張彤 何其融

水資源短缺是各個城市面臨的主要問題之一，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)收入的主要來源，其發(fā)展在很大程度上受到干旱缺水的制約[1][2]。滴灌系統(tǒng)是一種節(jié)水、高效的灌溉系統(tǒng)，能夠提高水分的利用效率，又能減少作物根系層營養(yǎng)物質(zhì)流失[3]。對滴灌條件下水分分布特征的研究，是進(jìn)行正確滴灌系統(tǒng)設(shè)計和高效田間水分分配的前提。國內(nèi)外學(xué)者對該方面的理論和試驗(yàn)研究較多[4][5][6][7][8]，研究單一土質(zhì)不同滴灌流量情況的實(shí)驗(yàn)方法主要通過室內(nèi)試驗(yàn)和野外實(shí)驗(yàn)，對滴灌入滲過程中土壤水分運(yùn)移、分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬和計算。多數(shù)研究的濕潤體也僅僅是其中的一半，室內(nèi)研究中有部分使用馬克筆在容器邊緣繪制濕潤體的形狀，不可避免地會有時間與操作上的誤差，在水分到達(dá)容器邊緣時，也會有嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)。在部分研究中，考慮了整個濕潤體，其操作方法是在土中埋入濕度傳感器，并記錄傳感器的坐標(biāo)位置，根據(jù)傳感器的示數(shù)判斷水分的到達(dá)，但傳感器埋入的點(diǎn)數(shù)有限，得到的擴(kuò)散坐標(biāo)數(shù)也有限，且現(xiàn)有的測量濕潤體形狀的裝置中，存在連接松弛和實(shí)用性弱等問題[9]。多數(shù)研究的內(nèi)容變量單一，僅選擇一種土質(zhì)情況下，不同流量時濕潤體的變化情況。為了解決以上問題并將此類研究進(jìn)一步的擴(kuò)展，本文設(shè)置一種新型的濕潤體測量裝置，通過室內(nèi)的單點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，研究多種變量即不同流量和不同土質(zhì)條件下整個濕潤體的形狀特征，為滴灌系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

一、試驗(yàn)設(shè)計

1.試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)采用三種不同性質(zhì)的土壤，即黏土、壤土和沙土，取試驗(yàn)土壤深度為20cm。各土樣容重，黏土為 1.30g/cm3，壤土為1.35 g/cm3，沙土為1.40 g/cm3。土樣風(fēng)干后過2mm土篩清除各種雜質(zhì)待用。

2.試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃試驗(yàn)土槽和供水裝置（馬氏瓶）組成。試驗(yàn)土槽為用厚2mm的有機(jī)玻璃做成的圓柱體，圓柱體由每層高2cm，直徑為40cm的小圓柱體組裝起來，此試驗(yàn)裝置打破了以往僅能取濕潤體最外層來研究，不能準(zhǔn)確測量出其中間層和只能取濕潤體二分之一或四分之一來研究的局限。供水裝置采用馬氏瓶連接橡膠管和針管，可提供穩(wěn)定水流，比往前試驗(yàn)中僅使用自制的滴水裝置能更準(zhǔn)確地控制流量且沒有任何的滲漏。

試驗(yàn)裝置安裝與土樣裝入同時進(jìn)行。先在底部封閉的圓柱體中裝入土樣，使土樣均勻分布，在該層土樣表面鋪設(shè)對土壤滲流影響小的紗布。然后安裝下一層小圓柱體，裝入土并鋪上紗布。以此累積裝至一定層數(shù)?？刂泼繉油翗尤葜?。在安裝試驗(yàn)裝置時，為了便于觀測濕潤體形狀特征值，在每層小圓柱體側(cè)面做上標(biāo)記線，使安裝后的圓柱體的標(biāo)記線在同一豎直線上；將圓柱體土槽移動至針管下方，使圓心對準(zhǔn)針管。調(diào)節(jié)供水裝置高度，下端距土槽上邊緣10cm。

試驗(yàn)設(shè)計黏土、壤土、沙土三種土質(zhì)，每種土質(zhì)下設(shè)4個流量水平，分別為0.4 L·h-1、0.6 L·h-1、0.8 L·h-1、

