張顥暉，嚴海軍,2，惠 鑫，趙 赫，王文濤，郭 輝

移動滴灌系統(tǒng)土壤水分入滲試驗與數(shù)值模擬

張顥暉1，嚴海軍1,2※，惠 鑫1，趙 赫1，王文濤1，郭 輝1

（1.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源教育部工程研究中心，北京 100083）

為減少大型噴灌機的噴灌水分蒸發(fā)漂移損失，將低壓噴頭改裝成按適當間距布置的大流量壓力補償?shù)喂喙?，使大型噴灌機自走時拖拽滴灌管，實現(xiàn)邊移動邊滴灌。該移動滴灌系統(tǒng)融合了大型噴灌機與滴灌的技術優(yōu)勢，具有較高的節(jié)水潛力，研究其土壤水分入滲規(guī)律對于設計節(jié)水高效的灌溉系統(tǒng)具有重要意義。為確定移動滴灌管灌水后的土壤濕潤體形狀及土壤水分分布情況，該研究搭建了移動滴灌試驗裝置，設置30、40與50 mm 3種灌水深度進行移動滴灌土箱試驗，同時利用HYDRUS-2D建立移動滴灌條件下的土壤水分運動數(shù)值模型。模擬與實測結果對比表明，所構建模型能較準確地反映移動滴灌的土壤水分運動規(guī)律，土壤剖面中的水分運動均遵循面源入滲模式，灌水后48 h土壤剖面含水率模擬值的標準均方根誤差低于20%，各測點處含水率變化過程模擬的標準均方根誤差值總體低于25%。利用所建模型分析了砂壤土、壤土與粉壤土3種不同的土壤質(zhì)地，20、30與40 mm 3種不同的灌水深度以及0.050、0.075、0.100、0.125與0.150 cm3/cm35種不同的土壤初始含水率對移動滴灌條件下土壤水分入滲規(guī)律的影響。結果表明土壤質(zhì)地對濕潤峰運移距離與濕潤體形狀的影響較大，土壤砂性越強，濕潤體橫截面積越大，可以適應更大的滴灌管安裝間距；對于供試砂壤土而言，增大灌水深度與土壤初始含水率，均可以提高濕潤峰運移距離和灌水均勻性，但會加大深層滲漏風險。該研究結果對于大型噴灌機的移動滴灌系統(tǒng)設計運行具有重要參考價值。

土壤水分；入滲；灌溉；大型噴灌機；壓力補償?shù)晤^；數(shù)值模擬；HYDRUS-2D

0 引 言

中國是農(nóng)業(yè)大國，全國灌溉面積達7 831.5萬hm2[1]，但灌溉水有效利用系數(shù)僅0.568[2]，與世界先進水平的0.7～0.8相比仍有較大差距[3]。在日益嚴峻的農(nóng)業(yè)用水形勢下，人們不斷研發(fā)節(jié)水高效的新型灌溉設備。圓形噴灌機與平移式噴灌機等大型噴灌機因具有灌溉面積大、自動化程度高、地形適應性強以及運行維護保養(yǎng)成本低等優(yōu)勢[4]，在土地開闊連片、田間障礙物少、集約化經(jīng)營程度相對較高的農(nóng)牧業(yè)區(qū)得到了廣泛使用。然而噴灌過程中無法避免蒸發(fā)漂移損失[5]與作物冠層截留[6]，同時灌水質(zhì)量也容易受到風的影響，這些不足在一定程度上阻礙了其在干旱和半干旱地區(qū)的推廣應用，導致個別地區(qū)拆除現(xiàn)有噴灌機而改用滴灌。與噴灌相比，盡管滴灌的灌溉水利用系數(shù)更高，但是對于苜蓿等多年生、多次刈割的大田作物，鋪設地表的滴灌系統(tǒng)（毛管、支管等）容易受到田間作業(yè)機具破壞，而且灌水器堵塞較為嚴重[7-8]，其較高的安裝與運行維護成本也影響其大面積推廣。

為此，國外有學者將現(xiàn)有大型噴灌機上的低壓噴頭改裝為大流量壓力補償?shù)喂喙?，充分利用大型噴灌機的自走特點，通過噴灌機桁架拖拽以適當間距布置的滴灌管在地表移動，形成移動滴灌系統(tǒng)并實現(xiàn)大面積的自動化灌溉。移動滴灌系統(tǒng)融合了大型噴灌機與常規(guī)滴灌系統(tǒng)的技術優(yōu)勢，與低壓噴灌相比，可避免空中的水分蒸發(fā)漂移損失，干旱條件下可降低35%的土面蒸發(fā)[9]，節(jié)水10%～20%[10]，且有效避免噴灌機輪轍處積水和輪胎打滑問題[11]。與常規(guī)的滴灌系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)采用的大流量滴頭不易堵塞[12]，系統(tǒng)投資與運行維護成本較低[10]，尤其是種植高價值、高耗水的作物，其投資回收年限較短[13]。國外田間應用表明，在土豆、高粱、苜蓿以及玉米等作物生產(chǎn)中具有較高的節(jié)水、增產(chǎn)效果[14-16]。

