齊 偉，張展羽，，王 策，黃明逸，劉 暢，陳 于

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211100；3.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇南京 210029）

1 研究背景

隨著全球人口的不斷增長、城市化工業(yè)化進程的不斷推進，水資源匱乏問題日益加劇。這給灌溉農(nóng)業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)，要求在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不斷提高灌溉水利用效率［1］，因此各種節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)運而生。我國水資源不足和供需不平衡等問題日益嚴(yán)重，發(fā)展節(jié)水灌溉尤為必要［2］。微潤灌是近些年發(fā)展起來的一種新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其利用微潤管同時作為輸水管和灌水器，通過地埋方式將水精準(zhǔn)輸送到作物根區(qū)進行灌溉。微潤管是一種高分子半透膜材料，表面均勻密集分布著納米級孔隙（10～900 nm）［3］。灌溉時水分在管內(nèi)外水勢差的作用下從納米孔隙滲出，根據(jù)土壤墑情自動、連續(xù)、適時、適量地向作物根區(qū)供水［4］。與傳統(tǒng)灌溉技術(shù)相比，微潤灌具有運行費用（所需工作壓力）低、地表蒸發(fā)小、抗堵塞性強、節(jié)水效果顯著等優(yōu)點［5-7］。

灌溉系統(tǒng)設(shè)計和運行管理模式極大程度上決定了灌溉水肥均勻度［8］，進而影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量。為優(yōu)化微潤灌溉技術(shù)參數(shù)從而提高其應(yīng)用合理性發(fā)揮其最大效益，揭示微潤灌水分入滲特征和不同因素對其影響規(guī)律則顯得十分重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過入滲試驗或數(shù)值模擬的方法對微潤灌水分運動規(guī)律進行了較多研究。張俊等［4，9］通過室內(nèi)土箱試驗研究發(fā)現(xiàn)微潤灌濕潤體是以微潤管為軸心的柱狀體，土壤質(zhì)地和密度對濕潤體形態(tài)影響較大，濕潤鋒運移距離與入滲時間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，土壤初始含水率對濕潤鋒推進速度影響顯著。牛文全等［10］通過不同壓力埋深下水分入滲試驗發(fā)現(xiàn)壓力水頭是微潤灌流量的決定性因素，微潤管埋深對濕潤體形狀有顯著影響。此外，牛文全等［11］通過田間試驗驗證了微潤管流量隨土壤含水率有一定的自我調(diào)節(jié)作用，但調(diào)節(jié)時間較短；土壤容重和初始含水率對微潤管流量也有顯著影響。數(shù)值模擬為不同情境下的土壤水分運動規(guī)律研究提供了實用而方便的手段。由?imu。nek等［12］研發(fā)的HYDRUS-2D/3D模型可用于模擬水、溶質(zhì)和熱在多孔介質(zhì)中的運移過程，目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田土壤水分運動的研究中［13-19］。也有學(xué)者已將該模型應(yīng)用于微潤灌水分運動模擬。Fan等［20］計算得出微潤管比流量數(shù)據(jù)后，基于HYDRUS-2D模型，將微潤管考慮為定流量邊界對豎直微潤灌溉進行了模擬，對比實測數(shù)據(jù)驗證了該模型的可靠性，并模擬分析了土壤質(zhì)地、土壤初始含水率等因素對微潤灌水分入滲的影響。Kanda等［1］也將微潤管設(shè)為定流量邊界進行了微潤灌水分運動數(shù)值模擬，利用實測值驗證了模型的準(zhǔn)確性，并比較了微潤灌條件下壤質(zhì)砂土和砂質(zhì)黏壤土兩種質(zhì)地土壤中水分分布和濕潤鋒運移的不同。而不同情境下微潤管流量并不一樣，所以在模型中使用定流量邊界模擬需先根據(jù)試驗確定其流量，這增加了模擬的難度，降低了模型的普適性。

