不同地面处理下的降雨入渗规律研究

祝陈梦媛，付玉娟，姜国辉

(沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866)

土壤水是指从地面向下至地下水含水层以上土壤层中的水分，广泛分布于陆地表层，是地表水与地下水相互转化的纽带，又是植物生长的必要水源[1]。土壤水循环的过程是从入渗开始的，国内土壤水入渗的研究始于土壤入渗与其外界因素的影响研究，其后应用了大量的入渗方程以及模拟方法，力求将土壤水入渗研究从定性描述转化为定量描述。例如，徐克辉和盛平(1992年)[2]等人应用Mein-Larson入渗模型来模拟上海郊区低洼旱区的入渗规律，为排水模型提供了入渗参数；陈丽华(1995年)[3]使用philip半解迭代式递推的方法求解出了黄土林地区的土壤入渗率理论值，并通过理论值与实测值比较，发现二者吻合较好；赵西宁(2002年)[4]以黄土沟壑地区为实验区，结合达西公式和kostiakov方程，计算了不同耕作类型的入渗率，表明等高耕作能大幅提高入渗率；吴钦孝和韩冰(2004年)[5]等人采用“环刀法”对森林小流域和草灌小流域土壤水分入渗特征进行了研究，结果表明森林土壤的入渗速率明显高于草地；孙元元(2006年)[6]为了研究不同土壤在不同恒定降雨入渗条件下的土壤非饱和特性，对恒定降雨有限含水层深度的土壤在垂直和水平入渗条件下进行分析，研究发现：其非饱和特性值随含水层的透水性和雨强而变化，透水性越小，雨强越大，则非饱和特征曲线凹形越甚，反之亦然；宇宙，王勇(2015年)[7]为了探索赤峰地区玉米的最佳滴灌灌溉定额和节水效果，进行的田间试验研究了覆膜滴灌下土壤含水率变化情况，研究表明:膜下滴灌灌溉制度定在灌水5次为最佳，土壤含水率在玉米拔节期极速升高，在灌浆阶段和成熟期土壤含水率维持在较低水平；赵靖丹，李瑞平等(2016年)[8]通过大田试验研究了有膜滴灌与无膜滴灌对玉米土壤水分和温度的变化，结果表明:地膜覆盖条件下的玉米生育前期应增加土壤浅层温度，提高土壤表层含水率，为玉米的生长发育提供良好条件。除了建立入渗模型，利用入渗方程研究外，也有不少学者分析了不同土壤质地、耕作植物、耕作方式对土壤水入渗规律的影响。随着膜下滴灌在半干旱区的大面积推广，覆膜起垄改变了下垫面状态及其田间微地形，势必会影响到土壤水分入渗过程，为了分析膜下滴灌的覆膜起垄对降雨入渗过程的改变以及对降雨利用程度的影响，试验利用HOBO采集器及土壤含水量探针动态监测不同下垫面、雨强及初始土壤含水量下不同剖面土壤含水量的变化情况，进而对其入渗规律进行分析。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在辽宁省朝阳市建平县灌溉试验站完成。建平属于半干旱区，雨热同季，全年平均气温7.6 ℃，最高气温37 ℃，最低气温-36.9 ℃，多年平均降水量614.7 mm，多集中在6-8月，多年平均蒸发量为1 850～2 200 mm，多年平均径流深50～81 mm。

试验在该试验站测坑中进行，每个测坑2 m×2.5 m，深2 m，采用C25钢筋混凝土浇筑，坑之间用8 mm厚钢板隔开，钢板高出地面0.15 m，测坑中垄沟沟尾设置排水孔，一旦有径流产生，立即排出。测坑上方有遮雨棚可以避免天然降雨对试验的影响，测坑内的土壤物理特性见表1。

1.2 试验设计

试验设置3个影响因素，分别为下垫面处理、降雨强度及初始土壤含水量，每个因素设置3个水平，其中下垫面3个处理分别为覆膜起垄、起垄、平整裸地，降雨强度3个水平分别为10、20、30 mm/h，初始土壤含水量3个水平分别为田间持水量的50%、60%及70%。试验为3因素3水平，采用正交方案进行实施，每组试验的影响因素及水平见表2。试验从2015年6月开始，同年9月中旬结束。

