单点源入渗土壤水分运移室内试验

陈志豪 李春光 赵文娟

摘要 通过室内滴灌试验对滴灌情况下土壤中的水分运移情况进行观察和含水率变化测定。结果表明，在同一滴头流量下，滴灌所得水平湿润锋X与Y方向上的运移速率一致，且水平湿润锋形状呈圆形分布;在不同滴头流量下，其水平湿润锋在同一方向上的运移速率随着流量的增加而增大，灌溉结束后的湿润锋距离也随着流量的增大而增大，且湿润锋的距离与时间呈幂函数关系;在垂直方向上，滴灌入渗深度随着流量的增大而增大，不同深度土壤的含水率变化前期与时间呈对数函数关系，随着水分再扩散过程的进行，含水率整体下降且最终趋于稳定。

关键词 入渗;滴灌;湿润锋;水分运移

中图分类号 S275.6 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）23-0228-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.23.066

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Indoor Experiment on Water Transport in Soil under Single Point Source Drip Irrigation

CHEN Zhi hao1，LI Chun guang2 ，ZHAO Wen juan1

（1.School of Civil Engineering and Hydraulic Engineering， Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.School of Civil Engineering， Northern University for Nationalities，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract Through indoor drip irrigation experiment ， the water transport in soil under drip irrigation was directly observed and the water content was measured. The results showed that， under the same dripper discharge， the transport velocity of the horizontal wetting front in the X and Y directions was the same， and the shape of the horizontal wetting front was round. Under different dripper discharge，the transport velocity of the horizontal wetting front in the same direction increased with the increasing of dripper discharge， the distance of wetting front after irrigation also increased with the increasing of dripper discharge， and the distance of wetting front had a power function relationship with the time. In the vertical direction， the infiltration depth of drip irrigation increasedwith the increasing of flow rate， and the changes of water content at different depths had a logarithmic function relationship with time in the early stage.With the progress of water rediffusion process， the water content decreased and then tended to be stable.

Key words Infiltration;Drop irrigation;Wetting front;Water migration

滴灌技術是目前世界上被普遍认为节水能力最高的一种灌溉技术[1]。随着滴灌技术在国内的大范围推广，国内学者对滴灌技术的研究也越来越多，但大多数学者倾向于理论研究或大田试验研究，虽有部分学者通过很多滴灌试验，如陈小三等[2]通过地下滴灌试验对地埋点源滴灌进行直接观察，并分析了不同流量以及不同时刻湿润锋的运移规律及范围以及水分的再分布等;李道西等[3]在室内有机玻璃土箱中进行地表滴灌试验，结果发现滴灌所形成的湿润锋在很长一段时间内水平湿润锋一直大于垂直湿润锋，且二者都与时间呈幂函数关系;李斯[4]通过室内滴灌试验研究了不同流量和不同田间持水率下土壤湿润体的变化规律[4]。土壤水分作为在土壤中运移的重要物质及载体，对土壤水分运移的研究一直是农业水土中至关重要的一部分[5]，但对滴灌的室内研究仍不能满足各地复杂的条件。该试验的目的就是为了能够与当地复杂的条件相结合，得出更加符合实际田间情况的数据，以此来达到节约水肥、降低病虫害、提高作物产量等目的[6]，实现高效节水灌溉就是在提高社会生产力[7]。然而，实现高效节水灌溉还有很远的路要走，需要很多人共同努力才能实现[8]，因此对各种流量下滴灌所得湿润体的研究对大田种植有着非常重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验场地与装置

室内试验场地为宁夏大学土木与水利工程学院实验楼，试验所用土样采自宁夏回族自治区银川市北部军马场土壤（盐渍化土壤），海拔高度1 114 m，多年平均降水量为200 mm，试验所用容器为500 mm×500 mm×500 mm的透明玻璃箱（图1），马氏瓶[9]作为滴灌用水水源（马氏瓶可提供稳定恒压水源），通过引水管连接恒通量水管（试验采用输液管[10]，为方便控制精确灌量，采用医用输液管先进行定量观测固定，再进行滴灌试验）进行滴灌试验。

1.2 试验设计

滴灌中心定在玻璃箱表面中心，在中心点下设置4个水分监测点，垂直向下深度依次为4、8、12、16 cm（图2），监测点连接电脑，采集不同时刻的含水率数据。含水率采集深度的设定与实际大田作物种植有密切关系。

试验所用土样取回后风干，过2 mm筛子，经粒径分析可知土样为沙壤土，将土样按容重1.5 g/cm3装箱，以备滴灌试验使用。试验过程设定4个标定流量进行滴灌，分别为2、4、6、8 L/h。滴灌过程中按照设定的时间间隔进行观察，测量水平面不同方向湿润锋的距离，同时土壤水分传感器每隔30 s

对垂直方向设定点的含水率进行测量，每种标定流量控制滴灌时间为30 min。

该研究的主要目的是通过试验研究不同流量条件下滴灌的湿润体及含水率，然后结合不同作物在不同生长期的有效湿润体范围和最佳需水量，确定不同作物的最佳滴灌流量组合，以此达到最终的试验目的。

