泥沙颗粒级配组成对浑水波涌灌间歇入渗特性的影响研究

魏家兴，费良军，梁爽，介飞龙

泥沙颗粒级配组成对浑水波涌灌间歇入渗特性的影响研究

魏家兴，费良军*，梁爽，介飞龙

（西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048）

【目的】利用浑水波涌灌提高浑水灌溉地区水资源利用率，促进农业发展。【方法】在现有浑水波涌灌技术研究基础上，针对我国北方缺水现状及黄河流域河流泥沙量高等特点，通过浑水波涌灌间歇入渗试验，以清水间歇入渗为对照，设置4种不同浑水含沙率（3%、6%、9%、12%）以及4种不同颗粒级配组成（A、B、C、D）的浑水，共计14组试验，研究浑水波涌灌间歇入渗能力、浑水入渗减渗率等指标随入渗时间的变化规律。【结果】浑水波涌灌间歇入渗累积入渗量与入渗所需时间均符合Philip和Kostiakov入渗模型；在Kostiakov模型各拟合结果中，随着周期数的增加，拟合系数和拟合指数则均由大变小；在Philip入渗模型中，随着周期数的增加，拟合系数与拟合系数均由大变小。【结论】与清水间歇入渗相比较，浑水泥沙的物理黏性颗粒量越大，相应入渗深度呈负相关关系，相同深度下，物理黏性颗粒量越大，土壤含水率越小。

波涌灌；间歇入渗；室内试验；Philip入渗模型；Kostiakov入渗模型

0 引言

【研究意义】我国是水资源极度贫瘠的国家之一。目前，我国农田灌溉水有效利用系数仅为0.536，远低于世界先进水平（0.7～0.8），并且因人口基数大，人均水资源占有量极低[1]。为了改善农业用水现状，许多专家已经对引黄河浑水灌溉进行了大量的研究[2-3]，结果表明，引黄河浑水灌溉对于缓解旱情及改良土壤等方面有着重大意义。此外，波涌灌在节水、节能、保肥、提高水流推进速度及提高灌水质量等方面效果显著。波涌灌容易实现小定额灌溉，并能基本解决长畦（沟）灌水难的问题，与我国北方旱作农作物的地面灌溉方式相当契合[4]。因此，为了提高农业水资源利用率，促进农业产业发展，进行浑水波涌灌的相关研究对农业水资源高效利用具有重要意义。【研究进展】多年来，高泥沙量存在的水流灌溉实践证明[5]，其不仅可以显著提高土壤肥力，还可以改善土壤结构，提高作物产量，乃至解决该地区农业缺水的关键问题，同时黄河是我国境内河流中携带泥沙量最大的河流之一，因此，针对浑水灌溉进行科学研究既体现了我国在该研究领域的独特性，又响应了我国生产的实际需要[6]。

泥沙颗粒级配组成反映了浑水中泥沙的粒径组成情况，是浑水泥沙的重要物理指标，也是研究浑水入渗的主要因素[7-8]。浑水泥沙颗粒级配的不同组合会改变致密层的形成时间，进而在入渗过程中产生阻碍作用，影响入渗结果[9-12]。卞艳丽等[13]通过分析浑水不同颗粒级配入渗提出，阻碍浑水入渗的关键指标是物理黏性颗粒，其量的大小会直接影响浑水的入渗效果。【切入点】浑水灌溉中物理黏性颗粒级配组成对于波涌灌间歇入渗特性的相关研究仍有不足，该研究可以进一步完善相关理论[14-16]。【拟解决的关键问题】本文利用物理黏性颗粒量来表示各浑水泥沙颗粒级配组成的区别，通过室内土柱试验，研究浑水泥沙颗粒级配组成对浑水间歇入渗特性以及致密层形成特性的影响。研究结果可为波涌灌在我国北方地区的推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验所需的土壤取自西安市灞桥区，自然风干后碾碎并用2 mm的筛子进行筛分。经测量，试验土壤初始质量含水率为3.98%，土壤的粒级组成为，粒径≤0.002 mm的占比为7.99%，0.002 mm＜≤0.05 mm占比为47.67%，0.05 mm＜≤2 mm的占比为44.34%。