截至目前，有關移動滴灌系統(tǒng)安裝運行參數(shù)設計的研究仍未見報道，而這些參數(shù)又影響著系統(tǒng)的灌水質(zhì)量。移動滴灌管的工作狀態(tài)不同于普通滴灌管，兩者之間的技術參數(shù)存在較大的差異，將傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)的設計方法直接套用到移動滴灌系統(tǒng)中易引發(fā)地表徑流、深層滲漏、灌水均勻性差等問題，不僅降低灌溉水利用系數(shù)，也難以保證作物產(chǎn)量。為保證灌水后土壤水分分布能與作物根系分布相適應，在系統(tǒng)設計過程中需要對移動滴灌條件下的土壤水分入滲規(guī)律進行研究。土箱試驗是研究土壤水分入滲的重要方法，相關學者以此對滴灌系統(tǒng)的土壤水分入滲規(guī)律開展了大量研究[17-19]。但該方法受限于工作量，往往只能揭示單一因素對水分運動的影響規(guī)律，其結果難以直接推廣應用到灌溉系統(tǒng)設計中。將土箱試驗與耗時更短、靈活性更強的數(shù)值模擬相結合，能夠更好地解決實際生產(chǎn)中的復雜問題。HYDRUS-2D是目前較為成熟的土壤水分運移數(shù)值模型，具有較高的模擬精度，能夠適應不同土壤質(zhì)地與滴灌參數(shù)下的水肥運移模擬[20-22]。

因此，為確定移動滴灌管灌水后的土壤濕潤體形狀及土壤水分分布情況，本文通過搭建移動滴灌土壤水分入滲試驗裝置開展土箱試驗研究，并設置30、40與50 mm 3種不同的灌水深度，同時利用HYDRUS-2D建立移動滴灌條件下的土壤水分運動數(shù)值模型。利用試驗結果驗證數(shù)值模型的模擬精度，在此基礎上研究不同灌水深度、土壤質(zhì)地以及初始含水率條件下的移動滴灌土壤水分運動特征，以期為移動滴灌系統(tǒng)的應用設計提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗土壤為砂壤土，取自中國農(nóng)業(yè)大學涿州教學試驗場，取土深度為0～40 cm，土壤干容重為1.5 g/cm3，有機質(zhì)含量為11.56 g/kg。土壤顆粒組成采用MS2000激光粒度儀（英國Malvern公司，測定誤差小于±1%，偏差小于±0.5%）進行分析，粒徑組成如下：0.01～2.00 μm：7.28%；>2.00～50.00 μm：35.07%；>50.00～2 000.00 μm：57.65%。

試驗土壤的van Genuchten模型水力特征參數(shù)如表1。

表1 試驗土壤水力學特征參數(shù)

注：與為土壤水分特征曲線形狀相關的經(jīng)驗常數(shù)。

ote:andare empirical coefficients affecting the shape of soil-water characteristic curve.

1.2 試驗裝置

在大型噴灌機移動滴灌系統(tǒng)中，移動滴灌管由噴灌機主輸水管路供水，并在噴灌機桁架的牽引下邊灌水邊移動。為模擬移動滴灌系統(tǒng)中單根滴灌管的工作狀態(tài)，搭建如圖1所示的試驗裝置，移動滴灌管灌水過程中在試驗裝置的驅(qū)動下在土箱表面移動。試驗裝置由機井供水，經(jīng)CHME5-4SC變頻泵（南方泵業(yè)，中國）加壓，通過調(diào)節(jié)管路中的閘閥可為移動滴灌管提供0.30 MPa的穩(wěn)定試驗水壓。試驗裝置采用伺服電機提供動力，通過減速箱調(diào)整滴灌管移動速度（0～5 m/min），可控制試驗的灌水深度。試驗采用長度為10 m的移動滴灌管（Dragon-Line公司，美國），滴灌管外徑16 mm，滴頭間距為15 cm，內(nèi)置的壓力補償?shù)晤^流量為7.6 L/h。

圖1 試驗裝置示意圖

土箱為長80 cm×寬80 cm×高50 cm的金屬土箱，裝填的土壤高度為45 cm，土箱兩側面上緣設置半徑為5 cm的凹槽供滴灌管通過，使其在灌水過程中能夠緊貼土壤表面。試驗前在土箱內(nèi)測點處埋設12枚土壤水分傳感器（EC-5，美國METER公司，±2%VWC），用以監(jiān)測土壤剖面水分分布的動態(tài)變化。傳感器安裝位置及相應編號如圖2所示，共分3層布置，層間垂直距離10 cm，相鄰傳感器間橫向距離10 cm。假設土壤各向同性，則水分的運動沿滴灌管兩側對稱，因此測點只在滴灌管一側布置。土箱側壁開孔供傳感器數(shù)據(jù)線通過，減少設備對土體以及水分運動的干擾。箱底均勻布設9個直徑為2 cm的排水孔，可避免氣阻現(xiàn)象對水分入滲的影響。

