姜瑞瑞，費良軍，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，它具有節(jié)水保水、灌水效率高及操作簡單、控制性強等特點而被廣泛應(yīng)用[1-4].渾水入滲改變了土壤的機械組成和土壤的入滲機制，使渾水入滲與清水入滲過程存在較大差異.

渾水含沙量越大，在相同的入滲時間內(nèi)，累積入滲量和穩(wěn)定入滲率越小[5-6].曹惠提等[7]通過渾水測坑入滲試驗，得出灌溉水中含有一定量的泥沙，會使?jié)駶欝w含水量產(chǎn)生一定的變化，其主要原因是含沙量會對入滲速率產(chǎn)生一定的負(fù)效應(yīng).LA-MERS等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤初始含水率會對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]通過渾水膜孔灌室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)單位膜孔面積累積入滲量與入滲時間符合Kostiakov模型.費良軍等[10]、陳琳等[11]研究了膜孔直徑對膜孔灌溉的影響，結(jié)果均說明膜孔直徑對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動模型，提出了包含開孔率、膜孔直徑的膜孔灌平均入滲水深簡化模型.

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].近年來國內(nèi)已開展了有關(guān)單個因素對膜孔入滲的研究，但鮮有關(guān)于多因素綜合對渾水膜孔入滲影響的研究；國外關(guān)于渾水膜孔灌方面的研究鮮有報道.土壤水分運動并非受單一因素的影響，它是多個因素對其共同作用的，而多個因素對土壤水分入滲的影響又不是每個單一因素對其影響效果的單純疊加，故文中開展多因素渾水膜孔單點源入滲的研究，深入分析其入滲特性.

1 材料與試驗

1.1 試驗裝置

試驗于2018年3月在西安理工大學(xué)農(nóng)水重點實驗室進行.因本次研究有關(guān)渾水入滲，故在試驗過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源入滲試驗裝置進行試驗，試驗裝置如圖1所示.在清水點源入滲的馬氏瓶中增加攪拌裝置，對入滲渾水不停攪拌，從而使入滲渾水不會出現(xiàn)分層沉淀現(xiàn)象.試驗土箱采用10 mm厚有機玻璃制作而成，土箱長×寬×高為25 cm×20 cm×40 cm.因渾水膜孔點源入滲為充分供水入滲試驗，故在入滲過程中應(yīng)在膜孔中保持一定的水頭高度，膜孔是由5 mm厚的有機玻璃制作而成，水頭選取高度為5 cm的膜孔進行控制.為了便于觀察濕潤鋒的運移情況，取1/4膜孔置于土箱裝置的一角進行試驗.根據(jù)試驗設(shè)計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裝置示意圖

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

1.2 試驗方法

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)開展多因素渾水膜孔灌自由入滲試驗.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.試驗采用正交設(shè)計，4個因素3個水平，共12組試驗.以第10，11和12組試驗進行入滲模型驗證，試驗方案如表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，最終取觀測數(shù)據(jù)的平均值.供試土樣為粉壤土，風(fēng)干碾壓過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配組成使用Mastersizer-2000激光粒度分析儀測定，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)的試驗方案，分層稱重將土樣裝入土箱壓實.試驗渾水均采取人工配置，由風(fēng)干碾碎后過1 mm土篩的泥土配置而成.為了完全模擬渾水灌溉，每次試驗都需提前2 d配置試驗所需的含沙率的渾水，且每隔一定時間攪拌1次.試驗開始后按照先密后疏的時間間隔，觀察記錄相應(yīng)時刻馬氏瓶刻度，用于計算單位膜孔累積入滲量，試驗觀測歷時360 min.

表1 試驗設(shè)計因素及水平

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隨入滲時間T的變化過程.觀察該變化過程可以看出: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間的延長而增大；所有因素條件下的單位膜孔面積累積入滲量，隨著時間的延長最終都趨于穩(wěn)定；在同一入滲時間，每組試驗的入滲量都不相同，所以各因素對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為入滲時間，min；a，b，c，d，e為各項因素的指數(shù).

