姜瑞瑞，費(fèi)良軍，傅渝亮，康守旋，劉騰

(西安理工大學(xué)水資源研究所，陜西 西安 710048)

膜孔灌溉技術(shù)是覆膜和小面積點(diǎn)源入滲相結(jié)合的一種節(jié)水型地面灌水方式.因綜合了覆膜、地面灌、滴灌幾種節(jié)水灌水方式的特點(diǎn)，它具有節(jié)水保水、灌水效率高及操作簡(jiǎn)單、控制性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1-4].渾水入滲改變了土壤的機(jī)械組成和土壤的入滲機(jī)制，使渾水入滲與清水入滲過(guò)程存在較大差異.

渾水含沙量越大，在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，累積入滲量和穩(wěn)定入滲率越小[5-6].曹惠提等[7]通過(guò)渾水測(cè)坑入滲試驗(yàn)，得出灌溉水中含有一定量的泥沙，會(huì)使?jié)駶?rùn)體含水量產(chǎn)生一定的變化，其主要原因是含沙量會(huì)對(duì)入滲速率產(chǎn)生一定的負(fù)效應(yīng).LA-MERS等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤初始含水率會(huì)對(duì)土壤溶液和膠體顆粒上所吸附的離子的數(shù)量產(chǎn)生影響，是影響水分的入滲、傳導(dǎo)和入滲速率的重要因素.金世杰等[9]通過(guò)渾水膜孔灌室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)單位膜孔面積累積入滲量與入滲時(shí)間符合Kostiakov模型.費(fèi)良軍等[10]、陳琳等[11]研究了膜孔直徑對(duì)膜孔灌溉的影響，結(jié)果均說(shuō)明膜孔直徑對(duì)膜孔灌入滲特性有顯著的影響.馬孝義等[12]研究了膜孔灌土壤水分運(yùn)動(dòng)模型，提出了包含開(kāi)孔率、膜孔直徑的膜孔灌平均入滲水深簡(jiǎn)化模型.

渾水膜孔灌入滲主要與土壤初始含水率、土壤容重、膜孔直徑、渾水含沙率和泥沙粒度組成等有關(guān)[13-14].近年來(lái)國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了有關(guān)單個(gè)因素對(duì)膜孔入滲的研究，但鮮有關(guān)于多因素綜合對(duì)渾水膜孔入滲影響的研究；國(guó)外關(guān)于渾水膜孔灌方面的研究鮮有報(bào)道.土壤水分運(yùn)動(dòng)并非受單一因素的影響，它是多個(gè)因素對(duì)其共同作用的，而多個(gè)因素對(duì)土壤水分入滲的影響又不是每個(gè)單一因素對(duì)其影響效果的單純疊加，故文中開(kāi)展多因素渾水膜孔單點(diǎn)源入滲的研究，深入分析其入滲特性.

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)于2018年3月在西安理工大學(xué)農(nóng)水重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.因本次研究有關(guān)渾水入滲，故在試驗(yàn)過(guò)程中為了防止渾水出現(xiàn)分層和沉淀現(xiàn)象，需采用特定的渾水膜孔灌點(diǎn)源入滲試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示.在清水點(diǎn)源入滲的馬氏瓶中增加攪拌裝置，對(duì)入滲渾水不停攪拌，從而使入滲渾水不會(huì)出現(xiàn)分層沉淀現(xiàn)象.試驗(yàn)土箱采用10 mm厚有機(jī)玻璃制作而成，土箱長(zhǎng)×寬×高為25 cm×20 cm×40 cm.因渾水膜孔點(diǎn)源入滲為充分供水入滲試驗(yàn)，故在入滲過(guò)程中應(yīng)在膜孔中保持一定的水頭高度，膜孔是由5 mm厚的有機(jī)玻璃制作而成，水頭選取高度為5 cm的膜孔進(jìn)行控制.為了便于觀察濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移情況，取1/4膜孔置于土箱裝置的一角進(jìn)行試驗(yàn).根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分別選擇直徑大小為4，6，8，9，12 cm的膜孔.

