涌泉根灌双点源交汇入渗湿润体试验研究

吴恒卿，黄 强，魏 群

(1 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048；2 深圳市西丽水库管理处，广东 深圳 518049；3 深圳市龙岗区建筑工务局，广东 深圳 518172)

涌泉根灌双点源交汇入渗湿润体试验研究

吴恒卿1，2，黄 强1，魏 群3

(1 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048；2 深圳市西丽水库管理处，广东 深圳 518049；3 深圳市龙岗区建筑工务局，广东 深圳 518172)

【目的】 探求涌泉根灌土壤水分运移及分布特性，为涌泉根灌理论研究及技术要素确定提供参考。【方法】 在20 L的灌水量和160～300 min的灌水历时条件下，以滴头流量(4，6，8 L/h)、滴头间距(30，50 cm)为变量，通过变化其中的一个量进行双点源交汇入渗条件下的涌泉根灌试验，测定并分析湿润体水平剖面和垂直剖面湿润锋运移和水分分布的变化规律。【结果】 涌泉根灌双点源交汇入渗不同布置方式对水平、垂直剖面湿润锋运移及水分分布有一定影响，不同流量(4，6，8 L/h)入渗结束后24 h，水平和垂直方向湿润锋分别相差1.5，4.0 cm；4.2，2.8 cm和6.7，6.8 cm。不同滴头间距(30，50 cm)入渗结束后24 h，水平剖面水平方向和交汇界面湿润锋分别增加24.5，11.3 cm和17.7，20.3 cm，垂直剖面水平方向和交汇界面湿润锋分别增加26.0，30.2 cm和22.1，36.6 cm。灌水量和滴头间距相同条件下，灌水结束时大滴头流量湿润体表层土壤的含水量较高，但深层土壤含水量较小滴头流量低。【结论】 在灌水量20 L和灌水历时160～300 min条件下，涌泉根灌滴头流量和滴头间距对湿润体的运移、交汇时间、土壤含水量均有影响。

涌泉根灌；湿润锋运移；湿润体；土壤含水量

陕北黄土高原水资源短缺[1]，使得该区丰富的矿产资源和土地资源的开发利用受到严重制约。涌泉根灌[2]是一种微灌新技术，它能减少水分蒸发，提高水分利用率。陈俊英等[3]研究了不同配套产品对涌泉根灌土壤湿润体特性影响，表明水平湿润锋与时间的自然对数呈线性关系；汪有科等[4]分析了涌泉根灌在黄土坡地的水分运移规律，得出了涌泉根灌适宜的孔洞深度及孔径大小；牛文全等[5]分析了初始含水率对涌泉根灌土壤渗透特征的影响，认为初始含水率对湿润体形状影响不大。但综观以上研究成果，目前国内外对涌泉根灌双点源交汇入渗湿润体的试验研究还较为少见。为此，本研究设置不同灌水量、不同滴头流量的单点源和不同滴头流量、不同滴头间距[6]的双点源入渗试验[7]，探求涌泉根灌土壤水分运移及分布特性，以期为涌泉根灌理论及技术要素研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于陕北米脂孟岔村，该区为典型的黄土高原丘陵沟壑区，气候干燥，日照充沛，干旱少雨，季节明显，春季风多，白昼温差大，十分适合枣树生长。试验区土壤以黄绵土为主，为粉质壤土，表层土壤容重平均为1.35 g/cm3，计划湿润层0～70 cm，田间持水量为22%；土壤比较贫瘠，pH 8.6，土壤略呈碱性。该区土壤颗粒级配见表1。

1.2 试验装置及试验设计

本试验用马氏瓶供水,在恒定水头下通过调节旋钮开度来控制滴头流量。模拟滴头流量分别为 4，6，8 L/h，滴头埋深20 cm,滴头间距设置为30和50 cm，为减小因时空差异造成的试验误差，每组试验均设3个重复，具体试验方案见表2。

1.3 试验方法及观测内容

试验采用剖面法,在试验区内选择未经扰动的土壤坡面,去除表层覆土及杂物,将试验区修成表面光滑整齐的阶地(高×宽=1.5 m ×1.5 m)。如图1所示，将孔洞布置在距台阶边缘5 cm 处,以竖直面作为观测面。将模拟滴头伸入孔洞中,在孔洞中放入一片滤纸防止水流冲击破坏土壤结构。入渗开始时用秒表记时，入渗停止时,因湿润体比较对称,所以测量湿润体1/2垂直剖面的形状,并在竖直面按照10 cm×10 cm 网格取土,用烘干法测定土壤含水量。试验结束后用塑料布盖住湿润体,以防降雨淋湿和抑制蒸发。每组试验重复3 次,取平均值作为试验结果。

