套管长度和灌水器流量对涌泉根灌入渗特性的影响

刘珂瑶，吴普特，朱德兰，蔡耀辉，宋小林，王建平

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100； 3. 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 4. 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 5. 西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100； 6. 延安市宝塔区果业技术推广和营销服务中心，陕西 延安 716000)

涌泉根灌是一种针对高耗水经济林果进行局部、大流量灌溉的地下灌溉技术[1-3].该技术通过微管-灌水器将水肥直接输送至树木根区，形成适宜其生长的水、肥、气、热条件[4-7].灌水器一般采用迷宫式流道，流道较长、过水断面较大且抗堵塞能力较强[8-11]，外部设置有PVC或多孔材料套管，可有效解决负压吸泥和根系入侵导致的堵塞问题[4].

历经10余年，涌泉根灌技术在黄土高原应用后取得了良好的节水、增产效果，提高了作物的水分利用效率，减少了表层土壤水分蒸发[12-15].大田试验中，多以苹果和红枣为研究对象.ZHONG等[16]发现对苹果从开花至结果期进行中度水分亏缺处理可提高果实品质、产量和水分利用效率，与漫灌相比，涌泉根灌的节水效果更明显.曾健[17]对果树进行调亏灌溉，分析了苹果各生育期的耗水规律以及土壤含水率对果树生长和果实产量、品质的影响，建立了陕北山地涌泉根灌苹果树灌溉制度评价体系.强敏敏等[18]发现利用涌泉根灌技术对枣树进行轻度和中度水分亏缺处理可有效抑制枣吊和新梢生长，促进果实生长.车银伟等[19]通过试验发现每株灌水80 L为应用涌泉根灌技术时枣树的最优灌水定额.但在实际应用中，由于灌水技术参数设置不合理导致的表层蒸发损失、深层渗漏问题依然存在.因此，通过明晰涌泉根灌入渗特性，确定其应用参数，将为该技术的大面积应用提供理论和技术支撑.

近年来，相关学者将室内试验与数值模拟相结合对涌泉根灌土壤水分入渗特性进行了深入研究.牛文全等[20]研究发现初始含水率对涌泉根灌湿润体大小有显著影响，初始含水率越大，湿润体体积越大.代智光[21]建立了涌泉根灌土壤水分入渗模型，并利用Hydrus-2D软件进行求解，发现模拟值与实测值具有较好的一致性.李耀刚等[22]运用Hydrus-3D软件对涌泉根灌土壤水分入渗进行模拟，发现灌水量相同时，随灌水器流量增加，湿润体内高含水区域的面积明显增大.现有研究大多仅揭示了涌泉根灌技术在单因素影响下的入渗特性，缺乏对其在套管和灌水器参数交互影响下入渗特性的研究.

在实际应用中，涌泉根灌配套套管多采用PVC打孔管，人工打孔费时费力，质量控制难度较大.研究中也有学者将PP棉滤芯作为配套套管，其是以聚丙烯树脂纤维缠绕粘结而成的多孔渗水管，具有可工业化大批量生产、价格低廉和质量稳定的优点.陈俊英等[4]应用PVC和PP棉2种材料制成涌泉根灌套管，发现2种套管在土壤表面形成的水平湿润半径与时间的自然对数呈线性关系，并建立了由表面水平湿润半径反演最大水平湿润半径和湿润深度的预测模型.但涌泉根灌入渗特性不仅与套管参数直接相关，更受灌水器流量和套管参数交互作用的影响.

目前，选用PP棉滤芯作为涌泉根灌套管，探究其入渗特性对流量和套管长度反馈机制的研究尚未见报道.因此，文中研究选用PP棉滤芯作为涌泉根灌配套套管进行土壤入渗试验，设置不同的套管长度和灌水器流量，揭示两者交互作用下土壤水分入渗特性，明确灌水器的出流机制，提出技术应用参数(流量和套管长度)，为该技术的实际应用提供技术参考.

1 材料与方法

1.1 试验装置

涌泉根灌入渗试验在西北农林科技大学旱区节水农业研究院灌溉水力学试验大厅进行，试验装置以及灌水器和PP棉套管细部结构如图1所示.试验装置由供水装置、灌水装置、土箱和土壤水分传感器4部分组成.供水装置由水箱、水泵和管道等组成.灌水装置由涌泉根灌灌水器和孔径为5 μm的PP棉套管组成.灌水器埋置于土箱一角，以模拟实际大田中1/4的土壤水分运移情况，进水口距土壤表层10 cm.矮化苹果树的根系主要集中在0～80 cm土层深度，上层根系分布密集，下层稀疏[23].为确定湿润体区域与果树根系分布范围的匹配效果，选择尺寸为45 cm×45 cm×75 cm(长×宽×高)的有机玻璃土箱.

