姜瑞瑞，費良軍，康守旋

(1.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048；2.西安理工大學水利水電學院，西安 710048)

我國是一個南北水土資源分布很不平衡的國家，在西北干旱半干旱地區(qū)，降水稀少，可利用水資源少，土地資源多，所以提高水資源利用效率是對水資源供需不協(xié)調(diào)解決的主要方法。覆膜種植是旱作區(qū)調(diào)節(jié)水分虧缺、增強保墑保肥能力、充分高效利用自然降水的重要技術(shù)手段。膜孔灌是結(jié)合覆膜種植，在膜上開孔進行灌水的一種新型灌水技術(shù)。與傳統(tǒng)的灌水技術(shù)相比，膜孔灌顯著提高灌水效率，加大保水保肥作用，因此深入研究膜孔灌溉技術(shù)對節(jié)水灌溉具有積極意義。

在進行田間灌溉時，土壤參數(shù)和灌水技術(shù)要素對濕潤體的特性及水分分布起主要作用。對于渾水膜孔灌灌水技術(shù)而言，其濕潤體特性主要受膜孔直徑、膜孔間距、渾水含沙率等的影響，而膜孔直徑對其水分入滲速率影響最為顯著。膜孔直徑是膜孔灌系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)中的重要參數(shù)，膜孔直徑的大小直接影響膜孔灌交匯區(qū)土壤水分的分布特性。膜孔直徑過大，灌溉水量增多，蒸發(fā)損失水量較高，水肥運移范圍廣，水肥難以到達作物根系深處被作物吸收；膜孔過小，適應(yīng)種植作物較少，種植機械成本較高。對于渾水膜孔灌多向交匯入滲的研究，國外尚未見到有關(guān)報道，國內(nèi)有學者對其水分入滲特性、減滲特性進行了研究。李發(fā)文通過室內(nèi)試驗，對清水膜孔灌單向交匯和多向交匯入滲特性及其影響因素進行了研究，得出膜孔多向交匯入滲、單向交匯入滲、自由入滲能力逐漸減小，對一維垂直入滲與多向交匯入滲參數(shù)之間的關(guān)系進行了研究；呼喚等研究了膜孔灌多向交匯的入滲量隨交匯界面面積變化規(guī)律，建立了減滲率與交匯界面面積的函數(shù)變化關(guān)系；李毅等研究了在滴灌條件下斥水和親水2種土壤中的濕潤鋒變化規(guī)律，發(fā)生交匯前，濕潤鋒運移距離水平方向大于垂直方向，交匯界面上，垂直和水平濕潤鋒均符合對數(shù)關(guān)系；孫海燕等通過室內(nèi)試驗，測定了在滴灌交匯入滲過程中土壤水分運動規(guī)律，表明同等土層深度處，交匯界面處的含水率大于未交匯處的含水率，且水平和垂直濕潤鋒與入滲時間之間有良好的線性關(guān)系。

渾水灌溉是我國黃河流域引黃灌溉的主要特點，渾水推移前進，其中的泥沙一部分進入土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)；一部分在土壤表面沉積，降低水分入滲速率，使得與清水入滲相差較大。渾水膜孔灌和滴灌是不同的點源入滲，其入滲是含有一定面積的積水入滲，因此滴灌入滲的濕潤體與膜孔灌交匯入滲濕潤體變化規(guī)律不同，且膜孔直徑對渾水膜孔灌入滲影響最為顯著，所以有必要對渾水膜孔灌交匯土壤入滲濕潤體變化規(guī)律進行研究。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗土樣取自西安灞橋區(qū)，在自然風干后，碾碎過2 mm的土篩，通風保存?zhèn)溆?。在試驗前對土樣物理性質(zhì)進行測試(美國制標準USDA)，粒徑0～0.002，0.002～0.02，0.02～2 mm的顆粒含量分別為4.66%，53.92%，41.42%，最終確定土壤質(zhì)地為粉土。土壤風干土含水率為2.15%，飽和含水率為38.12%，飽和導(dǎo)水率0.022 cm/min。試驗在西安理工大學農(nóng)水大廳實驗中心展開。

試驗渾水為人工配置，渾水中的泥沙取自陜西省涇惠渠灌區(qū)干渠中，自然風干過后，測量渾水平均質(zhì)量含沙率為4.78%，分析測定渾水泥沙粒度組成，測定結(jié)果見表1。泥沙顆粒自然風干后過1 mm土篩，稱重配置質(zhì)量含沙率為3%的渾水備用。

