滴灌在不同土质、流量情况下湿润体的形状研究

张彤 何其融

水资源短缺是各个城市面临的主要问题之一，农业是国民经济收入的主要来源，其发展在很大程度上受到干旱缺水的制约[1][2]。滴灌系统是一种节水、高效的灌溉系统，能够提高水分的利用效率，又能减少作物根系层营养物质流失[3]。对滴灌条件下水分分布特征的研究，是进行正确滴灌系统设计和高效田间水分分配的前提。国内外学者对该方面的理论和试验研究较多[4][5][6][7][8]，研究单一土质不同滴灌流量情况的实验方法主要通过室内试验和野外实验，对滴灌入渗过程中土壤水分运移、分布規律进行数值模拟和计算。多数研究的湿润体也仅仅是其中的一半，室内研究中有部分使用马克笔在容器边缘绘制湿润体的形状，不可避免地会有时间与操作上的误差，在水分到达容器边缘时，也会有严重的边缘效应。在部分研究中，考虑了整个湿润体，其操作方法是在土中埋入湿度传感器，并记录传感器的坐标位置，根据传感器的示数判断水分的到达，但传感器埋入的点数有限，得到的扩散坐标数也有限，且现有的测量湿润体形状的装置中，存在连接松弛和实用性弱等问题[9]。多数研究的内容变量单一，仅选择一种土质情况下，不同流量时湿润体的变化情况。为了解决以上问题并将此类研究进一步的扩展，本文设置一种新型的湿润体测量装置，通过室内的单点源入渗试验，研究多种变量即不同流量和不同土质条件下整个湿润体的形状特征，为滴灌系统的设计和运行管理提供理论依据。

一、试验设计

1.试验土壤

试验采用三种不同性质的土壤，即黏土、壤土和沙土，取试验土壤深度为20cm。各土样容重，黏土为 1.30g/cm3，壤土为1.35 g/cm3，沙土为1.40 g/cm3。土样风干后过2mm土筛清除各种杂质待用。

2.试验设备和方法

试验装置由有机玻璃试验土槽和供水装置（马氏瓶）组成。试验土槽为用厚2mm的有机玻璃做成的圆柱体，圆柱体由每层高2cm，直径为40cm的小圆柱体组装起来，此试验装置打破了以往仅能取湿润体最外层来研究，不能准确测量出其中间层和只能取湿润体二分之一或四分之一来研究的局限。供水装置采用马氏瓶连接橡胶管和针管，可提供稳定水流，比往前试验中仅使用自制的滴水装置能更准确地控制流量且没有任何的渗漏。

试验装置安装与土样装入同时进行。先在底部封闭的圆柱体中装入土样，使土样均匀分布，在该层土样表面铺设对土壤渗流影响小的纱布。然后安装下一层小圆柱体，装入土并铺上纱布。以此累积装至一定层数。控制每层土样容重。在安装试验装置时，为了便于观测湿润体形状特征值，在每层小圆柱体侧面做上标记线，使安装后的圆柱体的标记线在同一竖直线上；将圆柱体土槽移动至针管下方，使圆心对准针管。调节供水装置高度，下端距土槽上边缘10cm。

试验设计黏土、壤土、沙土三种土质，每种土质下设4个流量水平，分别为0.4 L·h-1、0.6 L·h-1、0.8 L·h-1、

1.0 L·h-1，每个流量滴灌时间为2h，具体试验方案见表1，符号说明见表2.

3.数据测量与处理

滴灌结束后，以滴灌点为圆心每间隔15度测量一次湿润体表层的扩散直径，共12组；将第一层的土用纱布提起后，继续测量第二层、第三层等的扩散数据，直到扩散的最后一层；然后找到湿润体最低点，得到该湿润体扩散的最大深度。

采用Excel 2016软件对数据进行整理，求取12组扩散直径平均值的一半作为平均扩散半径，即：再采用MATLAB软件分别绘制出各土质在4种不同流量下的湿润体扩散平均半径与入渗深度关系图（组1），以及在相同流量下，不同土质的湿润体扩散平均半径与入渗深度关系图（组2），进行统计分析。

