微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究

张俊，牛文全†，张琳琳，史丽艳

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100，陕西杨凌)

微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究

张俊1，2，牛文全1，2†，张琳琳1，2，史丽艳3

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100，陕西杨凌)

为探明微润灌溉线源入渗水分运移规律，通过室内土箱试验对微润灌溉土壤水分分布进行研究，分析土壤质地和土壤密度对湿润体特性的影响。结果表明：微润灌溉湿润体是以微润带为轴心的柱状体，黏壤土为近似圆柱体，砂土湿润体横剖面为“倒梨”形，黏壤土R∶X∶H(R为水平运移距离，X为垂直向上运移距离，H为垂直向下运移距离)平均为1.00∶0.90∶0.99，砂土为1.00∶0.81∶0.95。湿润锋水平和垂直(向上和向下)运移距离均与灌水时间呈显著的幂函数关系，土壤密度和质地是影响湿润体特性的主要因素;微润带流量小，单位长度流量不超过210mL/(m·h)，可适应土壤含水率变化自动调整，累计入渗量与灌水时间呈线性关系;湿润体内含水率以微润管带为轴心呈同心圆面分布，大部分土壤含水率介于田间持水量的80% ～90%之间，微润灌溉均匀度高，达95.62%。因此，微润灌溉技术节水效果显著，适宜旱区作物用水需求。

微润灌溉;线源入渗;湿润体;灌溉均匀度

微润灌溉是一种连续微灌技术，是应用半透膜技术的一种全新地下精准微灌技术［1］，属于局部灌溉。微润灌溉亦称半透膜灌溉，是利用功能性半透膜材料制成灌水器，以膜内外水势梯度为驱动，根据作物需水要求，以缓慢出流的方式为作物根区实时、自动、适时、适量地连续供水［2］。微润带出水孔均匀密集，水分出流可以看作“线源”状，可有效防止地表蒸发、减少深层渗漏，其抗堵塞性能强、运行成本低，是一种省水、高效的连续地下灌溉技术。研究微润灌溉线源入渗湿润体特性是科学应用微润灌溉技术的基础。

近年来，国内外学者对不同灌溉方式下土壤水分运动规律进行了大量研究，集中于土壤水分运移的数值模拟和入渗模型的解析解方面［3-6］。张振华等［7］通过室内模拟试验研究了点源入渗滴灌湿润体的影响因素，得出不同因素下湿润锋运移距离与灌水时间呈显著的幂函数关系;李明思等［8］研究了点源入渗滴灌滴头流量与湿润体的关系，认为滴头流量对湿润体形状和大小有很大影响，并且对水平距离影响大于垂直距离。范严伟等［9］以非饱和土壤水分运动为理论基础，建立了膜孔灌点源入渗土壤水分运动的数学模型，研究了膜孔灌湿润体水分分布与入渗性能之间的模拟关系。费良军等［10］和汪有科等［11］研究了涌泉根灌土壤水分运移规律，认为孔径、孔深对湿润体特征参数具有不同的影响。郑园萍等［12］和张林等［13］分别研究了双点源和多点源滴灌条件下交汇湿润体内的土壤水分时空动态分布。目前，对于地埋线源入渗土壤水分运移的研究不多，主要集中在线源滴灌和垂直线源灌溉［14-16］，线源滴灌主要针对不同灌水量和滴头流量，铺设间距对交汇线源的湿润体特性影响规律，而垂直线源主要研究不同线源长度，初始含水率对水分运移规律的影响，并用Pillip等模型进行检验验证。以上研究主要是针对人为控制主动供水的地下灌溉方式，而微润灌溉是以土壤吸力为驱动的新型灌溉方式，具备流量小、灌水持续时间长等特点，其入渗规律和水分分布与点源以及其他线源入渗方式并不完全一致;因此，笔者通过室内模拟试验，以土壤质地、土壤密度为控制因素，研究微润灌溉线源入渗条件下湿润体特征参数的变化及湿润体含水量分布，并对微润灌溉的灌水均匀度进行评价，为微润灌溉技术在实践中的应用和系统参数设计提供基本依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验于2012年3—6月在陕西杨凌西北农林科技大学中国旱区农业节水研究院进行。该试验区位于 E 108°7'～108°24'，N 34°2'～ 34°12'，属典型的温带大陆性半湿润气候区。供试土壤为杨凌三级阶地的黏壤土和河滩一级阶地的砂土。试验用土取自表层0～40 cm熟土，自然风干后过2mm孔径筛，供试土壤机械组成(按国际制：黏 (＜0.002mm)、粉(0.02～0.002mm)、砂(2～0.02mm)所占比例表示)见表1。