為了構(gòu)建方便有效的微潤灌水分運動模型，提高模擬效率和模型適用度，本文基于微潤管的水勢差驅(qū)動出流機制，將管壁當(dāng)作多孔介質(zhì)處理來構(gòu)建微潤灌水分運動模型，通過試驗和參數(shù)敏感性分析驗證了模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為微潤灌水分運動模擬提供了一種新的思路和方法；此外模擬分析土壤質(zhì)地、微潤管工作壓力和埋深對微潤灌水分入滲特征的影響，深入探討影響產(chǎn)生的原因，分析微潤灌適用條件，為微潤灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和管理運行等工作提供一定的理論指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1 室內(nèi)試驗

2.1.1 供試土樣 本試驗用土取自河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)試驗大田，取土深度為表層20 cm。土壤經(jīng)旋耕機疏松后，過6 mm篩去除其中殘留的根系及石塊等雜質(zhì)，然后置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，風(fēng)干后（質(zhì)量含水率約0.054 g/g）再過2 mm篩待用。按照國際制土壤質(zhì)地分類，供試土樣為黏壤土。

2.1.2 微潤灌土壤水分入滲試驗 在室內(nèi)進行微潤灌土壤水分入滲試驗，試驗裝置示意圖如圖1所示，主要由土箱、微潤灌溉系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。土箱由1 cm厚透明有機玻璃制作，規(guī)格為40 cm×40 cm×55 cm（長×寬×高）。土箱前后面板打有直徑2 cm的對稱小孔以安裝微潤管，后面板不同高度打有直徑1 cm測量孔。

圖1 入滲試驗裝置示意（單位：cm）

將供試土樣分層均勻填入土箱，層間打毛，填土干容重為1.12 g/cm3，填土高度為43 cm。試樣表面覆一層隔熱膜以抑制土壤水分蒸發(fā)。馬氏瓶通過橡皮管與微潤管相連，模擬簡易的微潤灌溉系統(tǒng)。微潤管為第三代管，四折痕雙層結(jié)構(gòu)。微潤管長度40 cm，水平鋪設(shè)于土箱內(nèi)，埋深為18 cm，管內(nèi)壓力水頭通過調(diào)節(jié)馬氏瓶高度控制在100 cm。入滲過程中采用數(shù)碼相機（佳能EOS 60D）拍照記錄濕潤鋒變化，拍照時間按照先密后疏原則，并記錄相應(yīng)時刻馬氏瓶內(nèi)液面高度以計算入滲量。入滲時間設(shè)為75 h，入滲結(jié)束采用TDR測量土壤含水率。為減小試驗誤差，設(shè)置3個重復(fù)，試驗結(jié)果取重復(fù)的平均值。采用Photoshop CS5軟件對所拍濕潤鋒圖片進行裁剪，截取試樣區(qū)域（40 cm×43 cm），所對應(yīng)的圖像分辨率設(shè)置為1600像素×1720像素。由于試樣濕潤區(qū)和干燥區(qū)具有較高對比度，故直接選用魔棒工具分割濕潤區(qū)和干燥區(qū)，分別使用黑白顏色填充，將其轉(zhuǎn)化為黑白二值圖像。最后利用Matlab R2016軟件編程對二值圖像進行計算，得到濕潤鋒數(shù)據(jù)。

2.1.3 微潤管出水特性試驗 為研究微潤管的出水性能，進行了不同壓力水頭下微潤管空氣出流試驗。將微潤管置于空氣中，通過橡皮軟管與馬氏瓶連接，調(diào)節(jié)馬氏瓶高度給微潤管提供不同壓力水頭，記錄各水頭下微潤管出流量隨時間的變化。由試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，微潤管單位時間出流量與壓力水頭基本呈線性關(guān)系（圖2）：

圖2 單位長度微潤管單位時間出流量與壓力水頭關(guān)系

式中：q為單位長度微潤管單位時間出流量，ml/（h·cm）；Hm為馬氏瓶提供的微潤管管內(nèi)壓力水頭，cm。

這也表明微潤管單位時間出流量與沿管壁厚度方向的水力梯度成正比，管壁內(nèi)部水流呈現(xiàn)達西流特征，因此將微潤管壁當(dāng)作多孔介質(zhì)，采用達西定律描述其出流特征：

