何 靖, 白 丹, 郭 霖, 王新端

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 西安 710048)

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豎管地下灌溉粉質(zhì)壤土入滲濕潤體的試驗研究

何 靖, 白 丹, 郭 霖, 王新端

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 西安 710048)

豎管灌水器是一種在低壓(0.6～2.0 m)狀況下對作物進行根部地下灌溉的新型灌水技術(shù)的核心部件。為了研究該灌水器在不同影響因素不同組合情況下濕潤體特征參數(shù)值的變化，為豎管灌水器的進一步研究提供借鑒。試驗采用正交試驗設(shè)計安排了9組試驗對壓力水頭、土壤初始含水率、豎管灌水器的豎管直徑和土壤容重(每個因素取3個水平)4個因素進行了室內(nèi)試驗研究。入滲試驗7 h之后獲得的結(jié)果表明：濕潤體的濕潤半徑大小排序為Y負(fù)≥X≥Y正，濕潤體的含水率分布在水平方向呈現(xiàn)為圓形擴散，而豎直方向呈現(xiàn)為橢圓形擴散，表明重力對水分入滲有一定的影響。豎管地下灌溉濕潤體平均含水率變化范圍為7.5%～33.3%，能夠更好地滿足不同作物的需水要求。

豎管灌水器; 濕潤體; 地下灌溉; 含水率; 正交試驗

豎管灌水器是豎管地下灌溉技術(shù)的核心部件，在灌水系統(tǒng)工作時，豎管灌水器埋于地下，下端敞口處與土壤接觸形成一個水土接觸面[1]，水分經(jīng)此接觸面進入土壤，作用到作物的根系活動土層，為作物提供生長所需的水分；該灌水器技術(shù)的灌水壓力為0.6～2 m，有效的減少了地下灌溉的能源消耗；豎管灌水器的豎管有一定的長度且其直徑較大(4，8，12 mm)，在灌水結(jié)束時可以允許少量的土壤淤積，能夠很好防止灌水器的堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。豎管灌水器入滲研究來源于國家自然科學(xué)基金資助項目《豎管地下灌溉毛管水力特性及土壤水分布對土壤空間變異的動態(tài)響應(yīng)》。地下灌溉濕潤體的特征值的變化規(guī)律和定量化解法，是特定的灌水技術(shù)進行灌溉系統(tǒng)設(shè)計和對作物需水量的供給進行管理的基礎(chǔ)[2]。近年來，國內(nèi)外大量的學(xué)者對滴灌[3-8]、膜孔灌[9-11]、無壓灌溉[12-13]、負(fù)壓灌溉[14-15]、微潤灌溉[16-17]條件下，土壤濕潤體的特征進行了研究。趙穎娜等[18]研究了不同流量和不同歷時入滲情況下，土壤濕潤體的特征變化，研究結(jié)果表明入滲時間與濕潤體的擴散距離為顯著的冪函數(shù)關(guān)系，濕潤體的體積和含水率的分布受灌水器流量控制。王超等[19]研究了地下滴灌條件下，不同滴頭流量和灌水量對濕潤體特性的影響，流量和灌水量都選取了3個水平進行了研究，結(jié)果表明濕潤峰的運移與流量的時間之間為正相關(guān)關(guān)系。王平等[20]研究了不同流量和濕潤比條件下濕潤體特性的變化，采用2種流量和3種濕潤比進行了研究，研究結(jié)果表明濕潤體的體積變化與時間成線性變化關(guān)系，大流量條件下的濕潤體的濕潤比大，灌水均勻度高?，F(xiàn)有的對單點源入滲的濕潤體特性研究大多集中在流量、灌水歷時、灌水量等因素方面，豎管灌水器地下灌溉作為一種新型的地下灌溉技術(shù)，本試驗在壓力水頭、豎管灌水器的豎管直徑、土壤初始含水率和土壤容重變化的情況下，初步研究該灌水器的濕潤體特性。

1 試驗方案與裝置

1.1 試驗方案

參照地下滴灌的入滲試驗，本試驗選定壓力水頭、豎管灌水器的豎管直徑、土壤初始含水率和土壤容重4個因素為初步試驗因素，每個因素選取3個水平進行室內(nèi)試驗。試驗中，水土接觸面埋深均為20 cm。在本次試驗中，每組入滲試驗的入滲時間均為7 h，試驗安排見表1。

