灌水流量对涌泉灌及涌泉根灌湿润体影响的研究

赵新宇，胡羊羊，彭江涌，朱绿丹

（1.南昌工程学院，南昌330099；2.鄱阳湖流域水工程安全与资源高效国家地方联合工程试验室，南昌330099）

涌泉灌是采用加流量控制器的塑料细管作为灌水器与毛管相连接，并且可以与田间渗水沟辅助，以细流或射流局部湿润作物根区附近土壤进行灌溉的一种灌水方法[1]。涌泉根灌是一种将灌水器埋设于不同土层深度处进行地下局部灌溉的一种灌水方法[2,3]，是在滴灌和涌泉灌基础上发展起来的一种地下微灌技术[4]。关于灌水流量与湿润体的关系，国内外学者进行了较多的研究，滴灌方面：滴头流量对土壤湿润体大小和形状都有影响[5]，在相同的土壤条件下灌水后土壤形成的湿润体随灌水量的增加而增大，在相同灌水量下增加滴头流量能够显著增加水平方向的湿润距离[6]，滴头流量越大，土壤湿润体越宽浅[7]；在相同的灌水时间内，湿润体在水平、垂直方向上湿润锋的运移距离随着滴头流量的增加而不断增大[8,9]。涌泉灌方面：在相同的入渗时间内，随着灌水流量的增大，湿润体相应变大，土壤水分运动的各特征值随之增大[1]。涌泉根灌方面：在相同的入渗时间内，湿润体的水平扩散半径、向上入渗距离、向下入渗距离随灌水流量的增大而增大[10]，且3 个入渗特征值均与入渗时间有显著的幂函数关系[11-14]。综上所述，相同灌水时间下，滴灌、涌泉灌、涌泉根灌的灌水流量对湿润体的影响基本相同。但在相同的灌水量下，不同的灌水流量对涌泉灌及涌泉根灌湿润体影响的研究还很少，这项研究对指导生产实际有重要的意义，文章将通过室内试验对此进行研究，并比较二者的不同之处。

1 试验装置与方法

1.1 供试土壤

试验土样为取自江西省灌溉试验中心站试验基地的粘壤土，利用K-SAT 测得土壤饱和导水率为0.055 cm/min，利用BT-9300H 激光粒度分析仪测得土样的机械组成土壤的机械组成见表1。试验前将风干土过0.5 mm 孔径细筛，按照预定容重1.35 g/cm3分层装进试验箱内，土壤初始含水率为5.4%。

表1 供试土壤的理化特性Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

1.2 试验装置

涌泉灌试验装置是由马氏瓶、透明玻璃土箱（50 cm×50 cm×50 cm）组成，试验装置如图1所示；涌泉根灌试验装置是由马氏瓶、透明玻璃土箱（50 cm×50 cm×50 cm）、灌水器等三部分组成。灌水器包括两个部分：滴头、套管，滴头采用连接马氏瓶，可控制流量的软管；套管为长30 cm 的PVC管，内径4 cm，其下部15 cm 打孔，孔径0.1 cm，孔距1 cm，套管外包透水的无纺布。由于试验模拟的是1/4 灌水情景，所以涌泉根灌采用1/4套管，将一个圆筒套管等分成4份，取其1/4。套管布置在土箱900转角处，埋入土体，其上部与土壤表面齐平，套管与土箱接触的部分采用胶水粘接。

1.3 试验方法

在土壤密度相同，初始含水率相同的条件下，采用1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 L/h等5个流量水平进行试验，灌水量固定为2.5 L。实验开始前，用量筒校核出水口流量。试验开始后用秒表计时，记录湿润锋在水平方向的扩散距离、垂直方向的入渗距离，并读取刻马氏瓶的刻度。由于水分入渗较快，逐一测量会存在延迟性造成误差，故先用记号笔在土箱侧面描绘湿润锋的位置，试验结束后一一记录试验数据。刚开始1 h 内，每隔5 min 记录一次，1 h 之后每隔10 min 测量一次，直至试验完毕。

2 流量对积水的影响

涌泉灌的灌水流量较大，容易超过土壤的入渗能力，在土壤表面形成积水。试验表明：当灌水器流量为1.0 L/h 的时候，土箱土壤表面没有积水，此时为点源入渗；当灌水流量为1.5 L/h 的时候，开始出现积水，入渗逐渐转为面源入渗；积水呈1/4 圆形，灌水流量为1.5、2.0、2.5 和3.0 L/h 时，土壤表面的最大积水深度分别为0.15、0.30、0.50和0.70 cm，积水的最大半径分别为2.6、5.4、8.0 和10.2 cm。积水深度、积水面积随灌水流量的增大而增大，二者均与流量显著相关。在田间灌溉中，土壤表面积水，会增加灌溉水的蒸发损失，而且导致水分在水平方向的扩散距离大于在垂直方向的入渗距离，不利于形成好的湿润体形状，影响作物对水分的充分吸收。

