王榮蓮，張智超，嘉曉輝，任志宏，昝慧龍(.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 0005；.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳，呼和浩特 0008；. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，呼和浩特 0008)

近年來，國內(nèi)外對地下滴灌的研究成果較多，關(guān)于地下滴灌濕潤體變化方面也有一些報道。張和喜[1]等人通過研究得出，停止灌溉24 h后，土壤濕潤體現(xiàn)狀和范圍發(fā)生較大改變，水分達到了地表下70 cm處，但濕潤體在水平方向運移卻不明顯。仵峰[2,3]等人對地下滴灌條件下土壤水能態(tài)進行研究，得出在灌水器流量不大于土壤擴散能力時，灌水器出口處的土壤水勢等于該處的土壤吸力，為非正壓狀態(tài)；否則，灌水器出口處的土壤水勢為正。李道西[3]等人研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌管壁的導(dǎo)水作用將對土壤水分分布產(chǎn)生一定影響，3個方向上濕潤峰運移均近似為時間平方根的線性函數(shù)。許迪、李光永等人[4-12]通過建立數(shù)學(xué)模型研究地下滴灌土壤水分運動及滴頭流量變化規(guī)律。

地下滴灌濕潤體變化規(guī)律與滴灌帶類型、流量、土壤等都有關(guān)系。目前針對內(nèi)蒙古自治區(qū)常用的滴灌帶、典型土壤類型上開展的地下滴灌濕潤體變化規(guī)律研究還未見報道。本文將在這方面開展初步研究，為用戶初選滴灌帶奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用目前國內(nèi)常用的3種類型滴灌帶(管)，分別為單翼迷宮式滴灌帶、內(nèi)鑲片式滴灌帶及內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管，型號分別為MGD16×300-2.7-100、NFG16*200-2.4-100及 DN16*300-3.2-100，額定壓力都為100 kPa，額定流量分別為2.7、2.4及3.2 L/h，滴頭間距300、200、300 mm，壁厚0.2、0.3及0.6 mm。

1.2 試驗裝置及試驗方法

試驗在呼和浩特市東郊呼和浩特市園藝所的溫室內(nèi)進行。試驗布置示意圖及裝置簡圖見圖1和圖2，由供水水箱、DC50E系列三相直流水泵(帶電位調(diào)速器)、輸水管、回水管、回水水箱、土箱、地下滴灌帶(管)、壓力表、KN213金屬管浮子流量計、閥門等組成。試驗采用3個尺寸為70×50×100 cm(長×寬×高)鋼化玻璃箱，每個土箱內(nèi)沿長度方向埋設(shè)3條滴灌帶(管)，每條長70 cm，滴頭3～4個，分兩層，埋深分別為25、65 cm，確保滴灌帶(管)之間濕潤體不搭接，土層總高度90 cm，每條滴灌帶(管)距土箱壁5 cm。每種處理設(shè)3次重復(fù)。箱底布置直徑1 cm的滲水孔15個，共3排。供水和回水水箱采用邊長為50 cm的正方體玻璃箱，用于測試、校核灌水流量。水泵壓力范圍為0～0.14 MPa，流量范圍為0～1.5 m3/h，帶電位調(diào)速器，可方便調(diào)速調(diào)壓，實現(xiàn)在恒定壓力下供水。

試驗前，先對內(nèi)蒙古自治區(qū)具有代表性的土壤進行調(diào)研，確定西部巴彥淖爾市巴彥淖爾市、東部赤峰市松山區(qū)、中部呼和浩特市后桃花村土壤為試驗土壤，對土壤顆粒組成、密度進行取樣測試。用環(huán)刀取20～40 cm內(nèi)原狀土，烘干法測試密度；用篩分法測試土壤顆粒組成。將試驗土壤拉到試驗地后，先過1 mm篩，灑水到接近最優(yōu)含水率時分層裝入各自土箱，按照實測20～40 cm厚土層密度進行裝土，赤峰、呼和浩特及巴彥淖爾市土密度分別為1.36、1.44及1.53 g/cm3，每裝5 cm厚夯實一次，將表面刨毛，再裝上層，依次進行。裝土到滴灌帶(管)埋設(shè)高程時，安裝事先在空氣內(nèi)測試良好的滴灌帶(管)，除單翼迷宮式外，其他滴灌帶(管)滴頭向上。滴灌帶(管)埋深都為25 cm。

圖1 試驗布置示意圖(單位：cm)

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4、6-閥門；5-回水管；7-壓力表；8-流量計；9-滴灌帶(管)；10-土箱；11-土壤；12-回水水箱圖2 試驗裝置簡圖