1.2 試驗土壤

本次試驗采用的試驗用土取自西安周邊，用MS2000型激光分析粒度儀測定其顆粒級配，為粉質(zhì)壤土。該土壤顆粒粒徑小于0.001的含量為3.817%，小于0.005的含量為19.857%，小于0.01的含量為34.065%，小于0.1的含量占到總量的99.868%，小于0.2的含量為99.997%。

1.3 試驗裝置

試驗裝置主要由馬氏瓶(7×6×60 cm長×寬×高)、試驗土箱(四周為10 mm鋼化玻璃，底部為5 mm鋼板，尺寸：長41 cm×寬31 cm×高55 cm)、鐵架及核心部件豎管灌水器(豎管直徑分別為4，8，12 mm)。

表1 試驗方案

1.4 數(shù)據(jù)記錄

土壤濕潤體含水率分布測量：以水土接觸面為參考平面，建立直角坐標(biāo)系，豎直方向為Y軸，水平方向為X軸。試驗結(jié)束后，將濕潤體取出，以Y軸為對稱軸從上向下將濕潤體剖開，用直尺測量豎直和水平方向的濕潤半徑，其中Y軸測量水土接觸面上下兩邊的濕潤半徑；由于水平方向濕潤面為圓，以直徑為軸兩邊對稱，故只測一邊濕潤半徑。在坐標(biāo)軸上每隔2 cm取一個點(不足2 cm的按照所余距離取最后一點)，取一定量的土壤用烘干法測量其土壤含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素顯著性分析

2.1.1 直觀分析 數(shù)據(jù)的直觀分析，應(yīng)用Excel 2010軟件進行，獲得的直觀分析結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，壓力水頭的極差值最大，表明壓力水頭對豎管灌水器累計入滲量的影響程度最大；土壤容重的極差值最小，表明其對累計入滲量的影響程度最小；豎管直徑和土壤初始含水率的極差值介于上述二者之間，表明對累計入滲量有一定的影響程度，且豎管直徑的影響程度大于土壤初始含水率的影響程度。

2.1.2 方差分析 根據(jù)正交試驗的方差分析，將極差值最小的因素作為誤差項進行處理，獲得方差分析結(jié)果(置信度為95%)見表3。

由表3中的結(jié)果可以看出：在置信度為95%的情況下，只有壓力水頭呈顯著性，其余兩個因素呈非顯著性，豎管灌水器的豎管直徑的影響作用大于土壤初始含水率(F比值大小不同)，表明壓力水頭對豎管灌水器入滲影響起到?jīng)Q定性作用。

表2 直觀分析值

注：表2中，Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj表示表示各因素在每一水平下的平均累計入滲量。

表3 方差分析值

注：F0.05(2,2)=19。

2.2 濕潤體含水率分析

根據(jù)表1安排的試驗方案，進行室內(nèi)試驗，獲得因素不同組合情況下濕潤體X軸和Y軸的濕潤半徑，見表4。

表4 濕潤體半徑 cm

試驗結(jié)束后，測得不同試驗組中濕潤體不同位置的含水率。表5中給出了部分試驗方案的濕潤體含水率。

由表4和表5中的數(shù)據(jù)可以看出：距水土接觸面的濕潤半徑：X軸濕潤半徑大于Y正濕潤半徑、小于Y負(fù)濕潤半徑；土壤濕潤體含水率的變化：隨Y軸和X軸半徑土水結(jié)合面濕潤半徑越遠(yuǎn)，濕潤體土壤含水率越?。凰质苤亓τ绊?，Y負(fù)方向的入滲驅(qū)動力略大于正向，使?jié)駶欝wY負(fù)方向略凸出，濕潤半徑增大。

表5 濕潤體不同點含水率

注：表中距離為距水土接觸面的距離,水土接觸面處探頭計入X軸。

由表5可以看出，水土接觸面處的含水率最大，并在水土接觸面周圍形成一個土壤含水率趨于飽和[21-22]的飽和帶，在該過程中灌溉水受基質(zhì)勢和壓力勢的共同作用，基質(zhì)勢的作用逐漸減小，壓力勢的作用逐漸增大；當(dāng)土壤達到飽和含水率時，基質(zhì)勢為零，此時灌溉水入滲主要受壓力勢的作用。隨著入滲時間的不斷增大，土壤含水率飽和圈逐漸增大，水分向周圍土壤的擴散速度逐漸減小，最終趨于一個穩(wěn)定值。此時，濕潤體與試驗用土壤產(chǎn)生的接觸面處，土壤含水率產(chǎn)生跳躍式減小，形成一層干濕交接面。