圖1 渾水膜孔灌自由入滲試驗(yàn)裝置示意圖

Fig.1 Device for free infiltration of muddy water filmhole irrigation

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究多因素渾水膜孔灌自由入滲特性及建立渾水膜孔灌自由入滲多因素入滲模型，在室內(nèi)開(kāi)展多因素渾水膜孔灌自由入滲試驗(yàn).文中主要選取的影響因素有土壤初始含水率、膜孔直徑、渾水含沙率、土壤容重等.試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)，4個(gè)因素3個(gè)水平，共12組試驗(yàn).以第10，11和12組試驗(yàn)進(jìn)行入滲模型驗(yàn)證，試驗(yàn)方案如表1所示，表中γ為土壤容重，g/cm3；θ為土壤初始含水率，%；D為膜孔直徑，cm；S為渾水含沙率，%.每組方案下重復(fù)3次試驗(yàn)，最終取觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值.供試土樣為粉壤土，風(fēng)干碾壓過(guò)2 mm篩，人工配置成土壤初始含水率4.4%的供試土樣.供試土樣土壤顆粒級(jí)配組成使用Mastersizer-2000激光粒度分析儀測(cè)定，黏土(<0.002 mm)占13.58%，粉土([0.002，0.020)mm)占71.55%，砂土([0.020,2.000]mm)占14.87%.根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)方案，分層稱(chēng)重將土樣裝入土箱壓實(shí).試驗(yàn)渾水均采取人工配置，由風(fēng)干碾碎后過(guò)1 mm土篩的泥土配置而成.為了完全模擬渾水灌溉，每次試驗(yàn)都需提前2 d配置試驗(yàn)所需的含沙率的渾水，且每隔一定時(shí)間攪拌1次.試驗(yàn)開(kāi)始后按照先密后疏的時(shí)間間隔，觀察記錄相應(yīng)時(shí)刻馬氏瓶刻度，用于計(jì)算單位膜孔累積入滲量，試驗(yàn)觀測(cè)歷時(shí)360 min.

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平

2 結(jié)果與分析

2.1 多因素累積入滲量變化動(dòng)態(tài)

圖2為渾水膜孔灌自由入滲單位膜孔面積累積入滲量I隨入滲時(shí)間T的變化過(guò)程.觀察該變化過(guò)程可以看出:渾水膜孔灌自由入滲單位膜孔面積累積入滲量隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；所有因素條件下的單位膜孔面積累積入滲量，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)最終都趨于穩(wěn)定；在同一入滲時(shí)間，每組試驗(yàn)的入滲量都不相同，所以各因素對(duì)渾水膜孔灌累積入滲量的影響程度存在差異.由于入滲前期0～50 min，入滲時(shí)間短，各因素單位膜孔累積入滲量都較小，相互之間差距較小而不易觀測(cè)出.50 min后在各因素的影響下，單位膜孔累積入滲量的差距逐漸明顯.

圖2 不同試驗(yàn)方案單位膜孔面積累積入滲量

Fig.2 Cumulative infiltration volume per unit film hole area of different experiental schemes

經(jīng)分析，各試驗(yàn)因素與單位膜孔面積累積入滲量呈近似冪函數(shù)關(guān)系.進(jìn)一步采用多元回歸分析法，構(gòu)建單位膜孔面積累積入滲量與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系式為

I=KγaθbDcSdTe，

(1)

式中：K為入滲常數(shù)；T為入滲時(shí)間，min；a，b，c，d，e為各項(xiàng)因素的指數(shù).

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用多元回歸法模擬得

I=1.398γ-3.034θ-0.289D-0.950S-0.141T0.714.

(2)

模擬結(jié)果得相關(guān)系數(shù)r=0.983 0,決定系數(shù)R2=0.965(P<0.01),均方根誤差為0.060 cm.由以上數(shù)據(jù)可知模型擬合效果良好.其中K=1.398，a=-3.034，b=-0.289，c=-0.950，d=-0.141，e=0.714.

2.2 累積入滲量對(duì)各參數(shù)的敏感性

多元回歸分析中有5個(gè)變量，各變量的單位不同，數(shù)量級(jí)也不同，所以無(wú)法利用回歸系數(shù)直接表示渾水膜孔灌各個(gè)影響因素對(duì)單位膜孔面積累積入滲量的影響程度，故利用相對(duì)值法來(lái)分析各影響因素對(duì)單位膜孔面積累積入滲量的影響程度.

相對(duì)值法是一種常用的單因素敏感性分析方法，其原理是在原始值基礎(chǔ)上變化一定的幅度，然后計(jì)算每次變動(dòng)量對(duì)所評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)影響，從而分析各個(gè)因素對(duì)該指標(biāo)的影響大小.在實(shí)際的灌溉過(guò)程中，無(wú)論以何種方式進(jìn)行的灌溉，其水分的入滲過(guò)程都受多種因素的影響，任一因素的變化都會(huì)對(duì)其灌水過(guò)程產(chǎn)生不同程度的影響.故為了分析多因素影響下渾水膜孔灌入滲特性的變化情況，需對(duì)單位膜孔面積累積入滲量在土壤入滲參數(shù)K，a，b，c，d，e綜合變異下的波動(dòng)情況進(jìn)行量化.通過(guò)相對(duì)值法計(jì)算單位膜孔面積累積入滲量對(duì)各個(gè)因素入滲參數(shù)變異的敏感系數(shù)m，確定渾水單位膜孔面積累積入滲量在多因素?cái)_動(dòng)時(shí)的波動(dòng)情況.入滲參數(shù)綜合變異下的單位膜孔面積累積入滲量的量化形式為

其中，敏感系數(shù)m的公式為

式中：ΔYi為單位膜孔面積累積入滲量的變異值，cm；Yi為單位膜孔面積累積入滲量,cm；Xi為多因素入滲參數(shù)K，a，b，c，d，e的值；ΔXi為多因素入滲參數(shù)的變異值.m值越大，表示某因素入滲參數(shù)對(duì)單位膜孔累積入滲量的影響越顯著.