2.1 水平方向湿润锋

通过室内试验得到水平面上X与Y 2个方向各个标定流量的湿润锋距离（图3），由4种不同流量情况下的湿润锋变化曲线可得出，不同流量下水平面上X与Y方向的湿润锋随着滴灌时间的增长而逐渐增大，且X与Y方向的湿润锋变化趋势大致相同，即水平截面的湿润锋形状可近似看作圆形，但湿润锋增长的速率随着时间的增大却在逐渐减小，最后大致趋于零，即水平方向湿润锋趋于稳定。

由图4、5可知，在相同滴灌时间，流量越大的滴头所形成的湿润锋距离越大。在2 L/h流量灌溉的情况下，水平湿润锋距离与其他流量处理相比偏小，适于种植密度较大的作物（如大豆、玉米等）;其他较大流量下水平湿润锋距离较大，则适用于种植密度较小的作物（如葡萄、枸杞等）。从X与Y 2个方向上6和8 L/h流量下湿润锋运移情况来看，在滴灌20 min后湿润锋图形开始出现交叉现象，即从作物水平湿润锋层面来看，在对作物进行灌溉时，使用6 L/h的流量对作物进行灌溉较使用流量8 L/h对作物进行灌溉更加经济有效。

对湿润锋距离的研究可以对作物进行更加科学的灌溉，找到不同流量的灌溉湿润锋距离，结合不同作物的有效灌溉湿润锋，确定最合理的灌溉流量，从而达到节约用水、降低种植成本、提高作物产量、实现低投入高回报的目的[6]。

2.2 垂直方向水分运动分布

试验共设4个含水率变化监测点，收集不同流量下不同位置处的含水率变化，每个流量下不同位置含水率的变化趋势如图6所示。

如图6A所示，在2 L/h的滴灌流量下，12、16 cm深度处几乎没有含水率变化是因为流量太小，垂直方向水分运移较浅。从8 cm和4 cm深度处含水率的变化趋势来看，曲线在40 min左右开始水分的重分布（滴灌时间为30 min，综合中途对水平湿润锋的观测拍照等的因素影响，最终在传感器数据上表现时间为40 min），含水率略有降低后趋于稳定。

如图6B所示，在4 L/h的滴灌流量下，16 cm深度处没有发现含水率变化是因为流量太小，水分在垂直方向运移较浅。从8 cm和4 cm深度处含水率的变化趋势来看，曲线在40 min左右開始水分的重分布（滴灌时间为30 min，综合中途对水平湿润锋的观测拍照等的因素影响，最终在传感器数据上表现时间为40 min），含水率略有降低后趋于稳定。12 cm深度处在滴灌期间水分未运移到此传感器所在位置，滴灌结束后在水分的重分布过程中水分运移至此位置，含水率逐渐上升，最终趋于稳定状态。

如图6C所示，在6 L/h的滴灌流量下，16 cm深度处未收集到含水率变化数据，这是因为流量太小，垂直方向水分运移较浅。从8 cm和4 cm深度处含水率变化趋势来看，曲线在40 min左右开始水分的重分布（滴灌时间为30 min，但由于中途对水平湿润锋的观测拍照，最终在传感器数据上表现时间为40 min），含水率略微降低后趋于稳定。12 cm深度处在滴灌期间水分未运移到此传感器所在位置，滴灌结束后在水分的重分布过程中水分运移至此位置，含水率逐渐上升，最终趋于稳定状态。

如图6D所示，在8 L/h的滴灌流量下，16 cm深度处没有收集到含水率数据，这是因为流量太小，垂直方向水分运移较浅;从4、8、12 cm深度处含水率的变化趋势来看，曲线在40 min左右开始水分的重分布（滴灌时间为30 min，但由于中途对水平湿润锋的观测拍照，最终在传感器数据上表现时间为40 min），含水率略微降低后趋于稳定。

3 结论

（1）滴灌中流量大的土壤中水平湿润锋的运移速率比流量小的快，滴灌15 min时8 L/h流量的水平湿润锋运移速率分别为流量6、4、2 L/h的1.15倍、1.36倍和3.00倍。

（2）滴灌中流量大的土壤中水平湿润锋的距离比流量小的远，但流量到达某个临界值就存在湿润锋同步变化的情况，如6、8 L/h流量在滴灌20 min后水平湿润锋距离相同，随后同步变化，因此在实际灌溉中需要结合灌溉成本条件选择最合适的灌溉流量。

（3）滴灌过程中水分能够渗透的深度与滴灌流量有关，流量越大，入渗深度越深;同一位置处不同流量下含水率的变化趋势相同，含水率大小与滴灌流量有关。

（4）滴灌结束后存在水分重新分布的现象，整体趋势为含水率降低然后趋于稳定，湿润体体积较滴灌结束时变大，含水率分布更加均匀。

参考文献

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