圖2 測點布置示意圖

1.3 試驗內(nèi)容

試驗前將供試土壤充分風干后碾碎并過2 mm篩，每隔5 cm一層按1.5 g/cm3的設計容重將土壤均勻壓實填入土箱，層間打毛，共分9層裝填。填土過程中埋設土壤水分傳感器，土箱裝填完畢后靜置48 h自然沉降，以獲得更為均勻的初始土壤含水率。

參考田間生產(chǎn)管理的經(jīng)驗，對于試驗砂壤土，30～50 mm灌水深度下灌溉水既能覆蓋作物根系所在區(qū)域，又能避免發(fā)生深層滲漏。同時考慮不同灌水深度的梯度處理，試驗設計30、40以及50 mm 3種灌水深度，以此探究不同灌水深度對土壤水分入滲規(guī)律的影響，不同灌水深度對應的試驗裝置行走速度可由式（1）計算。

式中為試驗裝置行走速度，m/min；為移動滴灌管長度，m，本試驗取10 m；為移動滴灌管中單個滴頭的流量，L/h，本試驗為7.6 L/h；為灌水深度，mm；為土箱寬度，本文為80 cm；為移動滴灌管滴頭間距，本文為15 cm；為土壤計劃濕潤比，本文取70%[23]。

試驗過程中測量灌水后土表的積水寬度，作為數(shù)值模擬中入滲邊界寬度。灌水結束后用保鮮膜覆蓋土箱上表面，盡可能減小土表蒸發(fā)對試驗結果的干擾。土壤水分傳感器每隔5 min采集一次所在測點的土壤體積含水率，直至試驗開始后48 h停止采集，每組試驗共采集576 組土壤含水率實測值。

1.4 數(shù)值模擬

1.4.1 數(shù)學模型

依據(jù)非飽和土壤水動力學理論，假設土壤為質(zhì)地均勻且各向同性的剛性多孔介質(zhì)，不考慮作物根系的吸水過程，則在二維土壤剖面上水分的運動可由簡化后的Richards方程[24]描述如下：

式中為橫坐標，cm；定義垂直向上為軸正方向，為土壤體積含水率，cm3/cm3；為時間，h；()為土壤非飽和導水率，cm/h；Ψ為土壤基質(zhì)勢，cm。土壤基質(zhì)對水分吸持作用的大小與土壤的含水率有關，此處兩者的關系以及土壤水分特征曲線采用van Genuchten模型進行描述。

式中S為表征土壤有效飽和度的無量綱數(shù)；θ為殘余土壤含水率，cm3/cm3；θ為飽和土壤含水率，cm3/cm3；K為飽和導水率，cm/h；為土壤孔隙彎曲度因子；、與為土壤水分特征曲線形狀相關的無量綱經(jīng)驗常數(shù)，且有=1/。

1.4.2 定解條件

移動滴灌數(shù)值模型的計算域為長80 cm、深45 cm的土壤剖面（如圖3），對應土箱試驗中傳感器所在的土壤剖面。初始條件為土壤剖面的初始含水率（式（5）），0取試驗開始前各傳感器讀數(shù)的平均值。忽略土表面蒸發(fā)，則上邊界AB與CD（式（6））以及左右兩側邊界（式（7））均可設置為零通量邊界，下邊界由于土箱底部存在排水孔可設置為自由排水邊界（式（8））。上邊界BC在灌水過程中為入滲邊界，寬30 cm，深3 cm，對應移動滴灌管在灌水過程中給土壤上表面造成的凹坑，假設積水寬度等于邊界寬度，采用第二類邊界條件，入滲通量由滴灌管流量與積水面積之比求得（式（9）～式（10））。

初始條件可描述為

邊界條件描述如下：

式中和分別為單位法向量在x和z方向上的分量；Jw為入滲通量，cm/min；LBC為入滲邊界BC的寬度，cm。

1.4.3 統(tǒng)計分析

在求解區(qū)域中的對應位置設置觀測點，獲取該處不同時刻的土壤體積含水率，與土箱試驗的實測值進行對比，采用均方根誤差（RMSE）、標準均方根誤差（NRMSE）、平均絕對誤差（MAE）以及納什效率系數(shù)（NSE）評價模型模擬結果的準確性與可靠性[25]。RMSE與NRMSE可衡量模型模擬值與試驗實測值的絕對誤差與相對誤差，其值越小表明模擬精度越高，NRMSE值低于30%可認為模擬結果可靠。MAE數(shù)值越接近于0，表明數(shù)值模擬精度越高。NSE常用于評價水文模型模擬結果的優(yōu)劣，NSE值越接近1表明模型質(zhì)量越高，模擬值接近觀測值，大于0.5可認為模擬結果令人滿意[26]，遠小于0則表明模型模擬結果不可信。