表1 涇惠渠灌區(qū)渾水泥沙粒徑基本組成特性

1.2 試驗裝置

渾水膜孔灌試驗裝置見圖1。在傳統(tǒng)的馬氏瓶內(nèi)加裝電機和攪動葉片，防止泥沙在靜置狀態(tài)下沉淀，影響渾水入滲結(jié)果。試驗由供水裝置和土箱2部分組成，試驗土箱采用透明有機玻璃制作，便于試驗過程中記錄濕潤鋒運移規(guī)律，規(guī)格為10 cm×12 cm×35 cm(長×寬×高)。為了對各剖面濕潤鋒進行明確觀測，取1/4濕潤體進行研究，1/4膜孔置于土箱一角，緊貼土壤表面，與進水孔相連。膜孔中進水深度為3 cm，直徑為7 cm。土箱與供水裝置通過輸水管道連接，通過閥門控制進水。

圖1 渾水膜孔灌多點源入滲裝置

1.3 試驗過程

試驗土壤容重為1.35 g/cm，將土樣自然風干過篩后，按要求體積質(zhì)量分層(5 cm)裝入土箱中，填裝高度共25 cm。為了使各層土壤相接處緊密貼合，不出現(xiàn)大的孔隙，下層土壤填裝之前，用刮刀刮毛下層土壤表面。在土箱上層用薄膜覆蓋，裝好的土箱靜置2天，使土壤孔隙在重力作用下均勻分布。試驗開始后按先密后疏的時間原則，記錄馬氏瓶的讀數(shù)，并在土箱上記錄相應(yīng)時間濕潤鋒運移的位置。試驗結(jié)束后，測量土箱外標記不同時刻對應(yīng)的濕潤鋒運移距離。記圖1中面為自由入滲面，面為先發(fā)生交匯的面單向交匯面，軸為單向交匯中心；面為后發(fā)生交匯的面多向交匯面，軸為多向交匯中心。

2 結(jié)果與分析

2.1 剖面ABCD濕潤鋒運移規(guī)律

圖2為渾水膜孔灌多向交匯入滲面垂直和水平濕潤鋒運移曲線。從圖2可以看出，入滲時間()增加，垂直和水平濕潤鋒運移過程均符合膜孔入滲的一般規(guī)律，入滲時間相同時，膜孔直徑()越大，垂直入滲深度越深，垂直濕潤鋒運移距離()越大；發(fā)生交匯前，水平濕潤鋒與膜孔中心的距離越遠，水平濕潤鋒運移距離()越大。入滲時間為150 min時，膜孔直徑大小分別為5，6，7，8 cm條件下的膜孔入滲，膜孔中心垂直濕潤鋒運移距離分別為9.00，10.00，12.03，13.10 cm，在入滲結(jié)束時，以=5 cm為基礎(chǔ)，運移距離分別增加10.00%，25.19%，31.29%。說明膜孔直徑越大，膜孔面積越大，膜孔間距一定條件下，水與進水口接觸面積增大，水分進入土壤中的通道口增多，入滲率也越大，相同的入滲時間，入滲距離越遠。

從圖2b可以看出，在入滲時間為0時，水平濕潤鋒運移距離≠0，而是從/2的位置開始增大。土箱—中，膜孔位于點處，膜孔為原點，為水平濕潤鋒運移方向，水平濕潤鋒從膜孔半徑處開始，隨著入滲時間的延長，水平濕潤鋒運移距離增大，圖2b中運移曲線斜率逐漸減小，說明運移速率逐漸減慢。入滲前期，土壤含水率為初始含水率，含水率較低，膜孔與土壤之間的水勢梯度較高，濕潤鋒運移速率較快。入滲時間增大，濕潤體體積增大，土壤含水率增加，土壤水勢梯度較小，膜孔內(nèi)水頭一定，入滲速率減緩。直至發(fā)生單向交匯，水平濕潤鋒在2個膜孔中間相連，達到最大值，理想狀態(tài)為膜孔間距的1/2，本次試驗max為12 cm，水分在垂直方向的入滲不受限制，持續(xù)增大。

圖2 ABCD面濕潤鋒運移距離曲線

表2為灌水50 min時4種膜孔直徑條件下水平和垂直濕潤鋒的運移距離。從表2可以看出，膜孔直徑對渾水膜孔灌入滲的水平和垂直濕潤鋒均有影響，但對水平運移的影響大于垂直運移的影響。

表2 50 min不同膜孔直徑下濕潤鋒垂直和水平運移距離 單位：cm

經(jīng)分析，可以用冪函數(shù)關(guān)系表達面濕潤鋒運移距離與灌水時間的變化規(guī)律，其關(guān)系式為：

=，=

(1)

式中：和為面垂直和水平濕潤鋒的運移距離(cm)；和為運移參數(shù)；和為運移指數(shù)。

從表3可以看出，決定系數(shù)均大于0.9，說明與之間呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系。運移參數(shù)和均隨著膜孔直徑()的增加而增加，而運移指數(shù)和均逐漸減小。水平和垂直運移參數(shù)、變化相對較大，大于，而入滲指數(shù)、相對變化幅度較小，且兩者數(shù)值大小相差較小。

