分涌泉含水率水分分布影响

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    涌泉根灌是一种新型地下渗灌技术,灌水器由涌泉根灌灌水器和套管两部分组成,套管周围均匀打孔,底部不封闭,将灌水器垂直埋入地下,可改变套管长度、埋深及管径来调节湿润体的大小和位置.通过灌水器将水分直接输送到果树的根区土壤,可有效减少土壤表面无效蒸发,提高灌水利用效率[1].Hanson等[2]研究认为地下渗灌比沟灌节水36.7%~74.0%,比管灌节水43.1%,比滴灌节水11.9%.土壤水分入渗强度直接影响植物根层水分的收支平衡[3],而土壤水分入渗主要由灌水方式和土壤物理参数[4]决定.近年来,对地表点源和线源土壤入渗进行了大量研究.在点源方面主要研究了各灌水技术和土壤机械组成对湿润体特征值及水分分布的影响[5-7],线源方面主要研究了各因素对湿润体特性的影响[8-11].涌泉根灌在地下形成柱面供水方式,入渗初始阶段水分与土壤接触面大,其入渗规律可能与地表点源、线源不同,也与地下滴灌的点源入渗不同.黎朋红等[12]研究结果表明湿润锋运移与时间、灌水量呈幂函数关系,汪有科等[13]研究表明孔径和孔深极大影响了水平和垂向湿润锋运移,并提出了经验值.目前研究主要集中在灌水技术参数方面,而对土壤物理参数影响的研究较少,尤其是土壤初始含水率.文中通过室内试验,模拟了均质土壤不同初始土壤含水率时,涌泉根灌土壤湿润体变化过程,确定了各设计参数之间的经验关系,为工程设计提供参考.
    1材料与方法
    1.1供试土壤试验于2011年7月在杨凌旱区节水农业研究院进行,本区域位于东经108°~108°7',北纬34°12'~34°2',土壤属于黏壤土,试验用土取自表层0~40cm熟土,自然风干后过2mm孔径筛子,过筛后土壤的基本物理特性见表1,其中η为粒径d的土壤百分比,γ为土壤容重.
    1.2测试装置试验系统由供水系统和土箱两部分组成(见图1).试验用土箱由厚10mm的有机玻璃制成,其规格为45cm×45cm×80cm(长×宽×高).供水系统由自制供水箱提供恒定水头,通过调节旋钮开度来控制流量.
    1.3试验方法在试验过程中共设置了5个土壤初始含水率,分别为4.01%,7.11%,8.76%,10.85%,14.68%,其中8.76%为验证含水率.用烘干法测土壤含水率,按设定的土壤含水率配制后用塑料防水布裹好放置24h后,让水分充分分布,以保证土壤内部含水率基本均匀.将试验用土分层装入土箱,每5cm为一层,层间打毛,装箱控制土壤容重为1.35g/cm3,为防止表层土壤水分蒸发,土壤表面用塑料膜覆盖,土壤装入土箱自然沉降24h后进行试验.试验中设定的滴头流量为7L/h,灌水器垂直埋入土中,灌水器顶部与土壤表层齐平.灌水历时为6h,每个处理重复3次.灌水试验开始后用秒表计时,在最初的1h内,每隔10min在土箱上标记湿润锋位置,用钢尺测量土壤表面湿润半径、土箱侧面的湿润半径,并记录;1h后至3h,每隔20min标记、测量、记录一次;3h后每隔30min记录一次,直到试验结束.灌水结束后,立即用直径1cm土钻,在沿土箱侧边45°方向湿润体剖面半径上取样,不同取样点水平、垂直间距为5cm,取土至湿润锋位置结束,用烘干法测量土壤含水率.
    2结果与分析选取土壤表面水平湿润半径r、最大水平湿润半径R、垂直入渗深度H和灌溉时间t为特征值.