1.4.4 影響因素模擬

土壤水分入滲規(guī)律及灌水后濕潤體的特征主要受到土壤性質(zhì)與灌水技術要素的影響[27]，土壤質(zhì)地、灌水深度與土壤初始含水率都是其中的重要影響因素[28-30]，很大程度上決定了移動滴灌系統(tǒng)的水力設計以及灌溉決策。為對比分析這3種影響因素對移動滴灌條件下土壤水分入滲的影響，在數(shù)值模型中設置了3種土壤質(zhì)地（砂壤土、壤土與粉壤土）、3種工程應用中常見的灌水深度（20、30與40 mm）以及5種土壤初始含水率（0.050、0.075、0.100、0.125與0.150 cm3/cm3）進行數(shù)值模擬計算。砂壤土、壤土與粉壤土在干旱和半干旱地區(qū)均有較廣的分布，且3種土壤之間飽和導水率、飽和含水率、田間持水量以及孔隙度等參數(shù)存在較大差異，選擇這3種土壤進行分析，不僅能夠較好地反映干旱和半干旱地區(qū)不同的土壤質(zhì)地情況，也能為粒徑分布相近的土壤提供參考。土壤初始含水率設置則參考了田間生產(chǎn)管理的經(jīng)驗，0.150 cm3/cm3以上的土壤初始含水率往往超過灌水下限，不會觸發(fā)灌溉，而土壤含水率低于0.050 cm3/cm3時將嚴重影響作物正常生長。

2 結果與分析

2.1 移動滴灌土壤水分運動數(shù)值模型的驗證

2.1.1 土壤水分分布模擬

圖4為灌水24與48 h時3種灌水深度下各測點體積含水率的模擬值與傳感器實測值對比。由圖4可知，含水率實測值與模擬值為坐標的點均分布在1∶1線附近，模型模擬結果與試驗一致性較好。統(tǒng)計分析可知，各工況下模型的RMSE值均不大于0.044 cm3/cm3，NRMSE值均不大于28.92%，NSE值不低于0.793，均表明模型能夠準確描述移動滴灌條件下土壤剖面的水分分布，此結果與KANDELOUS等[31-32]學者的研究接近。

此外，灌水24、48 h的土壤含水率實測值與模擬值間的RMSE值分別為0.020～0.044 cm3/cm3與0.018～0.026 cm3/cm3，NRMSE值分別為14.58%～28.92%與11.87%～19.56%，MAE值則分別為0.012～0.030 cm3/cm3與0.012～0.019 cm3/cm3，土壤水經(jīng)過48 h再分布后，濕潤體內(nèi)的水分運動趨于穩(wěn)定，土壤水分分布受土箱裝填不勻引入的影響減小，故模擬誤差降低，這也表明數(shù)值模型能更準確地預測此時土壤水分的分布。

注：SRMSE為均方根誤差；SNRMSE為標準均方根誤差；SMAE為平均絕對誤差；SNSE為納什效率系數(shù)。

圖5展示了3種灌水深度工況下灌水48 h土壤含水率模擬值與實測值的偏離情況，可以看出3種工況下10 cm深度處橫向距離較小的測點含水率實測值均大于模擬值，其中橫向距離為10 cm的測點偏差最為明顯。產(chǎn)生誤差的原因可能是移動滴灌管與土壤的相對運動以及滴頭水流的擾動會使土壤表面產(chǎn)生形狀不規(guī)則的凹坑并形成積水，該處的土壤結構更為復雜。此外，數(shù)值模擬時為易于求解，將上邊界近似處理為形狀光滑的通量邊界，并假定土質(zhì)均勻且各向同性，這些假定在實際情況中顯然并不成立。在灌水結束后凹坑中被水流帶起的細小土壤顆粒將重新沉淀干燥，降低了該處的土壤孔隙度，減緩了水分下滲，并影響后續(xù)土壤水的再分布過程。隨著橫向距離與垂直距離增大，由入滲邊界引入的誤差逐漸變小，模擬值與擬合曲線吻合良好。