對實測數(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 累積入滲量對各參數(shù)的敏感性

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

相對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，然后計算每次變動量對所評價指標(biāo)的相對影響，從而分析各個因素對該指標(biāo)的影響大小.在實際的灌溉過程中，無論以何種方式進行的灌溉，其水分的入滲過程都受多種因素的影響，任一因素的變化都會對其灌水過程產(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綜合變異下的波動情況進行量化.通過相對值法計算單位膜孔面積累積入滲量對各個因素入滲參數(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擾動時的波動情況.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)對單位膜孔累積入滲量的影響越顯著.

以實測入滲參數(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，上下最大偏離E為15%.取本試驗入滲時間為60，240，360 min時單位膜孔面積累計入滲量，計算相應(yīng)各因素入滲參數(shù)變化下的敏感系數(shù)m, 結(jié)果見表2.

表2 單位膜孔面積累積入滲量對各因素入滲參數(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，在同一變動水平時，單位膜孔面積累積入滲量對各因素入滲參數(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程中，隨著膜孔直徑的增大即膜孔入滲面積的增大，點源入滲的限制因素相應(yīng)減少.這表明膜孔面積無限增大，就會無限接近于地面漫灌，膜孔入滲量就會顯著增大，相應(yīng)的單位膜孔面積累積入滲量就會減小，所以渾水膜孔單點源自由入滲的單位膜孔面積累積入滲量對膜孔直徑大小的敏感性相較于其他因素更顯著.

土壤容重對渾水膜孔入滲的影響較大.這是因為土壤容重主要是受孔隙影響，單位體積的土壤質(zhì)量越大，土壤越密實，大孔隙的數(shù)量減少，土壤的水流通道面積就會減小，即土壤的導(dǎo)水率就會相應(yīng)地減小，入滲量就會減小.

土壤初始含水率對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)勢梯度量值較大，水分入滲速度較快.一段入滲時間過后，濕潤體內(nèi)水分飽和，初始含水率會對水分入滲的影響逐漸減弱，甚至可忽略.

渾水含沙率對渾水膜孔灌自由入滲的影響，主要體現(xiàn)在2個方面：一方面是渾水入滲過程中，渾水中的一些小顆粒會進入土壤孔隙中，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法進入土壤孔隙中的“大顆?！睍谀た變?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]，故渾水含沙率對渾水膜孔單點源入滲的影響較小.

為了驗證式(3)的準(zhǔn)確性，計算第10，11和12組試驗中的單位膜孔累積入滲量，并把計算值與實測值進行比較，如圖3所示.實測值與計算值相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差見表3.

圖3 單位膜孔面積累積入滲量計算值與實測值

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

驗證試驗相關(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組試驗的實測值和計算值誤差較小，與回歸方程擬合較好；由表3可知，驗證結(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)驗公式(1)模擬效果好，具有較高的計算精度和較好的適用性.

2.3 自由入滲的速率動態(tài)變化

對式(1)，(2)進行求導(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)知渾水膜孔灌單點源入滲速率的動態(tài)變化過程：隨著入滲時間的延長，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)勢梯度量值大，入滲速率都相對較大，隨著入滲時間的延長，入滲逐漸達到穩(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間對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個入滲時間，對其相應(yīng)的不同因素求偏導(dǎo)數(shù)，并取絕對值，分析各因素隨著入滲時間對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時敏感性指標(biāo)進行繪圖分析，得圖4.觀察圖4知，在影響因素固定為某一值，在入滲時間10，120，360 min時，各因素敏感性指標(biāo)都在隨著入滲時間的延長而變大.說明入滲時間對各因素影響性指標(biāo)的影響也較大；在同一入滲時間，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，對渾水膜孔灌單點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程，通過多元回歸分析，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、土壤容重和入滲時間等多個影響因素之間的回歸方程.擬合相關(guān)系數(shù)達到0.986，驗證決定系數(shù)均大于0.90，表明各因素對單位膜孔面積累積入滲量都有影響.

2) 使用相對值法對各因素入滲參數(shù)進行分析可知：各影響因素對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源自由入滲速率動態(tài)變化過程.繪制各因素的敏感性指標(biāo)圖，分析自由入滲速率對各因素變化的敏感性變化.結(jié)果表明：在同一入滲時間，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，對渾水膜孔灌單點源入滲的入滲速率的影響越弱.