不同灌水條件下地下滲灌試驗(yàn)研究

李 炎

(天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

地下滲灌歸類于地表下滴灌，是人們所期待的一種理想滴灌方式，在國(guó)內(nèi)外均有悠久的研究和發(fā)展歷史，由于關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題沒有很好解決，至今發(fā)展面積很小[1-6]。面對(duì)有限的水資源和日趨惡化的水環(huán)境，高效、節(jié)水、有利環(huán)境保護(hù)的地下滲灌技術(shù)日益受到重視，已成為近幾年世界各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，并取得了很大的進(jìn)展[7,8]。針對(duì)這一問(wèn)題，提出本試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)所用土槽系有機(jī)玻璃槽，有機(jī)玻璃板厚度為1 cm，制成的土槽規(guī)格為50 cm×30 cm×60 cm,8個(gè)角用角鐵固定，其中槽底4角由4個(gè)三向三角鐵固結(jié)，上部由4個(gè)二向角鐵固結(jié)。滲水管半徑為1.4 cm，用強(qiáng)力膠粘在距離底35 cm處的水平面上。在一塊50 cm×60 cm的邊座上取3條直線，其中一條水平，即滲水管中心線所在水平面與該板的交線，另外2條皆與該水平線成45°分布于兩側(cè)。在每條線上均按同樣規(guī)格分布5個(gè)小孔，孔編號(hào)分別為1、2、3、4及5，每個(gè)小孔直徑為1.6 cm。其中每條直線的小孔1與滲管間距均為1.5 cm，而孔1與孔2、孔2與孔3、孔3與孔4、孔4與孔5的間距分別為2.5、3.5、4.5和5.5 cm。與每個(gè)滲水管相連的進(jìn)水管長(zhǎng)均為32 cm，且每個(gè)滲水管皆與50 cm×60 cm的壁面相垂直。

本次試驗(yàn)的地下滲灌管采用聚乙烯塑料管，滲灌管外徑18 mm，內(nèi)徑14 mm。每節(jié)長(zhǎng)6 cm，打有4個(gè)出水孔，相鄰孔心相距1.5 cm。該節(jié)點(diǎn)滲灌管是由一根完整的塑料管打孔制成，相鄰出水節(jié)間相距30 cm。該試驗(yàn)所用管的節(jié)點(diǎn)出水均勻度已經(jīng)由出水均勻度試驗(yàn)測(cè)得為0.87。

1.2 試驗(yàn)用土的準(zhǔn)備及裝土

試驗(yàn)用土是取之于天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)試驗(yàn)田。取0～20 cm深度的土壤，為黏壤土，其物理指標(biāo)見表1。土壤風(fēng)干后，先用直徑為2 mm銅篩篩一遍，后用碾土器碾壓一遍，如此反復(fù)，直到完全通過(guò)該銅篩為止。試驗(yàn)始于2014年4月21日下午14時(shí)，本試驗(yàn)分層裝土，每層厚10 cm, 共裝6層。為便于記錄，本次將滲灌管與四壁編號(hào)，其中，打孔的3條直線交點(diǎn)處滲灌管編為1號(hào) ，同面上的編為2號(hào)，同時(shí)將每個(gè)滲管出現(xiàn)的濕潤(rùn)鋒編為11，12，21，22(每個(gè)編號(hào)的前一個(gè)數(shù)字代表滲灌管，后一個(gè)數(shù)字的“1”為50 cm×60 cm面上的濕潤(rùn)鋒，“2”為30 cm×60 cm面上的濕潤(rùn)鋒)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均已繪于濕潤(rùn)鋒繪圖紙上。

表1 土壤物理指標(biāo)Tab.1 Physical indicators on soil

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律

(1)選取試驗(yàn)的1-1面作為研究對(duì)象，為敘述方便起見，特在濕潤(rùn)鋒圖上選取垂直向上，垂直向下，水平，以及與水平線各成45°角的5條直線作為參考下標(biāo)。其中垂直方向上計(jì)為OO上，斜向上計(jì)為OA，水平線為OB，斜向下為OC，垂直向下計(jì)為OO下。下面表中各數(shù)據(jù)是以管心在玻璃箱的入口處為零點(diǎn),按上述5個(gè)方向選取。為便于研究，本次試驗(yàn)特取濕潤(rùn)鋒曲線形狀較為規(guī)則的歷時(shí)進(jìn)行研究，即取7～397 min進(jìn)行研究，量出各段間距，計(jì)算不同時(shí)段濕潤(rùn)鋒速度。對(duì)1-1面上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見圖1。

圖1 OO上、OA、OB、OC、OO下方向濕潤(rùn)鋒傳播速度Fig.1 Propagation speed on wetting front of OO上,OA,OB,OC,OO下 direction