2.1.2 土壤水分運移動態(tài)模擬

土壤水分傳感器每5 min采集一組實測值，同時數(shù)值模型輸出相應時間的模擬值。分析3種工況下12個測點處含水率模擬值與實測值間的誤差（表2），除靠近濕潤體邊界處的個別測點外，模型對48 h內(nèi)含水率變化過程的模擬NRMSE值總體低于25%，SRMSE值低于0.05 cm3/cm3，表明HYDRUS-2D模型對濕潤體內(nèi)各處土壤含水率的動態(tài)變化能進行較精確的模擬。而在3種工況下，模型均難以準確描述濕潤體邊界附近的含水率變化（如灌水深度40 mm工況下的測點8、10、11與12），誤差較大的主要原因可能是濕潤峰兩側具有較高土壤含水率梯度，濕潤體邊界附近測點的土壤含水率在大部分時間處于較低初始值，在土壤水分的再分布結束前迅速升高。這一過程受數(shù)值模擬中對土壤物理性質(zhì)及邊界條件的簡化處理影響，難以準確描述。同時，RMSE值對異常值敏感，較低含水率實測值均值使NRMSE值進一步偏大?？傮w而言，HYDRUS-2D模型能夠較好地描述土壤剖面中水分的動態(tài)變化，分析移動滴灌系統(tǒng)灌水下土壤水分運移規(guī)律的結果是可信的。

注：θ為土壤體積含水率，y為垂直距離，即土壤深度。

表2 各測點土壤含水率統(tǒng)計

注：“-”，該測點處模擬值與實測值在48 h內(nèi)均未發(fā)生變化。

Note: “-”, the simulated and measured values at that position have not changed within 48 h.

2.2 移動滴灌土壤水分運移規(guī)律

試驗的滴頭流量為7.6 L/h，遠大于常見的滴頭流量，灌水后濕潤體的形狀與濕潤體內(nèi)水分的分布也與普通滴灌系統(tǒng)存在差異。受篇幅所限，本文僅以灌水量30 mm、土壤初始含水率為0.15 cm3/cm3的工況為例，分析移動滴灌條件下土壤水分的動態(tài)分布。圖6展示了不同時刻垂直于滴灌管移動方向的土壤剖面中含水率的分布情況。灌水過程中滴灌管產(chǎn)生的積水使水分的入滲模式有別于傳統(tǒng)滴灌所遵循的線源入滲，整體呈面源入滲。在灌水結束時，土壤剖面中存在一個扁橢圓狀的飽和區(qū)，此時濕潤鋒的橫向和垂直運移距離分別為22.05與15.60 cm，濕潤體內(nèi)的土壤基本達到飽和。灌水結束后，飽和區(qū)內(nèi)的水分在較大水勢梯度的驅(qū)動下迅速向四周擴散，濕潤體在這一過程中迅速擴大。灌水結束6 h后，濕潤鋒的橫向與垂直運移距離分別達27.03與22.18 cm，由于濕潤體內(nèi)外土壤含水率梯度的不斷降低，濕潤鋒的橫向運移速度逐漸減緩，土壤水在重力作用的主導下繼續(xù)向下運移。經(jīng)過48 h的再分布后，土壤剖面中的濕潤體最終接近半圓形，濕潤峰橫向與垂直運移距離分別為32.78與30.48 cm。

注：x為離土箱左邊界的距離。

移動滴灌系統(tǒng)灌水過程中短暫存在的地表積水使?jié)駶欝w的橫向運移距離相較傳統(tǒng)滴灌更大，在實際生產(chǎn)中這將有利于相鄰兩滴灌管產(chǎn)生的濕潤體更快地交匯融合并形成濕潤帶[32]，進而使水平方向的土壤含水率在水分再分布中趨于均勻，以滿足小麥、苜蓿等平播作物的灌水需要。

2.3 影響因素模擬分析

2.3.1 土壤質(zhì)地

設置20 mm灌水深度與0.15 cm3/cm3的初始含水率，研究不同土壤質(zhì)地對土壤水分入滲規(guī)律的影響。模擬砂壤土與土箱試驗一致，土壤水力學特征參數(shù)見表1。壤土與粉壤土的水力學特征參數(shù)則來自CAESEL等[33]的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖7為灌水后48 h滴灌管一側土壤剖面的水分分布，灌溉水的分布在不同質(zhì)地的土壤下存在較大差異。土壤質(zhì)地越粗，濕潤體面積越大，濕潤體內(nèi)的平均含水率越低；而土壤質(zhì)地越細，土壤水的運移距離越短，濕潤體內(nèi)平均含水率越高。在數(shù)值模擬中，相同條件下砂壤土和壤土的濕潤體截面積分別為粉壤土的2.03與1.37倍，砂壤土、壤土與粉壤土入滲邊界附近的土壤體積含水率分別為0.229、0.252與0.291 cm3/cm3。

表3 土壤水力學特征參數(shù)

注：變量含義見表1。

Note: Contents of variables are shown in Table 1.

