内蒙古典型土壤在地下滴灌中水运移规律研究

2017-03-21王荣莲张智超嘉晓辉昝慧龙

节水灌溉 2017年9期

王荣莲，张智超，嘉晓辉，张琼，昝慧龙

(1.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区水利厅，呼和浩特 010018； 3. 内蒙古自治区水利水电勘测设计院，呼和浩特 010018)

近年来，国内外对地下滴灌的研究成果较多，关于地下滴灌条件下土壤水分运动规律、土壤水能态方面也有一些报道。张和喜[1]等人开展了地下滴灌土壤水分运动规律研究，得出停止灌溉24 h后，土壤湿润体的现状和范围有了较大改变，水分达到了地表下70 cm处，但湿润体在水平方向的运移却不明显。仵峰[2,3]等人对地下滴灌条件下土壤水能态进行研究，得出在灌水器流量不大于土壤扩散能力时，灌水器出口处的土壤水势等于该处的土壤吸力，为非正压状态；否则，灌水器出口处的土壤水势为正。李道西[3]等人研究发现地下滴灌管壁的导水作用将对土壤水分分布产生一定影响，3个方向上湿润峰运移均近似为时间平方根的线性函数。许迪、李光永等人[4-10]通过建立数学模型研究地下滴灌土壤水分运动规律。

地下滴灌水分运移与滴灌带类型、流量、土壤等都有关系。目前针对内蒙古自治区常用的滴灌带、典型土壤类型上开展的地下滴灌水分运动规律研究还未见报道。本文将在这方面开展初步研究，得出特定条件下水分运动规律，为获得适宜内蒙古自治区开展地下滴灌必需的水力要素、滴灌带选型等奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用目前国内外常用的3种类型滴灌带(管)，分别为甘肃大禹节水灌溉设备厂家生产的单翼迷宫式滴灌带、内镶片式滴灌带及吉林喜丰集团生产的内镶圆柱状滴灌管，型号分别为MGD16×300-2.7-100、NFG16×200-2.4-100及DN16×300-3.2-100，额定压力都为100 kPa，额定流量分别为2.7、2.4及3.2 L/h，滴头间距分别为300、200、300 mm，壁厚分别为0.2、0.3及0.6 mm。

1.2 试验装置及试验方法

试验在呼和浩特市东郊呼市园艺所的温室内进行。试验装置及试验布置简图如图1和图2所示，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(带电位调速器)、输水管、回水管、回水水箱、土箱、地下滴灌带(管)、压力表、KN213金属管浮子流量计、阀门等组成。试验采用3个尺寸为70×50×100 cm(长×宽×高)钢化玻璃箱，每个土箱内沿长度方向埋设3条滴灌带(管)，每条长70 cm，滴头3～4个，分两层，埋深分别为25、65 cm，确保滴灌带(管)之间湿润体不搭接，土层总高度90 cm，每条滴灌带(管)距土箱壁5 cm。每种处理设3次重复。箱底布置直径1 cm的渗水孔15个，共3排。供水和回水水箱采用边长为50 cm的正方体玻璃箱，用于测试、校核灌水流量。水泵压力范围为0～0.14 MPa，流量范围为0～1.5 m3/h，带电位调速器，可方便调速调压，实现在恒定压力下供水。

图1 试验装置简图

图2 试验布置示意图(单位：cm)

试验前，先对内蒙古自治区具有代表性的土壤进行调研，确定西部巴彦淖尔市磴口县、东部赤峰市松山区、中部呼和浩特市后桃花村土壤为试验土壤，对土壤颗粒组成、容重进行取样测试。用环刀取0～40 cm内原状土，烘干法测试容重；用筛分法测试土壤颗粒组成。将试验土壤拉到试验地后，先过1 mm筛，洒水到接近最优含水率时分层装入各自土箱，按照实测20～40 cm厚土层容重进行装土，赤峰、呼市及磴口县土容重分别为1.36、1.44及1.53 g/cm3，每装5 cm厚夯实一次，将表面刨毛，再装上层，依次进行。装土到滴灌带(管)埋设高程时，安装滴灌带(管)，除单翼迷宫式外，其他滴灌带(管)滴头向上。薄壁滴灌带安装好后，向管内插入一根直径14 mm的实心套管，以防装土及夯实时将滴灌带压扁，测试时将套管拔出。

本试验先在空气内测试3种滴灌带(管)压力、流量，确保每条滴灌带(管)滴水正常后再埋入土壤。试验时将水泵置于供水水箱内，水位高于水泵吸水管。将供水管阀门打开，开启水泵向系统供水，每次测试一条滴灌带(管)，且保持土壤初始含水量相同。系统通水后，通过排气阀排除管道内空气，调节水泵电位调速器及回水管阀门，使压力表读数稳定在设计压力值0.05及0.10 MPa 2个等级。系统稳定运行2～3 min后，由KN213金属管浮子流量计测试系统流量。为校核浮子流量计精度，在管道内满流状态下记录规定时间内供水水箱的出水量及回水水箱的进水量，用两者差即可准确计算灌水器流量，用该值核定浮子流量计读数，校核好后便可用流量计快速测量灌水器流量。每隔5 min通过透明玻璃箱壁量测每个滴头到该湿润体外边界上、下、左、右的距离，与流量值一一对应。系统灌水到相邻两个滴头的湿润峰出现搭接为止，为地埋单点源入渗模式。

