卞艷麗，曹惠提，張會(huì)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(guó)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(jí)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(zhǎng)過(guò)程差異顯著。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(guò)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(shí)間的變化，即對(duì)入滲過(guò)程的研究[1,2]。針對(duì)渾水灌溉下土壤水分的增長(zhǎng)特性以及泥沙級(jí)配對(duì)土壤水分增長(zhǎng)過(guò)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(jí)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(shí)達(dá)到300 min以上，相比較而言，本次試驗(yàn)在時(shí)間和空間上均進(jìn)行了展延，通過(guò)放大試驗(yàn)尺度來(lái)研究渾水灌溉下不同土層土壤水分增長(zhǎng)特性，這不僅對(duì)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(duì)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(wú)霜期220 d，全年日照時(shí)間約2 400 h，平均風(fēng)速2.0 m/s。不同泥沙級(jí)配渾水灌溉入滲試驗(yàn)開(kāi)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(jiàn)表1。

灌溉條件下不同泥沙級(jí)配渾水灌溉入滲試驗(yàn)在地中滲透儀的測(cè)坑中開(kāi)展，地中滲透儀共由24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)坑組成，單個(gè)測(cè)坑長(zhǎng)3.3 m，寬2.0 m，深2.1 m。測(cè)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(jì)灌溉條件下不同泥沙級(jí)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(gè)入滲過(guò)程保持該水頭)；設(shè)計(jì)灌水總量為0.8 m3；控制地下水位在1.5 m。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種含沙量4種泥沙級(jí)配的組合方案，含沙量設(shè)計(jì)5%和10%兩種，泥沙級(jí)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(cè)坑土壤和沙洋泥沙顆粒級(jí)配見(jiàn)表2和圖1。清水對(duì)照1組，按照不同泥沙級(jí)配和含沙量組合以及清水對(duì)照，共開(kāi)展8組入滲試驗(yàn)，見(jiàn)表3。

圖1 土壤及試驗(yàn)用沙泥沙級(jí)配累積曲線(xiàn)比較圖

表2 不同泥沙級(jí)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(jí)配渾水灌溉下土壤水分增長(zhǎng)特性分析

清水與不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下不同深度土壤含水量變化過(guò)程及其累積入滲量過(guò)程見(jiàn)圖2～圖4。可見(jiàn)不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下土壤水分增長(zhǎng)過(guò)程與清水相同，從初始土壤含水量開(kāi)始同樣經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)-緩慢增長(zhǎng)-達(dá)到穩(wěn)定3個(gè)過(guò)程，且泥沙級(jí)配越細(xì)，同時(shí)刻灌溉累積入滲量越小，相應(yīng)土壤含水量增長(zhǎng)越緩慢。

圖2 清水灌溉不同深度土壤含水量變化過(guò)程及其累積入滲量過(guò)程圖

圖3 10%含沙量不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下累積入滲量與土壤含水量變化過(guò)程

圖4 5%含沙量不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下累積入滲量與土壤含水量變化過(guò)程

為分析不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下的土壤水分增長(zhǎng)特性，定義從灌水開(kāi)始后不同深度土壤從前期含水量開(kāi)始快速增長(zhǎng)的時(shí)刻為始變歷時(shí)。表4統(tǒng)計(jì)了清水、渾水灌溉下不同深度土壤含水量的始變歷時(shí)及其對(duì)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(shí)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(shí)越長(zhǎng)；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(shí)最長(zhǎng)，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(shí)最長(zhǎng)，分別為3.6、55.2、183.6、316.0 min。從始變歷時(shí)對(duì)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(shí)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(shí)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(shuō)明清水灌溉條件下由于入滲率大，在入滲水量小、入滲歷時(shí)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(shí)的增加，土壤水分入滲深度的增大，這種效果變?nèi)酢Ｄ嗌臣?jí)配對(duì)渾水灌溉下土壤含水量始變歷時(shí)對(duì)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(jí)配越細(xì)，其始變歷時(shí)對(duì)應(yīng)的累積入滲量越大的趨勢(shì)。

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

為進(jìn)一步分析不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下的土壤水分增長(zhǎng)特性，定義土壤含水量在快速增長(zhǎng)至某一較大值并開(kāi)始緩慢變化的時(shí)刻為增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)。表5統(tǒng)計(jì)了清、渾水灌溉下不同深度土壤含水量增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)，可知，清水灌溉下20、40、60 cm土壤含水量的增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)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(zhǎng)，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(zhǎng)，分別為117、269、349.4 min。可見(jiàn)，不同深度土壤含水量的增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)，清水灌溉下最短，同一含沙量條件下，泥沙級(jí)配越細(xì)，增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)越長(zhǎng)；同一泥沙級(jí)配條件下，含沙量越大，增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)越長(zhǎng)。

