毛细节水灌溉条件下蔗区土壤水分运移规律研究

吴卫熊，潘 伟，张廷强，何令祖，林学佳(广西壮族自治区水利科学研究院，南宁 530023)

近年来，广西甘蔗高效节水灌溉发展迅猛，特别是滴灌以其能实现水肥一体化的特点得到大面积的推广，但由于滴灌的滴头容易堵塞，蔗农急切呼唤一种能实现水肥一体化、防堵性能优越的灌溉技术。毛细节水灌溉技术是一种地表下织物灌溉系统，中间是一根滴灌管，底部是不透水的塑料薄膜，顶部是透水性能良好的土工布；相对于传统滴灌技术依托于等距单独的滴头按控制速率流水滴灌土壤，毛细管埋设于地下，通过土工布根据土壤墒情来输送水分，灌溉水利用系数高达95%以上，防堵性能好，目前，在广西甘蔗灌溉已经应用15 hm2，增产效果良好。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置分为供水部分、测量控制部分、试验主体部分。供水部分包括：高位水池；测量控制部分包括：流量调节阀、压力表；试验主体部分包括：试验主体包括正方体土箱：长60 cm×宽60 cm×高60 cm、毛细管、堵头。试验需要的其他材料：烘箱、流量计、天平、秒表、墒情站，如图 1所示。

图1 毛细节水灌溉水分入渗模拟装置示意图

1.2 试验方法

(1)供试土壤。根据广西蔗区土壤类型分布情况，从江州区、武宣县、合浦县蔗田各取土8 t左右，测定原状土密度、土壤饱和含水率、土壤田间持水率、渗透系数等指标(见表1)。将试验土壤风干和碾碎后，过2 mm的筛子筛取后供试验用。

表1 试验土壤基本参数指标

(2)土样填筑。将土样按照每次装入10 cm，然后用平板压实土层，确保填筑后的土壤密度与原状土土壤密度接近，即沙土密度1.55 g/cm3，壤土1.20 g/cm3，黏土1.15 g/cm3装完土样后，密封静置24 h。

在土样填筑同时在深度10、20、30 cm 3层每层距离毛细管水平方向20 cm位置埋设EDAS 墒情监测站土壤水分测定仪，便于测定不同时间各位置土壤含水率，设置采集间隔为1 min。

(3)入渗流量。采用沙土、壤土和黏土等3类土壤，分析在100 kPa恒定工作压力下土壤水分运移规律。毛细管单位时间在3种土壤实际流量如表2所示。

表2 毛细管流量表

(4)试验步骤[1，2]。由于只观测整个湿润体的一半，用防水胶布在将毛细管背侧中间黏贴到土箱壁，防止水分从箱壁下渗。步骤一：填筑土壤，埋设设备；步骤二：调整、校核试验毛细管试验工作压力，确保毛细管首部压力为100 kPa；步骤三：开始试验观测。主要观测指标包括：横向湿润锋变化、竖向湿润锋变化、毛细管纵向湿润锋变化、不同时间EDAS 墒情监测站土壤水分测定不同深度土壤含水率变化，灌水结束后测定土体内土壤水分分布情况。

湿润锋变化通过标记法测定：用画笔在土箱壁上标定在预定的时间沿着湿润锋图曲线描线。

不同时间EDAS 墒情监测站土壤水分测定仪不同深度土壤含水率变化直接通过电脑读数。

灌水结束后土体内土壤水分分布情况通过取土烘干法测定：以土箱壁为起点，在竖直方向每隔10 cm取一个样，在水平方向每个5 cm取一个样，取样后通过烘干法测定不同位置土壤质量含水量。

(5)数值模拟[3]。

①计算方法。毛细节水灌溉条件下的土壤水分运动是三维运动，在采用HYDRUS-3D建模时，假设土壤为各向同性、均质的多孔介质，则土壤水分运动方程为：

(1)

式中：θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；h为土壤负压水头，cm；x、y、z为坐标(z坐标向下为正)，cm；t为时间，min；K(h)为非饱和导水率，cm/min。

根据试验土壤的物理性质，采用土壤转换函数方法，确定土壤水分运行相关参数。非饱和土壤水分特征曲线θ(h)、土壤导水率K(h)与土壤负压水头非线性相关，HYDRUS-3D采用van-Genuchten模型描述：

(4)

式中：Se为有效土壤含水饱和度，cm3/cm3；θs、θr分别为饱和含水率、残余含水率，cm3/cm3；Ks为饱和导水率，cm/min；l为孔隙连通性参数，一般取0.5；m、n为孔隙形状分布系数；α为进气相关参数，cm-1。

②模拟区域、边界及初始条件。模拟区域：水平x方向取60 cm，水平y方向取60 cm，纵向z取60 cm(见图2)。

图2 模拟求解区域示意图(单位：cm)

