微润灌条件下广西山区主要土壤水分运移规律研究

吴卫熊，张廷强，何令祖，邵金华(广西自治区水利科学研究院，南宁 530023)

广西山区包括河池、百色、南宁、柳州、来宾、崇左等6个市的30个县(市、区)，该区域基础设施落后，群众生活较为贫困，农民收入低，是典型的“老、少、边、山、穷”地区。30个县(市、区)中，国家级扶贫开发重点县25个、广西壮族自治区扶贫开发重点县5个。近年来，广西大力开展精准扶贫，引进微润灌技术，在山区进行了推广；由于该技术省工、省时、能实现水肥一体化，不仅能提高作物产量，也能改善作物的品质，深受当地群众的欢迎。

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：球阀、压力表，试验主体部分包括：正方体土箱(长60 cm×宽60 cm×高60 cm)、微润管、PVC管、堵头。试验需要的其他材料：墒情站、烘箱、流量计、天平、秒表、薄膜纸、水性笔等，见图 1所示。

图1 水分入渗模拟装置示意图Fig.1 Diagram of water infiltration device

1.2 供试方法

(1)供试土壤。根据广西山区土壤类型分布情况，从百色市的田东县、河池市的大化县和崇左市的天等县各取土8 000 kg，测定原状土容重、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Tab.1 Basic parameters of test soil

(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，确保填筑后的土壤容重与原状土土壤容重接近，即砂土容重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三层每层距离微润管水平方向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)试验步骤[1，2]。由于只观测整个湿润体的一半，用防水胶布在将微润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、校核试验微润管试验工作压力，确保微润管首部压力为0.1 MPa。

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、微润管纵向湿润锋变化、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10cm取一个样，在水平方向每个5cm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。

2 试验结果与分析

2.1 不同土壤地埋条件下微润管的出流量

在工作压力0.1 MPa条件下，分析微润管在地面自由出流和地埋条件下单米的流量。经试验分析，地面自由出流条件下，微润管的单米流量为0.63 L/h；地埋黏土、壤土和砂土条件下微润管的单米流量分别为0.24、0.31、0.43 L/h；在3种土壤下，微润管的灌水流量差异较显著，从大到小的顺序为砂土、壤土、黏土。

2.2 土壤类型对湿润体形状的影响

图2～图4反映了微润管在黏土、壤土、砂土埋深20 cm的土壤水分运移情况。在黏土中，微润管的湿润体形状基本为圆形，在壤土和砂土中湿润体形状为上小下大的椭圆体。在黏土灌溉117.0 h时,每米微润管的灌水量为28.12 L，纵向运移距离31.1 cm，横向运移距离21.5 cm；在壤土灌溉74.0 h时,每米微润管的灌水量为22.73 L，纵向运移距离39.0 cm，横向运移距离27.0 cm；在砂土灌溉30 h时,每米微润管的灌水量为13.01 L，纵向运移距离40.0 cm，横向运移距离23.0 cm。具体数据见表2。

表2 微润灌土壤水分运移距离统计表Tab.2 Statistics of traffic emitters buried

图2 黏土湿润锋运移图(单位：min)Fig.2 Migration map of wetting front in clay soil

图3 壤土湿润锋运移图(单位：min)Fig.3 Migration map of wetting front in loam soil

图4 砂土湿润锋运移图(单位：min)Fig.4 Migration map of wetting front in sand soil

2.3 灌水后土壤水分空间分布情况

图5～图7为灌溉静置1 h后经墒情站和取土烘干测得的土壤水分分布情况。黏土、壤土和砂土的初始体积含水率分别为15.8%、10.0%和6.5%。这3种土壤中含水率均是从灌溉管的位置往四周含水率降低的趋势，出水孔附近含水率均处在饱和含水率附近的较高水平，在湿润体边缘含水率迅速降低。同样位置，黏土的含水率最大，壤土次之，砂土最小。

图5 黏土微润灌土壤水分分布图Fig.5 Soil water distribution of clay soil

图6 壤土微润灌水分分布图Fig.6 Soil water distribution of loam soil

图7 砂土微润灌水分分布图Fig.7 Soil water distribution of sand soil

2.4 灌水后各深度土壤水分分布情况

图8～图10为在黏土、壤土、砂土3种土壤下不同深度土壤含水率变化曲线。各深度含水率均呈抛物线形状，黏土的最大含水率较高，壤土次之，最后为砂土。黏土的最大含水率为45.0%，壤土的最大含水率为44.0%，砂土的最大含水率为31.0%。重力对壤土、砂土水分分布受影响较大，对黏土影响较小。