1.2 试验泥沙

本试验所需泥沙取自陕西省咸阳市泾惠渠，将泥沙风干后过1 mm筛后装袋保存。

由于黄河上下游泥沙量不一，大约分布在3%～15%[17-18]，将试验方案中的泥沙配置成4种不同浑水含沙率（3%、6%、9%、12%）以及4种不同颗粒级配组成（A、B、C、D）的浑水。表1为4种泥沙颗粒级配组成。

表1 4种浑水泥沙颗粒级配组成

表1中0.01表示泥沙颗粒中小于0.01 mm的粒径体积量。浑水的特别之处在于水中掺有泥沙，而泥沙在水中的运动状态会对入渗结果有直接的影响。

1.3 试验装置及试验方法

采用傅渝亮等[19]研制的装置进行入渗试验，如图1所示，马氏瓶规格：内径9 cm，高90 cm。改进方式是在马氏瓶内部加入1个60-KTYZ型电动机组成的系统，传动轴直径为1.4 cm，中间的传动轴连接的叶片以60 r/min的转速转动，这样可以在入渗过程中使马氏瓶内的浑水泥沙旋转起来，将浑水的含沙量及泥沙颗粒级配组成维持在相对稳定的状态，不会沉积在马氏瓶底部影响入渗结果。

图1 试验装置示意图

试验土柱高40 cm、内径8.5 cm，土柱由2个有机玻璃材质的半圆筒拼接而成，两部分间垫入柔性垫片，通过螺栓加以固定，以免入渗过程中有水流从连接处渗出。本试验设置的水头高度为3～5 cm，因为有马氏瓶与土柱上方的液体相连接，所以土柱上方可以保持一定的水压不变，进而使土壤入渗能力保持不变。在装土过程中，将试验土样分层装入土柱之中，控制土层体积质量为1.35 g/cm3；每隔5 cm装1层土，并且在土壤层间进行打毛，避免在入渗过程中由于土壤分层不连续而影响入渗结果，最后将土样装至预定高度。

试验于2022年6月7日—7月5日在西安理工大学进行。使用4种不同泥沙颗粒级配组成的浑水（表1）进行波涌灌间歇入渗试验，以清水（CK）入渗作为对照，按照浑水含沙率、物理性黏粒量、循环率、周期数来设计试验，具体方案如表2所示。采用正交试验进行设计，共有14个处理，每个处理重复3次，用到42个土柱。

表2 正交试验方案

主要观测指标及方法：①入渗历时：采用秒表计时法，开始供水时，立即计时；按照由密到疏的时间间隔，记录入渗时间、马氏瓶水位以及湿润锋运移距离；②累积入渗量：供水过程中，观测相应入渗历时的马氏瓶水位，停止供水时立即用针管与棉球吸取土表多余水量，马氏瓶内减少水量与土表多余水量之差即为累积入渗量；③湿润锋运移轨迹：在既定的入渗历时下，通过土柱透明玻璃侧壁，可以清晰地看出相应的湿润锋轨迹，试验结束后测量具体入渗深度；注意事项：试验过程中间歇停水阶段，为了保证水分不继续下渗，用针管与棉球吸干土柱上方落淤层残留水分；间歇时间结束恢复供水时，为防止水流冲刷落淤层，影响试验结果，应用挡板挡住水流，使其从圆桶壁上均匀流下。