試驗時將水泵置于供水水箱內(nèi)，水位高于水泵吸水管。將供水管閥門打開，開啟水泵向系統(tǒng)供水，每次測試一條滴灌帶(管)，且保持土壤初始含水量相同。系統(tǒng)通水后，通過排氣閥排除管道內(nèi)空氣，調(diào)節(jié)水泵電位調(diào)速器及回水管閥門，使壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在設(shè)計壓力值0.05、0.10及0.135 MPa 3個等級。系統(tǒng)穩(wěn)定運行2～3 min后，由KN213金屬管浮子流量計測試系統(tǒng)流量。為校核浮子流量計精度，在管道內(nèi)滿流狀態(tài)下記錄規(guī)定時間內(nèi)供水水箱的出水量及回水水箱的進水量，用兩者差即可準(zhǔn)確計算灌水器流量，用該值核定浮子流量計讀數(shù)，校核好后便可用流量計快速測量灌水器流量。每隔5 min通過透明玻璃箱壁量測每個滴頭到該濕潤體外邊界上、下、左、右的距離，與流量值一一對應(yīng)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 土樣測試結(jié)果分析

測試得各地區(qū)0～40 cm厚土樣的顆粒組成見表1。

表1 各地區(qū)土樣(0～40 cm)粒徑組成表 %

根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，赤峰、呼和浩特及巴彥淖爾市土壤分別為黏壤土、壤土及沙壤土，此順序即為黏性從高到低的順序，赤峰市土壤黏性較高，巴彥淖爾市土壤沙性較大。

2.2 濕潤體特征研究結(jié)果分析

(1)空氣內(nèi)不同壓力下的流量測試。每種規(guī)格滴灌帶(管)在每種壓力下測試3組，取平均值，結(jié)果見表2。

表2 空氣內(nèi)不同壓力下的流量表 L/h

(2)同一滴灌帶在同種土壤內(nèi)不同壓力下濕潤體分布特征。將每種類型滴灌帶(管)分別在同種土壤內(nèi)比較不同壓力下的濕潤體變化規(guī)律(見圖3～圖5)。以每個滴頭所在位置為坐標(biāo)原點，橫坐標(biāo)正、負方向分別表示滴頭右、左側(cè)，縱坐標(biāo)正、負方向分別表示滴頭上、下側(cè)，繪制出接近圓形的圖形，較直觀地反映每個滴頭處的濕潤體邊界。每條滴灌帶(管)的3～4個滴頭濕潤體范圍取平均值。每條滴灌帶(管)測試時間為15～35 min，為了比較相同時間內(nèi)的濕潤體變化規(guī)律，本次分析灌水15 min時的情況。

圖3 單翼迷宮式滴灌帶在不同壓力下的濕潤體分布圖

圖4 內(nèi)鑲片式滴灌帶在不同壓力下的濕潤體分布圖

圖5 內(nèi)鑲圓柱形滴管在不同壓力下的濕潤體分布圖

分析圖3～圖5發(fā)現(xiàn)，各種處理的濕潤體分布有共同特征，即壓力從0.05 MPa增大到0.10 MPa時，濕潤體隨之增大，但從0.10 MPa增大到0.135 MPa時，濕潤體反而減小，在黏性最大的赤峰市土中減小幅度最大；在黏性略低的呼和浩特市土中減小適中；在沙性最大的磴口土中減小最小，濕潤體呈最大。

0.05 MPa下，3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤體從小到大的順序為：內(nèi)鑲片式滴灌帶、單翼迷宮式滴灌帶及圓柱狀滴灌管，此順序與它們在空氣中流量大小順序一致，且濕潤體分布都為向下距離最大，水平次之，向上最小。向下和向上距離偏差值：赤峰土都為2 cm左右，磴口和呼市土2～4 cm，即沙性較大的土壤向下擴散距離略高于黏性較高的土壤。0.10 MPa下，3種土壤內(nèi)滴灌帶(管)濕潤峰從小到大的順序與它們在空氣中流量大小順序不完全一致，即流量從2.4 L/h增加到2.7 L/h時，濕潤峰范圍隨之增大，但從2.7 L/h增加到3.2 L/h，濕潤峰范圍幾乎沒有增加；0.135 MPa下也同樣隨著流量增大，濕潤峰有不同程度縮小趨勢；赤峰土內(nèi)，每種滴灌帶都是0.135 MPa比0.10 MPa下的濕潤峰小，而磴口和呼市土內(nèi)，0.135 MPa比0.10 MPa下的濕潤峰有增大也有減小，黏性越高，減小幅度越大，說明隨流量增大濕潤峰先增大到一定程度后反而減小，主要是與滴頭自由流量和土壤飽和導(dǎo)水率大小有關(guān)，當(dāng)前者小于后者時，濕潤峰范圍主要由流量控制，但當(dāng)流量接近或大于導(dǎo)水率時，主要由導(dǎo)水率控制，滴頭出口處形成飽和區(qū)阻礙了滴頭出流；黏性越大的土壤導(dǎo)水率越小，越容易在滴頭出口處形成飽和區(qū)而阻礙出流；壓力越大，滴頭流量越大，也越容易形成飽和區(qū)。此結(jié)論說明，在地下滴灌系統(tǒng)中，不宜采用壓力過高、流量過大的滴灌設(shè)備，黏性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會使出流受阻，沙性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會造成深層滲漏，一般宜選擇流量小于土壤飽和導(dǎo)水率的滴灌帶。