2 结果分析与讨论

2.1 土样测试结果分析

测试得各地区0～40 cm厚土样的颗粒组成见表1。

表1 各地区土样(0～40 cm)粒径组成表 %

根据国际制土壤质地分级标准，赤峰、呼市及磴口县土壤分别为黏壤土、壤土及沙壤土，此顺序即为黏性从高到低的顺序，赤峰土黏性较高，磴口县土壤沙性较大。

2.2 水分运动规律试验结果分析

(1)空气内不同压力下的流量测试。每种规格滴灌带(管)在每种压力下测试3组，取平均值，结果见表2。

表2 空气内不同压力下的流量表 L/h

(2)同一滴灌带(管)在不同土壤内湿润峰分布特征。以每个滴头所在位置为坐标原点，横坐标正、负方向分别表示滴头右、左侧，纵坐标正、负方向分别表示滴头上、下侧，绘制出接近圆形的图形，较直观地反映每个滴头处的湿润峰边界。每条滴灌带(管)的3～4个滴头湿润峰范围取平均值。每条滴灌带(管)测试时间为15～35 min，为了比较相同时间内的湿润峰规律，本次分析灌水15 min时湿润峰分布特征。0.05 MPa压力下湿润峰分布特征，见图3；0.1 MPa压力下湿润峰分布特征，见图4。

图3 0.05 MPa下3种滴灌带(管)在不同土壤中湿润峰分布图

图4 0.10 MPa下3种滴灌带(管)在不同土壤中湿润峰分布图

(3)结果分析与讨论。由图3可知，0.05 MPa下3种滴灌带(管)在不同土壤内湿润峰分布有共同规律，即在赤峰土壤内湿润峰都最小，而在磴口和呼市土壤内湿润峰较大且比较接近。总体而言，3种土壤内滴灌带(管)湿润峰从小到大的顺序为：内镶片式滴灌带、单翼迷宫式滴灌带及圆柱状滴灌管，此顺序与它们在空气中流量大小顺序一致，且湿润峰分布都为向下距离最大，水平次之，向上最小，此成果与仵峰[11]的研究成果类似。向下和向上距离偏差值：赤峰土都为2 cm左右，磴口和呼市土2～4 cm，即沙性较大的土壤向下扩散距离略高于黏性较高的土壤。水分向上运移的距离至关重要，关系到作物根系是否可以吸收到水分。本试验中，0.05 MPa下，内镶片式、单翼迷宫滴灌带及内镶柱状滴灌管流量分别为1.5、1.7及2.3 L/h，除单翼迷宫滴灌带及内镶柱状滴灌管在呼市及磴口土中向上湿润8～10 cm，随着灌水历时延长，基本可满足作物根系吸水要求外(滴灌带埋深一般为犁底以下10 cm左右)，其他处理向上湿润范围都较小，即流量为1.7 L/h的单翼迷宫滴灌带和流量为2.3 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及沙壤土中较适用。

分析上述结论的成因：地下滴灌条件下，土壤水分运移主要受土壤特性、滴灌带类型、滴头压力及流量、土壤初始含水量及灌水历时等多种因素的影响[5]，本试验各种处理土壤初始含水量保持相同，在相同灌水历时下，分析土壤特性、滴灌带类型、滴头压力及流量对湿润峰的影响。3种滴灌带(管)在赤峰土壤内湿润峰都呈最小，主要是因为赤峰土为黏壤土，渗透性较小，呈现出湿润峰分布最小；而呼市土为壤土，磴口土为沙壤土，渗透性较大，因此湿润峰分布较大；3种滴灌带(管)湿润峰分布从小到大的顺序与它们在空气中流量从小到大的顺序一致，即在一定范围内，自由流量较大的滴灌带(管)埋入土壤后，其湿润峰分布也较大，反之亦然，因为当流量小于土壤导水率时，水在土壤内流动速度主要由流量决定；3种滴灌带(管)湿润峰向下分布距离略大于向上距离，主要是由于土壤中水流受重力作用影响，在沙性越大的土壤中表现越明显，而对黏性较大的土壤，由于其渗透性较小，水流即使在重力作用下，向下扩散的速度也相对较慢。向下扩散的范围小有利于降低水分入渗损失，增大水的有效利用率，且有利于作物出苗，对地下滴灌系统是有利的。

由图4可知，0.10与0.05 MPa相比，每种情况下湿润峰范围都有所扩大，主要是因为压力增加，滴灌带(管)的流量都相应增大；3种土壤内滴灌带(管)湿润峰从小到大的顺序与它们在空气中流量大小顺序不完全一致，即流量从2.4 L/h增加到2.7 L/h时，湿润峰范围随之增大，但从2.7 L/h增加到3.2 L/h，湿润峰范围几乎没有增加，说明湿润峰并不是始终随着滴灌带流量的增大而增大，而是增大到一定程度后不再增大，主要是与滴头自由流量和土壤饱和导水率的大小有关，当滴头自由流量小于土壤饱和导水率时，湿润峰范围主要由流量控制，但当滴头流量接近或大于土壤饱和导水率时，湿润峰范围主要由导水率控制，滴头出口处形成饱和区出现了土壤水势为正压，阻碍了滴头出流；在内镶片式滴灌带和内镶圆柱状滴灌管内，出现个别湿润峰水平方向大于垂直向下的情况，主要是由于水流有顺滴灌管壁横向流动的趋势，当流量较大时，易沿管壁形成水力冲蚀通道，增大水平向流速，这与李红和李道西的研究成果类似[4,5]。此外，0.10 MPa下，除内镶片式滴灌带在呼市及赤峰土、内镶柱状滴灌管在赤峰土中向上湿润范围较小外，其他处理向上湿润范围为8～12.2 cm，随着灌水历时延长，基本可满足作物根系吸水要求，即流量为2.4 L/h的内镶片式滴灌带在沙壤土中、2.7 L/h的单翼迷宫滴灌带在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及沙壤土中都较适用。