表1 供试土壤的机械组成(国际制)Tab．1 Particle size analysis of the tested soil %

1.2 试验装置

试验所用微润带(图1)为双层结构，内层为厚度0.06mm的特制半透膜，其表面采用化学溶解方式，形成均匀而密集的微孔，孔密度约为10万个/cm2，外层为无纺布保护层增加微润带的强度，防止铺设过程中划伤微润带，微润带直径为25mm。试验系统由土箱和供水系统2部分组成(图2)。土箱由壁厚10mm的有机玻璃材料制成，箱体规格为120 cm×50 cm×50 cm(长×宽×高)。土箱2侧面打有直径为25mm的对称小孔(离土箱上边沿250mm，侧边沿15mm)。供水系统由马氏瓶和微润带组成，试验土箱与马氏瓶由橡皮软管连接，马氏瓶主要提供恒定水头。微润带长度与土箱长度均为120 cm，进口端连接供水系统，出口端封闭。试验过程中，通过调节马氏瓶中的水位(图2)控制供水压力，压力水头保持在1.8m。

1.3 试验方法与测定内容

本试验选择土壤质地和土壤密度为主要影响因素，土壤质地包括黏壤土和砂土2种，砂土作为黏壤土的对比，密度为1.35 g/cm3，黏壤土密度设定为1.30、1.35和1.40 g/cm33个水平。将土样自然风干，测试土壤初始含水率均为2.1%，微润带埋深为15 cm。以湿润体横剖面左右方向的1/2为研究对象，每组试验重复4次，所有数据均取平均数。

试验结束时，立刻用1 cm土钻沿微润带铺设水平方向不同深度进行“T”字形取土，沿微润带水平间隔距离为5 cm，垂直间隔距离为5 cm，每条线源取样点数目相同;随后挖取垂直微润带方向湿润体横断面进行取土样，断面取样点分布见图3，用烘干法测定湿润体土壤含水量。

图1 微润带示意图Fig．1 moistube enviro-grower

湿润体水平运移距离记为R，垂直向上运移距离记为X，垂直向下运移距离记为H。采用SPSS进行数据统计分析，Excel软件和Sigmaplot 10.0绘图。

2 结果与分析

2.1 湿润体形状和大小

图2 试验装置图Fig．2 Schematic of experimental equipment

图3 断面取样分布Fig．3 Sampling points of cross-section

图4 湿润锋运移动态变化Fig．4 Changes of the front of wetted soil

图4为试验获得的微润带湿润体形状图。图4(a)分别为土壤密度 1.35 g/cm3的黏壤土 1、3、5、24和48 h时湿润锋橫剖面;图4(b)为土壤密度1.35 g/cm3砂土 1、3、6、18、24 和 48 h 时湿润锋横剖面。(0，0)点为微润带位置，2种质地土壤水分均以微润带为轴心向外扩散。