表1 试验地土壤物理性质

表2 试验组数的具体参数

注：土壤初始含水率控制为田间持水量的百分比。

降雨通过人工降雨模拟器模拟不同强度的降雨过程，利用HOBO U30 NRC数据采集器动态监测不同深度土壤含水率的变化过程。在下垫面为平整裸地时布设1个监测剖面；在覆膜起垄及起垄两种下垫面情况下，因为入渗过程是二维入渗，所以布设了3个监测剖面，用来监测不同剖面位置的土壤含水量的变化情况。测坑内不同下垫面处理下的土壤含水率探针具体布设位置见图1，平整裸地的传感器布置与覆膜起垄相同。各剖面土壤水分传感器埋设深度分别为10、30、50、70、90以及120 cm，监测时间间隔为10 min，从降雨开始到降雨结束后48 h连续监测。

图1 剖面布置图(单位：cm)

2 各因素对降雨入渗过程影响程度分析

为了分析降雨强度、土壤初始含水率、农田下垫面处理对降雨入渗量的影响程度，根据监测到的各剖面的土壤含水量的数据，分别选取降雨开始后3、6及12 h的土壤含水量与降雨前的土壤含水量的差值得到各剖面的降雨入渗量。

根据HOBO数据采集器中的含水量数据，利用正交试验数据分析方法，得出降雨强度、农田下垫面处理以及土壤初始含水率对降雨入渗量的影响程度。正交试验数据分析结果见表3。

表3 各因素对降雨入渗量的正交分析结果(降雨3 h后)

图2 各因素对入渗量的影响程度

通过图3(a)可以看出，在降雨3 h时，3个因素对降雨入渗量的影响程度分别是：降雨强度>农田下垫面处理>田间持水率，降雨强度对土壤水入渗过程有显著影响。在农田下垫面处理方式中，平整裸地条件下降雨入渗量最多，起垄条件次之，覆膜起垄条件下最少。覆膜起垄条件下入渗量最小的原因有两个方面，首先由于覆膜的不透水作用，透水面大幅减少，导致降雨的入渗通道减少；另外覆膜区域的降雨会汇集到不覆膜区域，间接增加了降雨强度，导致地面产流提前发生，两方面原因叠加导致覆膜起垄区域降雨入渗量最小。起垄条件下，由于垄沟微地形改变的原因，降雨开始后，沟内雨水迅速汇集，也会提前产生径流，导致土壤入渗量减少。土壤初始含水率对降雨入渗量的影响相对最小，土壤初始含水率越低，土壤的储水能力越强，土壤中能够保存的雨量也越多。

在降雨开始后6及12 h的分析结果与3 h的情况相似，差异是降雨强度对土壤入渗量的影响略有不同。12 h时，在30 mm/h雨强的条件下，土壤入渗量增幅有所减缓，推测其原因是由于在相同的降雨历时内，30 mm/h的雨强条件使表层土壤更快达到饱和，导致产流提前发生，土壤入渗速率下降，所以趋势线有所改变。

3 不同下垫面下土壤含水率变化特征分析

覆膜和起垄都会将降雨过程由一维入渗转换为二维入渗，因此对本试验中不同下垫面下的土壤含水量变化特征进行分析，由于土壤初始含水率的差异对降雨入渗过程影响较小，后面分析不同下垫面对土壤含水量的变化主要分析下垫面处理及雨强对入渗过程的影响。

3.1 平整裸地条件下的垂向含水率变化

为了进行对比分析，首先分析平整裸地下垫面条件下各组试验的土壤含水率变化情况。选取雨前和降雨开始后3、6、12以及24 h的土壤含水率监测数据进行分析；利用3次试验过程中5个时间点的土壤含水率数据绘制散点图，如图3所示。

观察上述3个图，可以看出在降雨过程中土壤含水率有明显的增加，对于试验A1B1C1和A1B2C2，10 cm处土壤含水率在降雨开始后6 h达到基本饱和，后期虽有增加，但增幅不大，后面的降雨主要进行垂向运动，从图3可以清晰看出入渗湿润锋的运移过程。A1B3C3试验的雨强为30 mm/h，从降雨开始，各层土壤含水量由上到下快速增加，降雨开始后6 h之后的土壤含水率变化不大。表1中10 cm处的土壤饱和含水率为0.427，对比图3(c)可知10 cm处的土壤已经达到饱和含水率，因此含水率不再变化。由降雨开始后24 h的土壤含水量变化情况可以看出，30 cm以上土壤含水率都有明显减少，这是因为降雨开始后24 h，降雨已经停止一段时间，一部分水量向下继续运移使得表层的土壤含水量逐渐减少。另外表层土壤含水量存在一定量的蒸发，这也是表层土壤含水量减少的另一个原因。