表3 垂直和水平運移距離與D擬合參數(shù)

將影響變量膜孔直徑與運移參數(shù)、、、分析得：

=08234(2)06531=0985 9

(2)

=-00226(2)+04127=0982 7

(3)

=1092806386=0987 3

(4)

=-04401-03970=0966 1

(5)

擬合結(jié)果決定系數(shù)均大于0.9，將擬合結(jié)果分別帶入和表達式中。確定出面，垂直和水平濕潤鋒運移距離與膜孔直徑和入滲時間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

=08234(2)06531-00226(2)+04127

(6)

=1092806386-04401-03970

(7)

2.2 交匯剖面CcDd濕潤鋒運移規(guī)律

圖3為膜孔灌渾水入滲濕潤鋒在土箱面上相連，出現(xiàn)交匯面后濕潤鋒在交匯面上垂直和水平濕潤鋒運移曲線。由圖3可知，發(fā)生交匯后，隨著膜孔直徑的增加，交匯區(qū)剖面的寬度和濕潤深度逐漸增加。膜孔直徑減小，交匯時間增加，交匯面積減小。在濕潤鋒到達土層深度8 cm位置時，膜孔直徑6 cm比8 cm所用時間增加118 min。水平運移6 cm，膜孔直徑6 cm比8 cm所用時間增加143 min。發(fā)生單向交匯后，同一膜孔直徑的垂直濕潤鋒運移曲線曲率小于水平方向的，說明交匯剖面上相同入滲時間水平濕潤鋒運移距離變化幅度大于垂直方向的。膜孔直徑為7 cm時，入滲時間由140～180 min，垂直方向濕潤鋒由7.15 cm運移至8.84 cm，平均每分鐘運移0.04 cm。水平方向濕潤鋒由3.70 cm運移至6.40 cm位置處，平均每分鐘運移0.07 cm。因為水分到達交匯面上時，交匯剖面水平方向的土壤為未濕潤土壤，含水率低，基質(zhì)勢大，運移速度快。單向交匯中心與自由面接觸，該處土壤含水率大，基質(zhì)勢小，同時水分入滲至交匯剖面量少，重力勢能小，運移速率慢。

由圖3可知，發(fā)生交匯時和的值均不為0，說明交匯剖面最先出現(xiàn)濕潤鋒的位置并不是土壤表層，而是表層以下位置。這主要是因為膜孔入滲，膜孔邊界對水分水平入滲的阻擋，水分先從膜孔向下運移，短時間后繞過膜孔下邊緣在土壤水平方向開始運移。

圖3 CcDd面濕潤鋒運移距離曲線

對圖3a和3b中數(shù)據(jù)分析可知，單向交匯剖面上垂直和水平運移距離與入滲時間滿足關(guān)系：

=ln+，=ln+

(8)

式中：為交匯剖面上垂直濕潤鋒運移距離(cm)；為交匯剖面上水平濕潤鋒運移距離(cm)；、、、均為運移參數(shù)。

通過利用公式(8)對圖4中數(shù)據(jù)擬合得表4中擬合參數(shù)，擬合結(jié)果的決定系數(shù)均大于0.9，說明交匯剖面上和均與入滲時間()滿足對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)關(guān)系顯著。

圖4 剖面abcd濕潤鋒運移規(guī)律

由表4可以看出，運移參數(shù)和均隨著膜孔直徑的增大而減小，和則相反。經(jīng)分析、、、與膜孔直徑()的擬合關(guān)系為：

表4 交匯剖面濕潤鋒運移距離與入滲時間擬合參數(shù)

=220150-06123=0999 2

(9)

=(1-0561304260)=0999 9

(10)

=2112-15050=0946 0

(11)

=(1-0670902741)=0964 2

(12)

將公式(9)～公式(12)帶入公式(8)的和表達式中，將得到和與膜孔直徑()和入滲時間()的擬合關(guān)系：

=(220150-06123)ln+(1-0561304260)

(13)

=(2112-15050)ln+(1-0670902741)

(14)

2.3 剖面abcd濕潤鋒運移規(guī)律

圖4為渾水膜孔灌濕潤體剖面上垂直濕潤鋒運移曲線。由圖4可知，膜孔直徑越大，濕潤鋒在剖面發(fā)生相連所需時間越小，交匯時間越?。欢嘞蚪粎R剖面濕潤鋒出現(xiàn)位置和單向交匯剖面上相似，均在土壤表層以下位置，大概在2 cm土層深度處。分析不同膜孔直徑條件下，剖面垂直濕潤鋒運移距離()與時間()的關(guān)系(表5)和單向交匯剖面垂直濕潤鋒運移規(guī)律相同，即：