以實(shí)測(cè)入滲參數(shù)K=1.398，a=-3.034，b=-0.289，c=-0.950，d=-0.141，e=0.714為基礎(chǔ)，以5%為步長(zhǎng)，上下最大偏離E為15%.取本試驗(yàn)入滲時(shí)間為60，240，360 min時(shí)單位膜孔面積累計(jì)入滲量，計(jì)算相應(yīng)各因素入滲參數(shù)變化下的敏感系數(shù)m, 結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 單位膜孔面積累積入滲量對(duì)各因素入滲參數(shù)變異的敏感系數(shù)

Tab.2 Sensitivity coefficient of cumulative infiltration volume per unit pore area to infiltration parameters of various factors

T/minE/%maimbimcimdimeimKi60-150.172 2-0.111 80.257 0-0.061 2-0.417 6-0.176 5-100.105 9-0.071 50.156 4-0.038 9-0.281 6-0.111 1-50.049 0-0.034 40.071 6-0.018 6-0.143 1-0.052 650.042 40.032 2-0.060 70.017 10.149 90.047 6100.079 10.062 6-0.112 20.033 00.308 70.090 9150.111 00.091 3-0.155 90.047 70.478 60.130 4240-150.172 2-0.571 70.257 0-0.061 2-0.522 3-0.176 5-100.105 9-0.540 00.156 4-0.038 9-0.359 8-0.111 1-50.049 0-0.511 50.071 6-0.018 6-0.187 1-0.052 650.042 4-0.462 8-0.060 70.017 10.205 80.047 6100.079 1-0.441 8-0.112 20.033 00.435 40.090 9150.111 0-0.422 6-0.155 90.047 70.694 40.130 4360-150.172 2-0.111 80.257 0-0.061 2-0.550 1-0.176 5-100.105 9-0.071 50.156 4-0.038 9-0.381 3-0.111 1-50.049 0-0.034 40.071 6-0.018 6-0.199 5-0.052 650.042 40.032 2-0.060 70.017 10.222 70.047 6100.079 10.062 6-0.112 20.033 00.474 90.090 9150.111 00.091 3-0.155 90.047 70.763 80.130 4

由表2知，在同一變動(dòng)水平時(shí)，單位膜孔面積累積入滲量對(duì)各因素入滲參數(shù)的敏感系數(shù)由大到小依次為e，c，K，a，b，d，即膜孔直徑相比較于其他因素對(duì)渾水膜孔灌自由入滲的單位膜孔面積累積入滲量的影響是更為顯著的.在渾水膜孔灌自由入滲過(guò)程中，隨著膜孔直徑的增大即膜孔入滲面積的增大，點(diǎn)源入滲的限制因素相應(yīng)減少.這表明膜孔面積無(wú)限增大，就會(huì)無(wú)限接近于地面漫灌，膜孔入滲量就會(huì)顯著增大，相應(yīng)的單位膜孔面積累積入滲量就會(huì)減小，所以渾水膜孔單點(diǎn)源自由入滲的單位膜孔面積累積入滲量對(duì)膜孔直徑大小的敏感性相較于其他因素更顯著.

土壤容重對(duì)渾水膜孔入滲的影響較大.這是因?yàn)橥寥廊葜刂饕鞘芸紫队绊?，單位體積的土壤質(zhì)量越大，土壤越密實(shí)，大孔隙的數(shù)量減少，土壤的水流通道面積就會(huì)減小，即土壤的導(dǎo)水率就會(huì)相應(yīng)地減小，入滲量就會(huì)減小.

土壤初始含水率對(duì)渾水膜孔灌自由入滲的影響較小，主要原因是土壤初始含水率對(duì)土壤水分入滲的影響主要在入滲前期，前期土壤初始含水量較小，基質(zhì)勢(shì)梯度量值較大，水分入滲速度較快.一段入滲時(shí)間過(guò)后，濕潤(rùn)體內(nèi)水分飽和，初始含水率會(huì)對(duì)水分入滲的影響逐漸減弱，甚至可忽略.