对于滴灌，研究[5]表明当灌水流量达到1.0 L/h 的时候，黏性土壤表面开始出现积水，随着滴头流量的增加，地表积水区半径增大，而且积水区的增大，使湿润锋在水平方向上的运移速率增加。流量对土壤表面积水半径的影响，滴灌与涌泉灌类似。

相对于滴灌、涌泉灌的点源（面源）入渗，涌泉根灌是柱面入渗，入渗过程是不同的。试验表明：当灌水流量为1.0 L/h 的时候，灌水器外部的套管中就开始积水，积水的深度随着流量的增大而增大，灌水流量为1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 L/h 时，套管内的最大积水深度分别为1.6、3.7、6.0、8.3 和10.7 cm，流量与积水深度之间显著线性相关。所有流量水平的试验中，涌泉根灌在土壤表面没有形成积水。

涌泉灌与灌泉根灌入渗的灌水流量与积水深度的关系如图2所示，二者有两处不同，一是涌泉根灌由于存在套管，积水都在套管内部，不会像涌泉灌一样形成土壤表面积水，这对减少无效蒸发、降低水平入渗距离，改善湿润体的形状，使水分充分入渗到作物根部是有利的；二是相对于涌泉灌，灌泉根灌流量与积水深度影响的线性关系更加明显，这是因为涌泉灌在土壤表面形成积水之后，点源入渗转变为面源入渗，灌水流量对水分入渗过程的影响比较复杂，而涌泉根灌由于没有土壤表面积水，水分一直通过套管开孔处入渗土壤，灌水流量对入渗过程的影响相对稳定。

3 入渗结束后湿润体的形状

涌泉灌湿润体、涌泉根灌的湿润体形状如图3所示。涌泉灌入渗刚开始的时候，基质势起主要作用，前5 min 土壤水分在水平方向的扩散距离远大于竖直向扩散距离，以流量1.5 L/h 为例，前5 min 水平向运移距离为11.2 cm，竖直向运移距离仅为5.8 cm，湿润体剖面为1/4椭圆形。随着入渗时间的增加，水平向湿润锋运移速度降低，水平与垂直方向的运移距离逐渐接近，并一直持续到入渗结束。从图3可看出涌泉灌入渗结束后，湿润体的竖直剖面接近于1/4 圆形。涌泉根灌条件下的土壤水分入渗属于柱面入渗，由于灌水器在土体内部有15 cm的埋深，水分不仅会向下入渗，还会向上入渗。以流量1.5 L/h为例，入渗开始后，水平方向湿润锋运移距离较大，湿润体剖面呈半扁椭圆形，30 min 时湿润锋各向运移距离基本趋平，湿润体剖面形状接近于半圆形，70 min时湿润锋向上运移即将达到顶端，垂直向下方向继续运移，垂直方向与水平方向上的运移距离逐渐拉大，到入渗结束时湿润体剖面呈近似1/4 椭圆形。

试验表明：涌泉灌土壤水分入渗后，会形成一个近似半球体，而涌泉根灌入渗后会形成一个近似半椭圆球体；在入渗水量相同，流量不同的条件下，涌泉灌湿润体的水平方向的长度是涌泉根灌1.25～1.50 倍，垂直方向的长度是涌泉根灌0.50～0.75 倍。所以，相对于涌泉灌，涌泉根灌的湿润体形状更为修长，在水平方向短，在垂直方向长，土壤水分分布表层较少，中层、深层较多，这对于农作物、特别是根系分布比较深的果树对水分的吸收是有利的。

对于滴灌，文献[5]研究表明经过180 min 入渗后，湿润体的形状一个扁平的半椭圆球体，水平方向的入渗距离远大于垂直方向的入渗距离；文献[8]研究表明经过240 min 入渗后，湿润体的形状一个扁平的半椭圆球体，但水平、垂直方向上的入渗距离差值较文献[5]要少；文献[7]研究表明经过480 min入渗后，湿润体的形状近似半圆球体；文献[6]研究表明在入渗结束3 d 后，湿润体的形状是一个修长的半椭圆球体。湿润体形状由水平方向较大，逐渐变为垂直方向较大的过程，是由于重力势在入渗过程的所起的作用随入渗时间增加而增加，对于渗透性能较好的土壤，这种趋势更为明显。滴灌和涌泉灌的湿润体形状、形成过程非常相似，和涌泉根灌有较大的不同。