由圖1得出如下結(jié)論：

①濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間向外擴(kuò)展的過(guò)程中，運(yùn)移速度越來(lái)越慢。

②在同時(shí)段的濕潤(rùn)鋒線上，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率符合如下規(guī)律：在開始時(shí)段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)；在中間時(shí)段向各個(gè)方向的濕潤(rùn)速度基本上持平；在后半時(shí)段向下的速度大于向上的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)。

③在起初的較短時(shí)段內(nèi)(如歷時(shí)12 min、19 min)，在同一條濕潤(rùn)線上，5個(gè)方向上的運(yùn)移速度差異較大。而與之相比，最后的歷時(shí)濕潤(rùn)鋒線上，運(yùn)移速率差異就小。

(2)對(duì)2-1面上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析(見圖2)。從圖2可得出如下結(jié)論：

圖2 OO上、OA、OB、OC、OO下方向濕潤(rùn)鋒傳播速度Fig.2 Propagation speed on wetting front of OO上,OA,OB,OC,OO下 direction

①濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間向外擴(kuò)展過(guò)程中，運(yùn)移速率越來(lái)越慢。

②在同時(shí)段的濕潤(rùn)鋒線上，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程整體上符合如下規(guī)律：在開始時(shí)段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)；在中間時(shí)向各個(gè)方向的濕潤(rùn)速度基本上持平；在后半時(shí)段向下的速度大于向上的速度(vOO上

③在所選取的研究時(shí)段內(nèi)，在同一濕潤(rùn)鋒線上，4個(gè)方向上的運(yùn)移差同1-1面也基本相同。

人工進(jìn)行培料。攤鋪機(jī)就位后應(yīng)預(yù)熱30～60min，使熨平板溫度大于100℃，攤鋪速度控制為2m/min。攤鋪3～4車混合料后，應(yīng)翻混合料斗兩側(cè)邊板，清理殘余混合料，推入送料器與熱料一起攤鋪，以減少混合料離析。

(3)通過(guò)對(duì)2組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

①濕潤(rùn)鋒在隨時(shí)間變化的過(guò)程中，其運(yùn)移速率越來(lái)越慢。

②在同一時(shí)段的濕潤(rùn)鋒線上，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率符合：在開始時(shí)段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下)；在中間時(shí)段向各個(gè)方向的濕潤(rùn)速度基本上持平；在后半時(shí)段向下的速度大于向上的速度(vOO上

③在所給定的試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，起始的較短時(shí)段內(nèi)，在同一濕潤(rùn)鋒線上，各點(diǎn)運(yùn)移速率差別較為明顯，而在最后時(shí)段，則較為接近。

(4)由相關(guān)的理論對(duì)結(jié)論進(jìn)行定性分析。水流在土壤滲流過(guò)程中，實(shí)際上主要受2種力的影響：重力和土壤毛細(xì)孔的毛細(xì)作用力。在起始的很短歷時(shí)內(nèi)，毛細(xì)作用力占優(yōu)勢(shì)，而隨時(shí)間的延長(zhǎng)，毛細(xì)作用越來(lái)越微弱，而微小的液滴重力也相當(dāng)微弱，其他體動(dòng)力也逐漸衰退。因此，隨時(shí)間變化，其運(yùn)移速度也逐漸減弱。無(wú)論在任何時(shí)候，重力皆向下，故而重力對(duì)不同處的運(yùn)移所起的作用是不同的，如在OO上方向上，重力起負(fù)作用。其次是OA方向上，直至OO下重力已完全起正作用。故在同一時(shí)段濕潤(rùn)鋒線上，后半時(shí)段各點(diǎn)的運(yùn)移速度符合vOO上vOA>vOB>vOC>vOO下)。主要是因?yàn)槌鏊自谒艿纳线吘墸鴾y(cè)量所取的零點(diǎn)在管中心和玻璃箱的入口處。在開始的時(shí)段內(nèi)由于重力一直不變，變化的是毛細(xì)作用力，其變化是很快的?？偟淖饔昧ψ兓^快，對(duì)運(yùn)移速率影響也較大，故而在同一濕潤(rùn)鋒線上，其速率差異較明顯。而在最后的時(shí)段內(nèi)，總的作用力變化近乎零，已經(jīng)很微弱，故而對(duì)其運(yùn)移速率的作用也很微弱，各點(diǎn)運(yùn)移速率變化差異也較小。

2.2 各點(diǎn)土壤含水率在不同點(diǎn)處的分布

每孔從入孔處向內(nèi)依次取土，各次取土深度依次從入孔處開始遞增1.5 cm。分別記為A11，A12，A13，A14，A15，A16，A17；A21，A22，A23，A24，A25，A26，A27；A31，A32，A33，A34，A35，A36，A37；B、C標(biāo)號(hào)同A。將所得A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1和C2各點(diǎn)處不同深度處土壤含水率列入圖3。

