歐陽淼，李珍玉

(中南林業(yè)科技大學土木工程學院，長沙 410004)

0 引 言

植物護坡技術[1]作為一種新型的生態(tài)技術，已經在世界范圍內得到廣泛的使用和認可。香根草是優(yōu)良的護坡植物之一，其根系異常發(fā)達，一般可生長至2～3 m，最深可達到5～6 m。因其根系生長具有向重力性，在邊坡土體內集中垂直向下生長，而垂直于坡面向內的根系短而少[2]，這種根系構型不能最大限度地發(fā)揮出其根系固土能力。嵇曉雷等[3-5]學者研究表明，植物根系應該斜向坡體內生長，與剪切面成銳角，植物根系所穿過的潛在的不穩(wěn)定土體越多，根系增強土體穩(wěn)定性的作用越顯著。如果能將此類根系發(fā)達且深遠型的植物進行人工調控向需要的角度生長，則能大大提高植物根系的固土能力，促進植物邊坡在工程上的應用。

人工調控手段主要分為生物手段和非生物手段2大類。由于施工規(guī)模較大，工程中采用非生物手段調控植物根系的生長，更具有簡單、方便和適用的特點。而目前非生物手段調控植物根系構型的有效方法之一是滴灌技術[6-8]——一種局部灌溉技術。滴灌技術包括地表滴灌、地下滴灌和地下間接滴灌3種。地下滴灌通過灌水器可將水或水肥混合液直接送到植物根系附近，有利于植物充分吸收。與地表滴灌相比，可以始終保持地表干燥，消除了水分在土壤表面的蒸發(fā)，降低了地表的空氣濕度，減少了病蟲害和雜草。但是地下滴灌下灌水器堵塞的問題比較突出，由于灌溉停水后，毛管的負壓使土壤中的微小顆粒吸入灌水器或根系侵入滴水孔，易造成堵塞。間接地下滴灌由地表滴灌系統(tǒng)與布置在滴頭下方土壤當中的導水裝置構成[9]，不僅具有減少地表蒸發(fā)，增大濕潤體范圍，為植物根系擴散、吸收營養(yǎng)提供空間，而且還有提高水分和養(yǎng)分均勻度的效果，避免滴頭堵塞和充蝕通道[10,11]，彌補了地表滴灌和地下滴灌的不足。由于滴灌技術可控制部分土壤中的含水率分布，國內外許多學者采用這種局部灌溉的滴灌方式來調控作物根系的生長狀況。張妙仙[12]通過研究滴灌條件下土壤的濕潤體與根系范圍優(yōu)化匹配，認為根系的生長區(qū)域受到滴灌條件下的土壤濕潤體范圍的影響，滴灌系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵是在滴灌條件下合理匹配土壤濕潤體與作物根系分布情況。李明思、孫海燕等[13-15]在地表滴灌條件下，針對重壤土、中壤土、砂壤土研究滴灌點源入滲的濕潤鋒運移規(guī)律，分析了土壤種類、土壤容重、土壤初始含水率、滴頭流量、灌水量等對濕潤鋒運動的影響，建立了點源滴灌滴頭流量的數學模型。李道西、程先軍等[16-19]在地下滴灌的條件下，研究了滴頭流量、土壤容重等對土壤濕潤體的影響，為地下滴灌系統(tǒng)的合理設計提供了理論依據，建立了描述地埋點源土壤水運動和溶質運移的數學模型。這些成果豐富了滴灌技術的理論，很好地調控了農作物根系的生長狀況，提高了農作物產量。但農作物根系較淺，一般通過地表滴灌就能實現。香根草根系發(fā)達且深入土層，地表滴灌無法實現，而地下滴灌的設備難于清洗，容易堵塞。課題組欲采用地下間接滴灌技術來實現對工程邊坡上的深根系植物香根草的調控。因此本文研究地下間接滴灌條件下，相關參數如何影響土壤水分運移、濕潤體特征值，尤其是南方廣泛分布的紅黏土的水分入滲特性，為調控該類土質邊坡植物根系構型和提高植物邊坡固土能力提供設計依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

整個試驗系統(tǒng)由有機玻璃試驗模型箱、導水裝置及供水裝置3部分組成，如圖1所示。圖1中粗線圍成的區(qū)域為導水裝置，上部陰影部分為不透水邊界，下部為透水邊界。為了方便觀測濕潤鋒的變化規(guī)律，以濕潤體的1/2為研究對象。試驗模型箱規(guī)格為500 mm×500 mm×500 mm(長×寬×高)的有機玻璃箱，供水裝置采用能夠提供恒定水頭的馬氏瓶，通過調節(jié)馬氏瓶進氣口與導水裝置底部的高程控制滴頭流量。導水裝置由上部分邊界、下部分邊界和底部透水的砂柱組成，其中不透水邊界由PVC材料的管材制成，透水邊界(砂柱)是由2～5 nm砂礫組成。