1.0 L·h-1，每個流量滴灌時間為2h，具體試驗(yàn)方案見表1，符號說明見表2.

3.數(shù)據(jù)測量與處理

滴灌結(jié)束后，以滴灌點(diǎn)為圓心每間隔15度測量一次濕潤體表層的擴(kuò)散直徑，共12組；將第一層的土用紗布提起后，繼續(xù)測量第二層、第三層等的擴(kuò)散數(shù)據(jù)，直到擴(kuò)散的最后一層；然后找到濕潤體最低點(diǎn)，得到該濕潤體擴(kuò)散的最大深度。

采用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，求取12組擴(kuò)散直徑平均值的一半作為平均擴(kuò)散半徑，即：再采用MATLAB軟件分別繪制出各土質(zhì)在4種不同流量下的濕潤體擴(kuò)散平均半徑與入滲深度關(guān)系圖（組1），以及在相同流量下，不同土質(zhì)的濕潤體擴(kuò)散平均半徑與入滲深度關(guān)系圖（組2），進(jìn)行統(tǒng)計分析。

二、結(jié)果與分析

1.滴頭流量與土質(zhì)對濕潤體水平擴(kuò)散距離的影響

對同一種土質(zhì)，其水平擴(kuò)散距離隨著流量的增大而增大。通過組1的擬合函數(shù)曲線，分別得到了三種土壤的水平擴(kuò)散距離與流量之間的關(guān)系，可以明顯看出，流量增大，濕潤體的水平擴(kuò)散表面也隨之?dāng)U大。

在流量固定的條件下，黏土、壤土、沙土的水平擴(kuò)散距離大致相等。通過組2的擬合函數(shù)曲線，可以看出三種土質(zhì)的水平擴(kuò)散能力相當(dāng)，但黏土的水平擴(kuò)散能力在大流量條件下更有優(yōu)勢，沙土的水平擴(kuò)散能力在小流量條件下更有優(yōu)勢。

2.滴頭流量與土質(zhì)對濕潤體豎直擴(kuò)散深度的影響

對黏土和沙土，其豎直擴(kuò)散深度隨著流量的增大而增大，而壤土的豎直擴(kuò)散深度隨著流量的增大先增大后減小，流量為0.8 L·h-1時深度最大。

在流量固定的條件下，黏土的豎直擴(kuò)散深度較小，沙土較大，壤土居其中，且在小流量條件下壤土的豎直擴(kuò)散能力接近黏土，在大流量條件下接近沙土。

3.滴頭流量與土質(zhì)對濕潤體形狀的影響

從組1的擬合函數(shù)曲線可以直觀地看出：黏土的濕潤體呈漏斗形；壤土的濕潤體大致呈托盤形；沙土的濕潤體近似為鼓形。為了進(jìn)一步描述濕潤體的形狀特征，引入濕潤體形狀系數(shù)m即濕潤體的體積與其外接圓柱體體積之比，即：

通過上述積分的近似計算得到不同土質(zhì)在不同流量下的形狀系數(shù)m如下表3：

根據(jù)該表格作出形狀系數(shù)變化情況如下圖8：

由表3看出，黏土的形狀系數(shù)m在區(qū)間[0.633，0.684]范圍內(nèi)變化，在

0.8 L·h-1和1.0 L·h-1的流量下最大；壤土的形狀系數(shù)m在區(qū)間[0.591，0.642]范圍內(nèi)變化，在0.4 L·h-1的流量下最大；沙土的形狀系數(shù)m在區(qū)間[0.6748，0.8008]范圍內(nèi)變化，在0.6 L·h-1的流量下最大。

由圖8看出，黏土的形狀系數(shù)m隨流量增大先變小再變大，之后幾乎維持在0.68左右；壤土的形狀系數(shù)m在流量小于0.8 L·h-1時變化不大，維持在0.64左右，再增大流量則明顯變小；沙土的形狀系數(shù)m隨流量增大先快速增大，到0.8 L·h-1 時達(dá)到最大，之后略有下降再維持在0.78左右，其m值除了在0.4 L·h-1的小流量下與另兩種土質(zhì)相近外，在大流量情況下均顯著大于另兩種土質(zhì)。

三、結(jié)論

（1）濕潤體的水平擴(kuò)散半徑與流量呈正相關(guān)，且三種土質(zhì)的水平擴(kuò)散能力相當(dāng)。

（2）沙土和黏土的擴(kuò)散深度與流量呈正相關(guān)，但壤土的擴(kuò)散深度由大變小。

（3）三種土質(zhì)的濕潤體形狀系數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化；在流量一定的情況下，濕潤體的形狀系數(shù)按照壤土、黏土、沙土的順序依次增大。

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