圖3 各點(diǎn)土壤含水率在不同深度處的分布Fig.3 Distribution on soil moisture at different depths

由圖3可得出如下結(jié)論：

(2)在同一個(gè)取土孔位置上，如果該孔在出水孔水平面以下，則靠近入口的一側(cè)的含水率大于遠(yuǎn)離入口的一側(cè)，如A21=0.123

2.3 不同灌水量對(duì)濕潤(rùn)鋒的影響

本次實(shí)驗(yàn)用2只不同內(nèi)徑的馬氏瓶作為水源，2只馬氏瓶中水柱變化及灌水量隨時(shí)間變化情況見表2。

灌水量越大，濕潤(rùn)鋒圖形半徑越大，但是灌水量與半徑不成線性變化規(guī)律，在相同灌水量情況下，半徑幾乎相等。 可以這樣設(shè)想：注水372.9 mL是在注296.3 mL的基礎(chǔ)上又注76.6 mL，而296.3 mL是在229.6 mL的基礎(chǔ)上再注66.7 mL，229.6 mL是在161.0 mL的基礎(chǔ)上再注68.6 mL，161.0 mL是在115.8 mL的基礎(chǔ)上又注45.2 mL，115.8是在82.4 mL的基礎(chǔ)上又注33.4 mL， 82.4 mL是在29.4 mL的基礎(chǔ)上又注53.0 mL。也就是說(shuō)在第1次注水29.4 mL后，讓水自由滲透足夠的時(shí)間，完成水分的不斷運(yùn)移過(guò)程，而后，接著做試驗(yàn)，再注入53.0 mL，由數(shù)據(jù)可看出，加入的53.0 mL水并未使半徑擴(kuò)展太大，僅僅由原先的4.75 cm曾加到5.85 cm，以后過(guò)程都差不多同上，個(gè)別例外，可能是由于試驗(yàn)誤差所導(dǎo)致的。由第1只馬氏瓶所得灌水量與濕潤(rùn)體積關(guān)系見表3。

表3 灌水量與濕潤(rùn)體積關(guān)系Tab.3 Relationship on irrigation and moist volume

通過(guò)以上分析可知，除了第1步加入29.4 mL水是主要用來(lái)補(bǔ)給原來(lái)濕潤(rùn)層外，總體上都是水分不斷向外運(yùn)移。也就是說(shuō)，隨著灌水量的不斷增加，由內(nèi)層向外層，水分不斷地運(yùn)移，濕潤(rùn)范圍不斷擴(kuò)大，且水分經(jīng)過(guò)處含水量也逐步增大。由此分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可得出“飽和層、濕潤(rùn)層、半干旱層”的推論，即進(jìn)一步得出如下結(jié)論：隨著灌水量的增加，水分不斷地由內(nèi)層向外層運(yùn)移，各層的含水量也不斷增加，當(dāng)最內(nèi)層達(dá)到某一極限時(shí)，便不再增加而是保持不變，再經(jīng)過(guò)的水只是向其余外層運(yùn)移并進(jìn)行補(bǔ)給。如此反復(fù)，濕潤(rùn)的范圍不斷擴(kuò)大。而由于灌水量的增加，使得原來(lái)的濕潤(rùn)層逐步變?yōu)轱柡蛯?，而原?lái)的半干旱層逐步變?yōu)闈駶?rùn)層，而新涉及范圍成為新的半干旱層。

3 結(jié) 論

通過(guò)地下滲灌試驗(yàn)的研究，可得出如下結(jié)論。

(1)滲灌形成的濕潤(rùn)體是個(gè)近似的球體，球心略微偏上。ROO上=11.9 cm，ROA=11.9 cm，ROB=11.8 cm，ROC=10.5 cm，ROO下=10 cm。

(2)在該濕潤(rùn)層的近似球體中，從內(nèi)向外可 以分為3區(qū)，即濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)、干燥區(qū)。

(3)隨灌水量的增大，濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的增長(zhǎng)不斷增加，且增加速度越來(lái)越慢。

(4)在同時(shí)段的濕潤(rùn)鋒曲線上，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程在整體上符合如下規(guī)律：在開始時(shí)段向上的速度大于向下的速度(vOO上>vOA>vOB>vOC>vOO下；在中間時(shí)段向各個(gè)方向的濕潤(rùn)速度基本上持平；在后半時(shí)段向下的速度大于向上的速度(vOO上

(5)在土壤水分的入滲過(guò)程中，入滲初期，土壤吸力梯度占有優(yōu)勢(shì)，重力作用是逐漸增強(qiáng)的。土壤含水率的剖面分布是以滲灌管的出水節(jié)點(diǎn)為中心，由內(nèi)到外向外輻射分布的。隨著灌水歷時(shí)的增加，土壤含水率的剖面重心逐漸下移。

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