圖1 間接地下滴灌試驗裝置

1.2 試驗設計

試驗用土為長沙地區(qū)常見的紅黏土，烘干后過2 mm孔徑的篩，通過常規(guī)試驗測定過篩后的紅黏土的物理性質，并采用恒定水頭鉆孔法測定其飽和導水率，結果如表1所示。

表1 供試土壤物理性質

間接地下滴灌入滲試驗中，導水裝置高度20 cm，其中透水邊界高度5 cm，不透水邊界高度15 cm。將烘干的紅黏土配制成3種初始含水率(2%、12%和20%)的試驗土樣，將不同含水率的土樣分別分層裝入模型箱，待模型箱內的土樣自然沉降24 h后進行試驗，滴灌速度設3個水平，分別為5、10和15 mL/min。

灌水過程中使用秒表計時，入滲過程中，按照先密后疏的原則觀測土壤濕潤鋒運移，并在模型箱描繪出二維坐標系內不同入滲時刻所對應的濕潤鋒位置，記錄土箱側面土壤最大濕潤鋒運移距離，同時記錄其對應時間。滴灌結束后，以距離導水裝置4 cm為一個取土剖面，每個剖面又以4 cm為一個土層進行取土，用烘干法測定含水率，如圖2所示。

圖2 含水率測點位置

2 試驗結果與分析

2.1 土壤初始含水率對濕潤體形狀的影響

對供試土壤在滴水入滲試驗過程中，描繪濕潤鋒運移軌跡。圖3表示在滴頭流量Q為10 mL/min時，土壤初始含水率分別為2%和12%的濕潤鋒運移曲線。

圖3 不同土壤初始含水率濕潤鋒運移曲線

為方便的觀測濕潤體形狀，將結束滴灌后的濕潤鋒曲線完整地表示在二維坐標系內，如圖4所示。

圖4 濕潤鋒曲線

經計算可知，濕潤鋒曲線上的任何一點P到定點F1、F2的距離之和近似等于一個常數2a，F1、F2稱為橢圓的2個焦點。其數學表達式為，

|PF1|+|PF2|=2a(2a>|F1F2|)

(1)

所以地下滴灌土壤水分運移過程是以滴頭底部(不透水邊界底部)為中心向四周不斷擴散的過程，最終濕潤鋒運移的形狀近似橢圓形，而濕潤體的形狀則近似為橢球體。以水平方向最大濕潤距離為長半軸，豎直方向最大濕潤距離為短半軸，建立橢圓方程如下：

(2)

式中：t為滴灌時間，min。

根據橢圓對稱性計算濕潤體水平方向對稱軸距離導水裝置底部的距離h(t)，計算結果如圖5所示。

圖5 濕潤體水平對稱軸位置變化曲線

滴灌結束后，土壤初始含水率為2%時，h=1.2 cm；土壤初始含水率為12%時，h=-0.7 cm。隨著土壤初始含水率的增加，濕潤體水平對稱軸不斷下移。說明濕潤鋒在垂直方向向上的運移速率小于向下的運移速率，這是由于當土壤越來越濕潤時，土壤的孔隙逐漸飽和，毛細管作用力將逐漸變弱，重力對水分運移的影響就超過了毛細管作用力從而使土壤水分向下流動趨勢增強。對h(t)進行回歸性分析可知，h隨時間t的變化規(guī)律符合對數函數關系。運用對數函數h=mlnt+n進行擬合，擬合結果如表2所示，決定系數R2均在0.9以上。

2.2 土壤初始含水率對濕潤鋒運移的影響

在滴灌流量為10 mL/min，土壤初始含水率分別為2%、12%、20%的條件下，濕潤鋒運移隨時間的變化曲線如圖6所示。

表2 濕潤體水平對稱軸距導水裝置底部的距離與時間的擬合函數

圖6 不同土壤初始含水率濕潤鋒運移曲線

從圖6可看出，濕潤鋒水平和垂直向下的運移速度和距離隨土壤初始含水的增大而增大，濕潤鋒垂直向上運移速度和運移距離隨土壤初始含水率的增加而減少。這是因為土壤初始含水率增大，在土顆粒周圍形成的水膜變厚，土顆粒對水分的吸力逐漸減弱，基質勢作用越來越弱，從而更容易在土壤中形成自由水。由于重力勢作用，垂直向下水分運移速度增大最多，其次是水平運移速度，最慢的是水分垂直向上運移。

