泥沙級配對渾水灌溉下土壤水分增長過程的影響分析

卞艷麗，曹惠提，張會敏，王軍濤

(1.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.黃河流域農(nóng)村水利研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.黃河流域灌溉試驗(yàn)中心站，河南 新鄉(xiāng) 453003)

渾水灌溉，是我國黃河流域引黃灌區(qū)灌溉的主要特點(diǎn)，由于灌溉水源均含有顆粒級配各異且大小不等的沙量，渾水灌溉與清水灌溉相比，土壤水分增長過程差異顯著。目前，國內(nèi)對渾水在土壤中入滲規(guī)律的研究取得了一定研究成果，主要集中在入滲規(guī)律影響因素分析和入滲過程模擬兩方面；關(guān)于渾水連續(xù)入滲的研究主要基于室內(nèi)土柱或田間雙套環(huán)試驗(yàn)，不足以模擬實(shí)際灌溉條件下大面積田塊水分入滲情況；并且研究重點(diǎn)在于累積入滲量和穩(wěn)滲率隨時間的變化，即對入滲過程的研究[1,2]。針對渾水灌溉下土壤水分的增長特性以及泥沙級配對土壤水分增長過程的影響等研究成果發(fā)布較少。本次灌溉條件下不同泥沙級配渾水灌溉入滲試驗(yàn)控制面積6.67 m2，控制土層深度1.8 m，灌溉入滲試驗(yàn)歷時達(dá)到300 min以上，相比較而言，本次試驗(yàn)在時間和空間上均進(jìn)行了展延，通過放大試驗(yàn)尺度來研究渾水灌溉下不同土層土壤水分增長特性，這不僅對高含沙渾水灌區(qū)節(jié)水改造和灌水定額的研究提供了理論依據(jù)，也為提高引渾淤灌、渾水灌溉的灌水質(zhì)量提供了技術(shù)支撐，對研究黃河灌區(qū)灌溉方式，作物耗水以及渾水高效利用皆有十分重要意義。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省新鄉(xiāng)市黃河水利科學(xué)研究院節(jié)水試驗(yàn)基地(北緯35°18′，東經(jīng)113°53′)。該基地屬暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14.4 ℃，多年平均年降水量539.0 mm；蒸發(fā)量1 700～2 000 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h，平均風(fēng)速2.0 m/s。不同泥沙級配渾水灌溉入滲試驗(yàn)開始于2012年10月，結(jié)束于11月，2012年下半年試驗(yàn)區(qū)基本氣象條件見表1。

灌溉條件下不同泥沙級配渾水灌溉入滲試驗(yàn)在地中滲透儀的測坑中開展，地中滲透儀共由24個標(biāo)準(zhǔn)測坑組成，單個測坑長3.3 m，寬2.0 m，深2.1 m。測坑回填土屬于砂質(zhì)壤土，土壤密度1.4～1.5 g/cm3。試驗(yàn)前土壤初始體積含水量淺層(≤20 cm)在20%左右，深層(≥60 cm)在29%左右，試驗(yàn)前期土壤含水量一致性較好。

表1 2012年試驗(yàn)區(qū)7-12月氣象參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)計灌溉條件下不同泥沙級配渾水入滲試驗(yàn)的背景值(氣象、土質(zhì)、前期土壤含水量等)相同，灌水深度按3 cm控制(整個入滲過程保持該水頭)；設(shè)計灌水總量為0.8 m3；控制地下水位在1.5 m。

試驗(yàn)設(shè)計了2種含沙量4種泥沙級配的組合方案，含沙量設(shè)計5%和10%兩種，泥沙級配以d50為區(qū)分標(biāo)志，分別為d501= 0.061 mm、d502=0.048 mm、d503=0.042 mm、d504=0.016 mm，測坑土壤和沙洋泥沙顆粒級配見表2和圖1。清水對照1組，按照不同泥沙級配和含沙量組合以及清水對照，共開展8組入滲試驗(yàn)，見表3。

圖1 土壤及試驗(yàn)用沙泥沙級配累積曲線比較圖

表2 不同泥沙級配渾水中小于某一粒徑泥沙顆粒體積的百分含量

表3 渾水灌溉入滲試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 不同泥沙級配渾水灌溉下土壤水分增長特性分析