表5 abcd剖面濕潤鋒運移距離與入滲時間擬合參數(shù)

=ln+

(15)

擬合結(jié)果的決定系數(shù)>0.9，運移參數(shù)()隨著的增大而減小，逐漸增大。經(jīng)分析、與的數(shù)值關(guān)系可知：

=289340-06070=0946 0

(16)

=(1-0710202618)=0964 2

(17)

將公式(16)和公式(17)帶入公式(15)的表達式中得與的關(guān)系式：

=289340-06070ln+(1-0710202618)

(18)

2.4 含水率分布規(guī)律

渾水膜孔灌多向交匯入滲，在入滲前期，含水率曲線和濕潤體形狀相同，近似為一水平方向為長軸的橢球體，隨著入滲的進行，濕潤范圍擴散，水分不斷向遠離膜孔的位置擴散。到達交匯時間后，濕潤區(qū)交匯，除膜孔下方土壤含水率分布曲線近似于1/4橢圓形外，濕潤體下方含水率相等的等值線將會相連，形成類似于馬鞍狀的分布形狀，與滴灌交匯入滲含水率分布規(guī)律相同。入滲結(jié)束時，除膜孔處土壤含水率還保留近似1/4橢球體外，濕潤區(qū)下方土壤含水率均呈帶狀分布(圖5)。從試驗數(shù)據(jù)看，隨著膜孔直徑的增大，含水率等直線由密變疏，含水率變化梯度逐漸減小。膜孔直徑越大，水分入滲量越大，同一位置土壤含水率越大。入滲結(jié)束時，靠近膜孔中心位置，不同膜孔直徑的土壤含水率值幾乎相同，均在38%，接近土壤飽和含水率，說明多向交匯膜孔中心處土壤含水率最大。、、位置同一深度處>>。同一膜孔直徑的含水率等值線圖呈現(xiàn)出由膜孔向土層深度從疏到密的分布規(guī)律，入滲結(jié)果符合點源入滲規(guī)律，即離膜孔越遠，土壤含水率越小。上層土壤含水率高，土壤水吸力小等值線分布間距較大，含水率變化梯度小。

圖5 剖面ABCD含水率分布規(guī)律

為對交匯中心和含水率進行進一步說明，分析了交匯中心的含水率分布規(guī)律(圖6)。交匯剖面上和位置處的含水率先增大后減小，增大位置大約在土層深度2.5 cm的位置，該變化規(guī)律和濕潤鋒運移規(guī)律相同。因為膜孔入滲水分先擴散至膜孔下方，再向水平方向擴散和土壤表層擴散，所以交匯剖面含水率最大的位置不在土層表面。以膜孔直徑6 cm為例，土壤埋深0，2.5，5，7.5 cm的含水率分別為33.04%，33.24%，31.14%，27.98%。土壤埋深5 cm處，位置膜孔直徑5，6，7，8 cm的含水率分別為30.46%，31.10%，32.83%，35.01%，以膜孔直徑5 cm為基礎(chǔ)，含水率分別增加2.10%，7.78%，14.94%。

圖6 交匯中心CD含水率分布規(guī)律

灌水均勻度是評價灌水質(zhì)量的重要指標，可采用克里斯琴均勻系數(shù)評價膜孔灌渾水入滲的均勻度：

經(jīng)沿膜孔灌濕潤體相同濕潤半徑采樣計算，渾水膜孔灌灌水均勻度非常高，、、同一深度處的灌水均勻度均達到90%以上(表6)。根據(jù)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》判斷，膜孔灌灌水均勻度遠大于70%，所以其屬于高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù)。渾水膜孔灌灌水均勻度高，可以減少深層滲漏和顆間蒸發(fā)，從而減少水分的損耗，達到節(jié)水高產(chǎn)的目的。

表6 abcd剖面濕潤鋒運移距離與入滲時間擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)渾水膜孔灌多向交匯入滲條件下，膜孔直徑對濕潤鋒運移距離影響顯著；膜孔直徑越大，水平和垂直濕潤鋒運移距離越大；自由入滲剖面和交匯剖面，膜孔直徑對水平運移距離的影響均大于垂直方向的。

(2)建立了多向交匯各入滲面濕潤鋒運移距離與入滲時間和膜孔直徑的函數(shù)關(guān)系模型，相關(guān)性均較好，用其模擬渾水膜孔灌多向交匯濕潤鋒運移規(guī)律是可行的。

(3)多向交匯入滲濕潤體內(nèi)，含水率最大的位置在膜孔中心位置；同一土層深度處，膜孔中心、單向交匯中心、多向交匯中心含水率逐漸減??；膜孔灌為高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù)。