2.3 滴頭流量對濕潤鋒運移的影響

當滴頭流量分別為5、10、15 mL/min時，濕潤鋒變化過程如圖7所示。

圖7 不同滴頭流量對濕潤鋒運移速率的影響

由圖7可知：灌水初期，同一時刻濕潤鋒運移速度隨滴頭流量的增大而增大，但隨灌水時間的延長，這一現象逐漸減弱。這是因為較大的滴頭流量使砂柱(透水邊界)周圍土壤的含水率劇增，與周圍土壤之間的土水勢差驟然變大，從而促使土壤水分迅速向外擴散，但是濕潤體內部含水率由內向外遞減，隨著濕潤體的延伸，其外緣土壤含水率值接近于周圍土壤含水率值，土水勢梯度不斷減小，使得濕潤鋒的運移速度減緩。對不同流量下的濕潤鋒半徑R(t)進行回歸分析，發(fā)現土壤的濕潤鋒半徑隨時間的變化規(guī)律符合冪函數關系，即：

R=Atα

(3)

對式(1)求一階導數，可得濕潤鋒運移速率關系：

V=αAt(α-1)

(4)

式中：R為濕潤鋒半徑，cm；V為濕潤鋒運移速率，cm/min；t為滴水時間，min；A、α為擬合參數。

不同滴速的擬合結果如表3所示，該結果可以用來預測不同流量條件下間接地下滴灌土壤水分運動規(guī)律，為調控植物根系構型提供有價值的依據。

2.4 滴頭流量對濕潤體含水率分布的影響

滴灌結束后，在不同剖面取樣，用烘干法測得濕潤體含水率分布如圖8所示。

從圖8中可以看出，在相同的灌水量下，流量較小的濕潤體的范圍稍大于流量較大的濕潤體范圍，砂柱(透水邊界)附近的含水率均為最高，距離砂柱越遠處含水率越低。流量5 mL/min時，砂柱附近的含水率為27.18%；流量15 mL/min時，砂柱附近的含水率為28.62%。隨著流量的增大，砂柱附近的土壤含水率也相應增大，這是由于流量較大時，砂柱附近含水率急劇增高，但土壤導水能力有限，水分不能及時擴散，在砂柱附近形成一個高含水率區(qū)。在距砂柱相同間距的情況下，隨著滴頭流量的增加，水平面上土壤含水率均逐漸增加，而垂直面上含水率逐漸減少，說明大流量有利于水分向水平方向運移，小流量有利于水分向垂直方向運移。

表3 各個方向的濕潤鋒運移距離和速度與時間的擬合函數

圖8 不同滴頭流量土壤含水率等值線

3 結論與討論

本文通過試驗研究，得到了在間接地下滴灌條件下，滴頭流量和土壤初始含水率對紅黏土內水分入滲特性的影響規(guī)律，主要結論如下。

(1)在相同的灌水量條件下，流量越大濕潤鋒運移越快，但濕潤體范圍略微較小。灌水初期，同一時刻濕潤鋒運移速度隨滴頭流量的增大而增大，但隨灌水時間的延長，這一現象逐漸減弱，濕潤鋒半徑隨時間的變化規(guī)律符合冪函數關系。

(2)滴頭附近的土壤含水率最高，距離滴頭越遠，土壤含水率逐漸降低。試驗證明，滴灌流量大時，有利于水分向水平方向運移，而滴灌流量小時，有利于水分向垂直方向運移。

(3)試驗研究發(fā)現，濕潤鋒運移的形狀近似橢圓形，而濕潤體的形狀則近似為橢球體。隨著土壤初始含水率的增加，濕潤體水平對稱軸不斷下移，隨時間呈對數函數變化。濕潤鋒水平和垂直向下的運移速度和運移距離隨土壤初始含水率的增大而增大，而濕潤鋒垂直向上運移速度和運移距離隨土壤初始含水率的增加而減少。

試驗研究發(fā)現，不同滴頭流量和土壤初始含水率會形成不同形狀和大小的濕潤體，也會導致濕潤體含水率分布不同。在調控所需的植物根系構型時，可通過控制滴頭流量和土壤初始含水率來控制植物根系分布情況，調控植物根系生長構型，提高植物根系固土的能力。