图3 A1B1C1、A1B2C2、A1B3C3含水率变化曲线

图3(a)中90 cm以下的土壤含水率一直没有变化，主要原因是由于雨强小，雨量少，土壤入渗没有达到深层；图3(b)在降雨开始后6 h，70 cm以下土壤含水率变化不明显，直到降雨开始后12 h，70 cm以下土壤含水率才开始逐渐增加，说明只有在雨量充分的情况下，土壤水才能下渗至深层；在降雨开始后24 h，此时降雨已经结束12 h，各层土壤含水率都有所减小，说明土壤水仍继续向120 cm以下入渗，甚至有深层渗漏产生。

图3(b)与图3(c)对应的两个试验的降雨历时相同，但降雨强度分别为20和30 mm/h，但图3(c)在90 cm以下的土壤含水率增加不如图3(b)的明显，推测其原因可能是图6的试验雨强大，土壤表层在短时间内迅速达到饱和，提早产流，此时降雨强度>土壤下渗速率，使得土壤中的入渗量反而减少，这也表明只有在一定范围内，雨强与土壤入渗量呈正相关。

3.2 不覆膜起垄条件下的垂向含水率变化

不覆膜起垄试验进行了3组试验，由于垄沟的集雨作用，除了降雨的垂直入渗之外，还存在水量的侧向运移，因此布置了3个监测剖面，分别是台中、台边和沟中。分别选取A2B3C1、A2B1C2、A2B2C33组试验的3个监测剖面在雨前、降雨开始后3、6、12及24 h的土壤含水率数据，利用这些土壤含水率数据绘制散点图，见图4～图6。

图4 A2B3C1不同含水率变化曲线图

图5 A2B1C2不同含水率变化曲线

图6 A2B2C3不同剖面含水率变化曲线

首先分析A2B3C13个剖面的土壤含水量随着降雨入渗的变化过程。对比上述3个图的差异，在3 h时，沟中的含水量增幅最大，台中次之，台边最少。分析其主要原因，台边由于坡度的影响，雨量会有不同程度向沟中汇集的过程，因此台边最小，沟中最大，台中是正常的垂直入渗过程，不受垄沟边皮坡度影响。其后其他时间的土壤含水量变化趋势基本与3 h一致，都有不同程度的增加，但都显示其增加幅度为沟中>台中>台边。由此可以看出垄沟有明显的汇集降雨的作用。

试验A2B1C2与A2B3C1相比，降雨强度由10 mm/h增加到20 mm/h，分析3个土壤含水量变化图5可知，随着雨强的增加，土壤水分运移的过程及湿润锋运移更加明显。3个剖面进行对比可以看出它们的土壤含水量的增加趋势基本一致，但土壤含水量的增幅明显不同。在3 h时，土壤含水量增幅变化由大到小分别为沟中、台中和台边。到6 h及其以后，土壤含水量增幅由大到小变为沟中、台边、台中，分析原因主要是由于本次降雨雨强较大，垄沟的集雨作用不仅使沟中剖面的土壤含水量增加最大，也使得台边剖面由于水分的侧向运移得到了一定的补给，因此导致后期台边含水量增幅大于台中。

对于A2B2C3试验，降雨强度增加到30 mm/h，对比A2B2C3试验3个剖面的土壤含水量的变化过程，不论是土壤含水量的增加过程还是增加幅度，都显示极强的一致性，由此可以看出，在雨强及雨量足够大以后，垄沟的集雨作用不再显著。

通过上述分析可以看出，在起垄下垫面处理下，雨强对垄沟的集雨作用有明显的影响，在雨强很小时，即使在台边也没有微径流的产生，垄沟的集雨作用基本没有；雨强小幅增加以后，台边会有少量的微径流，垄沟的集雨作用开始显现，沟中的入渗量明显大于其他剖面，但由于雨强还不够大，沟中雨量增幅不足以进行明显的侧向运移，因此也不能通过沟内的雨水补给其他剖面；如果雨强继续增大，垄沟集雨量大幅增加，不仅可以增加沟内的垂直入渗，也可以侧向补给台边剖面下方的土壤；当雨量继续增加，整个田间都有积水时，垄沟的集雨作用会得到削弱，各个剖面的降雨入渗量差异不明显。