渾水含沙率對(duì)渾水膜孔灌自由入滲的影響，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面是渾水入滲過(guò)程中，渾水中的一些小顆粒會(huì)進(jìn)入土壤孔隙中，堵塞水分的入滲通道，從而減小入滲速率；另一方面是渾水中的一些無(wú)法進(jìn)入土壤孔隙中的“大顆?！睍?huì)在膜孔內(nèi)沉積，形成致密層，減緩入滲速率.但是渾水入滲和清水入滲相比，渾水入滲對(duì)膜孔入滲有一定的減滲作用，但其減滲量卻很小[8]，故渾水含沙率對(duì)渾水膜孔單點(diǎn)源入滲的影響較小.

為了驗(yàn)證式(3)的準(zhǔn)確性，計(jì)算第10，11和12組試驗(yàn)中的單位膜孔累積入滲量，并把計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖3所示.實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表3.

圖3 單位膜孔面積累積入滲量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

Fig.3 Calculated and measured values of cumulative infiltration volume per unit pore area

表3 相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差分析

Tab.3 Correlation coefficient and standard deviation analysis

驗(yàn)證試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差123123I0.9160.9970.9936.136.335.19

由圖3可知：第10，11和12組試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值誤差較小，與回歸方程擬合較好；由表3可知，驗(yàn)證結(jié)果的相關(guān)系數(shù)較高，而標(biāo)準(zhǔn)差較小，因此表明回歸分析所得經(jīng)驗(yàn)公式(1)模擬效果好，具有較高的計(jì)算精度和較好的適用性.

2.3 自由入滲的速率動(dòng)態(tài)變化

對(duì)式(1)，(2)進(jìn)行求導(dǎo)，得

(3)

q=0.998γ-3.034θ-0.289D-0.950S-0.141T-0.286，

(4)

式中：q為渾水膜孔灌入滲速率，cm/min.由式(4)知渾水膜孔灌單點(diǎn)源入滲速率的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程：隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，入滲速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定.在入滲前期，土壤含水量低，基質(zhì)勢(shì)梯度量值大，入滲速率都相對(duì)較大，隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，入滲逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，入滲速率也逐漸趨于一固定值.

由于不同因素在不同的入滲時(shí)間對(duì)渾水膜孔灌自由入滲的入滲速率的影響是不相同的，故取3個(gè)入滲時(shí)間，對(duì)其相應(yīng)的不同因素求偏導(dǎo)數(shù)，并取絕對(duì)值，分析各因素隨著入滲時(shí)間對(duì)入滲速率的影響及敏感程度.

(5)

(6)

(7)

(8)

分別取不同因素在10，120，360 min時(shí)敏感性指標(biāo)進(jìn)行繪圖分析，得圖4.觀察圖4知，在影響因素固定為某一值，在入滲時(shí)間10，120，360 min時(shí)，各因素敏感性指標(biāo)都在隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)而變大.說(shuō)明入滲時(shí)間對(duì)各因素影響性指標(biāo)的影響也較大；在同一入滲時(shí)間，各因素的敏感性指標(biāo)都在隨著土壤容重、土壤初始含水率、膜孔直徑和渾水含沙率的增大而減小.表明各影響因素相應(yīng)指標(biāo)數(shù)值越大，對(duì)渾水膜孔灌單點(diǎn)源入滲的入滲速率的影響越弱.

圖4 敏感性指標(biāo)與各因素關(guān)系

3 結(jié) 論

1) 分析多因素影響下渾水膜孔灌自由入滲單位膜孔面積累積入滲量的變化過(guò)程，通過(guò)多元回歸分析，建立了單位膜孔面積累積入滲量與膜孔直徑、渾水含沙率、土壤初始含水率、土壤容重和入滲時(shí)間等多個(gè)影響因素之間的回歸方程.擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.986，驗(yàn)證決定系數(shù)均大于0.90，表明各因素對(duì)單位膜孔面積累積入滲量都有影響.

2) 使用相對(duì)值法對(duì)各因素入滲參數(shù)進(jìn)行分析可知：各影響因素對(duì)渾水膜孔灌自由入滲單位膜孔面積累積入滲量影響的顯著程度由大到小依次為膜孔直徑、土壤容重、土壤初始含水率、渾水含沙率.

3) 對(duì)多因素回歸分析方程求導(dǎo)得渾水膜孔灌自由入滲速率，分析了多因素作用下渾水膜孔灌單點(diǎn)源自由入滲速率動(dòng)態(tài)變化過(guò)程.繪制各因素的敏感性指標(biāo)圖，分析自由入滲速率對(duì)各因素變化的敏感性變化.結(jié)果表明：在同一入滲時(shí)間，各因素的敏感性指標(biāo)都在隨著土壤容重、土壤初始含水率、膜孔直徑和渾水含沙率等因素量值的增大而減小，即各影響因素相應(yīng)指標(biāo)數(shù)值越大，對(duì)渾水膜孔灌單點(diǎn)源入滲的入滲速率的影響越弱.