    2.1土壤表面湿润半径土壤表面湿润面积是反映湿润体特征的重要参数.试验初期,土壤表面含水率随着时间的增加,水分逐渐入渗到土壤表面,土壤表面湿润半径逐渐增大.图2为土壤表面湿润半径的变化趋势图.由图2可以看出,随着土壤初始含水率的增高,水分渗透到土壤表面的时间逐渐缩短,当土壤初始含水率θ分别为4.01%,7.11%,8.76%,10.85%,14.68%时,土壤表面湿润出现的时间分别为71,50,39,35,25min.随着灌溉时间的延长,地表湿润半径逐渐增大,相同时刻,土壤表面湿润半径也随着土壤初始含水率的增大而增大,可用对数函数关系(r=alnt-b)拟合表面湿润半径与灌溉时间t的关系,见表2.由表2可以看出,决定系数均大于0.99,相关性较好.参数a随着土壤含水率的增大而增大,与初始含水率θ呈幂函数关系,参数b随着土壤含水率的增大而减小,与初始含水率呈线性关系,其决定系数大于0.94.因此,土层表面水平湿润半径r与灌溉当含水率为4.01%,7.11%,8.76%,10.85%,14.68%时,用式(2)计算的表层湿润半径为0时的灌溉时间t分别为68.47,47.45,39.39,31.38,21.19min,与实测值的平均相对误差仅为6.65%.说明该拟合关系式可以较好地计算涌泉根灌地表湿润时间及湿润区扩大速度.
    2.2湿润体最大水平湿润半径和垂直湿润深度土壤湿润体最大水平湿润半径和垂直湿润深度是衡量湿润体湿润范围的重要特征值,掌握特定土壤条件下不同初始含水率下入渗过程中该值随灌水时间变化的规律,能够为涌泉根灌毛管铺设和灌水器布置提供重要的理论参考.图3为土壤初始含水率对最大水平湿润半径和垂直入渗深度变化的影响.由图3可以看出,初始含水率显着地影响了水平和垂直方向湿润锋的运移速度,最大水平湿润半径R和垂直入渗深度H都随着土壤初始含水率的增大而增大,且垂直入渗深度H的变化趋势明显大于水平湿润半径.随着水分扩散时间的延长,它们之间的差距逐渐增大.可用幂函数拟合最大水平湿润半径(R=ctd)和垂直入渗深度(H=mtf)的经验计算公式,拟合参数见表3.分析表3中的拟合参数,c与f均随着土壤初始含水率的增加呈明显增加趋势,c与含水率θ呈指数函数关系,而f与含水率θ呈线性关系,d几乎不随土壤含水率的变化而变化.当含水率大于7%时,参数m几乎不随着土壤初始含水率变化而变化,因此最大水平湿润半径R、垂直入渗深度H与入渗时间t关系可以表示为。式中:R为土壤湿润体最大水平湿润半径,cm;H为垂直湿润深度,cm.用初始含水率为8.76%的实测值对经验公式(2)-(4)进行验证.计算后将与实测值和计算值的整体相对误差(IRE)和均方根误差(RMSE)列于表由表4可知,采用式(2)-(4)推求的表面湿润半径r、土壤湿润体最大水平湿润半径R、垂直湿润深度H与实测值比较接近,对应数据点基本上都落在1∶1线附近.土壤表面湿润半径、水平最大湿润半径及垂直入渗距离的IRE和RMSE分别为0.63%,0.40%,0.83%和0.59%,0.12%,0.73%.计算误差较小,可用上述经验公式计算涌泉根灌土壤水分渗透参数.