图1 试验装置以及灌水器和PP棉套管细部结构示意图

1.2 试验土壤

试验土壤取自陕西省延安市宝塔区，土壤类型为黄绵土.试验前,土壤经自然风干后碾压、粉碎过2 mm筛后混合均匀制成试验土样备用.土壤颗粒组成由马尔文激光粒度分析仪MS2000测定，其中黏粒、粉粒和砂粒体积分数分别为16.15%，28.36%和55.49%，土壤质地为砂壤土.将试验土样按1.35 g/cm3的容重装入土箱，每层10 cm，层间打毛.试验过程中用塑料薄膜覆盖土壤表面，以防止土壤水分蒸发.

1.3 试验方法与观测内容

试验过程中，各处理的总灌水量相同，计算式为

m=γzp(θmax-θmin)，

(1)

式中:m为灌水定额，mm；γ为土壤容重，取1.35 g/cm3；z为计划湿润层深度，取0.75 m；p为湿润比，取0.35；θmax，θmin分别为土壤体积含水率上、下限(占土体积百分比)，分别取41.08%，1.89%.

经计算，总灌水量为7 L.试验设置了3个不同的套管长度I(20，40，60 cm)和2个灌水器流量Q[18,19,24](4，12 L/h)，共6个处理.试验处理见表1.

表1 试验处理表

由于试验时将套管和灌水器置于土箱一角，模拟大田试验1/4湿润体情况，故取大田实际使用流量的1/4，分别为1和3 L/h进行土箱试验.

土壤经自然沉降24 h后开始试验.入渗开始后,采用秒表计时，定时观测所形成湿润体的水平湿润半径和垂直向上入渗距离.按照先密后疏的原则，在有机玻璃外壁描出不同时刻所对应的湿润体形状，并用钢尺测量湿润锋距离.随后应用美国Decagon公司的EM50土壤水分监测系统监测土壤含水率的动态变化.

2 试验结果与分析

2.1 对湿润体形状的影响

图2为不同处理水平(L)和垂直向上(R)湿润锋随灌溉时间(t)的变化情况：变化趋势基本相同，先快速增加，而后速率逐渐减慢.入渗初期，基质吸力较大，灌水器流量为4和12 L/h时，分别在0～50和0～20 min时间段内湿润锋的变化速率最快.随入渗时间增加，灌水器周围一定范围内的土壤体积含水率接近体积饱和含水率，毛管悬着水达到最大，基质吸力减小，使得湿润锋变化速率明显下降.

灌水结束时，相同灌水器流量下，套管长度为40 cm所形成的水平和垂直向上湿润锋均最大.套管长度相同时，灌水器流量为4 L/h所形成的水平湿润锋大于12 L/h的；垂直向上湿润锋则相反.在套管长度和灌水器流量的交互影响下，水平和垂直向上方向最有利于土壤水分运移的配套组合分别是处理2和5.

图2 水平湿润锋和垂直向上湿润锋运移距离与时间关系图

研究表明[4]L和R与灌溉时间t之间的关系可用幂函数表示，即

(2)

拟合参数a,b,c,d见表2，相关系数R2均不低于0.97，各参数拟合结果较好，能较好说明涌泉根灌土壤入渗湿润锋与入渗时间的关系.

表2 不同套管长度和灌水器流量下湿润锋运移距离与入渗时间关系的拟合结果

灌水结束后土壤水分仍在继续运移.与灌水过程中的运移速率相比，此时的运移速率大大降低.表3为再分布过程中水平和垂直向上方向上湿润锋运移距离.由表可知，从灌水结束时至灌水结束后24 h，灌水器流量为4 L/h的水平和垂直向上方向湿润锋的变化量均大于灌水器流量为12 L/h的.再分布过程中，处理2的湿润锋运移距离变化最明显，水平和竖直向上方向湿润锋的变化量分别为4.6和4.3 cm.

表3 再分布过程中水平和垂直向上方向上湿润锋运移距离

2.2 对湿润体内土壤水分分布的影响

2.2.1 灌水结束时土壤水分分布规律

图3为灌水结束时不同处理所形成湿润体剖面的土壤水分分布图，图中θ为土壤体积含水率；x,y分别为水平和垂直位置.相同套管长度、不同灌水器流量所形成湿润体的形状以及土壤水分分布规律相似，土壤体积含水率均从最大值处向四周递减，分布曲线由疏到密变化，湿润体高含水区出现在灌水器下方偏右位置.灌水器流量相同时，套管长度为40 cm所形成湿润体的体积最大且水分分布更加均匀.灌水器流量为12 L/h的湿润体体积含水率最大值均大于灌水器流量为4 L/h的.在流量和套管长度的交互作用下，处理1所形成湿润体高含水区域范围以及含水率的最大值均小于其他处理.处理6由于土箱尺寸的限制，湿润体内土壤水分积聚现象最明显，含水率的最大值明显大于其他处理.处理5所形成湿润体的体积最大，水分分布更加均匀，最有利于土壤水分运移.

图3 不同处理灌水结束时土壤剖面水分分布图

2.2.2 灌水结束24 h后土壤水分再分布规律

图4为灌水结束24 h后湿润体剖面的土壤水分分布图.