从图4(a)可以看出：对于黏壤土，初期24 h内，沿垂直(上、下)和水平方向水分运移距离接近，这主要是含水率低，重力势能作用微弱所致;24 h后垂直向下运移距离大于向上运移距离，水平运移距离与垂直运移距离的差距增大，湿润锋最大水平距离均居于微润带所在水平平面，湿润体形状与滴灌形成的半球体、椭球体不同［7］，基本为以微润带为轴的近似“圆柱体”。微润灌溉流量较小，灌水开始时，土壤干燥，土壤水分分布的主要驱动力为土水势;因此，垂直向上和水平方向的运移比较快，随着灌水时间的延长，部分湿润体内重力水比例增大，重力作用下的垂直向下运动增强。对于土壤密度1.35 g/cm3砂土，在入渗6 h内，与黏壤土类似的原因，垂直向上和水平方向的运动较强;但随着灌水时间的延长，砂土内的重力水比例迅速增加，垂直向下运动迅速增强，水平最大运移距离逐渐向下移动［17］。灌水18 h后，水平最大湿润锋值所处位置相对于灌水器所在水平面向下偏移2.1 cm，随着灌水时间的变化，偏移距离越来越大，48 h时偏移距离为5.3 cm，湿润体横剖面呈“倒梨”形。说明在微润带灌水时，黏壤土颗粒吸附力对水分分布起决定性作用，而砂土则由颗粒吸附力和重力作用共同决定水分的分布。

从图4也可以看出，针对同一土壤密度，湿润体体积大小也因土壤质地不同而不同。相同灌水时间，黏壤土湿润体明显小于砂土湿润体。灌水时间72 h 内，黏壤土R∶X∶H平均为1∶0.90∶0.99，三者之间的差异较小。灌水5 h时R∶X∶H为1∶0.98∶1.03，湿润体截面接近圆形，随着灌水时间的延长，H、X逐渐减小，72 h 时R∶X∶H变为1∶0.85∶0.97。而砂土R∶X∶H差异较大，灌水48 h内R∶X∶H平均为1∶0.81∶0.95，灌水 3 h 时R∶X∶H为1∶0.92∶0.98，湿润体截面接近圆形，随着灌水时间的持续，X呈明显逐渐下降趋势，灌水48 h 时R∶X∶H变为1∶0.71∶0.95。分析原因，主要是黏壤土含黏量远大于砂土，其颗粒表面吸附力的作用远大于砂土，黏壤土空隙小，毛细现象明显，而砂土导水性好，重力作用明显，持水作用较差，水分扩散在各个方向比较均匀［18］。

2.2 土壤密度对湿润体体积的影响

土壤密度对微润灌湿润体体积影响非常大。灌水72 h后，土壤密度为1.30 g/cm3的黏壤土湿润体体积是土壤密度为1.35 g/cm3的1.5倍，是土壤密度为1.40 g/cm3的2.3倍。由于微润灌黏壤土湿润体形状为近似圆柱体，可以建立计算湿润体体积的简易公式

式中：V为湿润体体积，cm3;t为灌水时间，h;L为微润带线源长度，cm;a、b分别为拟合参数。计算时所取湿润体半径r，可近似为H、R、X的平均值，该值为灌水时间t的函数，根据试验结果拟合，不同的土壤密度对应函数关系不同，当土壤密度为1.30 g/cm3时，r=2.221 3t0.4913，即V=4.934πt0.983L。

可根据式(1)预测不同时刻的湿润体体积，结果见表2，可知，式(1)能较准确地预测不同灌水时刻的湿润体体积，精度高且随密度的增大而增大。

表2 湿润体体积预测值与实测值参数对照Tab．2 Comparison between predicted andmeasured wetted soil volumes

2.3 湿润锋运移规律

图5为土壤湿润锋R、X、H随灌水时间的变化曲线，从中可以看出，R，X，H均随灌水时间t的增加呈增加趋势，运移速率(图5中曲线的斜率)均随灌水时间增加而减小。入渗初期，土壤含水量低，入渗边界与湿润锋之间形成较高的水势梯度，湿润锋的推进速率较快。随着入渗时间的延长，湿润体内含水量增大，膜内外水势梯度差明显减小，微润带流量自动适应土壤含水率而减小，湿润体扩大速率减缓。砂土的湿润锋运移距离明显高于黏壤土，2种土质垂直入渗深度差异最大，垂直向上运移距离随着灌水时间的延长不断缩小。