式中：q為單位長度微潤管單位時間出流量，ml/（h·cm）；Ks為微潤管飽和導(dǎo)水率，cm/h；φin為微潤管內(nèi)水勢，cm；φout為微潤管外水勢，cm；δ為微潤管管壁厚度，為0.10 cm；C為微潤管橫截面周長，約為4.72 cm。

聯(lián)立式（1）和（2）可得微潤管飽和導(dǎo)水率Ks=4.36×10-4cm/h。

2.1.4 土壤水力特征測定 采用定水頭法測定土壤飽和導(dǎo)水率。采用吸力平板法測定土壤水分特征曲線，共設(shè)置8個不同吸力值，分別為0、15、30、60、100、300、600、900 cm（水柱高度）。

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 土壤水分運動模型 微潤灌溉屬于線源灌溉。管壁出水緩慢，水分沿管長度方向速度較小，同時由于本文所用管長度僅為40 cm，所以沿管方向的沿程水頭損失較小，可假設(shè)微潤灌出水速率沿管方向均勻分布，此外假設(shè)土壤均質(zhì)、各向同性，則土壤水分運動可簡化為垂直面內(nèi)的二維運動問題。在直角坐標(biāo)系建立微潤灌土壤水分運動的數(shù)學(xué)模型，其基本方程為二維Richards方程：

式中：θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；ψ為土壤基質(zhì)勢，cm；t為入滲時間，h；K( )θ為土壤非飽和導(dǎo)水率，cm/h。

土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率采用van Genuchten-Mualem（VG-M）模型表示：

式中：θr為土壤殘余含水率，cm3/cm3；θs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/h；Se為土壤有效飽和度，；α為進氣吸力值的倒數(shù)，1/cm；n、m為經(jīng)驗參數(shù)，其中為孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)，一般取0.5。

2.2.2 水力特征參數(shù)輸入 將吸力平板法測得的土壤含水率與吸力值數(shù)據(jù)導(dǎo)入RETC軟件，使用van Genuchten 模型進行擬合，即可得到土壤的水力特征參數(shù)。Cai 等［13］在模擬陶瓷灌溉時指出灌水器的殘余含水率和飽和含水率對模擬結(jié)果來說為非敏感因素，因此本文微潤管的殘余含水率和飽和含水率暫時分別取0.010和0.300 cm3/cm3?？紤]到微潤管的壁厚較小，充水后管極易飽和，故α應(yīng)取較小值，取6.00×10-6cm-1。由VG模型方程可知，n值越小，介質(zhì)持水性越好。微潤管內(nèi)孔隙為納米級孔隙，孔徑越小，越不易失水，故n應(yīng)取較小值，取1.10。供試土壤和微潤管的水力特征參數(shù)見表1。

表1 供試土壤和微潤管VG-M水力特征參數(shù)

2.2.3 計算域、初始和邊界條件 利用HYDRUS-2D/3D軟件的Geometry 模塊構(gòu)建模擬區(qū)域。圖3為模擬區(qū)域示意圖。根據(jù)室內(nèi)土壤水分入滲試驗的布置情況，同時考慮入滲的對稱性，將模擬區(qū)域設(shè)置為高43 cm、寬20 cm 的矩形區(qū)域。微潤管采用內(nèi)徑1.5 cm、外徑1.7 cm 的半圓環(huán)表示，圓環(huán)內(nèi)部及附近區(qū)域網(wǎng)格加密。土壤初始質(zhì)量含水率約0.054 g/g，換算成體積含水率約為0.060 cm3/cm3，土壤的初始吸力按0.060 cm3/cm3體積含水率對應(yīng)的吸力值設(shè)置。灌溉過程中，上邊界為大氣邊界，不考慮蒸發(fā)的影響，下邊界為自由出流邊界，微潤管內(nèi)壁為定水頭邊界，左邊界的其他區(qū)域和右邊界均為零通量邊界。

