是由于土壤初始含水率越高，土壤的儲水能力越小，土體不能夠吸持更多的水分，從而更利于濕潤峰的推進。同一土壤初始含水率下，不同方向上運移距離隨時間也不相同。為了定量分析土壤初始含水率對濕潤鋒運移距離的影響，用冪函數(shù)進行擬合，結果見表3。

圖4 不同初始含水率下濕潤峰運移距離隨時間變化曲線Fig.4 The curve of the migration distance of wetting peaks with time at different initial moisture content

表3 濕潤峰運移距離隨時間變化的擬合關系Tab.3 The relationship of the migration distance of wet front with time

從表3可發(fā)現(xiàn)，所擬合公式的相關系數(shù)均達到0.99以上，可靠性較高，能較好地說明運移距離隨時間的關系。在同一方向上，不同初始含水率下運移距離的冪函數(shù)中的指數(shù)相差不大，可假設指數(shù)對其影響不大。取其平均值，建立垂直向下濕潤鋒運移距離隨時間的方程：

x(t,θ0)=f3(θ0)t0.381 3

(5)

垂直向上濕潤鋒運移距離隨時間的方程：

S(t,θ0)=f4(θ0)t0.304 1

(6)

水平方向濕潤鋒運移距離隨時間的方程：

L(t,θ0)=f5(θ0)t0.442 3

(7)

將上面方程公式(5)～(7)結合圖4的數(shù)據(jù)重新擬合可得表4。

表4 濕潤峰運移距離隨時間變化的擬合模型Tab.4 The model of the migration distance of wet front over time

表4的相關系數(shù)均達到0.97以上，說明對指數(shù)取平均值影響不大，故之前假設成立。因此能較好地說明濕潤鋒運移距離隨時間的關系。由表4的數(shù)據(jù)可得出：

(8)

(9)

(10)

垂直向下運移距離方程：

(11)

垂直向上運移距離方程：

(12)

水平方向運移距離方程：

(13)

為檢驗模型的可靠性，在土壤初始含水率為12%條件下，按相同的標準進行試驗，選取8個時間點進行分析，將其實測值和模型擬合值進行對比分析，結果見表5。

表5 濕潤鋒運移距離實測值與模型擬合值對比Tab.5 Comparison of measured values of wet front transport distance with model fitting values

由表5可知，水平方向濕潤鋒運移距離、垂直向下濕潤鋒運移距離和垂直向上濕潤鋒運移距離的實測值和模型擬合值相對偏差均在±6%圍以內(nèi)，說明用該模型對無壓條件下微孔陶瓷灌水器入滲的各方向濕潤鋒運移距離進行預測精度較好。

3 結 語

(1)建立了以土壤初始含水率和入滲時間為自變量，累計入滲量為因變量的預測模型。并用土壤初始含水率為12%的試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，結果表明模型具有較好的精度，可以預測不同初始含水率下微孔陶瓷滲灌的累積入滲量。此模型可根據(jù)作物生長周期所需水量和土壤初始含水率，來確定在作物生長周期內(nèi)灌水量是否能滿足其生長需要。如若不能，可通過單位長度下累計入滲量與初始含水率和時間的關系推求灌水器長度，使其達到最優(yōu)。

(2)建立了不同初始含水率條件下濕潤峰運移距離隨時間變化的模型。并對模型進行了驗證，結果表明 模型具有較好的精度，可以預測不同初始含水率條件下微孔陶瓷滲灌濕潤鋒運移距離隨時間變化過程。