边界条件：毛细管上部为透水土工织布，下部为不透水胶布，土箱壁四周为隔水边界。

初始条件：以试验时测定的土壤初始含水率作为水分运移的初始条件，可描述为：

θ(x,y,z,0)=θ0

(5)

0≤x≤X; 0≤y≤Y; 0≤z≤Z;t=0

式中：θ(x，y，z，0)为初始时刻土壤内各点的体积含水率；θ0为土壤初始体积含水率；X为60 cm；Y为模拟区域y方向最大值60 cm；Z为模拟区域z方向最大值60 cm。黏土的初始体积含水率为15.8%，壤土的初始体积含水率为13.2%，沙土的初始体积含水率为6.5%。

2 试验结果与分析

2.1 土壤类型对湿润体形状的影响

毛细节水灌溉在试验的沙土、壤土、黏土等3种土壤中流量对比，在黏土中流量最小，因此以黏土8 h流量为准。常规灌溉水量为田间持水率的60%～80%，沙土取田间持水率的60%～100%以此计算得工程实际所需灌水量如表3所示。

表3 灌水量计算表

以黏土8 h流量作为对比，黏土8 h 1 m毛细管合计流量为21.741 L。按照沙土壤土平均流量计算，达到1 m毛细管21.74 L。毛细节水灌溉在沙土的灌水时间为3.18 h，在壤土的灌水时间为6.62 h，此时的湿润体形状如图3所示。

图3 相同灌水量不同土壤类型湿润体形状

从图3中可以看出，毛细管在埋深20 cm情况下，土壤类型对于毛细管湿润体形状的影响十分显著。黏土的湿润体类似于半圆形，壤土的湿润体为顶部切开的半圆形形状，沙土的湿润体为顶部切开的椭圆形形状。为了更加详细了解湿润体形状以及变化情况，将径向湿润距离r与垂直湿润距离z的比值(r/z)定义为湿润比。由图3可知，3种土壤沙土湿润速度最快，壤土次之，黏土最慢。3种土壤水量都达到统一的21.741 L/m时黏土横向湿润宽度为191 mm，上方湿润深度为198 mm，下方湿润深度为150 mm;壤土横向湿润宽度为196 mm，上方湿润深度为200 mm，下方湿润深度为137 mm; 沙土横向湿润宽度为239 mm，上方湿润深度为200 mm，下方湿润深度为230 mm。横向湿润宽度：沙土>壤土>黏土，上方湿润高度：沙土>壤土>黏土，下方湿润深度：沙土>壤土>黏土。在灌水量相同的情况下，土壤湿润体范围大小与土壤初始含水率与饱和含水率的差值有关，差值越大所能含蓄的水量越大，同水量湿润范围越小。土壤水平湿润宽度与上方湿润高度比r/z上黏土0.96<壤土0.98<沙土1.2；下方土壤水平湿润宽度与下方湿润高度比r/z下黏土1.36>壤土1.33>沙土1.03。土壤往上湿润首先凭借土壤间毛细管的作用吸水，达到田间持水率后水量填满孔隙。土壤毛细管吸水作用越强r/z上越小，因此上方湿润比黏土>壤土>沙土。黏土与壤土的r/z上小于1且与1差距很小，表示毛管吸水作用很强，重力作用影响较小。沙土r/z上大于1是由于沙土毛管吸水作用弱，重力作用对于往上湿润影响较大。土壤下方土体湿润受毛管作用于重力作用双重影响，毛管作用大则水平方向与竖直方向湿润范围差距小，r/z下也就小。由于毛细管下方为不透水层，因此阻挡了水分直接往下入渗，而是让水流从毛细管上部出流沿着两边入渗，经过管边缘后再往下入渗，因此延长了水分往下入渗的路径，减少了往下入渗量。r/z下均大于1，入渗深度不及往上的入渗高度，说明毛细管往下截渗效果显著。水流往下通过管边缘后在重力与毛细管双重作用下往下入渗，毛细管作用越强r/z下也就越大，因此r/z下黏土>壤土>沙土。

