分涌泉含水率水分分布影響

1、分涌泉含水率水分分布影響 涌泉根灌是一種新型地下滲灌技術(shù),灌水器由涌泉根灌灌水器和套管兩部分組成,套管周圍均勻打孔,底部不封閉,將灌水器垂直埋入地下,可改變套管長(zhǎng)度、埋深及管徑來(lái)調(diào)節(jié)濕潤(rùn)體的大小和位置.通過(guò)灌水器將水分直接輸送到果樹(shù)的根區(qū)土壤,可有效減少土壤表面無(wú)效蒸發(fā),提高灌水利用效率1.hanson等2研究認(rèn)為地下滲灌比溝灌節(jié)水36.7%74.0%,比管灌節(jié)水43.1%,比滴灌節(jié)水11.9%.土壤水分入滲強(qiáng)度直接影響植物根層水分的收支平衡3,而土壤水分入滲主要由灌水方式和土壤物理參數(shù)4決定.近年來(lái),對(duì)地表點(diǎn)源和線源土壤入滲進(jìn)行了大量研究.在點(diǎn)源方面主要研究了各灌水技術(shù)和土壤機(jī)械組成對(duì)濕潤(rùn)體

2、特征值及水分分布的影響5-7,線源方面主要研究了各因素對(duì)濕潤(rùn)體特性的影響8-11.涌泉根灌在地下形成柱面供水方式,入滲初始階段水分與土壤接觸面大,其入滲規(guī)律可能與地表點(diǎn)源、線源不同,也與地下滴灌的點(diǎn)源入滲不同.黎朋紅等12研究結(jié)果表明濕潤(rùn)鋒運(yùn)移與時(shí)間、灌水量呈冪函數(shù)關(guān)系,汪有科等13研究表明孔徑和孔深極大影響了水平和垂向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移,并提出了經(jīng)驗(yàn)值.目前研究主要集中在灌水技術(shù)參數(shù)方面,而對(duì)土壤物理參數(shù)影響的研究較少,尤其是土壤初始含水率.文中通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),模擬了均質(zhì)土壤不同初始土壤含水率時(shí),涌泉根灌土壤濕潤(rùn)體變化過(guò)程,確定了各設(shè)計(jì)參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,為工程設(shè)計(jì)提供參考. 1材料與方法 1.1供試

3、土壤試驗(yàn)于2011年7月在楊凌旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院進(jìn)行,本區(qū)域位于東經(jīng)1081087,北緯3412342,土壤屬于黏壤土,試驗(yàn)用土取自表層040cm熟土,自然風(fēng)干后過(guò)2mm孔徑篩子,過(guò)篩后土壤的基本物理特性見(jiàn)表1,其中為粒徑d的土壤百分比,為土壤容重. 1.2測(cè)試裝置試驗(yàn)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)和土箱兩部分組成(見(jiàn)圖1).試驗(yàn)用土箱由厚10mm的有機(jī)玻璃制成,其規(guī)格為45cm45cm80cm(長(zhǎng)寬高).供水系統(tǒng)由自制供水箱提供恒定水頭,通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕開(kāi)度來(lái)控制流量. 1.3試驗(yàn)方法在試驗(yàn)過(guò)程中共設(shè)置了5個(gè)土壤初始含水率,分別為4.01%,7.11%,8.76%,10.85%,14.68%,其中8.76%為驗(yàn)

4、證含水率.用烘干法測(cè)土壤含水率,按設(shè)定的土壤含水率配制后用塑料防水布裹好放置24h后,讓水分充分分布,以保證土壤內(nèi)部含水率基本均勻.將試驗(yàn)用土分層裝入土箱,每5cm為一層,層間打毛,裝箱控制土壤容重為1.35g/cm3,為防止表層土壤水分蒸發(fā),土壤表面用塑料膜覆蓋,土壤裝入土箱自然沉降24h后進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)中設(shè)定的滴頭流量為7l/h,灌水器垂直埋入土中,灌水器頂部與土壤表層齊平.灌水歷時(shí)為6h,每個(gè)處理重復(fù)3次.灌水試驗(yàn)開(kāi)始后用秒表計(jì)時(shí),在最初的1h內(nèi),每隔10min在土箱上標(biāo)記濕潤(rùn)鋒位置,用鋼尺測(cè)量土壤表面濕潤(rùn)半徑、土箱側(cè)面的濕潤(rùn)半徑,并記錄;1h后至3h,每隔20min標(biāo)記、測(cè)量、記錄一次