1.4 计算项目

采用简化的Philip入渗模型、Philip入渗模型和Kostiakov模型分别计算入渗率，公式如下：

1）简化的Philip入渗模型

1/2， （1）

式中：为时刻的入渗率（cm/min）。

2）Philip入渗模型

式中：()为时刻的入渗率（cm/min）；为吸渗率（cm/min0.5）；为稳定入渗率（cm/min）。

根据上式，对时间积分，即可得出累积入渗量()与入渗历时之间的关系：

()0.5。 （3）

3）Kostiakov模型

Kostiakov模型公式表达形式简单，经验参数、可用实测数据拟合出来，适用性强，获得了广泛应用，可用于描述浑水波涌灌入渗率和累积入渗量的变化情况。

=， （4）

式中：为浑水入渗率（mm/h）；、为经验常数，决定入渗曲线形状。

2 结果与分析

2.1 浑水泥沙颗粒级配组成对单位面积累积入渗量的影响

各个周期累计入渗量及相应入渗率情况如表3所示，与清水相比，4种不同泥沙颗粒级配组成的浑水入渗量出现明显变化的时间发生在20 min左右，并且相同时间内，物理黏性颗粒量越大的浑水累积入渗量越少。而4种泥沙颗粒级配组成的浑水相比清水入渗，最终累积入渗量都偏小。当累积入渗量相同时，浑水较清水所花费时间更多，说明浑水间歇入渗的致密层形成时间比清水间歇入渗更快，减渗作用更好。

表3 不同泥沙颗粒级配间歇入渗累计入渗量及入渗率

浑水较清水间歇入渗的区别在于浑水中所含泥沙的不断落淤与入渗水流携带滞留于表层土壤，改变了原本间歇入渗致密层的形成，使减渗作用进一步加强。浑水泥沙颗粒级配组成反映了泥沙颗粒粒径大小的相对组成情况，试验表明，相同入渗历时下，泥沙颗粒越细，物理黏性颗粒量越高，则减渗效果越好，说明浑水泥沙沉积使田面致密层形成所需的历时越短，致密层能够更早的起到减渗作用；反之浑水泥沙细颗粒越少，物理黏性颗粒量越低，田面致密层形成所需历时变长，减渗效果越差。这是由于物理黏性颗粒量越多，能填入表层土壤孔隙的细粒就越多，致密层发展就越快，减渗作用就越好。在本文的试验条件下，物理黏性量为10.45%的浑水致密层形成所需时间最长。

第2周期的累积入渗量比第1周期明显下降，这是因为在间歇时间内形成的致密层起到了减渗作用，也表明第1周期末间歇阶段形成的致密层起到的减渗作用比第1周期内泥沙沉积形成的落淤层所起到的减渗作用更强。第3周期与第2周期相比，累积入渗量基本相同，说明在第2周期内，致密层已经完全形成。在间歇入渗的过程中，泥沙粗、细颗粒对各个变量处理下的致密层形成速度的影响程度有明显不同，其他处理条件相同时，明显泥沙中粗颗粒的反应快于细颗粒。将单位面积累积入渗量随入渗历时变化的曲线关系采用简化的Philip入渗模型、Philip入渗模型和Kostiakov模型分别进行拟合，各模型的拟合结果如表4—表6所示。

表4 简化的Philip入渗模型拟合结果

表5 Philip入渗模型拟合结果

表6 Kostiakov模型拟合结果

由表4—表6可知，Philip入渗模型以及Kostiakov模型的决定系数均大于0.97，拟合结果较好。

在Kostiakov模型各拟合结果中，浑水泥沙中的物理黏性颗粒量百分比从10.45%增长到40.74%，3个周期内的拟合系数和拟合指数则均由大变小。具体为第1周期，随着物理黏性颗粒量的增高，拟合系数从0.513 8减小到0.444 2，拟合指数从0.614 4减小到0.565 9；第2周期内，拟合系数从0.115 3减小到0.102 7，拟合指数从0.673 0减小到0.625 6；第3周期内，拟合系数从0.030 5减小到0.024 1，拟合指数从0.895 2减小到0.858 2。

在Philip入渗模型中，浑水泥沙中的物理黏性颗粒量百分比从10.45%增长到40.74%，3个周期内的拟合系数与拟合系数均由大变小。具体表现为，第1周期，随着物理黏性颗粒量的增高，拟合系数从0.620 6减小到0.440 1，拟合系数从0.026 1减小到0.021 9；第2周期内，拟合系数从0.144 8减小到0.120 8，拟合系数从0.012 8减小到0.006 2；第3周期内，拟合系数从0.023 5减小到0.015 0，拟合系数从0.018 3减小到0.012 2。

对Kostiakov模型中的入渗系数与入渗指数进行分析，在3个周期中其与物理黏性颗粒量均为直线关系。各个周期中，入渗系数与入渗指数与物理黏性颗粒量0.01的关系如下：