圖3 計算區(qū)域示意

2.3 統(tǒng)計分析采用平均相對誤差（MRE）、歸一化均方根誤差（NRMSE）、納什效率系數(shù)（NSE）3 個指標(biāo)對模型模擬結(jié)果的精度進行評估，各參數(shù)表達式為：

式中：n為數(shù)據(jù)點個數(shù)，i=1，2，…，n；Mi為第i個實測值；Si為第i個模擬值；Mˉ為實測值的平均值。

MRE和NRMSE的值越接近于0，NSE的值越接近于1，則表明實測值與模擬值越接近，模型的模擬精度越高。

3 結(jié)果與分析

3.1 HYDRUS-2D模型驗證選取累積入滲量、濕潤鋒（上，下，水平方向）運移距離和不同深度土壤平均含水率作為特征值進行模型有效性驗證。圖4為模型模擬值和試驗實測值對比圖，由圖可以看出模擬值與實測值變化趨勢一致。入滲前6 h內(nèi)，入滲速率有隨入滲時間逐漸小幅度降低的趨勢，隨后入滲速率幾乎保持不變，累積入滲量曲線接近于一條直線（圖4（a））。濕潤鋒在入滲前期運移速度較快，隨入滲時間推移逐漸降低，并逐步趨于穩(wěn)定；此外，在運移距離上上濕潤鋒<水平濕潤鋒<下濕潤鋒，但總體差距不大（圖4（b））。入滲的水分主要集中在微潤管附近，土壤平均含水率在微潤管埋深處最大，隨土層深度的增大或減小都逐漸減小（圖4（c））。對模擬值和實測值進行統(tǒng)計特征分析可以看出，累積入滲量、濕潤鋒運移距離、土壤平均含水率的MRE和NRMSE值均接近于0，NSE的值均大于0.980，表明模型的模擬值與試驗實測值吻合較好。綜上，本文所建的模型精度較高，該模型模擬微潤灌的土壤水分入滲過程是準(zhǔn)確可靠的。

圖4 模型模擬值與實測值對比

3.2 參數(shù)敏感性分析

3.2.1 微潤管橫截面形狀 本文在模擬時將微潤管橫截面假設(shè)為理想的圓形，但實際上微潤管是一種柔性材料，埋在地下會由于受到土壤圍壓的作用而產(chǎn)生變形。因此，我們改變微潤管橫截面形狀進行模擬，以探究微潤灌水分入滲對截面形狀是否敏感。選取了除圓形外其他3 種具有代表性的形狀，分別為橢圓形、菱形和長方形，其內(nèi)圈周長保持基本一致，具體形狀及尺寸見圖5。模擬時微潤管埋深為18 cm，壓力水頭為100 cm，入滲時間為75 h。變化微潤管橫截面形狀后的模擬結(jié)果見圖6，由圖可以看出，不同橫截面形狀下的微潤灌入滲量和濕潤鋒的值非常接近，表明在微潤管截面周長一定的情況下，其形狀對水分入滲的模擬結(jié)果影響較小，可以忽略不計。