5、;3h后每隔30min記錄一次,直到試驗(yàn)結(jié)束.灌水結(jié)束后,立即用直徑1cm土鉆,在沿土箱側(cè)邊45方向濕潤(rùn)體剖面半徑上取樣,不同取樣點(diǎn)水平、垂直間距為5cm,取土至濕潤(rùn)鋒位置結(jié)束,用烘干法測(cè)量土壤含水率. 2結(jié)果與分析選取土壤表面水平濕潤(rùn)半徑r、最大水平濕潤(rùn)半徑r、垂直入滲深度h和灌溉時(shí)間t為特征值. 2.1土壤表面濕潤(rùn)半徑土壤表面濕潤(rùn)面積是反映濕潤(rùn)體特征的重要參數(shù).試驗(yàn)初期,土壤表面含水率隨著時(shí)間的增加,水分逐漸入滲到土壤表面,土壤表面濕潤(rùn)半徑逐漸增大.圖2為土壤表面濕潤(rùn)半徑的變化趨勢(shì)圖.由圖2可以看出,隨著土壤初始含水率的增高,水分滲透到土壤表面的時(shí)間逐漸縮短,當(dāng)土壤初始含水率分別為4.01

6、%,7.11%,8.76%,10.85%,14.68%時(shí),土壤表面濕潤(rùn)出現(xiàn)的時(shí)間分別為71,50,39,35,25min.隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng),地表濕潤(rùn)半徑逐漸增大,相同時(shí)刻,土壤表面濕潤(rùn)半徑也隨著土壤初始含水率的增大而增大,可用對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(r=alnt-b)擬合表面濕潤(rùn)半徑與灌溉時(shí)間t的關(guān)系,見(jiàn)表2.由表2可以看出,決定系數(shù)均大于0.99,相關(guān)性較好.參數(shù)a隨著土壤含水率的增大而增大,與初始含水率呈冪函數(shù)關(guān)系,參數(shù)b隨著土壤含水率的增大而減小,與初始含水率呈線性關(guān)系,其決定系數(shù)大于0.94.因此,土層表面水平濕潤(rùn)半徑r與灌溉當(dāng)含水率為4.01%,7.11%,8.76%,10.85%,14.6

7、8%時(shí),用式(2)計(jì)算的表層濕潤(rùn)半徑為0時(shí)的灌溉時(shí)間t分別為68.47,47.45,39.39,31.38,21.19min,與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差僅為6.65%.說(shuō)明該擬合關(guān)系式可以較好地計(jì)算涌泉根灌地表濕潤(rùn)時(shí)間及濕潤(rùn)區(qū)擴(kuò)大速度. 2.2濕潤(rùn)體最大水平濕潤(rùn)半徑和垂直濕潤(rùn)深度土壤濕潤(rùn)體最大水平濕潤(rùn)半徑和垂直濕潤(rùn)深度是衡量濕潤(rùn)體濕潤(rùn)范圍的重要特征值,掌握特定土壤條件下不同初始含水率下入滲過(guò)程中該值隨灌水時(shí)間變化的規(guī)律,能夠?yàn)橛咳嗝茕佋O(shè)和灌水器布置提供重要的理論參考.圖3為土壤初始含水率對(duì)最大水平濕潤(rùn)半徑和垂直入滲深度變化的影響.由圖3可以看出,初始含水率顯著地影響了水平和垂直方向濕潤(rùn)鋒的運(yùn)

8、移速度,最大水平濕潤(rùn)半徑r和垂直入滲深度h都隨著土壤初始含水率的增大而增大,且垂直入滲深度h的變化趨勢(shì)明顯大于水平濕潤(rùn)半徑.隨著水分?jǐn)U散時(shí)間的延長(zhǎng),它們之間的差距逐漸增大.可用冪函數(shù)擬合最大水平濕潤(rùn)半徑(r=ctd)和垂直入滲深度(h=mtf)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,擬合參數(shù)見(jiàn)表3.分析表3中的擬合參數(shù),c與f均隨著土壤初始含水率的增加呈明顯增加趨勢(shì),c與含水率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,而f與含水率呈線性關(guān)系,d幾乎不隨土壤含水率的變化而變化.當(dāng)含水率大于7%時(shí),參數(shù)m幾乎不隨著土壤初始含水率變化而變化,因此最大水平濕潤(rùn)半徑r、垂直入滲深度h與入滲時(shí)間t關(guān)系可以表示為。式中:r為土壤濕潤(rùn)體最大水平濕潤(rùn)半徑,cm