清水與不同泥沙級配渾水灌溉下不同深度土壤含水量變化過程及其累積入滲量過程見圖2～圖4?？梢姴煌嗌臣壟錅喫喔认峦寥浪衷鲩L過程與清水相同，從初始土壤含水量開始同樣經(jīng)歷了快速增長-緩慢增長-達(dá)到穩(wěn)定3個過程，且泥沙級配越細(xì)，同時刻灌溉累積入滲量越小，相應(yīng)土壤含水量增長越緩慢。

圖2 清水灌溉不同深度土壤含水量變化過程及其累積入滲量過程圖

圖3 10%含沙量不同泥沙級配渾水灌溉下累積入滲量與土壤含水量變化過程

圖4 5%含沙量不同泥沙級配渾水灌溉下累積入滲量與土壤含水量變化過程

為分析不同泥沙級配渾水灌溉下的土壤水分增長特性，定義從灌水開始后不同深度土壤從前期含水量開始快速增長的時刻為始變歷時。表4統(tǒng)計了清水、渾水灌溉下不同深度土壤含水量的始變歷時及其對應(yīng)的累積入滲量，可以看出，清水灌溉下20、40、60、80 cm土壤含水量的始變歷時最短，分別為2.4、11.4、61.8、132 min；同一含沙量條件下，泥沙越細(xì)，不同深度土壤含水量始變歷時越長；10%含沙量條件下，中值粒徑為0.042 mm渾水灌溉下土壤含水量的始變歷時最長，分別為7.8、72.6、245、334.4 min；5%含沙量條件下，中值粒徑為0.016 mm渾水灌溉下土壤含水量的始變歷時最長，分別為3.6、55.2、183.6、316.0 min。從始變歷時對應(yīng)的累積入滲量可以看出，20、40、60 cm土壤含水量始變歷時的累積入滲量以清水灌溉下的最小，80 cm土壤含水量始變歷時的累積入滲量除10%含沙量條件下中值粒徑為0.048和0.042 mm渾水灌溉下的較小外，其他均大于清水。說明清水灌溉條件下由于入滲率大，在入滲水量小、入滲歷時短的條件下已使較深層的土壤含水量得到增加，隨著入滲歷時的增加，土壤水分入滲深度的增大，這種效果變?nèi)酢Ｄ嗌臣壟鋵喫喔认峦寥篮渴甲儦v時對應(yīng)的累積入滲量的影響在本次試驗(yàn)結(jié)果中體現(xiàn)尚不明顯，具有泥沙級配越細(xì)，其始變歷時對應(yīng)的累積入滲量越大的趨勢。

表4 清、渾水灌溉下不同深度土壤含水量始變歷時及其累積入滲量統(tǒng)計

為進(jìn)一步分析不同泥沙級配渾水灌溉下的土壤水分增長特性，定義土壤含水量在快速增長至某一較大值并開始緩慢變化的時刻為增長拐點(diǎn)歷時。表5統(tǒng)計了清、渾水灌溉下不同深度土壤含水量增長拐點(diǎn)歷時，可知，清水灌溉下20、40、60 cm土壤含水量的增長拐點(diǎn)歷時最短，分別為17、45、187.8 min；5%含沙量條件下，中值粒徑為0.061 mm渾水灌溉下的最短，分別為30、86.4、224.4 min；中值粒徑為0.016 mm渾水灌溉下的最長，分別為39.6、144、287.4 min；10%含沙量條件下，中值粒徑為0.061 mm渾水灌溉下的最短，分別為84.6、142、213.6 min；中值粒徑為0.042 mm渾水灌溉下的最長，分別為117、269、349.4 min。可見，不同深度土壤含水量的增長拐點(diǎn)歷時，清水灌溉下最短，同一含沙量條件下，泥沙級配越細(xì)，增長拐點(diǎn)歷時越長；同一泥沙級配條件下，含沙量越大，增長拐點(diǎn)歷時越長。