2.2 土壤类型对水分分布的影响

每米灌水量21.74 L的条件下，上述3种土壤灌水结束后土壤含水率等值线图分别如图4所示。由图4可知，3种土壤含水率等值线变化趋势基本一致，均从毛细管往四周降低，等值线间距也从毛细管往四周变化变快，然后在最后两条等值线位置变化减缓。在水平方向影响土壤湿润宽度的因素主要有土壤初始含水率与土壤饱和含水率的差值以及土壤毛细管吸水作用。由表3可知饱和带的宽度壤土<黏土<沙土，含水率变化带宽度沙土<黏土<壤土，总湿润宽度黏土<沙土<壤土。3种土壤总水量一定，各影响因素的影响导致了水量在土壤中水分分布。沙土的毛细管作用最弱，饱和含水率与初始含水率差值也最小因此含水率过渡带最窄。黏土初始含水率与饱和含水率差值最大，且土壤毛细管吸水作用最强，因此相同水量所湿润的土体体积最小。沙土的水平湿润宽度小于壤土是由于在横向入渗的同时也会纵向入渗，沙土毛细管作用较弱，重力成为了主导入渗的因素，因此减少了横向入渗宽度。壤土的入渗同时受重力以及毛管作用影响，壤土毛管作用弱于黏土，因此水平入渗宽度大于黏土；壤土毛管作用大于沙土，重力对于壤土水平入渗的影响较小，因此水平入渗宽度大于沙土。

图4 沙土、壤土、黏土湿润体含水率等值线图

从含水率比降来说含水率比降黏土>壤土>沙土；黏土的持水能力较强，含水率等值线变化幅度较陡；沙土的持水能力最弱，等值线变化也就最缓。总的来说相同灌水量壤土的水平灌水宽度最大，沙土的灌水体积最大，黏土的持水能力最强。

毛细管地表出流情况下100 kPa每米水量为10.52 L/h,而地埋深度20 cm时在沙土中流量为6.83 L/(h·m),壤土中流量为3.28 L/(h·m),黏土中流量为2.72 L/(h·m)。3种土壤地埋毛细管灌流量均很大程度小于地表流量，这是由于不同土壤类型土壤导渗率决定，土壤导渗率越大，毛细管流量越大。

2.3 灌水过程土壤水分运动分析

图5为沙土0.5、1.5、2.5、3.5 h所对应的土壤湿润体形状图，由图5可知毛细管从管上部出流，首先湿润管上面部分，待湿润到管边缘位置后开始绕过右边壁往下入渗，入渗形状开始呈漩涡状。随着时间推移入渗范围增加，入渗形状在1.5 h接近圆形，并且上部湿润体接近土壤顶部。再往后土壤顶部开始湿润，顶部湿润范围增加，与此同时湿润体的下渗作用开始显现，湿润体呈现上部切开的椭圆形。顶部湿润宽度19 cm，横向湿润最宽27 cm，竖向湿润总深度47 cm。

图5 沙土0.5、1.5、2.5、3.5 h湿润体形状图

图6为壤土1、2、4、6.5 h湿润体形状，其形状与沙土湿润过程类似。相对沙土来说，壤土湿润体速度较慢，且湿润体形状更接近圆形，湿润体饱和带部分小于沙土，湿润体过渡带部分大于沙土。顶部湿润宽度23 cm，横向湿润最宽28 cm，竖向湿润总深度43 cm。

图7为黏土2、4、6、8 h湿润体形状，其形状与沙土、壤土湿润过程类似。相对沙土、壤土来说，黏土湿润体速度较慢，且湿润体形状更接近圆形。灌水结束后顶部湿润宽度17 cm，横向湿润最宽25 cm，竖向湿润总深度43 cm。

图6 壤土1、2、4、6.5 h湿润体形状图

图7 黏土2、4、6、8 h湿润体形状图

3 结 语

(1)黏土的湿润体类似于半圆形，壤土的湿润体为顶部切开的半圆形形状，沙土的湿润体为顶部切开的椭圆形形状。土壤类型、土壤含水率对土壤各方向入渗有明显的影响：横向湿润宽度：沙土>壤土>黏土，上方湿润高度：沙土>壤土>黏土，下方湿润深度：沙土>壤土>黏土。土壤水平湿润宽度与上方湿润高度比r/z上黏土0.96<壤土0.98<沙土1.2；下方土壤水平湿润宽度与下方湿润高度比r/z下黏土1.36>壤土1.33>沙土1.03。

(2)3种土壤含水率等值线变化趋势基本一致，均从毛细管往四周降低，等值线间距也从毛细管往四周变化变快，然后在最后两条等值线位置变化减缓。土壤饱和带的宽度壤土<黏土<沙土，含水率变化带宽度沙土<黏土<壤土，总湿润宽度黏土<沙土<壤土，含水率比降黏土>壤土>沙土。

(3)毛细管从管上部出流，首先湿润管上面部分，待湿润到管边缘位置后开始绕过右边壁往下入渗，入渗形状开始呈漩涡状。随着时间推移入渗范围增加并入渗形状接近圆形，再往后土壤顶部开始湿润，顶部湿润范围增加，与此同时湿润体的下渗作用开始显现，湿润体呈现上部切开的椭圆形。毛细管地埋会影响管本身出流量，毛细管出流量决定于土壤导渗率。

(4)根据毛细管的水分在沙土、壤土和黏土运移规律，提出毛细管在蔗区沙土、壤土和黏土的埋深应为40、30和20 cm。

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