圖5 微潤管不同橫截面形狀

圖6 不同微潤管橫截面形狀下入滲量和濕潤鋒運移距離變化

3.2.2 微潤管水力特征參數(shù) 由模型原理可知，模型中微潤管的水力特征參數(shù)有θr、θs、α、n、Ks和l，其中Ks為試驗實測值，l一般均取0.5，故只針對剩余4個參數(shù)進行敏感性分析。采用模型中的設(shè)定值作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在合理范圍內(nèi)根據(jù)設(shè)定步長上下擾動。θr、θs、n以5%為步長。α由于值較小，步長為5%時變化微小，故步長設(shè)為50%。微潤管埋深、工作壓力和入滲持續(xù)時間設(shè)定同上。模擬發(fā)現(xiàn)θr和θs在上下擾動25%范圍內(nèi)微潤灌入滲量和各方向濕潤鋒運移距離均保持不變，說明微潤管殘余含水率和飽和含水率對水分入滲幾乎沒有影響。這主要是因為微潤管尺寸很小，入滲時極易飽和。這也一定程度上表明了前文微潤管殘余含水率和飽和含水率取值的合理性。α和n擾動后的模擬結(jié)果變化情況見圖7。為簡便起見，濕潤鋒運移距離只選取了水平方向濕潤鋒的數(shù)據(jù)。可以看出，α和n擾動下，微潤灌入滲量和濕潤鋒運移距離變化較小，總體上表現(xiàn)為入滲量和濕潤鋒運移距離隨著α值的增大逐漸減小、隨著n值的增大逐漸增大，受n值擾動的影響明顯大于α值的影響。這表明α和n的擾動對微潤灌水分入滲影響也較小，但為提高模型精度，模擬過程中應(yīng)注意提高n值的準(zhǔn)確度。

圖7 微潤管水力特征參數(shù)擾動下入滲量和濕潤鋒運移距離變化

3.3 入滲影響因素分析微潤灌溉實際應(yīng)用時，其土壤水分入滲特征會因為農(nóng)田土壤性質(zhì)、灌溉系統(tǒng)設(shè)計和管理的不同而發(fā)生變化，因此本文采用上述所建的模型，通過模擬分析了土壤質(zhì)地、微潤管工作壓力和埋深對微潤灌土壤水分入滲特征的影響。

3.3.1 土壤質(zhì)地 選用了砂壤土、壤土、粉壤土、黏壤土4 種不同質(zhì)地的土壤進行土壤水分入滲模擬。土壤的水力特征參數(shù)根據(jù)HYDRUS 軟件自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法得出。土壤初始含水率設(shè)為0.15 cm3/cm3，微潤管工作壓力為100 cm，埋深為18 cm，入滲時間為48 h。圖8為不同土壤質(zhì)地下微潤灌48 h后濕潤體內(nèi)水分分布圖，可以看出，微潤灌條件下水分主要集中在管附近區(qū)域，土壤含水率隨著與微潤管距離的增加而逐漸減小。土壤質(zhì)地越黏重，管附近土壤飽和度越高，砂壤土中微潤管附近土壤飽和度為0.6左右，而黏壤土中管附近土壤飽和度達到了0.92。濕潤范圍隨土壤質(zhì)地黏重性增加而減小。48 h 時，砂壤土中入滲水分已到達上下邊界和右邊界，壤土中水分僅到達上邊界，而其余兩種土壤中入滲水分未到達任何邊界。壤土、粉壤土和黏壤土中的濕潤體水分等值線圖接近于同心圓，而砂壤土中水分下滲較明顯。

圖8 不同土壤質(zhì)地下微潤灌48h后濕潤體內(nèi)水分分布

圖9為不同土壤質(zhì)地下濕潤鋒運移隨時間變化圖?？傮w看來，土壤質(zhì)地越黏重，濕潤鋒運移速度越慢。砂壤土中濕潤鋒運移速度明顯大于其他3種土壤，且其各方向運移速度差異較大。水平向濕潤鋒在入滲19.5 h時達到右邊界，到達右邊界后上下濕潤鋒運移速度有所加快，分別在29 h和23 h左右到達邊界。壤土、粉壤土和黏壤土中，各方向濕潤鋒運移距離差異不大，但實際上由于重力勢的作用，運移距離為下濕潤鋒>水平濕潤鋒>上濕潤鋒。這3種土壤中下濕潤鋒運移距離與上濕潤鋒運移距離的比值分別為1.086，1.056，1.037，表明隨著土壤質(zhì)地黏重性增加，濕潤鋒上下運移距離差異逐漸減小，濕潤范圍更接近于圓形。