表5 清、渾水灌溉下不同深度土壤含水量增長拐點(diǎn)歷時統(tǒng)計

清水、5%和10%含沙量不同泥沙級配渾水灌溉下土壤含水量在不同灌水入滲歷時的變化情況如圖5和圖6所示。

經(jīng)比較可知，清水灌溉比渾水灌溉下土壤含水量增長快，30 min時，20 cm土壤含水量已達(dá)到最大值，并且40 cm土壤含水量已明顯增加，而此時5%和10%含沙量不同泥沙級配渾水 灌水下20 cm土壤含水量雖都已開始增長，但均未達(dá)到最大值，40 cm土壤含水量尚未發(fā)生變化。5%含沙量條件下，中值粒徑為0.061 mm渾水灌溉下不同深度土壤含水量增長最快，0.016 mm渾水灌溉下的土壤含水量增長最慢，180 min時，0.061 mm渾水灌溉下20、40 cm土壤含水量均已達(dá)到最大值，60 cm土壤含水量有了較大的增長；0.042 mm渾水灌溉下20 cm土壤含水量達(dá)到最大值，40 cm土壤含水量正處于增長階段，60 cm土壤含水量也開始增長，但增長幅度較0.061 mm小；0.016 mm渾水灌溉下20 cm土壤含水量達(dá)到最大值，40 cm土壤含水量正處于增長階段，60 cm土壤含水量尚未變化。說明泥沙級配越細(xì)，渾水灌后同時刻不同深度土壤含水量增長越緩慢，達(dá)到最大含水量所需時間越長，見圖5。

10%含沙量條件下，由泥沙級配引起的土壤含水量增長過程的差異更加明顯，泥沙級配越細(xì)，渾水灌后同時刻不同深度土壤含水量增加量與清水相比更小，土壤含水量變化量相互間差異更大，見圖6。

圖5 5%含沙量不同泥沙級配渾水灌溉下土壤含水量變化過程

圖6 10%含沙量不同泥沙級配渾水灌溉下土壤含水量變化過程

2.2 泥沙級配對渾水灌溉下土壤水分增長過程的影響

為分析泥沙級配對渾水灌溉下土壤水分增長過程的影響，分別統(tǒng)計了清水、不同泥沙級配渾水灌溉下不同灌溉入滲歷時的累積入滲量以及20、40、60、80 cm土壤含水量較前期增長的變化量，見表6～表9。

表6 不同歷時的累積入滲量及20 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計表

表7 不同歷時的累積入滲量及40 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計表

可知，清水灌溉下20、40、60、80 cm土壤含水量增長的最快，在相同入滲歷時增長的變化量最大。無論是清水灌溉還是不同泥沙級配的渾水灌溉，土壤含水量變化量與累積入滲量成正比，在不同深度土壤含水量的快速增長階段，累積入滲量越大，土壤含水量變化量越大。

根據(jù)20 cm土壤含水量隨時間增長的變化量及相應(yīng)累積入滲量統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表6)，20 min時，清水灌溉的累積入滲量為1.62 cm，土壤含水量增加了12.39%；10%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為1.34 cm，土壤含水量增加了5.38%；d50=0.048 mm渾水灌溉的累積入滲量為1.16 cm，土壤含水量增加了5.15%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為0.97 cm，土壤含水量增加了3.16%；5%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為1.44 cm，土壤含水量增加了10.39%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為1.09 cm，土壤含水量增加了6.99%；d50=0.016 mm渾水灌溉的累積入滲量為1.10 cm，土壤含水量增加了5.68%?？梢?，渾水灌溉下不同入滲歷時的累積入滲量和20 cm土壤含水量變化量均比清水要小，且含沙量越大，與清水的差異越顯著，泥沙級配越細(xì)，同一入滲歷時的累積入滲量和土壤含水量的變化量越小。

表8 不同歷時的累積入滲量及60 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計表

根據(jù)不同歷時的累積入滲量及40 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表7)，90 min時，清水灌溉的累積入滲量為4.41 cm，土壤含水量增加了5.17%；10%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為3.82 cm，土壤含水量增加了3.49%；d50=0.048 mm渾水灌溉的累積入滲量為3.1 cm，土壤含水量增加了1.32%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為2.54 cm，壤含水量增加量為0.5%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為3.74 cm，土壤含水量增加了4.05%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為3.18 cm，土壤含水量增加了5.27%；d50=0.016 mm渾水灌溉的累積入滲量為2.75 cm，土壤含水量增加了0.95%。