0.135及0.10 MPa下，在內(nèi)鑲片式滴灌帶和內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管內(nèi)，出現(xiàn)個別濕潤峰水平方向大于垂直向下的情況，主要是由于水流有順滴灌管壁橫向流動的趨勢，當(dāng)流量較大時，易沿管壁形成水力沖蝕通道，增大水平向流速。水分向上運移的距離至關(guān)重要，關(guān)系到作物能否吸收到水分，針對此點初步分析，0.05 MPa下，流量為1.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量為2.3 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足作物吸水需求；0.10 MPa下，流量為2.4 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足；0.135 MPa下，流量為2.7 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、3.2 L/h的單翼迷宮滴灌帶在壤土及沙壤土中、3.9 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在黏壤土中都基本可滿足。

3 結(jié) 語

(1)地下滴灌流量較小時，隨流量增大，濕潤體隨之贈大；當(dāng)流量增大到超過土壤飽和導(dǎo)水率時，流量增大，濕潤體反而減小，黏性越高，減小幅度越大。

(2)沙性較大的土壤向下擴散距離略高于黏性較高的土壤。

(3)黏性越大的土壤導(dǎo)水率越小，越容易在滴頭出口處形成飽和區(qū)而阻礙出流；壓力越大，滴頭流量越大，也越容易形成飽和區(qū)。此結(jié)論說明，在地下滴灌系統(tǒng)中，不宜采用壓力過高、流量過大的滴灌設(shè)備，黏性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會使出流受阻，沙性大的土壤選大流量滴灌設(shè)備會造成深層滲漏，一般宜選擇流量小于土壤飽和導(dǎo)水率的滴灌帶。

(4)根據(jù)水分向上運移的距離初步分析，0.05 MPa下，流量為1.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶和流量為2.3 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足作物吸水需求；0.10 MPa下，流量為2.4 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、2.7 L/h的單翼迷宮滴灌帶在黏壤土、壤土及沙壤土中、3.2 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在壤土及沙壤土中基本可滿足；0.135 MPa下，流量為2.7 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌帶在沙壤土中、3.2 L/h的單翼迷宮滴灌帶在壤土及沙壤土中、3.9 L/h的內(nèi)鑲柱狀滴灌管在黏壤土中都基本可滿足。

(5)建議用戶在篩選滴灌帶時，需先測試一下土壤飽和導(dǎo)水率，再根據(jù)作物類型、種植方式等因素，綜合考慮確定適宜產(chǎn)品。

[1] 張和喜，袁友波，舒賢坤，等．地下滴灌條件下土壤水分運動研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(8)：3 277-3 279．

[2] 仵 峰，吳普特，范永申.地下滴灌條件下土壤水能態(tài)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(12):31-35.

[3] 仵 峰，李王成，范永申，等．地下滴灌灌水器出口正壓試驗研究明[J]．灌溉排水學(xué)報，2003，(2)：48-50．

[4] 李道西，羅金耀，彭世彰. 地下滴灌土壤水分運動室內(nèi)試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報，2004，23(4):26-28.

[5] 李 紅，羅金耀.地下滴灌條件下土壤水分研究概況[J].節(jié)水灌溉，2005,(3):24-26.

[6] 許 迪，程先軍.地下滴灌土壤水運動和溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18(1):27-30.

[7] 程先軍，許 迪．地下滴灌土壤水運動和溶質(zhì)運移的數(shù)學(xué)模型及驗證[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17(6)：1-4．

[8] 李光永，鄭耀泉，曾德超，等．地埋點源非飽和土壤水運動的數(shù)值模擬[J]．水利學(xué)報，1996,(11)：12-16.

[9] 仵 峰，彭貴芳，呂謀超，等．地下滴灌條件下土壤水分運動模型[J]．灌溉排水，1996，15(3)：24-29．

[10] 周云成. 地下滴灌土壤水分運動過程的數(shù)值解析與模擬[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[11] 李 剛，白 丹，王曉愚. 不同土質(zhì)中地下滴灌滴頭流量敏感性因素分析[J]．節(jié)水灌溉，2011,(1)：14-17．

[12] 李 剛，王曉愚，白 丹. 地下滴灌田間管網(wǎng)灌水質(zhì)量對土壤物理特性差異的響應(yīng)[J]．節(jié)水灌溉，2011,(5)：5-11．