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

清水、5%和10%含沙量不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下土壤含水量在不同灌水入滲歷時(shí)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(zhǎng)快，30 min時(shí)，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(shí)5%和10%含沙量不同泥沙級(jí)配渾水 灌水下20 cm土壤含水量雖都已開(kāi)始增長(zhǎng)，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(zhǎng)最快，0.016 mm渾水灌溉下的土壤含水量增長(zhǎng)最慢，180 min時(shí)，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(zhǎng)；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(zhǎng)階段，60 cm土壤含水量也開(kāi)始增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度較0.061 mm??；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(zhǎng)階段，60 cm土壤含水量尚未變化。說(shuō)明泥沙級(jí)配越細(xì)，渾水灌后同時(shí)刻不同深度土壤含水量增長(zhǎng)越緩慢，達(dá)到最大含水量所需時(shí)間越長(zhǎng)，見(jiàn)圖5。

10%含沙量條件下，由泥沙級(jí)配引起的土壤含水量增長(zhǎng)過(guò)程的差異更加明顯，泥沙級(jí)配越細(xì)，渾水灌后同時(shí)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(jiàn)圖6。

圖5 5%含沙量不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下土壤含水量變化過(guò)程

圖6 10%含沙量不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下土壤含水量變化過(guò)程

2.2 泥沙級(jí)配對(duì)渾水灌溉下土壤水分增長(zhǎng)過(guò)程的影響

為分析泥沙級(jí)配對(duì)渾水灌溉下土壤水分增長(zhǎng)過(guò)程的影響，分別統(tǒng)計(jì)了清水、不同泥沙級(jí)配渾水灌溉下不同灌溉入滲歷時(shí)的累積入滲量以及20、40、60、80 cm土壤含水量較前期增長(zhǎng)的變化量，見(jiàn)表6～表9。

表6 不同歷時(shí)的累積入滲量及20 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計(jì)表

表7 不同歷時(shí)的累積入滲量及40 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計(jì)表

可知，清水灌溉下20、40、60、80 cm土壤含水量增長(zhǎng)的最快，在相同入滲歷時(shí)增長(zhǎng)的變化量最大。無(wú)論是清水灌溉還是不同泥沙級(jí)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(zhǎng)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(shí)間增長(zhǎng)的變化量及相應(yīng)累積入滲量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表6)，20 min時(shí)，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?jiàn)，渾水灌溉下不同入滲歷時(shí)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(jí)配越細(xì)，同一入滲歷時(shí)的累積入滲量和土壤含水量的變化量越小。

表8 不同歷時(shí)的累積入滲量及60 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)不同歷時(shí)的累積入滲量及40 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表7)，90 min時(shí)，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(shí)的累積入滲量及60 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表8)，180 min時(shí)，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(shí)，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(jì)數(shù)據(jù)反映的規(guī)律與20、40、60 cm的相同(見(jiàn)表9)。

綜上所述，可以看出，無(wú)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(shí)，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(shí)的累積入滲量比清水小，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤含水量增長(zhǎng)較清水慢，又由于含沙量和泥沙級(jí)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??；同一泥沙級(jí)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(shí)的累積入滲量及80 cm土壤含水量變化量統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)渾水灌溉下不同深度土壤含水量增長(zhǎng)過(guò)程和清水灌溉的相同，均從初始含水量開(kāi)始經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)-緩慢增長(zhǎng)-達(dá)到穩(wěn)定3個(gè)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(guò)程較清水更長(zhǎng)。

(2)同一含沙量渾水灌溉，泥沙級(jí)配越細(xì)，不同深度土壤含水量始變歷時(shí)和增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)更長(zhǎng)；同一泥沙級(jí)配渾水灌溉，含沙量越大，不同深度土壤含水量始變歷時(shí)和增長(zhǎng)拐點(diǎn)歷時(shí)更長(zhǎng)。泥沙級(jí)配對(duì)渾水灌溉下土壤含水量始變歷時(shí)對(duì)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(jí)配越細(xì)，其始變歷時(shí)對(duì)應(yīng)的累積入滲量越大的趨勢(shì)。

(3)相同入滲歷時(shí)，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(zhǎng)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(jí)配越細(xì)，灌水后相同入滲歷時(shí)的土壤含水量變化量和累積入滲量越??；同一泥沙級(jí)配渾水，含沙量越大，灌水后相同入滲歷時(shí)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(huì)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．