4 流量对湿润体形状的影响分析

涌泉灌和涌泉根灌土壤水分入渗试验结束时，涌泉灌湿润锋的水平运移距离、垂直运移距离，涌泉根灌湿润锋的水平运移距离、垂直向下运移距离、垂直向上运移距离如表2所示。

表2 不同流量下涌泉灌与涌泉根灌的湿润锋运移距离Tab.2 Wetting front of bubble irrigation and bubble root irrigation under different irrigation flow

可以发现，在相同灌水量不同流量条件下，随着灌水流量的增大，涌泉灌水平方向的湿润锋运移距离逐渐增大，垂直方向的湿润锋运移距离逐渐减少，但在水平方向、垂直方向上，灌水流量与湿润锋的运移距离都不是线性相关的关系。涌泉灌水平方向上入渗距离明显大于在垂直方向上的入渗距离，而且随着灌水流量的增大，二者之间的差值变得更大，其原因是随着灌水流量的增大，超过了土壤的入渗能力，造成土壤表面积水，而且积水深度随着流量的增大而增大，这就导致水体在土壤表面外溢，增大了水平湿润锋的运移距离，同时，也减少了土壤在垂直方向的入渗水量，减少了在垂直方向的湿润锋运移距离。涌泉灌在实际应用中，也存在灌水器流量增大后，发生田面积水的情况。水平入渗距离大于垂直入渗距离，使入渗到土壤表层的水量增加，水分的无效蒸发增加，到达作物根系的水量会减少，对于节水灌溉是不利的。在涌泉灌条件下，灌水流量对湿润体的形状有显著的影响，流量越大，湿润体在水平方向的直径越大，在垂直方向的直径越小，湿润体越扁平。

在相同灌水量不同流量的条件下，涌泉根灌水平方向湿润锋的运移距离在20.1±0.8 cm 的范围内波动，垂直向下的运移距离在18.3±0.8 cm 的范围内波动，垂直向上的运移距离都到达了土壤表面（15 cm)，在考虑试验误差的情况下，灌水流量对湿润体形状的影响不明显。流量对湿润体形状影响不明显的原因，是因为涌泉根灌条件下水分是通过套管孔进行土壤入渗的，在灌水器流量为1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0 L/h 时，套管内积水深度分别为1.6、3.7、6.0、8.3 和10.7 cm，但套管长度30 cm，开孔长度15 cm，管内的积水深度都没有溢出套管形成土壤表面积水，都是通过开孔处向外入渗，不同灌水流量的入渗边界条件变化并不大。涌泉根灌技术在实际应用中，即使在灌水器流量较大的情况下，也很少出现管口溢水，产生田面积水的情况，湿润体直达作物的根部，减少了水分的无效蒸发。

对于滴灌，从一些文献[5,7,8]提供的图表数据可以推算得出：在相同灌水量不同流量的滴灌条件下，随着流量的增大，水平方向的湿润锋运移距离增大，垂直方向的湿润锋运移距离减少，而且在入渗时间不是很长(180 min)的条件下，水平方向的湿润锋运移距离大于垂直方向上的湿润锋运移距离。由此可见，灌水流量对湿润体形状的影响，滴灌与涌泉灌很相似，与涌泉根灌不同。

5 结论

（1）在灌水流量相同的条件下，涌泉灌比涌泉根灌更容易形成土壤表面积水；随着灌水流量的增大，涌泉灌土壤表面积水的深度、面积逐渐增大，涌泉根灌灌水套管内的积水深度逐渐增大，并且灌水流量与套管内的积水深度呈线性相关关系。

（2）入渗结束后，涌泉灌的湿润体形状是一个近似半球体，涌泉根灌的湿润体形状是一个近似半椭圆球体，而且在垂直方向更为修长。

（3）灌水流量对涌泉灌湿润体的形状有显著的影响，流量越大，湿润体形状越扁平，但在一定流量范围内，灌水流量对涌泉根灌的湿润体形状无显著影响；在相同的灌水量和灌水流量条件下，涌泉灌在水平方向的入渗距离显著大于涌泉根灌，在垂直方向上的入渗距离显著小于涌泉根灌。

（4）相对于涌泉灌，涌泉根灌不易产生土壤表面积水，水分分布更深，入渗的水量更容易到达作物根区，减少了水分的无效蒸发，有利于作物对土壤水分的吸引。