地下滴灌水分运移规律及滴灌带适用性初步研究

王荣莲，张智超，嘉晓辉，张 琼，任志宏

(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。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发生较大改变，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。Ben Gal A[4-7]等人认为地下滴灌流量大于土壤饱和导水率时，滴头出口处的正压导致其出流量减小。李道西[8]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，三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[9-15]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、典型土壤上开展的地下滴灌水分运动规律及滴灌带适用性的研究还未见报道。本文将在这方面开展初步研究，得出特定条件下地下滴灌水分运动规律，并进行滴灌带适用性研究，为获得符合内蒙古自治区实际情况的地下滴灌适宜水力要素、滴灌带类型等奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用目前国内常用的3种类型滴灌带(管)，分别为单翼迷宫式滴灌带、内镶片式滴灌带及内镶圆柱状滴灌管，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、3.2 L/h，滴头间距300、200、300 mm，壁厚0.2、0.3、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。试验装置及布置简图见图1、图2，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(带电位调速器)、输水管、土箱、地下滴灌带(管)、压力表、KN213金属管浮子流量计、阀门、回水管、回水水箱等组成。试验采用三个尺寸为70 cm×50 cm×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，土层总高度90 cm，确保滴灌带(管)之间湿润体不搭接，滴灌带埋置顺序无要求，每条滴灌带(管)距土箱壁5 cm。每种处理设3次重复。供水和回水水箱采用边长为50 cm的正方体钢化玻璃箱，用于测试、校核灌水流量。水泵带电位调速器，可方便调速调压，实现恒压供水。

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4-阀门；5-回水管；6-压力表；7-流量计；8-滴灌带(管)；9-土箱；10-土壤；11-回水水箱图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20～40 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1.36、1.44及1.53 g/cm3进行装土，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)，除单翼迷宫式滴头外，其他滴灌带(管)滴头向上。

本试验先在空气内测试三种滴灌带(管)压力、流量，确保每条滴灌带(管)出水良好后再埋入土壤。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0.10及0.135 MPa两个等级。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5min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，赤峰土壤为黏壤土，呼和浩特市土壤为壤土，巴彦淖尔市磴口县土壤为砂壤土，此顺序即为黏性从高到低的顺序，赤峰土黏性较高，磴口县土壤砂性较大。

2.2 水分运移规律及滴灌带适用性试验结果分析

(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。

0.1 MPa压力下湿润峰分布特征见图3。

0.135 MPa压力下湿润峰分布特征见图4。

图3 0.10 MPa下3种滴灌带(管)在不同土壤中湿润峰分布图

图4 0.135 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、图4可知，两种压力下，3种滴灌带(管)在不同土壤内湿润峰分布有共同规律，即在赤峰土壤内都最小，在磴口和呼和浩特市土壤内较大且比较接近，主要是因为赤峰土为黏壤土，渗透性较小，而呼和浩特市和磴口土所含黏粒较少，渗透性较大。内镶片式滴灌带和内镶圆柱状滴灌管出现横向距离略大于垂直向下距离的情况，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。

0.10 MPa下，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；0.135 MPa下也同样随着流量增大，湿润峰有不同程度的缩小趋势；赤峰土内，每种滴灌带都是0.135 MPa比0.10 MPa下的湿润峰小，而磴口和呼和浩特市土内，0.135 MPa比0.10 MPa下的湿润峰有增大也有减小，黏性越高，减小幅度越大。这些规律都说明地下滴灌水分运移与滴灌带流量和土壤类型关系密切，当滴头流量小于土壤饱和导水率时，随流量增大湿润峰范围增大，但当滴头流量大于土壤饱和导水率时，滴头出口处易形成饱和区，使得土壤水势为正压，滴头处于淹没出流状态，阻碍了滴头出水，因而湿润峰缩小，此结论与仵峰、周云成[2,3,10]等人的研究成果类似。

此外，0.10 MPa下，除内镶片式滴灌带在呼和浩特市及赤峰土、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(滴灌带埋深一般为犁底以下10 cm左右)，即流量为2.4 L/h的内镶片式滴灌带在砂壤土中、2.7 L/h的单翼迷宫滴灌带在黏壤土、壤土及砂壤土中、3.2 L/h的内镶柱状滴灌管在壤土及砂壤土中都较适用；0.135 MPa下，内镶片式滴灌带在磴口土、单翼迷宫滴灌带在磴口和呼和浩特市土中、内镶柱状滴灌管在赤峰土中向上湿润范围为7.8～12.2 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2.7 L/h的内镶片式滴灌带在砂壤土中、3.2 L/h的单翼迷宫滴灌带在壤土及砂壤土中、3.9 L/h的内镶柱状滴灌管在黏壤土中都较适用。

3 结 语

(1)两种压力下3种滴灌带(管)在不同土壤内湿润峰分布有共同规律，即在黏壤土内湿润峰最小，而在壤土及砂壤土内湿润峰较大。

(2)内镶片式滴灌带和内镶圆柱状滴灌管在两种压力下都出现横向距离略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。

(3)湿润峰范围与滴头流量和土壤饱和导水率大小有关，当滴头流量小于土壤饱和导水率时，湿润峰范围随流量增大而增大，但当滴头流量大于土壤饱和导水率时，湿润峰范围随流量增大反而减小，黏性越高，减小幅度越大。

(4)从地下滴灌水分向上运移角度分析，初步得出流量为2.4～2.7 L/h的内镶片式滴灌带在砂壤土中、2.7～3.2 L/h的单翼迷宫滴灌带及内镶柱状滴灌管在壤土及砂壤土中、3.2～3.9 L/h的单翼迷宫滴灌带及内镶柱状滴灌管在黏壤土中都较适用。

(5)地下滴灌系统的适用性与多种因素有关，建议用户根据作物类型及单位时间需水量、根系范围和种植间距等因素，基于土壤类型选择合适的滴灌带，一般要选择流量小于土壤饱和导水率的滴灌带为宜。

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