图8 黏土不同深度含水率变化曲线Fig.8 Variation curves of water content in different depth of clay soil

图9 壤土不同深度含水率变化曲线Fig.9 Variation curves of water content in different depth of loam soil

图10 砂土不同深度含水率变化曲线Fig.10 Variation curves of water content in different depth of sand soil

2.5 湿润锋运移距离

图11～图13为在黏土、壤土、砂土中土壤湿润锋的运移位置随时间变化情况。以出水孔所在深度为中心线，往上为向上湿润，往下为向下湿润，水平方向为横向湿润。湿润比为纵向湿润距离与横向湿润距离的比值。在这3种土壤中，向各个方向湿润速率均随时间减缓，横向运移最快，其次向下，向上运移最慢。向下湿润比大于向上湿润比，向上湿润比有增大趋势，向下湿润比略有减小。在开始时横向湿润距离最大，灌水后向下湿润距离最大，向上湿润距离最小。向下湿润比均大于向下湿润比，且向上湿润比随时间减小，向下湿润比随时间增大。

图11 黏土微润灌湿润锋运移距离Fig.11 Distant of front migration in clay soil

图12 壤土微润灌湿润锋运移距离Fig.12 Distant of front migration in sand soil

图13 砂土微润灌湿润锋运移距离Fig.13 Distant of front migration in sand soil

2.6 微润灌不同土壤水分分布特性

(1)微润管在广西山区黏土中的湿润体为圆形，在壤土以及砂土中的湿润体均为上小下大的椭圆形。

(2)微润灌属饱和入渗，灌溉水分受重力影响分布较大。对不同土壤而言，土壤黏性颗粒越多，对水分的吸附力越强，向上运移的速率越快，但同时也会结合水膜形成阻力，减缓向下和水平方向的水分运移。因此，在广西山区的砂土、壤土和黏土中，水分在黏土向上的湿润速率最快、湿润范围最大，但水平方向和向下运行都相对较小；砂土向下运移速率最快，湿润范围最大。总体来说，微润灌在砂土、壤土和黏土各方向的湿润锋和时间呈现一种对数关系：

H=aLn(x)+b

式中：H为湿润锋，cm，x为时间，min；a、b和R2值详见表3。

表3 不同土壤湿润深度与时间回归关系表Tab.3 Statistics of traffic emitters buried

(3)广西山区砂土、壤土和黏土中土壤含水率的规律也基本一致，均存在出水孔往四周含水率降低的趋势，在湿润体内部有个较大的区域含水率接近饱和，在湿润体边缘含水率急剧下降。在微润灌过程中，由于存在稳定的水源供给，土壤的含水率普遍比初始含水率高。但砂土、壤土和黏土的持水能力又有所差别，在土箱同样位置，黏土的土壤含水率最大、壤土次之，砂土最小。灌水后，黏土的最大含水率为45.0%，比初始含水率15.8%提高29.2%；壤土的最大含水率为44.0%，比初始含水率10.0%提高34.0%；砂土的最大含水率为31.0%，比初始含水率6.5%提高24.5%。

3 结 论

(1)同等条件下，砂土水平和垂直向下的 运移速率最大，壤土次之，黏土最小。黏土中湿润体横向运移速率>向下运移速率>向上运移速率，壤土、砂土中湿润体向下运移速率>横向运移速率>向上运移速率，向下湿润比不断增加，向上湿润比减小，砂土壤土向下湿润比灌水后可大于1。

(2)微润管在黏土中最大含水率的位置是出水孔所在平面20 cm深度，壤土的最大含水率在出水孔往下5 cm处，砂土的最大含水率出现在出水孔往下10 cm处，在壤土、砂土中含水率分布受重力影响较大。

(3)按照微润管埋深20 cm、湿润深度40 cm来设计，黏土、壤土和砂土分别需要灌水15、14.8、12.5 L；按照微润管埋深20 cm、湿润深度50 cm来设计，黏土、壤土和砂土分别需要灌水31、20.7、20.8 L；按照微润管埋深20 cm、湿润深度60 cm来设计，黏土、壤土和砂土分别需要灌水31、29、25 L。

(4)微润灌应采用少量多灌的方法，可将灌溉水保持在设计湿润深度范围内，减少了地面蒸发与水分下渗，达到节水目的。

(5)根据各种土壤水分运移规律，提出微润管在砂土、壤土和黏土的适宜埋深分别为10、15、20 cm。

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