第1周期：

=-0.002 30.01+0.545 0,2=0.916 1， （5）

-0.001 50.01+0.634 0,2=0.914 1， （6）

第2周期：

=-0.000 20.01+0.033 3,2=0.930 8， （7）

=-0.001 70.01+0.688 9,2=0.974 0， （8）

第3周期：

=-0.000 40.01+0.118 7,2=0.924 8， （9）

=-0.001 30.01+0.911 3,2=0.932 5， （10）

3个周期的拟合系数与拟合指数与物理黏性颗粒量0.01相关系数2均在0.91之上，直线拟合状态较好。由此可以分别得到3个周期的包含物理黏性颗粒量0.01的Kostiakov入渗模型，模型如下：

第1周期：

第2周期：

第3周期：

2.2 不同浑水泥沙颗粒级配间歇入渗减渗率分析

表7为不同泥沙颗粒级配间歇入渗平均减渗率情况。由表7可知，不同泥沙颗粒级配组成的间歇入渗下，在相同周期内，物理黏性颗粒量越大，平均减渗率越大。其中在物理黏性颗粒量为10.45%时，第2周期略低于第1周期内的减渗率，之后第3周期又有所减少，这可能是由于泥沙量较小，入渗时泥沙沉积量小，使得致密层形成不完全，减渗率一直处于较小状态。而其他泥沙颗粒级配组成的间歇入渗的情况则是在第2周期内减渗率达到最大，第3周期有所减小，这是由于物理黏性颗粒量变多，能较快地填补大颗粒间的空隙，形成良好致密层的时间相较更短。

表7 不同泥沙颗粒级配间歇入渗平均减渗率

图2为物理性黏粒量为10.45%、25.26%、34.87%、40.74%浑水在不同的入渗历时（20、40、60、80、100、120 min）的减渗量的变化过程。可以得出结论：浑水间歇入渗减渗量随着入渗历时的增大而增大，但是增大幅度随着周期的不断增加而减小，且每个阶段的平均减渗率先增大后减小。浑水泥沙的物理黏性颗粒量越大，相应同时刻的减渗量越大，减渗效果越明显，减渗作用越强。

图2 不同泥沙颗粒级配组成下减渗量随时间变化曲线

图3为整个净入渗时间各个时段减渗量的变化过程。可以看出，不同浑水泥沙颗粒级配组成处理下的减渗量的变化过程基本相同，均是在前期达到一个最高值，然后缓慢变小。浑水的物理黏性颗粒量越大，同一时段的减渗量越大，相较于清水的减渗作用越强。B、C、D泥沙颗粒级配下减渗量最大值均出现在第1周期的0～20 min，A处理的减渗量的最大值则出现在20～40 min，最小值均发生在最后时段，这可能是由于A处理中的物理黏性颗粒量较小，使得致密层形成时间较长，在20～40 min时段减渗效果才逐渐体现。

图3 不同泥沙颗粒级配组成下减渗量各时段变化过程

3 讨论

利用浑水进行灌溉是中国黄河流域灌区灌溉的基本模式，本研究通过不同因素影响下浑水波涌灌间歇入渗室内试验，主要研究了不同泥沙颗粒级配对浑水间歇入渗特性的影响，分析了土壤入渗能力、土壤减渗率的变化和土壤含水率的分布情况。结合试验数据与入渗规律，浑水泥沙的物理黏性颗粒量越大，相同时刻的减渗量越大，减渗效果越明显，减渗作用越强。不同泥沙颗粒级配组成下土壤含水率与入渗深度呈负相关关系，相同深度下，物理黏性颗粒量越大土壤含水率越小，试验结论与卞艳丽等[20-21]结果一致。这是由于浑水所含泥沙颗粒组成不同，在入渗过程中进入土壤的细颗粒越来越多，不是简单的沉积在土壤表面，而是逐渐填充土壤孔隙，堵塞了细颗粒继续进入的通道，并起到一定的阻渗作用，其中物理性黏粒量越大，在入渗过程中进入土体的细颗粒也将增加，随着入渗的进行，形成了不同厚度、泥沙颗粒级配组成的致密层，因此对入渗结果产生了不同影响，该结论与刘利华等[22]研究结论相似。