圖7 不同質(zhì)地的土壤在初始含水率0.15 cm3·cm-3和灌水深度20 mm條件下灌水后48 h的土壤剖面含水率空間分布

相同初始含水率條件下灌水后土壤水分分布的差異與土壤的機械組成有關，不同質(zhì)地的土壤具有不同的孔隙尺度與分布[34]，在相同初始含水率下具有不同的基質(zhì)勢，土壤水運動的驅(qū)動力也因此存在差異。土壤質(zhì)地越黏重，黏粒含量越高，土壤中的細小孔隙越多，孔隙的連通性越差[35]，相同含水率下土壤基質(zhì)對土壤水的吸力越大，此時毛細作用在土壤水的運動中占主導地位，濕潤鋒向各個方向的運移距離相近，濕潤體形狀在土壤水再分布過程中變化不大。而砂性較強的土壤孔隙直徑普遍更大，土壤對水分的吸持作用較弱，土壤水更傾向于在重力作用下向下運移，在再分布過程中濕潤鋒向下運移的距離也更大，濕潤體形狀逐漸由扁橢圓形變?yōu)榘雸A形。

土壤質(zhì)地是移動滴灌系統(tǒng)設計中考慮的主要因素，對于質(zhì)地黏重的土壤應采用較小的滴灌管布置間距以及較大的灌水深度，以提高灌水均勻性并減少頻繁灌水帶來的土表蒸發(fā)。質(zhì)地較粗的土壤則可以使用較大的滴灌管安裝間距以降低安裝成本，但需要注意避免單條滴灌管控制灌溉面積過大引發(fā)深層滲漏。對于砂壤土，模擬條件下土壤水分的橫向運移距離可達40 cm，為使相鄰滴灌管產(chǎn)生的濕潤峰恰好能夠互相融合，形成濕潤帶整體向下入滲，同時盡可能降低系統(tǒng)成本，建議采用75 cm的滴灌管安裝間距，可在灌水質(zhì)量與成本控制之間取得較好的平衡。

2.3.2 灌水深度

圖8對比了初始含水率為0.15 cm3/cm3的砂壤土在不同灌水深度下灌后48 h土壤剖面中的水分分布情況。可以看出，灌水深度越大，相同位置處的土壤含水率越高，同時濕潤鋒運移距離越遠。40 mm灌水深度與30及20 mm灌水深度相比，濕潤鋒橫向運移距離分別提高9.66%與21.01%，垂直運移距離分別提高了11.09%與27.69%。相較于水平方向，灌水深度的增加對垂直方向上的濕潤鋒運移距離影響更大，對于砂壤土來說，更大的灌水深度雖然能夠提高灌水均勻性，但也存在較大的滲漏風險。

灌水深度的增大能夠明顯提高灌水結束后土壤剖面各處的含水率，但并未對濕潤體的形狀造成影響，表明設計合理的移動滴灌系統(tǒng)在生產(chǎn)中根據(jù)作物需要對灌水深度進行調(diào)整并不會影響灌水質(zhì)量。砂性土壤在進行移動滴灌時應少量多次地進行灌溉，以避免灌水深度過大引起深層滲漏。

2.3.3 土壤初始含水率

以砂壤土為例，灌水深度為30 mm時不同土壤初始含水率條件下土壤水分的分布情況如圖9所示。土壤初始含水率的增加會降低土壤基質(zhì)的吸力與濕潤體內(nèi)外的水勢梯度，導致土壤水運移的驅(qū)動力降低。但由于土壤的非飽和導水率與土壤含水率呈正相關，非飽和導水率的增加意味著灌溉水在初始含水率更高的土壤中運動阻力更低，土壤水分能更快地運移[36]。從結果來看，土壤初始含水率越高，濕潤鋒運移距離越遠，相鄰兩濕潤體可以更快地交匯融合，該結果也與聶衛(wèi)波等[37]的研究一致。但由于砂壤土持水能力較弱，初始含水率對灌水后濕潤體內(nèi)的土壤含水率影響較小。

圖8 初始含水率0.15 cm3·cm-3的砂壤土在不同灌水深度下灌后48 h的土壤水分分布

圖9 灌水深度為30 mm時砂壤土在不同初始含水率條件下灌水后48 h的土壤水分分布

土壤初始含水率對水分入滲的影響會因土壤質(zhì)地的不同而存在明顯差異[34]，因此在實際生產(chǎn)實踐中應針對當?shù)氐耐寥罈l件制定合理的灌溉策略，尋找最佳的灌水下限，以兼顧灌水均勻性與灌溉水利用效率。對于砂壤土，以0.150 cm3/cm3作為灌溉的初始含水率將頻繁觸發(fā)灌溉，而低于0.100 cm3/cm3的土壤初始含水率濕潤峰運移距離較短，難以保證灌水均勻性，建議以土壤含水率0.125 cm3/cm3作為灌水下限為宜，此時灌水可使?jié)駶櫡瀚@得較遠的橫向運移距離，同時避免灌溉頻率過高。

3 討 論

數(shù)值模擬與試驗結果具有較高的一致性，表明模型精度良好，在此基礎上進一步模擬研究不同土壤質(zhì)地、灌水深度以及土壤初始含水率對移動滴灌系統(tǒng)灌水下土壤水分運動的影響。然而，土壤水分的入滲過程還會受到土壤結構、容重、作物根系以及灌溉系統(tǒng)的灌水參數(shù)等諸多因素的影響，且各個因素往往相互耦合，共同影響水分入滲結果[18]，因此準確預測灌水后土壤剖面的水分分布較為困難。

