不同灌水条件下地下渗灌试验研究

2016-03-23李炎

节水灌溉 2016年5期

李炎

(天津农学院水利工程学院，天津 300384)

地下渗灌归类于地表下滴灌，是人们所期待的一种理想滴灌方式，在国内外均有悠久的研究和发展历史，由于关键技术、经济问题没有很好解决，至今发展面积很小[1-6]。面对有限的水资源和日趋恶化的水环境，高效、节水、有利环境保护的地下渗灌技术日益受到重视，已成为近几年世界各国科学家研究的热点，并取得了很大的进展[7,8]。针对这一问题，提出本试验研究。

1 试验装置和方法

1.1 供试材料

本试验所用土槽系有机玻璃槽，有机玻璃板厚度为1 cm，制成的土槽规格为50 cm×30 cm×60 cm,8个角用角铁固定，其中槽底4角由4个三向三角铁固结，上部由4个二向角铁固结。渗水管半径为1.4 cm，用强力胶粘在距离底35 cm处的水平面上。在一块50 cm×60 cm的边座上取3条直线，其中一条水平，即渗水管中心线所在水平面与该板的交线，另外2条皆与该水平线成45°分布于两侧。在每条线上均按同样规格分布5个小孔，孔编号分别为1、2、3、4及5，每个小孔直径为1.6 cm。其中每条直线的小孔1与渗管间距均为1.5 cm，而孔1与孔2、孔2与孔3、孔3与孔4、孔4与孔5的间距分别为2.5、3.5、4.5和5.5 cm。与每个渗水管相连的进水管长均为32 cm，且每个渗水管皆与50 cm×60 cm的壁面相垂直。

本次试验的地下渗灌管采用聚乙烯塑料管，渗灌管外径18 mm，内径14 mm。每节长6 cm，打有4个出水孔，相邻孔心相距1.5 cm。该节点渗灌管是由一根完整的塑料管打孔制成，相邻出水节间相距30 cm。该试验所用管的节点出水均匀度已经由出水均匀度试验测得为0.87。

1.2 试验用土的准备及装土

试验用土是取之于天津农学院西校区试验田。取0～20 cm深度的土壤，为黏壤土，其物理指标见表1。土壤风干后，先用直径为2 mm铜筛筛一遍，后用碾土器碾压一遍，如此反复，直到完全通过该铜筛为止。试验始于2014年4月21日下午14时，本试验分层装土，每层厚10 cm, 共装6层。为便于记录，本次将渗灌管与四壁编号，其中，打孔的3条直线交点处渗灌管编为1号，同面上的编为2号，同时将每个渗管出现的湿润锋编为11，12，21，22(每个编号的前一个数字代表渗灌管，后一个数字的“1”为50 cm×60 cm面上的湿润锋，“2”为30 cm×60 cm面上的湿润锋)。试验数据均已绘于湿润锋绘图纸上。

表1 土壤物理指标Tab.1 Physical indicators on soil

2 结果与分析

2.1 湿润锋变化规律

(1)选取试验的1-1面作为研究对象，为叙述方便起见，特在湿润锋图上选取垂直向上，垂直向下，水平，以及与水平线各成45°角的5条直线作为参考下标。其中垂直方向上计为OO上，斜向上计为OA，水平线为OB，斜向下为OC，垂直向下计为OO下。下面表中各数据是以管心在玻璃箱的入口处为零点,按上述5个方向选取。为便于研究，本次试验特取湿润锋曲线形状较为规则的历时进行研究，即取7～397 min进行研究，量出各段间距，计算不同时段湿润锋速度。对1-1面上试验数据分析见图1。

图1 OO上、OA、OB、OC、OO下方向湿润锋传播速度Fig.1 Propagation speed on wetting front of OO上,OA,OB,OC,OO下 direction

由图1得出如下结论：

①湿润锋随时间向外扩展的过程中，运移速度越来越慢。

②在同时段的湿润锋线上，湿润锋运移速率符合如下规律：在开始时段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)；在中间时段向各个方向的湿润速度基本上持平；在后半时段向下的速度大于向上的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)。

③在起初的较短时段内(如历时12 min、19 min)，在同一条湿润线上，5个方向上的运移速度差异较大。而与之相比，最后的历时湿润锋线上，运移速率差异就小。

(2)对2-1面上试验数据分析(见图2)。从图2可得出如下结论：

图2 OO上、OA、OB、OC、OO下方向湿润锋传播速度Fig.2 Propagation speed on wetting front of OO上,OA,OB,OC,OO下 direction

①湿润锋随时间向外扩展过程中，运移速率越来越慢。

②在同时段的湿润锋线上，湿润锋运移过程整体上符合如下规律：在开始时段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)；在中间时向各个方向的湿润速度基本上持平；在后半时段向下的速度大于向上的速度(vOO上