3.3 覆膜起垄下垫面处理的垂向含水率变化

覆膜起垄下垫面对应的3组试验分别是A3B2C1、A3B3C2和A3B1C3，3个监测剖面分别是沟中、膜边和膜中。同样利用不同剖面监测的雨前及雨后土壤含水量绘制散点图，见图7～图9，来分析土壤水的运移情况。

A3B2C1试验的降雨强度为10 mm/h，分析该组实验3个剖面的土壤含水量变化过程。在降雨开始3 h时，膜边及沟中的土壤含水量在30 cm以上的范围都有增加，其中膜边增幅最大；降雨开始6 h后，膜中剖面的表层土壤含水量才有小幅增加，其他2个剖面土壤含水量有显著增加；24 h时，3个剖面土壤含水量分布趋势的大小基本一致，即3个剖面的土壤含水量分布基本达到一致化。由此可以看出该组试验在初级阶段由于膜上水分的汇集，膜边的土壤含水量增加最快，随着时间的推移，膜边的土壤含水量不仅向下运移，也向膜中进行侧向的水平运移，到24 h时各剖面达到一致。

图7 A3B2C1不同剖面含水率变化曲线

图8 A3B3C2不同剖面含水率变化曲线图

图9 A3B1C3不同剖面含水率变化曲线图

A3B3C2试验的降雨强度为20 mm/h，由于雨强的增加，各剖面的降雨入渗过程有一定的不同。3 h时，沟中及膜边土壤含水量已经开始增加，沟中增幅最大，膜中土壤含水量没有变化；6 h时也是沟中的土壤含水量增幅最大，膜边次之，膜中也有一定程度的增加，其后此趋势一直延续；到24 h时，各剖面土壤水分经过垂向运移和水平运移基本达到一致。

对于试验A3B1C3，该组试验的雨强提高到30 mm/h，降雨开始3 h时，各剖面的土壤含水量的变化趋势及增量都基本一致，3个剖面没有明显差异，且这种一致性延续到12 h；12 h后，膜边及膜中的土壤含水量变化趋势基本一致，但沟中部分的雨水由于不直接进行侧向运移以补充膜中区域的含水量，因此沟中的土壤含水量最高。

通过覆膜起垄下垫面的3组试验分析可以看出，不同的降雨条件下，覆膜及起垄对降雨入渗过程的影响也不同。在雨强很小时，由于膜的不透水作用，膜上雨量会运移到膜边进行入渗；雨强稍微增加后，膜上水分除了向膜边汇流外，还会向沟中汇集，膜边的雨水通过侧向运移到达膜中，因此沟中的降雨入渗量总体最高；随着雨强的持续增加，膜的不透水作用继续存在，而垄沟的集雨作用则不再显著，覆膜一方面导致膜上水分向膜边及沟中汇集，另一方面，膜边的水分会向膜中下方土壤做水平运移，土壤水分的二维入渗过程更加显著，该过程一直持续到3个剖面土壤含水量差异不大。

4 结 语

为了分析滴灌的覆膜及起垄对降雨入渗过程的影响，本文开展了不同下垫面处理下的人工降雨测坑土壤水分变化监测试验研究，通过试验数据分析可以得到以下结论。

(1)下垫面处理、降雨强度及初始土壤含水率3个影响因素对降雨入渗量的影响从大到小分别为降雨强度、下垫面处理及初始土壤含水率。在降雨强度为20 mm/h时，入渗量最大，当降雨强度继续增加至30 mm/h时，浅层土壤含水量迅速达到饱和，地表径流很快发生，导致入渗量减小。土壤初始含水率对不同下垫面的降雨入渗特征影响不显著。

(2)在起垄条件下，降雨强度在一定范围内时，垄沟的集雨作用随着雨强的增加而增加，降雨的二维入渗过程比较明显；但雨强达到30 mm/h时，垄沟的集雨作用则不再显著。

(3)在起垄及覆膜起垄条件下，在一定的雨强范围内，膜上水分由于膜的不透水作用及垄沟的集雨作用，分别是膜边和沟中的降雨入渗量最大；雨强继续增加时，垄沟的集雨作用被削弱，但膜的汇流作用仍然存在，覆膜区域下方的土壤水分都是通过膜边的土壤水分经过侧向运移达到，土壤水分的二维入渗过程十分显著。

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