本研究通过室内入渗试验，在波涌灌间歇入渗条件下设置4种泥沙颗粒级配组成，对波涌灌水分入渗过程的影响进行分析，重点研究了不同颗粒级配对水分入渗过程的影响，发现不同时期不同泥沙颗粒级配组成波涌灌间歇入渗符合Kostiakov入渗模型，从而进一步得到入渗率数学模型，即对入渗过程的研究。本文成果更加完善了波涌灌土壤间歇入渗在不同地区灌溉用水条件下的作用机理与适用性，作为基础性研究结论，可为后续波涌灌浑水间歇入渗提供理论依据与技术支撑，更为后续该技术的实际应用奠定基础。

同时，本研究还存在诸多不足，考虑到在农作物灌溉过程中，肥料的加入对入渗特性的影响以及不同类型土壤中波涌灌的实际应用情况，以后试验中会着重考虑进行浑水灌溉中动水入渗试验方面的研究，并将大田作物的影响、水温对于间歇入渗特性的影响、多次浑水灌溉对土壤入渗的影响以及浑水灌溉条件下水肥耦合方面的试验研究和浑水膜孔灌溉方面的试验研究等作为研究的重点，逐步深入的研究浑水灌溉入渗特性，为波涌灌灌水技术的合理设计提供理论依据。

4 结论

1）波涌灌浑水间歇入渗各周期累积入渗量和入渗历时间的关系采用Philip和Kostiakov入渗模型拟合结果的决定系数均大于0.97，拟合结果较好。

2）浑水泥沙的物理黏性颗粒量越大，相应同时刻的减渗量越大，减渗效果越明显，减渗作用越强。

3）不同泥沙颗粒级配组成下土壤含水率与入渗深度呈负相关关系，相同深度下，物理黏性颗粒量越大土壤含水率越小。

（作者声明本文无实际或潜在利益冲突）

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Influence of Sediment Particle Size Distribution on Intermittent Infiltration of Water under Surge Irrigation

WEI Jiaxing, FEI Liangjun*, LIANG Shuang, JIE Feilong

(State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

【Objective】Water sourced from the Yellow River in China, which has been extensively used for irrigation in the northern irrigation districts of the country, is characterized by high sediment content. This paper aims to investigate the influence of sediment particle size distribution on water infiltration under surge irrigation. 【Method】The infiltration tests encompassed four treatments with sediment content being 3%, 6%, 9%, and 12%,respectively. Each sediment treatment included four particle gradings labeled as A, B, C, and D, respectively. In each infiltration test, we meticulously measured both the infiltration rate and the variation in infiltration over time.【Result】The relationship between cumulative infiltration and time can be described by the Philip and Kostiakov models, regardless of sediment content and particle grading. As the number of irrigation cycles increased, the parameters K and α in the Kostiakov model, as well as the parameters S and A in the Philip model, all exhibited a declining trend. 【Conclusion】In comparison to the infiltration of clean water, the infiltration depth of sedimentwater was inversely related to the presence of physically cohesive particles. Conversely, when the infiltration depth was the same, soil water content was negatively correlated to the quantity of physically cohesive particles in the water.

surge irrigation; intermittent infiltration; laboratory test; Philip infiltration model; Kostiakov infiltration

1672 - 3317（2023）10 - 0057 - 07

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022565

魏家兴,费良军, 梁爽, 等. 泥沙颗粒级配组成对浑水波涌灌间歇入渗特性的影响研究[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(10): 57-62, 84.

WEI Jiaxing, FEI Liangjun, LIANG Shuang, et al. Influence of Sediment Particle Size Distribution on Intermittent Infiltration of Water under Surge Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 57-62, 84.

2022-10-13

2023-06-20

2023-09-15

陕西省水利科技计划项目（2020slkj-11）；国家自然科学基金项目（520791105，517792205）

魏家兴（1999-），男。硕士研究生，主要从事农业水资源高效利用研究。E-mail: wjx962207778@outlook.com

费良军（1963-），男。教授，主要从事节水灌溉与生态灌区研究。E-mail: feiliangjun2008@163.com

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责任编辑：赵宇龙