图5 湿润锋运移距离变化Fig．5 Changes of themigration distance of wetted soil front

土壤密度对微润灌溉湿润锋运移具有很大的影响。R、X、H均随土壤密度的增大而减小，土壤密度越大，R、X、H三者越接近，湿润体截面越接近于圆形。湿润体到达土壤上表面的时间随土壤密度增加而迅速变大，土壤密度分别为1.30、1.35和1.40 g/cm3时，黏壤土土壤表面湿润需要的时间分别为52、83和101 h。这主要是由于随着土壤密度增大土壤紧密性增大，从而会显著降低土壤的垂直导水率［19］。

可用幂函数描述湿润锋运移距离随灌水时间的变化，即

式中：A、C、E分别为水平、垂直向下和向上的扩散系数;B、D、F分别为水平、垂直向下和向上的扩散指数。

拟合结果见表3。可以看出，湿润锋运移距离与灌水时间t之间呈显著的幂函数关系：砂土的扩散系数大于黏壤土，扩散指数小于黏壤土;黏壤土扩散系数随密度的增大而减小，水平、垂直向上扩散指数约为0.5，受密度的影响较小，而垂直向下的扩散指数受密度的影响很大，随着密度的增大而增大。说明垂直向下运移距离对灌水时间的敏感度高于水平和垂直向上的运动。

表3 湿润锋运移距离与时间拟合参数Tab．3 Fitting parameters between themigration distance of wetted soil front and irrigation time

2.4 湿润体水分分布及灌水均匀度

灌水量和湿润体水分分布特性是灌溉设计的重要参考指标。图6示出不同质地和密度下累计入渗量随灌水时间的变化过程。图7为密度1.35 g/cm3黏壤土湿润体剖面含水量分布等值线图，坐标系中(0，-15)为微润带端口所在位置。

从图6可以看出，与滴灌累计入渗量与灌水时间呈幂函数关系不同，微润灌溉累计入渗量随灌水时间呈线性递增关系。这主要是由于微润灌溉出流由供水压力和微润带内外水势差共同作用，流量小，灌水量受土壤含水率的影响大，流量随土壤含水率自动调节。另外，随着土壤密度和含黏量的增加，相同时段内的累计入渗率不断减小。密度为1.30、1.35和1.40 g/cm3的黏壤土，在灌水96 h内平均入渗速率分别为200、108和88mL/h，最大为210mL/h;密度是1.35 g/cm3的砂土为162mL/h，由于含黏量和土壤密度增大时，土壤孔隙尤其是大孔隙变少，水流阻力增大，累计入渗量减小。这一结论与李卓等［20］模拟试验结果一致。

图6 累计入渗量变化过程Fig．6 Changes of cumulative infiltration quantity

图7 湿润体剖面含水量分布图Fig．7 Distribution of themoisture content in wetted soil

从图7可以看出，湿润体剖面含水量分布呈以微润带为圆心的不规则同心圆，含水量随着湿润体半径的增大而减小，湿润体内最大含水量为27.8%左右，处于相对田间持水量与饱和含水量之间，分布于微润带附近半径5 cm土壤内;大部分含水量值分布在相对田间持水量的80% ～90%之间，湿润锋含水量梯度变化不明显。因此，微润灌溉可保持根区土壤较低的水分张力，达到满足作物的最佳水气要求［21］。

土壤湿润程度的均匀性是评价灌水质量的重要指标［22］，可采用克里斯琴森均匀系数评价微润灌溉的均匀度。

式中：Cu为灌水均匀系数为平均土壤含水量;θi为每个取样点的实际土壤含水量;n为取样点个数。

经沿微润带采样并计算(见表4，表4以密度为1.35 g/cm3的黏壤土计算结果为例，其他类似，不再赘述)，微润灌溉灌水均匀度非常高，黏壤土达95.3%，砂土达96.12%，土壤密度对灌水均匀度的影响非常小。按照现行《节水灌溉技术规范》的灌溉系统Cu＞70%的明确规定，微润灌溉属于高均匀度节水灌溉技术，与滴灌系统比较，更能满足作物需水要求。