2 结果与分析

2.1 滴头流量对湿润锋运移的影响

2.1.1 水平剖面 图2分别为滴头流量4，6，8 L/h，滴头间距为30 cm，灌水量为20 L时水平剖面湿润锋随滴灌时间的运移变化情况。由图2可以看出：随入渗时间的推移，湿润体面积不断增加，但水平方向湿润锋和垂直方向湿润锋运移速率并不相同[8],这是由于湿润锋在水平剖面仅受到基质吸力的单一作用[9]，而在垂直方向受到基质吸力和重力势的共同作用，因而达到一定入渗时间后，湿润锋的垂直剖面运移速率大于湿润锋水平剖面运移速率。不同流量相比，双点源湿润锋交汇时间随滴头流量的增大而缩短[10]，流量为4，6，8 L/h时湿润体双点源湿润锋的交汇时间分别为90，44，30 min，交汇时湿润体水平方向湿润锋分别运移至30.5，32.0，36.0 cm。可见，在灌水量相同的情况下，湿润锋运移距离随滴头流量的增大而增大[11]。此外，湿润锋交汇后，由于双点源水分同时向交汇面入渗，其水势迅速升高，交汇界面上湿润锋运移速率明显快于其他位置[12-13]，滴头流量为4，6，8L/h时，湿润体沿滴头连线方向和交汇界面上湿润锋平均运移速率分别为0.09，0.15，0.20 cm/min和0.11，0.20，0.27 cm/min。

图3为不同滴头流量时湿润体水平剖面两滴头连线方向和交汇界面湿润锋运移与时间的关系。从图3可以看出，入渗时间相同时，滴头流量越大，基质吸力越大，湿润锋运移距离越大，湿润锋运移速率随入渗时间的增加逐渐趋缓[14]，其中滴头流量为8 L/h 时湿润体入渗初期的湿润锋变化最为明显。用对数函数对湿润锋运移距离与入渗时间的关系进行拟合，结果为：

L(t)=Alnt+B。

(1)

式中:L(t)为水平湿润锋运移距离，A为拟合函数的系数，B为常数，t为时间。

不同滴头流量下，湿润体水平剖面两滴头连线方向和交汇界面湿润锋运移与时间关系拟合方程的拟合参数见表3。

2.1.2 垂直剖面 图4为滴头流量4，6，8 L/h，2个滴头间距为30 cm时湿润体垂直剖面湿润锋随滴灌时间的运移情况。由图4可以看出：由于不同处理之间滴头流量不同，致使湿润体运移距离、湿润体体积以及湿润比之间存在差异。交汇时间随滴头流量的增大而缩短，滴头流量4，6，8 L/h的湿润体双点源垂直剖面湿润锋交汇时间分别为48，35和17 min；湿润锋运移速率和滴头流量成正比增长，入渗相同的20 L水量后，滴头流量4，6，8 L/h的湿润体垂直剖面在水平和垂直方向上的湿润锋运移距离分别为45.6，47.6，48.7 cm和36.8，36.9，39.7 cm。入渗结束后24 h，滴头流量4，6，8 L/h的湿润体在水平和垂直方向上湿润锋的运移距离分别为70.2，73.6，78.5 cm和63.4，67.6，70.4 cm。

滴头流量为4,6,8 L/h时，湿润体垂直剖面交汇界面湿润锋运移距离与时间的关系同样可以采用对数函数进行拟合[15]，拟合结果见表4。由拟合结果不难发现，随入参时间的推移，湿润体交汇界面湿润锋运移增长速率逐渐变缓，滴头流量越大，这种趋势越明显。

2.2 滴头间距对湿润锋运移的影响

滴头流量为6 L/h，灌水量为20 L，滴头间距分别为30和50 cm时，湿润体湿润锋的运移情况如图5，6所示。由图5，6可以看出，在相同灌水量条件下，滴头间距对湿润峰运移的影响更为突出，滴头间距为30 cm时湿润体水平和垂直剖面湿润锋分别在入渗开始后44和34 min发生交汇，滴头间距为50 cm时水平和垂直剖面湿润锋分别在140和110 min发生交汇。入渗结束时，滴头间距30和50 cm湿润体水平剖面水平方向、交汇界面湿润锋分别运移至46.7，32.8 cm和52.5，14.5 cm，垂直剖面水平方向、交汇界面湿润锋分别运移至47.6，36.9 cm和61.5，30.3 cm；滴头间距为50 cm时湿润体交汇界面湿润锋的运移距离明显较滴头间距为30 cm时小。灌水24 h后，滴头间距30和50 cm湿润体水平剖面水平方向、交汇界面湿润锋分别增加了24.5，11.3 cm和17.7，20.3 cm；垂直剖面水平方向、交汇界面湿润锋分别增加了26.0，30.2 cm和22.1，36.6 cm，表明滴头间距大的湿润体在灌水后的水分再分布期间，滴头间距的增加对交汇界面湿润锋运移的影响更为明显。