圖9 不同土壤質(zhì)地下濕潤鋒運移隨時間變化

3.3.2 工作壓力 選取4種壓力水頭（50、100、150、200 cm）進行微潤灌不同工作壓力水頭下土壤水分入滲模擬。土壤為本文水分入滲試驗所用的黏壤土，水力特征參數(shù)見表1。土壤初始含水率設(shè)為0.15 cm3/cm3，微潤管埋深為18 cm，入滲時間為75 h。圖10為不同工作壓力下微潤灌75 h后土壤濕潤體內(nèi)水分分布圖。可以看出，不同壓力水頭下的微潤灌濕潤體在形狀上差異不大，大小上差異較大。工作壓力越高，濕潤范圍越大，且管附近土壤飽和度越大。這是因為工作壓力越高，微潤管內(nèi)外水勢差則越大，管出水速度越快，進入土壤的水量也越多。模擬區(qū)域內(nèi)緊貼管外壁處土壤含水率最大，4種工作壓力下灌溉75 h后緊貼管外壁處土壤含水率分別為0.55、0.54、0.53和0.50 cm3/cm3，表明土壤中均未形成飽和區(qū)。

圖10 不同工作壓力下微潤灌75h后土壤濕潤體內(nèi)水分分布

圖11為不同工作壓力下濕潤鋒運移隨時間變化圖，由圖可見，工作壓力越高，濕潤鋒運移速度越快，這也主要是因為水勢差的增大加快了微潤管出水速度。比較各方向濕潤鋒運移距離發(fā)現(xiàn)上濕潤鋒<水平濕潤鋒<下濕潤鋒，且工作壓力越高，這種現(xiàn)象越明顯。

圖11 不同工作壓力下濕潤鋒運移隨時間變化

3.3.3 管埋深 選取4 種微潤管埋深（10、15、20、25 cm）進行微潤灌不同埋深下土壤水分入滲模擬。土壤為本文水分入滲試驗所用的黏壤土，水力特征參數(shù)見表1。土壤初始含水率設(shè)為0.15 cm3/cm3，微潤管工作壓力水頭為100 cm，入滲時間為75 h。圖12為不同埋深下微潤灌75 h后土壤濕潤體內(nèi)水分分布圖，由圖可以看出，灌溉75 h后，埋深較淺的10和15 cm的模擬入滲中土壤濕潤體已經(jīng)達到上邊界，埋深20和25 cm的模擬入滲中濕潤體未到達任何邊界。進一步觀察其水分分布發(fā)現(xiàn)，埋深20和25 cm的模擬入滲中土壤水分分布幾乎一致。

圖12 不同埋深下微潤灌75h后土壤濕潤體內(nèi)水分分布

圖13為不同埋深下濕潤鋒運移隨時間變化圖?？梢悦黠@看出，在濕潤鋒達到邊界之前，各埋深下濕潤鋒運移速度非常接近。由于篇幅限制，微潤管出流量數(shù)據(jù)未列出，但模擬結(jié)果顯示4個埋深下的微潤管累積出流量基本無差異，相對差異小于0.12%。綜上可以得出，微潤管埋深影響濕潤鋒到達邊界的時間，而對濕潤鋒運移速度和入滲量影響極小。