表4 含水率分布特征及灌水均匀性Tab．4 Distribution characteristics of soil water contents and irrigation uniformity

3 结论

1)微润灌溉湿润体是以微润带为轴心的柱状体，黏壤土湿润体为圆柱体，砂土为“倒梨”形柱状体，湿润体垂直剖面含水量分布呈以微润管带为轴心的同心圆面。微润灌溉湿润体研究和以前的滴灌、膜下灌等方法均采取了室内模拟试验，由于微润带灌水原理特殊，主要以土吸力为驱动;因此，微润灌溉湿润体形状成的“柱状体”，区别于李明思等［8］和郑园萍等［12］的单、双点源的椭球体，半球体湿润体形状。

2)土壤密度和质地是微润灌溉湿润体的重要影响因素，湿润锋运移距离与灌水时间呈显著的幂函数关系，随着土壤密度增大，扩散系数减小。微润灌溉累计入渗量与灌水时间呈线性函数关系。这一结论与张振华等［7］和费良军等［10］研究的滴灌、涌泉根灌结论一致，土壤密度和质地对土壤水分运移规律影响较大，并且湿润锋运移距离与时间成幂函数关系。

3)微润灌溉湿润体内不存在土壤饱和含水区，大部分土壤水分分布于田间持水量的80%～90%之间，灌水均匀度高，砂土达95.62%。这一结论类似于赵伟霞等［21］研究的无压灌溉含水率分布结果，主要与其灌溉原理有关。

本试验采用均质土壤进行研究，但与大田非均质土壤相比较有一定的差距，对微润灌溉非均质土壤入渗规律有待大田试验研究。

4 参考文献

［1］Quiñones-Bolaños E，Zhou H，Soundararajan R，et al.Water and solute transport in pervaporation hydrophilicmembranes to reclaim contaminated water formicro-irrigation［J］.Journal ofmembrane Science，2005，252(1-2)：19-28

［2］杨文君，田磊，杜太生，等.半透膜节水灌溉技术的研究进展［J］.水资源与水工程学报，2008，19(6)：60-63

［3］Bhatnagar P R，Chauhan H S.Soil watermovement under a single surface trickle source［J］.Agricultural Watermanagement，2008，95(7)：799-808

［4］Gärdenäs A I，Hopmans J W，Hanson B R，et al.Twodimensionalmodeling of nitrate leaching for various fertigation scenarios undermicro-irrigation［J］.Agricultural Watermanagement，2005，74(3)：219-242

［5］Kandelousmm，Šimu˚nek J.Numerical simulations of watermovement in a subsurface drip irrigation system under field and laboratory conditions using hydrus-2d［J］.Agricultural Watemanagement，2010，97(7)：1070-1076

［6］Patel N，Rajput T B S.Dynamics andmodeling of soil water under subsurface drip irrigated onion［J］.Agricultural Watermanagement，2008，95(12)：1335-1349

［7］张振华，蔡焕杰，郭永昌，等.滴灌土壤湿润体影响因素的实验研究［J］.农业工程学报，2002，18(2)：17-20

［8］李明思，康绍忠，孙海燕.点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究［J］. 农业工程学报，2006，22(4)：32-35