2.3 滴头流量对土壤含水率的影响

2.3.1 滴头流量对垂直向上剖面土壤含水率的影响 图7表示灌水量为20 L时，不同滴头流量条件下以滴头下部为原点垂直向上剖面的土壤含水率的分布情况。由图7可以看出：各处理灌水结束后湿润体内土壤含水率均大于初始值，不同滴头流量土壤含水率大小表现为8 L/h>6 L/h>4 L/h>初始含水率。灌水结束时，4，6，8 L/h滴头流量下滴头上方垂直方向上距滴头35 cm处的土壤含水率分别为11.2%，12.5%和16.0%，土壤含水率随着离土表距离的减小而减小。在滴头垂直向上剖面的土壤中，水分在基质势作用下克服重力向上移动。

2.3.2 不同流量对垂直向下剖面土壤含水率的影响 图8表示灌水量为20 L时，不同滴头流量条件下以滴头下部为原点垂直向下剖面的土壤含水率的分布情况。由图8可以看出：各处理灌水结束后湿润体内的含水率均大于初始值，不同滴头流量时土壤含水率的大小表现为8 L/h>6 L/h>4 L/h>初始含水率。灌水结束后，4，6，8 L/h滴头流量下滴头垂直向下距滴头30 cm处土壤含水率为14.1%，16.2%和17.0%。由图8还可见，滴头垂直向下剖面的土壤含水率随着土层深度的增加而减小，随着滴头流量增大，水分向下运移距离也越大。

结合图7,8可以看出：随滴头流量的增大，表层土壤含水量较高，深层土壤含水量较低；距滴头距离越近，土壤含水量越高；距滴头相同距离的相同深度处，滴头流量越大土壤含水量越高[16]。湿润体土壤含水量是涌泉根灌的重要特征值，掌握不同流量不同灌水历时湿润体土体含水量的变化规律，是涌泉根灌田间布置和水分科学管理的重要依据。

3 结论与讨论

1)涌泉根灌双点源交汇入渗，水平、垂直、交汇界面湿润锋均可以用对数函数描述运移距离与时间的关系，湿润体在湿润锋未交汇之前，双点源湿润锋运移与单点源类似。

2)灌水量相同情况下，滴头流量和滴头间距对湿润体的运移、交汇时间、土壤含水量均有影响。

3)各处理灌水结束后，湿润体内的土壤含水率均大于土壤含水率初始值，不同滴头流量相同深度处土壤含水率大小均表现为8 L/h>6 L/h>4 L/h>初始含水率。

4)涌泉根灌是一种有很大发展潜力的微灌新技术，能有效地改善土壤的理化性质，且该技术在灌溉过程中不易发生堵塞，也不影响地表作业，还能减少土壤水分蒸发。进行涌泉根灌不同滴头流量、不同滴头间距的双点源入渗试验，研究涌泉根灌土壤水分运移及分布特征，可为涌泉根灌理论及技术要素的发展与完善提供依据。

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Moist body of two-point source interference infiltration of surge root irrigation

WU Heng-qing1,2,HUANG Qiang1,WEI Qun3

(1KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentEcologyofMOE,XAUT,Xi’an,Shaanxi710048,China;2ShenzhenXiliReservoirAdministration,Shenzhen,Guangdong518049,China；3LonggangDistrictBuildingWorksBureau,Shenzhen,Guangdong518172,China)

【Objective】 This study explored the water movement and distribution characteristics under surge root irrigation to provide reference for theory and technical elements of surge root irrigation.【Method】 With irrigation amount of 20 L and irrigation time of 160-300 min,dripper flow rate (4,6,and 8 L/h) and emitter spacing (30 and 50 cm) were used as variables to conduct the surge root irrigation experiment at the condition of tow-point source interference infiltration.The movement of moisture and water distribution at horizontal and vertical cross-sections of moist body were measured and analyzed.【Result】 Different arrangements of two-point source interference infiltration for surge root irrigation had influences on horizontal and vertical movement of wetting front and water distribution.24 h after infiltration with different flow rates (4,6,and 8 L/h),differences between horizontal and vertical wetting fronts were 1.5,4.0 cm and 4.2,2.8 cm and 6.7,6.8 cm,respectively.24 h after infiltration with different emitter spacing (30 cm and 50 cm),horizontal direction wetting front increased by 24.5 and 11.3 cm and that of intersection increased by 17.7 and 20.3 cm,while vertical direction wetting front increased by 26.0 and 30.2 cm and that of intersection increased by 22.1 and 36.6 cm.With same emitter spacing and irrigation amount,big dripper resulted in higher soil moist body at surface while small dripper resulted in low flow rate at deep soil.【Conclusion】 With irrigation amount of 20 L and irrigation time of 160-300 min,both flow rate and emitter spacing had effects on wet body migration,convergence time,and soil moisture.

surge root irrigation;wetting front;moist body;soil moisture

2014-03-26

国家重大基础研究计划项目(2001CB403306)；国家自然科学基金重大项目(51190093)

吴恒卿(1976-)，男，广东雷州人，在读博士，主要从事水资源系统工程研究。E-mail：waterwu2004@126.com

魏 群(1984-)，男，湖南邵阳人，硕士,主要从事节水灌溉研究。E-mail：weiqun2005@126.com

时间:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.013

S275.4

A

1671-9387(2015)05-0201-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.013.html