③在所选取的研究时段内，在同一湿润锋线上，4个方向上的运移差同1-1面也基本相同。

人工进行培料。摊铺机就位后应预热30～60min，使熨平板温度大于100℃，摊铺速度控制为2m/min。摊铺3～4车混合料后，应翻混合料斗两侧边板，清理残余混合料，推入送料器与热料一起摊铺，以减少混合料离析。

(3)通过对2组试验的数据分析，可得出以下结论：

①湿润锋在随时间变化的过程中，其运移速率越来越慢。

②在同一时段的湿润锋线上，湿润锋运移速率符合：在开始时段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)；在中间时段向各个方向的湿润速度基本上持平；在后半时段向下的速度大于向上的速度(vOO上

③在所给定的试验时段内，起始的较短时段内，在同一湿润锋线上，各点运移速率差别较为明显，而在最后时段，则较为接近。

(4)由相关的理论对结论进行定性分析。水流在土壤渗流过程中，实际上主要受2种力的影响：重力和土壤毛细孔的毛细作用力。在起始的很短历时内，毛细作用力占优势，而随时间的延长，毛细作用越来越微弱，而微小的液滴重力也相当微弱，其他体动力也逐渐衰退。因此，随时间变化，其运移速度也逐渐减弱。无论在任何时候，重力皆向下，故而重力对不同处的运移所起的作用是不同的，如在OO上方向上，重力起负作用。其次是OA方向上，直至OO下重力已完全起正作用。故在同一时段湿润锋线上，后半时段各点的运移速度符合vOO上vOA>vOB>vOC>vOO下)。主要是因为出水孔在水管的上边缘，而测量所取的零点在管中心和玻璃箱的入口处。在开始的时段内由于重力一直不变，变化的是毛细作用力，其变化是很快的。总的作用力变化较快，对运移速率影响也较大，故而在同一湿润锋线上，其速率差异较明显。而在最后的时段内，总的作用力变化近乎零，已经很微弱，故而对其运移速率的作用也很微弱，各点运移速率变化差异也较小。

2.2 各点土壤含水率在不同点处的分布

每孔从入孔处向内依次取土，各次取土深度依次从入孔处开始递增1.5 cm。分别记为A11，A12，A13，A14，A15，A16，A17；A21，A22，A23，A24，A25，A26，A27；A31，A32，A33，A34，A35，A36，A37；B、C标号同A。将所得A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1和C2各点处不同深度处土壤含水率列入图3。

图3 各点土壤含水率在不同深度处的分布Fig.3 Distribution on soil moisture at different depths

由图3可得出如下结论：

(2)在同一个取土孔位置上，如果该孔在出水孔水平面以下，则靠近入口的一侧的含水率大于远离入口的一侧，如A21=0.123

2.3 不同灌水量对湿润锋的影响

本次实验用2只不同内径的马氏瓶作为水源，2只马氏瓶中水柱变化及灌水量随时间变化情况见表2。

灌水量越大，湿润锋图形半径越大，但是灌水量与半径不成线性变化规律，在相同灌水量情况下，半径几乎相等。可以这样设想：注水372.9 mL是在注296.3 mL的基础上又注76.6 mL，而296.3 mL是在229.6 mL的基础上再注66.7 mL，229.6 mL是在161.0 mL的基础上再注68.6 mL，161.0 mL是在115.8 mL的基础上又注45.2 mL，115.8是在82.4 mL的基础上又注33.4 mL， 82.4 mL是在29.4 mL的基础上又注53.0 mL。也就是说在第1次注水29.4 mL后，让水自由渗透足够的时间，完成水分的不断运移过程，而后，接着做试验，再注入53.0 mL，由数据可看出，加入的53.0 mL水并未使半径扩展太大，仅仅由原先的4.75 cm曾加到5.85 cm，以后过程都差不多同上，个别例外，可能是由于试验误差所导致的。由第1只马氏瓶所得灌水量与湿润体积关系见表3。

表3 灌水量与湿润体积关系Tab.3 Relationship on irrigation and moist volume

通过以上分析可知，除了第1步加入29.4 mL水是主要用来补给原来湿润层外，总体上都是水分不断向外运移。也就是说，随着灌水量的不断增加，由内层向外层，水分不断地运移，湿润范围不断扩大，且水分经过处含水量也逐步增大。由此分析试验数据，即可得出“饱和层、湿润层、半干旱层”的推论，即进一步得出如下结论：随着灌水量的增加，水分不断地由内层向外层运移，各层的含水量也不断增加，当最内层达到某一极限时，便不再增加而是保持不变，再经过的水只是向其余外层运移并进行补给。如此反复，湿润的范围不断扩大。而由于灌水量的增加，使得原来的湿润层逐步变为饱和层，而原来的半干旱层逐步变为湿润层，而新涉及范围成为新的半干旱层。