［9］范严伟，马孝义，王波雷，等.膜孔灌土壤湿润体水分分布与入渗特性数值模拟［J］.农业机械学报，2008，39(11)：35-41

［10］费良军，曹俊，聂卫波.涌泉根灌土壤湿润体特性试验［J］. 排灌机械工程学报，2011，29(3)：260-265

［11］汪有科，黎朋红，马理辉，等.涌泉根灌在黄土坡地的水分运移规律试验［J］.排灌机械工程学报，2010，28(5)：449-454

［12］郑园萍，吴普特，范兴科.双点源滴灌条件下土壤湿润锋运移规律研究［J］.灌溉排水学报，2008，27(1)：28-30

［13］张林，吴普特，朱德兰，等.多点源滴灌条件下土壤水分运移模拟试验研究［J］.排灌机械工程学报，2012，30(2)：237-243

［14］段雪松，汪有科，马理辉，等.垄上线源滴灌湿润体特性研究［J］. 水土保持学报，2009，23(6)：195-198

［15］李淑芹，王全九.垂直线源入渗土壤水分分布特性模拟［J］. 农业机械学报，2011，42(3)：51-57

［16］Zhang Rui，Cheng Ziyong，Zhang Jinxia，et al.Sandy loam soil wetting patterns of drip irrigation：A comparison of point and line sources［J］.Procedia Engineering，2012，28：506-511

［17］刘玉林.波涌灌入渗机理的研究［J］.排灌机械，2002，20(4)：18-20

［18］李雪转，樊贵盛.非充分供水与充分供水入渗模型参数间关系试验［J］.农业机械学报，2010，41(9)：44-49

［19］李卓，吴普特，冯浩，等.容重对土壤水分蓄持能力影响模拟试验研究［J］.土壤学报，2010，47(4)：611-620

［20］李卓，吴普特，冯浩，等.容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验［J］.农业工程学报，2009，25(6)：40-45

［21］赵伟霞，蔡焕杰，陈新明，等.无压灌溉土壤湿润体含水率分布规律与模拟模型研究［J］.农业工程学报，2007，23(3)：7-12

［22］宰松梅，仵峰，温季，等.大田地下滴灌土壤水分分布均匀度评价方法［J］.农业工程学报，2009，25(12)：51-57

Experimental study on characters of wetted soil inmoistube irrigation

Zhang Jun1，2，Niu Wenquan1，2，Zhang Linlin1，2，Shi Liyan3
(1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences＆ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing;3.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest Agriculture ＆ Forestry University，712100，Yangling，Shaanxi：China)

This study was conducted to investigate the soil watermovement of line source infiltration undermiostube-irrigation.Soil box experiments was used to study soil water distribution and analyze the effect of the soil texture and bulk density on the characteristic of wetted soil.The results showed that the wetted soil looked like cylindrical object which with pipe as it’s axle centre and clay loam soil was approximate with cylinder，the cross section of sandy soil as obpyriform shape.The ratio ofR∶X∶Hwas 1∶0.90∶0.99 in clay loam soil and 1∶0.81∶0.95 in sandy soil，respectively.(R：horizontalmigration distance;X：vertical upward distance;Y：vertical downward distance).The relationship between the horizontal or verticalmoving distance of wetting front with irrigation time appeared as a power function.The effects of the soil texture and bulk density on the characteristic of wetted soil were significant inmoistube irrigation.Miostube-irrigation has small flow，the unit length flow rate was not exceed 210mL·m-1·h-1，which could automatically adjust with the change of soil water content，cumulative infiltration has a linear relation with irrigation time.Water distribution in the volume of wetted soil was a concentric circle with the pipe.Most of soil water content lied between 80%and 90% of field capacity.Miostubeirrigation has high irrigation uniformity，which reached 95.62%.The effect of water saving ofmiostube-irrigation is prominent，which is suitable for crop water demand in the arid regions.

moistube-irrigation;line source infiltration;wetted soil;irrigation uniformity

2012-07-05

2012-09-17

国家高技术研究发展技术(863)“低能耗微灌技术与产品”(2011AA100507)

张俊(1987—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土资源高效利用。E-mail：zhangjun19880202a@163.com

†责任作者简介：牛文全(1972—)，男，博士，副研究员。主要研究方向：水土资源高效利用与节水理论。E-mail：nwq@vip.sina.com

(责任编辑：程 云)