    2.3湿润体内水分分布湿润体内的水分分布状况也是制订灌溉制度的重要参考依据之一[7],利用Sigmaplot软件对湿润体土壤水分实测含水率进行绘制,获得土壤湿润体内垂直剖面含水率分布等值线图,见图4.从图4可以看出,湿润体内含水率等值线形状和入渗过程中湿润体湿润锋形状变化相似,都是以滴头位置为中心,由近到远等值线由疏到密分布,土壤水势梯度逐渐增大,土壤含水率逐渐变小.当灌水时间相同时,同一位置土壤含水率随着初始含水率增大而增大,以含水率等值线25%为例,不同初始含水率下水平方向最大宽度基本上都发生在25cm左右处,垂直方向最大深度分别发生在40.5,46.5,46.3和47.5cm;湿润体体积呈增大趋势.由于湿润体体积随着初始含水率的增大而增大,当初始含水率分别为4.01%,7.11%,10.85%,14.68%时,灌水结束时实测湿润体体内的平均含水率分别为23.97%,25.23%,26.19%,26.75%.另外,试验结果表明单位时间内入渗量随时间的增加而减小.土壤平均入渗率与初始含水率呈正相关关系,随时间的延长,初始含水率对土壤入渗率的影响逐渐变弱,减去初始含水率,平均滞留含水率分别增大了19.96%,18.12%,15.34%和12.07%.湿润体平均滞留含水率增量随着初始含水率的增大而减小,说明土壤初始含水率越大,湿润体内水分分布越均匀.
    3讨论
    土壤初始含水率越大,涌泉根灌过程中水分扩散速度越快,平均入渗率越大,与陈洪松等[14]研究结果有所不同,可能的原因是,本试验滴头入渗面属于垂直柱状地下入渗,尤其是增大了水平方向水分与土壤接触面,且在灌水过程中套管内会有一定高度的水柱,形成有压渗灌,而传统的滴灌或线源灌属于无压或低压灌溉,因此在相同时间内入渗量就越大,平均入渗率就越大.这似乎与初始含水率越小,基质势越小,土壤的水吸力就越大相矛盾.但实际上,水分扩散的驱动力大小并非直接反映到运移速率的快慢.灌溉过程中,土壤孔隙首先需要部分水分填充,初始含水率越小,土壤孔隙所需填充水分越多,滴头周围土壤达到饱和状态需要时间越长,湿润锋运移速度较慢.该结果与吴启发等[15]研究结果一致,因此,土壤初始含水率越大,涌泉根灌土壤水分传输越快.湿润体最大水平半径和垂直入渗深度随初始含水率的增大而增大,湿润体内平均滞留含水率随着初始含水率的增大而减小,但是由于湿润体体积增大更快,水分扩散速率也快,因此,初始含水率越高,湿润体内水分分布越均匀.该结果与黎朋红等[12]对涌泉根灌特征值的研究结果一致.湿润体形状呈近似椭圆形,湿润锋的扩散速率随土壤初始含水率增大而增大,湿润体最大水平湿润半径小于垂直入渗深度,随着入渗时间的延长,差距越来越显着.这主要是由于垂直方向由基质势吸力和重力势作为驱动力,水平方向由土壤基质势作为驱动力,并且随着时间延长,重力势作用越显着,最终湿润体的形状呈近似垂直椭球体.试验中采用均质土壤研究,与大田土壤相比存在一定差距,对涌泉根灌在实际大田中的水分入渗及水分分布规律还有待进一步深入研究.
    4结论
    采用土箱模拟试验,研究了土壤初始含水率对涌泉根灌水分扩散率的影响,得出以下主要结论:1)土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分传输具有较大的影响.土壤表面湿润时间随着土壤初始含水率的增大而减小,表面湿润半径的增长速度随着土壤初始含水率的增大而增大.2)随着土壤初始含水率的增大,涌泉根灌土壤湿润体水平距离与垂直距离均呈增大趋势,湿润体内水分分布也更加均匀.但是涌泉根灌湿润体的最大水平湿润半径小于垂直入渗深度,并随着时间的延长差距明显增大.3)采用试验数据拟合了根据土壤初始含水率计算地表湿润时间、地表湿润半径、最大湿润体水平半径与垂直深度的经验公式,可以较为准确地计算上述参数,为涌泉根灌系统设计提供参考.但文中选择的单一质地土壤、滴头埋深、滴头流量、灌水时间等,该试验结果的普遍性还有待于进一步提高。