根據(jù)不同歷時的累積入滲量及60 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表8)，180 min時，清水灌溉的累積入滲量為6.53 cm，土壤含水量增加了3.64%；10%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為5.59 cm，土壤含水量增加了1.52%；d50=0.048 mm渾水灌溉的累積入滲量為4.76 cm，土壤含水量增加量為0；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為3.70 cm，土壤含水量增加量為0。5%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為5.71 cm，土壤含水量增加了2.60%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為4.95 cm，土壤含水量增加了1.60%；d50=0.016 mm渾水灌溉的累積入滲量為4.25 cm，土壤含水量增加量為0。360 min時，清水灌溉的累積入滲量為8.88 cm，土壤含水量增加了3.02%；10%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為7.96 cm，土壤含水量增加了2.78%；d50=0.048 mm渾水灌溉的累積入滲量為7.41 cm，土壤含水量增加了2.47%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為5.54 cm，土壤含水量增加了1.41%。5%含沙量條件下，d50=0.061 mm渾水灌溉的累積入滲量為8.29 cm，土壤含水量增加了4.94%；d50=0.042 mm渾水灌溉的累積入滲量為7.19 cm，土壤含水量增加了4.07%；d50=0.016 mm渾水灌溉的累積入滲量為6.71 cm，土壤含水量增加了2.06%。80 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映的規(guī)律與20、40、60 cm的相同(見表9)。

綜上所述，可以看出，無論是清水灌溉還是渾水灌溉，累積入滲量與土壤含水量互為因果關(guān)系，兩者成正比，累積入滲量越大，土壤含水量的變化量(增加量)越大。相同入滲歷時，渾水灌溉下的土壤含水量變化量和累積入滲量均較清水灌溉的??；由于渾水的阻滲作用，造成相同入滲歷時的累積入滲量比清水小，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤含水量增長較清水慢，又由于含沙量和泥沙級配不同，所產(chǎn)生的阻滲作用和減滲效果不同，同一含沙量條件下，泥沙組成越細(xì)，灌水后的土壤含水量變化量和累積入滲量越小；同一泥沙級配渾水，含沙量越大，灌水后的土壤含水量變化量和累積入滲量越小。

表9 不同歷時的累積入滲量及80 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計表

3 結(jié) 語

(1)渾水灌溉下不同深度土壤含水量增長過程和清水灌溉的相同，均從初始含水量開始經(jīng)歷了快速增長-緩慢增長-達(dá)到穩(wěn)定3個階段；但渾水灌溉下不同深度土壤含水量的變化速率較清水慢，變化過程較清水更長。

(2)同一含沙量渾水灌溉，泥沙級配越細(xì)，不同深度土壤含水量始變歷時和增長拐點(diǎn)歷時更長；同一泥沙級配渾水灌溉，含沙量越大，不同深度土壤含水量始變歷時和增長拐點(diǎn)歷時更長。泥沙級配對渾水灌溉下土壤含水量始變歷時對應(yīng)的累積入滲量的影響在本次試驗(yàn)結(jié)果中體現(xiàn)尚不明顯，具有泥沙級配越細(xì)，其始變歷時對應(yīng)的累積入滲量越大的趨勢。

(3)相同入滲歷時，渾水灌溉下的累積入滲量和土壤含水量變化量均較清水灌溉的小，土壤水分增長較 清水緩慢；由于渾水中泥沙的阻滲和減滲作用，同一含沙量條件下，泥沙級配越細(xì)，灌水后相同入滲歷時的土壤含水量變化量和累積入滲量越小；同一泥沙級配渾水，含沙量越大，灌水后相同入滲歷時的土壤含水量變化量和累積入滲量越小。

[1] 曹惠提，卞艷麗，張會敏，等．渾水灌溉下土壤水分變化研究[J]．節(jié)水灌溉，2013,(8)：1-6．

[2] 曹惠提，卞艷麗，黃福貴．渾水灌溉下土壤水分入滲規(guī)律研究綜述[J]．人民黃河，2010，32(3)：69-70．