圖13 不同埋深下濕潤鋒運移隨時間變化

4 討論

微潤灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和管理決定了其能否發(fā)揮最大效益，設(shè)計管理參數(shù)的優(yōu)化需要統(tǒng)籌考慮微潤灌入滲特征、作物耗水特點、土壤條件、氣候條件等，本研究著眼于微潤灌水分運動模型的構(gòu)建，并采用該模型模擬了不同土壤質(zhì)地、壓力水頭、微潤管埋深下的微潤灌土壤水分入滲特征，模型構(gòu)建和模擬結(jié)果可為微潤灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用提供一定參考。微潤管作為微潤灌灌水器，其表面分布著大量的微孔，水分在管內(nèi)外的水勢差的驅(qū)動下通過這些微孔滲出進入土壤［3］。目前在采用HY?DRUS-2D/3D軟件進行微潤灌水分運動模擬的研究中微潤管大多被當(dāng)作定流量邊界處理［1，21］。本文室內(nèi)水分入滲試驗中累積入滲量隨時間變化接近于一條直線（圖4（a）），表明入滲過程中微潤管出水流量基本恒定，實際上管出水流量隨入滲進行逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在不同情境模擬中也發(fā)現(xiàn)微潤管出水流量在入滲開始時較大，然后迅速減小，再逐漸減小趨于穩(wěn)定（篇幅限制，未展示微潤管出水流量數(shù)據(jù)）。牛文全等［11］通過大量田間入滲試驗研究也發(fā)現(xiàn)微潤管出水流量在入滲一段時間后減小并趨于平緩趨勢。這一方面是因為入滲一段時間后微潤管附近土壤含水率達到較高值，隨著含水率的進一步升高其基質(zhì)勢變化幅度越來越小，管內(nèi)外水勢差變化幅度極??；另一方面，微潤管壁的微孔為納米級孔隙［3］，管出流緩慢，其出水流量對小幅度的管內(nèi)外水勢差變化響應(yīng)不明顯。因此，在管壁附近土壤含水率相對穩(wěn)定的情況下，使用定流量邊界模擬微潤管出流是可行的。但是在實際大田條件下，由于天氣（降雨、蒸發(fā)）或作物蒸騰影響，土壤含水率存在一定波動，微潤管出水流量也會隨之波動，使用定流量邊界模擬則可能會產(chǎn)生較大誤差，尤其在長期模擬時誤差會逐漸累積，模型的準(zhǔn)確性會明顯降低。本文采用HYDRU-2D構(gòu)建的模型中，基于微潤管出水特性，將微潤管壁當(dāng)成多孔介質(zhì)賦予其水力特征參數(shù)，確保其出水流量由內(nèi)外水勢差控制，當(dāng)工作壓力一定時，管壁附近土壤含水率的波動會引起微潤管出水流量的變化，理論上模型的模擬結(jié)果更加合理。

不同影響因素模擬結(jié)果顯示，微潤灌在砂壤土中濕潤面積較大，且下滲明顯。這是因為砂壤土結(jié)構(gòu)較疏松，顆粒間孔隙較大，滲透性強［22］，所以水分運移較快，濕潤面積較大，此外，砂壤土的持水性較差，水分在運移過程中受重力勢影響大，導(dǎo)致其下滲嚴(yán)重。因此，在砂性土中使用微潤灌技術(shù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小其工作壓力水頭和管埋深，避免產(chǎn)生大量深層滲漏以致灌溉水利用效率低下；而黏壤土的滲透性弱，持水性好，所以濕潤面積小，水分相對更加集中在管附近。因此，在黏性土中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大工作壓力水頭或減小管間距以保證足夠的濕潤面積，避免作物需水旺盛期供水不足而影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量。

工作壓力水頭是微潤灌溉系統(tǒng)重要的管理參數(shù)。盡管微潤管作為一種半透膜材料，其出流的驅(qū)動力為管內(nèi)外的水勢差，出水流量可根據(jù)土壤含水率變化自動調(diào)節(jié)，但一方面由于在一般情況下管壁附近土壤含水率不會發(fā)生較大幅度和較長時間波動，另一方面由于微潤管出水較緩慢，所以這種調(diào)節(jié)的幅度和時間都非常有限。因此，工作壓力水頭是微潤管出水流量的決定性因素，也可以說工作壓力水頭很大程度上決定了微潤灌的灌溉強度，在微潤灌溉系統(tǒng)運行管理中可根據(jù)作物耗水強度大致確定工作壓力水頭的合理范圍。壓力水頭過低則灌溉強度過小，無法滿足作物需水要求，壓力水頭過高則濕潤范圍增大，易造成無效的地表蒸發(fā)和深層滲漏。在模擬不同工作壓力水頭下微潤灌水分入滲特征時我們注意到，200 cm工作壓力下，灌溉75 h后濕潤鋒已到達模擬區(qū)域的上邊界和右邊界，但此時土壤中仍未形成飽和區(qū)（圖10（d）），這表明微潤灌溉這種低壓運行、出流較慢、依靠土壤基質(zhì)吸力進行水分運移的灌溉方式，具有灌溉水分分布更加合理、對土壤通氣性影響較小的優(yōu)點。大量研究發(fā)現(xiàn)，地下滴灌條件下，滴頭附近土壤常常因為灌水形成持續(xù)的飽和濕潤區(qū)［23-25］，而作物根系往往優(yōu)先向含水率高的滴頭附近生長［26］，因此地下滴灌下作物根系常常會因為土壤通氣性不佳而受到低氧脅迫，導(dǎo)致其品質(zhì)和產(chǎn)量下降［23，27］。