在數(shù)值模擬中，如果邊界條件設置不能準確反映實際情況將給模擬結果帶來較大的誤差。圍繞滴灌開展的土壤水分入滲數(shù)值模擬研究常在計算域中將滴頭近似為一個點源，俞明濤等[32,38]均以這種方法取得了較高的模擬精度。然而移動滴灌系統(tǒng)滴頭流量大且滴頭間距小，灌水過程中會在土壤表面產(chǎn)生積水，采用點源入滲進行描述顯然不合適。此外，由于HYDRUS-2D模型的邊界長度與邊界形狀均無法隨時間變化，在描述積水時還需要對邊界條件進行一定的簡化。李久生等[22,39]假設積水深度與積水區(qū)域半徑在模擬過程中不發(fā)生變化，通過測量積水的深度定義入滲邊界的水勢。但移動滴灌系統(tǒng)灌水時間短，積水存在的時間遠低于上述學者所討論的情況，若假設灌水過程中積水深度穩(wěn)定將會造成較大誤差。因此本文參考了AZAD等[40-41]學者的方法，假設積水區(qū)域面積不變，灌水過程中土體增加的水量近似為移動滴灌管的灌水量。這種做法在地勢平坦、不易產(chǎn)生徑流的情況下能夠準確地反映土壤剖面所接受的實際灌水量，也便于對曲線邊界進行定義，與試驗結果對比可以看出，這種處理方法具有較高的模擬精度。但在實際移動滴灌過程中，由于滴灌管與土壤的相對運動，土表積水區(qū)域存在較為復雜的水流運動與土壤結構，目前的模型仍無法對此進行描述。在今后的研究中還需要完善邊界條件的設置，同時在算法上優(yōu)化求解過程，以進一步提高模擬精度。

另一方面，移動滴灌系統(tǒng)由于其滴灌管具有局部灌溉的特點，能夠避免噴灌過程中的蒸發(fā)漂移及冠層截留損失，在大風天氣下保證灌水質(zhì)量，并避免噴灌機輪轍處積水造成輪胎打滑，可有效降低運行管理成本。但這一特點也對移動滴灌系統(tǒng)的設計提出了更高的要求，過大的滴灌管安裝間距難以保證橫向灌水均勻性，而過小的滴灌管安裝間距除了增加系統(tǒng)安裝成本外，還可能引起地表徑流，滴灌管也更容易與作物發(fā)生纏繞。受試驗條件限制，本文并未討論多滴灌管組合布置的情況，而多條滴灌管組合布置下的土壤水分運移規(guī)律對于討論移動滴灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量及水力設計參數(shù)更具有參考意義。此外，由于實際田間條件中土壤具有較強的各向異性，作物根系會吸收土壤水分，使得土壤水分的運動與分布變得更為復雜。受工作量限制，本文提出的數(shù)值模型僅針對均質(zhì)砂壤土進行了試驗驗證，該模型在不同土壤類型下是否具有較強的通用性仍有待確認。

在今后的研究中，還應開展移動滴灌系統(tǒng)的田間試驗，定量分析移動滴灌的節(jié)水效益，并討論該系統(tǒng)與噴灌相比能否提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)以及灌溉水利用系數(shù)。通過經(jīng)濟性分析尋找適合應用移動滴灌的大型噴灌機工作參數(shù)與種植作物，同時將數(shù)值模擬與移動滴灌系統(tǒng)的水力設計及灌溉決策制定相結合，更好地為大型噴灌機移動滴灌系統(tǒng)的推廣應用提供技術支撐。

4 結 論

本文通過搭建移動滴灌試驗裝置開展了3種不同灌水深度下的土壤水分入滲土箱試驗，并利用HYDRUS-2D建立移動滴灌土壤水分運動數(shù)值模型，通過試驗結果驗證數(shù)值模型的模擬精度，并在此基礎上研究了不同灌水深度、土壤質(zhì)地以及初始含水率條件下的移動滴灌土壤水分運動特征，結論如下：

1）通過移動滴灌土箱試驗驗證HYDRUS-2D模型能夠較為準確地模擬移動滴灌條件下的土壤水分運動，模擬與試驗所呈現(xiàn)的規(guī)律基本吻合。灌水后48 h時土壤剖面含水率的模擬標準均方根誤差值不高于19.56%，濕潤體內(nèi)含水率變化過程的模擬標準均方根誤差值總體低于25%。

2）移動滴灌大流量滴頭土壤水分的入滲規(guī)律不同于傳統(tǒng)滴灌所呈現(xiàn)的線源入滲，更接近面源入滲模式，濕潤體截面呈扁橢圓形。這一規(guī)律有利于相鄰滴灌管產(chǎn)生的濕潤體更快地交匯融合，令整個土壤剖面的含水率趨于均勻。