二、结果与分析

1.滴头流量与土质对湿润体水平扩散距离的影响

对同一种土质，其水平扩散距离随着流量的增大而增大。通过组1的拟合函数曲线，分别得到了三种土壤的水平扩散距离与流量之间的关系，可以明显看出，流量增大，湿润体的水平扩散表面也随之扩大。

在流量固定的条件下，黏土、壤土、沙土的水平扩散距离大致相等。通过组2的拟合函数曲线，可以看出三种土质的水平扩散能力相当，但黏土的水平扩散能力在大流量条件下更有优势，沙土的水平扩散能力在小流量条件下更有优势。

2.滴头流量与土质对湿润体竖直扩散深度的影响

对黏土和沙土，其竖直扩散深度随着流量的增大而增大，而壤土的竖直扩散深度随着流量的增大先增大后减小，流量为0.8 L·h-1时深度最大。

在流量固定的条件下，黏土的竖直扩散深度较小，沙土较大，壤土居其中，且在小流量条件下壤土的竖直扩散能力接近黏土，在大流量条件下接近沙土。

3.滴头流量与土质对湿润体形状的影响

从组1的拟合函数曲线可以直观地看出：黏土的湿润体呈漏斗形；壤土的湿润体大致呈托盘形；沙土的湿润体近似为鼓形。为了进一步描述湿润体的形状特征，引入湿润体形状系数m即湿润体的体积与其外接圆柱体体积之比，即：

通过上述积分的近似计算得到不同土质在不同流量下的形状系数m如下表3：

根据该表格作出形状系数变化情况如下图8：

由表3看出，黏土的形状系数m在区间[0.633，0.684]范围内变化，在

0.8 L·h-1和1.0 L·h-1的流量下最大；壤土的形状系数m在区间[0.591，0.642]范围内变化，在0.4 L·h-1的流量下最大；沙土的形状系数m在区间[0.6748，0.8008]范围内变化，在0.6 L·h-1的流量下最大。

由图8看出，黏土的形状系数m随流量增大先变小再变大，之后几乎维持在0.68左右；壤土的形状系数m在流量小于0.8 L·h-1时变化不大，维持在0.64左右，再增大流量则明显变小；沙土的形状系数m随流量增大先快速增大，到0.8 L·h-1 时达到最大，之后略有下降再维持在0.78左右，其m值除了在0.4 L·h-1的小流量下与另两种土质相近外，在大流量情况下均显著大于另两种土质。

三、结论

（1）湿润体的水平扩散半径与流量呈正相关，且三种土质的水平扩散能力相当。

（2）沙土和黏土的扩散深度与流量呈正相关，但壤土的扩散深度由大变小。

（3）三种土质的湿润体形状系数在一定的范围内变化；在流量一定的情况下，湿润体的形状系数按照壤土、黏土、沙土的顺序依次增大。

参考文献：

[1]刘雪芹，范兴科.滴灌条件下土壤水分再分布过程研究[J].干旱地区农业研究，2006（4）：42-45.

[2][3]赵颖娜，汪有科，马理辉，等.不同流量对滴灌土壤湿润体特征值的影响[J].干旱地区农业研究，2010（4）：30-34.

[4]安巧霞，孙三民，徐 镕，等.不同流量对间接地下滴灌湿润体特征的影响[J].人民黄河，2016（6）：154-156.

[5]张志刚，李 宏，李 疆，等.地表滴灌条件下滴头流量对土壤水分入渗过程的影响[J].干旱地区农业研究，2014（4）：53-58.

[6]张志刚.滴灌条件下土壤水分运移规律研究[D].乌鲁木齐：新疆师范大学，2013：11-44.

[7]马勤学，李红旭.痕量灌溉水分运移调控与水分分布过程实验研究[J].新疆环境保护，2015（1）：28-34.

[8]李明思，康绍忠，孙海燕.点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究[J].农业工程学报，2006（4）：32-35.

[9]张志刚，李 宏，李 疆，等.地表滴灌条件下滴灌量对土壤水分入渗、再分布过程的影响[J].农业现代化研究，2016（1）：174-181.