微潤管埋深是微潤灌溉系統(tǒng)重要的設(shè)計參數(shù)。模擬結(jié)果顯示，管埋深對微潤管濕潤鋒位置有明顯影響，很大程度上決定了濕潤鋒達到上下邊界的時間。這也表明，在地表蒸發(fā)強度較大的地區(qū)，在滿足作物需水的前提下，可適當(dāng)增大微潤管埋深，以避免大量水分到達地表造成地表蒸發(fā)損失。此外，模擬結(jié)果還顯示，微潤管埋深對管出流和濕潤鋒運移速率無明顯影響。不同埋深處理對微潤管管壁處土壤含水率（土壤基質(zhì)勢）無影響，因此入滲過程中各處理管內(nèi)外水勢差基本相同，微潤管出流以及濕潤鋒運移也基本無差異。Siyal等［28］在對地下黏土管灌水分入滲進行模擬研究也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。但牛文全等［10］通過室內(nèi)土壤水分入滲試驗發(fā)現(xiàn)隨著微潤管埋深（不包括0）的增大，累積入滲量（微潤管累積出流量）呈逐漸減小的趨勢。這可能有以下兩點原因：（1）埋深增大，土壤容重可能隨之增加，而容重增加會減小孔隙體積和增大入滲氣相阻力［29］從而減小微潤管出水流量［11］；（2）埋深增大，土壤壓力也隨之增大，導(dǎo)致微潤管變形嚴(yán)重。本文2.2節(jié)敏感性分析中對不同微潤管形狀下水分入滲進行了模擬，結(jié)果顯示微潤管形狀對微潤灌水分入滲影響較小，但是模擬中未考慮微潤管變形對其出流能力的影響。微潤管的變形是否影響其內(nèi)部納米孔結(jié)構(gòu)形態(tài)從而影響其出流能力，這需要進一步的研究。

5 結(jié)論

本文基于微潤管出流特性構(gòu)建了微潤灌土壤水分運動HYDRUS-2D 模型，并研究了不同影響因素對微潤灌土壤水分入滲的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）將微潤管壁當(dāng)成多孔介質(zhì)處理，賦予其水力特征參數(shù)來構(gòu)建微潤灌水分運動模型是合理可行的，模型能較好地模擬微潤灌下水分入滲特征。

（2）模型模擬結(jié)果對微潤管的形狀及其水力特征參數(shù)的敏感度較低。相比之下，n值對模擬結(jié)果影響稍大，需注意其取值。

（3）土壤質(zhì)地越黏重，微潤灌溉濕潤范圍越小。持水性差的土壤中水分下滲較明顯。工作壓力水頭越高，濕潤范圍越大，且管附近土壤飽和度越高，但200 cm工作壓力水頭下不易達到飽和。微潤管埋深顯著影響濕潤體位置，但對微潤管出流量和濕潤鋒運移速率影響極小。

本文的模型中微潤管導(dǎo)水率設(shè)定為恒定值，這可能與實際情況存在一定誤差，后期需研究微潤管形變對其出流能力的影響規(guī)律，進一步完善該模型，提高其合理性與實用性。