濕潤體含水率的減小在水平方向即X軸上，呈對成型減小，即水平向上的含水率變化呈現(xiàn)圓環(huán)式減?。回Q直方向即Y軸上，其正向含水率減小略小于負(fù)向減小，即相同距離時，正向點上的含水率略大于負(fù)向點上的含水率，而負(fù)向的濕潤半徑略大于正向的濕潤半徑。

微潤灌溉現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于實際生產(chǎn)中[23]，濕潤體的平均含水率變化范圍為5%～25.1%[15]；豎管地下灌溉濕潤體的平均含水率分別為33.3%，13.4%，10.5%，7.5%，12.0%，18.6%，26.0%，21.0%和20.0%，可變范圍較之微潤灌溉略大，為7.5%～33.3%，表明豎管地下灌溉入滲累計入滲量的變化范圍大，是可行的。在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)作物的不同需水要求進行調(diào)控，盡可能的滿足作物對水分的不同需求。

3 結(jié) 論

(1) 壓力水頭對豎管地下灌溉入滲有顯著性影響，豎管管徑次之，其次為土壤初始含水率、土壤容重；

(2) 豎管地下灌溉粉質(zhì)壤土濕潤體含水率的分布在水平方向呈現(xiàn)為圓環(huán)式濕潤鋒，豎直方向上：正向減小略慢于負(fù)向，呈現(xiàn)出類橢圓形濕潤鋒，濕潤半徑大小排序：Y負(fù)≥X≥Y正；

(3) 豎管地下灌溉濕潤體的平均含水率變化范圍大于微潤灌溉，為7.5%～33.3%，表明豎管地下灌溉入滲累計入滲量的變化范圍大，能夠?qū)崟r調(diào)控滿足作物對水分的不同需求。

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Study on Wetted Volume of Silt Loam Under Sub-irrigation with Vertical Tube Emitter

HE Jing, BAI Dan, GUO Lin, WANG Xinduan

(InstituteofWaterResourcesandHydroelectricEngineering,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China)

Vertical tube emitter as a new sub-irrigation emitter which works under a low pressure head (0.6～2.0 m) for the root system growth zone, studying its infiltration characteristic is a necessary. The orthogonal experimental design was adopted to arrange the influence factors including pressure head， initial soil moisture content， diameter of vertical tube and soil bulk density to Table L9(34) of orthogonal experimental design (all the factors have 3 levels) and to study the characteristic parameters of wetted soil volume under sub-irrigation with vertical tube emitter, all the test followed the same study time (7 h). After the test, the radius of wetted soil volume had been measured by getting it out of the soil box and it was a whole because of the matrix potential. The radius of soil wetted volume was measured by manual inspection, the soil wetted volume was divided into 2 sections along axisY. Then, the interval was marked as 2 cm for a test point to collect little wetted soil, oven drying method was used to measure the soil moisture content. The results pointed out that the order of radius wasYnegative axis≥Xaxis≥Ypositive axis, and moisture content had an irregular distribution as like in horizontal plane as a circle, but in vertical plane as a ellipse, as well as that the variation of the average moisture content in soil wetted volume of vertical tube sub-irrigation greater than micro-moist irrigation can have a good satisfaction for water demand of different crops. This conclusion may have important directive significance for the further study on infiltration performance of a vertical tube emitter in subsurface irrigation and the application of a vertical tube emitter.

vertical tube emitter; wetted soil volume; sub-irrigation; soil moisture content; orthogonal experimental design

2015-04-15

2016-04-29

國家自然科學(xué)基金(41571222;51279156)

何靖(1992—),男,陜西咸陽人,碩士研究生,主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail:694081783@qq.com

白丹(1960—),男,重慶人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail:baidan@xaut.edu.cn

S275.4

A

1005-3409(2016)06-0069-04