3）通過數(shù)學模型模擬了移動滴灌條件下不同土壤質(zhì)地、灌水深度以及土壤初始含水率3種因素對土壤水分入滲規(guī)律的影響。土壤質(zhì)地越粗，濕潤體面積越大，濕潤體內(nèi)的平均含水率越低；灌水深度越大，灌水結束后土壤剖面各處的含水率越高，但灌水深度不會對濕潤體的形狀造成明顯影響；土壤初始含水率越高，濕潤鋒運移距離越遠，相鄰兩濕潤體能夠更快地交匯融合。模擬結果可為移動滴灌系統(tǒng)在不同土壤條件下安裝間距的選擇以及灌水下限、灌水深度的確定提供理論依據(jù)。對于砂壤土，推薦采用75 cm的滴灌管安裝間距，當土壤含水率接近0.125 cm3/cm3時開始灌溉，同時應少量多次灌水，以避免深層滲漏。

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Experiments and numerical simulations of soil water movement under mobile drip irrigation system

ZHANG Haohui1, YAN Haijun1,2※, HUI Xin1, ZHAO He1, WANG Wentao1, GUO Hui1

(1.,,100083,; 2.-,,100083,)

The low-pressure sprinklers have to be modified to replace the high flow rate pressure-compensating driplines at a certain spacing, in order to reduce the wind drift and evaporation loss of large-sized sprinkler irrigation machines. This mobile drip irrigation (MDI) system can be used to realize drip irrigation when moving, due to the self-propelled characteristics of the irrigation machines. This system can be utilized to combine the center pivot and drip irrigation, leading to a large coverage area of irrigation, high automation, low evaporation and drift losses. It is necessary to optimize the design parameters for the soil water infiltration under mobile drip irrigation. Therefore, laboratory experiments were carried out with the MDI test system. The mobile dripline was dragged and moved on the soil surface of a lysimeter. EC-5 soil moisture sensors were installed in the lysimeter to detect the dynamic change of the soil water contents at observation points. The irrigation depth was controlled to adjust the speed of the dripline. Three irrigation depths were set as 30, 40, and 50 mm. A numerical model was established to improve the soil water infiltration and redistribution under MDI using HYDRUS-2D software. The comparison between the simulated and the measured data showed that the water movement in the soil profile under MDI was followed by the non-point source infiltration model, indicating the better agreement of the model with the measured. The NRMSE value of simulated water distribution in the soil profile was less than 20%, while the simulated water content change in the wetting body was generally lower than 25%, indicating the high accuracy of the model. HYDRUS-2D model was used to clarify the influences of three soil textures (sandy loam, loam, and silty loam), three irrigation depths (20, 30, and 40 mm), and the five initial soil water contents (0.050, 0.075, 0.100, 0.125, and 0.150 cm3/cm3) on the soil water movement under MDI. The HYDRUS-2D performed better to simulate the soil water distribution after irrigation under the MDI system. The simulation results show that the soil texture posed a great impact on the shape and size of the wetting body. Specifically, the stronger the soil sandiness was, the larger the wetting front transport distances were, suitable for the larger installation spacing of driplines. However, much attention should be paid to avoiding the deep percolation of the soil with a coarser texture. In addition, the root distribution of crops should be considered, when designing an irrigation system, or a smaller dripline spacing should be used for the finer soil texture. Therefore, the high irrigation depth and the initial soil water content can be expected to increase the transport distance of the wetting front in the tested sandy loam. As such, irrigation uniformity can be improved to overcome the greater risk of deep percolation. These findings can offer practical significance for the decision-making on the mobile drip irrigation system.

soil moisture; infiltration; irrigation; large-sized sprinkler irrigation machine; pressure-compensating emitter; numerical simulation; HYDRUS-2D

10.11975/j.issn.1002-6819.202209084

S275.6

A

1002-6819(2023)-06-0158-11

張顥暉，嚴海軍，惠鑫，等. 移動滴灌系統(tǒng)土壤水分入滲試驗與數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2023，39(6)：158-168.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209084 http://www.tcsae.org

ZHANG Haohui, YAN Haijun, HUI Xin, et al. Experiments and numerical simulations of soil water movement under mobile drip irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 158-168. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209084 http://www.tcsae.org

2022-09-11

2023-02-20

國家牧草產(chǎn)業(yè)技術體系項目（CARS-34）；河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系草業(yè)創(chuàng)新團隊專項資金資助項目（HBCT2018160202）；國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD1300804）

張顥暉，博士生，研究方向為節(jié)水灌溉技術與裝備。Email：971029710@qq.com

嚴海軍，教授，博士生導師，研究方向為節(jié)水灌溉技術與裝備。Email：yanhj@cau.edu.cn