图4 不同处理灌水结束24 h后土壤剖面水分分布图

再分布过程中，湿润体高含水区的含水率减小，土壤水分分布趋于均匀，湿润体体积明显增大.与大流量相比，小流量灌水历时长，基质势对其水分扩散的影响大，灌水过程中已开始进行水量平衡，因此再分布过程中湿润体内体积含水率变化程度较小.在流量和套管长度交互作用下经过24 h再分布，处理6土壤水分消退现象最明显.处理5湿润体体积变化最大，水分分布最均匀.

3.3 对套管内积水深度和入渗速率的影响

灌水过程中，灌水器流量为4 L/h的处理，其入渗速率始终小于或等于土壤入渗速率，套管内并未形成积水.因此，此处仅讨论灌水器流量为12 L/h的情况.

图5为灌水器流量为12 L/h时套管内积水深度h和入渗速率v随时间的变化图.0～30 min套管内的积水深度快速增加，30～60 min增速减缓，趋于稳定，80 min后基本为定值(图5a).套管长度为40 cm时，套管内积水深度最大，但仅较其他2个处理高2 cm.由图5b可以看出,20～30 min入渗速率迅速降低，30～60 min入渗速率缓慢降低，60 min后基本稳定.稳定时，套管长度40 cm的入渗速率最小为0.225 cm/min.

3 讨 论

垂直向上方向受基质吸力与反方向的重力势作用，随套管内积水深度增加，垂直向上湿润锋与积水上边界的水分梯度减小，将增大该方向上湿润锋的运移速率.因此，灌水结束时灌水器流量为12 L/h时的垂直向上湿润锋要大于4 L/h的，这与费良军等[25]研究结果一致.

湿润体的位置主要受套管长度影响.套管长度越长，湿润体越接近底层土壤，且在重力势和基质势的共同作用下，高含水率区域也会发生下移和右移现象，这与地下滴灌湿润体的特征有一定区别[26].文中研究由于受土箱尺寸的限制，套管长度为60 cm所形成的湿润体主要位于土壤底层，土箱底板与分层土壤中的不透水层类似[27]，可有效阻隔土壤水向底层运移，减少深层渗漏风险，提高灌溉水利用效率.因此，在土壤质地较轻、蒸发强烈的地区可将较长的套管和隔离层联合使用，使有限的水分汇聚至作物根系集中的土层.GUO等[28]发现通过土壤压实可减小土壤孔隙度，降低水分入渗速率，有效防止灌溉水向下层渗漏.因此，实际应用中可先将与套管底部接触的土壤区域进行压实处理再放置套管进行填埋，以降低深层渗漏，提高保水能力.

对于同一种土壤，灌水器流量和土壤特性的交叉作用会对其稳定入渗速率产生影响，从而使积水深度发生变化.灌水器流量相同时，由于套管长度不同会导致湿润体体积和湿润体内高含水区域范围不同，则在土壤水势作用下会对积水深度产生一定影响.套管长度为40 cm时所形成湿润体的体积和高含水区域范围均最大，使得土壤水势对套管内积水入渗的抑制作用最明显.灌水过程中套管内腔并未被水完全充满，仍存留有少量空气，对套管顶部和底部进行密封处理后，空气压力也会对灌溉水出流产生影响.其中60 cm时压缩空气对出流的促进作用最明显.因此，在土壤水势和压缩空气的共同作用下，套管长度为40 cm时积水深度最大.

套管内积水深度发生变化时，积水上沿的灌溉水会迅速入渗，使得积水深度降低，基本上维持平衡，使得稳定入渗后入渗速率维持相同.但相对于地下滴灌点源入渗，灌水器出口处形成正压[29]，使得灌水器流量降低，涌泉根灌套管内部的积水显著提高了土壤入渗的水势梯度，形成有压压差水头入渗，提高了土壤水分的运移速率，促进土壤水分扩散.当土壤水分入渗达到稳定后，套管内积水深度不再变化，表现出典型的柱状出流面源入渗.这与李耀刚等[30]的初步研究结论一致.

4 结 论

1) 在套管长度和灌水器流量的交互影响下，最有利于土壤水分在水平和垂直向上方向上运移的配套组合：灌水器流量为12 L/h、套管长度为40 cm.

2) 灌水器流量主要影响湿润体的特征，而套管长度主要影响湿润体的位置.灌水器流量为12 L/h、套管长度为40 cm时所形成湿润体的体积更大，水分分布更加均匀，最有利于土壤水分的运移.

3) 涌泉根灌入渗时，套管内部积水会使入渗面增大，提高土壤入渗水势梯度，形成有压入渗，从而提高土壤水分的运移速率.流量和土壤特性对积水深度影响较大，套管长度对积水深度影响较小.

4) 根据不同果树主根系的分布范围合理确定套管长度和埋深，选择适宜的灌水器流量，并进行土壤压实处理，可降低深层渗漏和表层蒸发损失，提高水分利用效率和保水能力.