9、;h為垂直濕潤(rùn)深度,cm.用初始含水率為8.76%的實(shí)測(cè)值對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式(2)-(4)進(jìn)行驗(yàn)證.計(jì)算后將與實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的整體相對(duì)誤差(ire)和均方根誤差(rmse)列于表由表4可知,采用式(2)-(4)推求的表面濕潤(rùn)半徑r、土壤濕潤(rùn)體最大水平濕潤(rùn)半徑r、垂直濕潤(rùn)深度h與實(shí)測(cè)值比較接近,對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上都落在11線附近.土壤表面濕潤(rùn)半徑、水平最大濕潤(rùn)半徑及垂直入滲距離的ire和rmse分別為0.63%,0.40%,0.83%和0.59%,0.12%,0.73%.計(jì)算誤差較小,可用上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算涌泉根灌土壤水分滲透參數(shù). 2.3濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布濕潤(rùn)體內(nèi)的水分分布狀況也是制訂灌溉制度的重要參考依據(jù)

10、之一7,利用sigmaplot軟件對(duì)濕潤(rùn)體土壤水分實(shí)測(cè)含水率進(jìn)行繪制,獲得土壤濕潤(rùn)體內(nèi)垂直剖面含水率分布等值線圖,見(jiàn)圖4.從圖4可以看出,濕潤(rùn)體內(nèi)含水率等值線形狀和入滲過(guò)程中濕潤(rùn)體濕潤(rùn)鋒形狀變化相似,都是以滴頭位置為中心,由近到遠(yuǎn)等值線由疏到密分布,土壤水勢(shì)梯度逐漸增大,土壤含水率逐漸變小.當(dāng)灌水時(shí)間相同時(shí),同一位置土壤含水率隨著初始含水率增大而增大,以含水率等值線25%為例,不同初始含水率下水平方向最大寬度基本上都發(fā)生在25cm左右處,垂直方向最大深度分別發(fā)生在40.5,46.5,46.3和47.5cm;濕潤(rùn)體體積呈增大趨勢(shì).由于濕潤(rùn)體體積隨著初始含水率的增大而增大,當(dāng)初始含水率分別為4.0

11、1%,7.11%,10.85%,14.68%時(shí),灌水結(jié)束時(shí)實(shí)測(cè)濕潤(rùn)體體內(nèi)的平均含水率分別為23.97%,25.23%,26.19%,26.75%.另外,試驗(yàn)結(jié)果表明單位時(shí)間內(nèi)入滲量隨時(shí)間的增加而減小.土壤平均入滲率與初始含水率呈正相關(guān)關(guān)系,隨時(shí)間的延長(zhǎng),初始含水率對(duì)土壤入滲率的影響逐漸變?nèi)?減去初始含水率,平均滯留含水率分別增大了19.96%,18.12%,15.34%和12 .07%.濕潤(rùn)體平均滯留含水率增量隨著初始含水率的增大而減小,說(shuō)明土壤初始含水率越大,濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布越均勻. 3討論 土壤初始含水率越大,涌泉根灌過(guò)程中水分?jǐn)U散速度越快,平均入滲率越大,與陳洪松等14研究結(jié)果有所不同,

12、可能的原因是,本試驗(yàn)滴頭入滲面屬于垂直柱狀地下入滲,尤其是增大了水平方向水分與土壤接觸面,且在灌水過(guò)程中套管內(nèi)會(huì)有一定高度的水柱,形成有壓滲灌,而傳統(tǒng)的滴灌或線源灌屬于無(wú)壓或低壓灌溉,因此在相同時(shí)間內(nèi)入滲量就越大,平均入滲率就越大.這似乎與初始含水率越小,基質(zhì)勢(shì)越小,土壤的水吸力就越大相矛盾.但實(shí)際上,水分?jǐn)U散的驅(qū)動(dòng)力大小并非直接反映到運(yùn)移速率的快慢.灌溉過(guò)程中,土壤孔隙首先需要部分水分填充,初始含水率越小,土壤孔隙所需填充水分越多,滴頭周圍土壤達(dá)到飽和狀態(tài)需要時(shí)間越長(zhǎng),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較慢.該結(jié)果與吳啟發(fā)等15研究結(jié)果一致,因此,土壤初始含水率越大,涌泉根灌土壤水分傳輸越快.濕潤(rùn)體最大水平半徑

13、和垂直入滲深度隨初始含水率的增大而增大,濕潤(rùn)體內(nèi)平均滯留含水率隨著初始含水率的增大而減小,但是由于濕潤(rùn)體體積增大更快,水分?jǐn)U散速率也快,因此,初始含水率越高,濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布越均勻.該結(jié)果與黎朋紅等12對(duì)涌泉根灌特征值的研究結(jié)果一致.濕潤(rùn)體形狀呈近似橢圓形,濕潤(rùn)鋒的擴(kuò)散速率隨土壤初始含水率增大而增大,濕潤(rùn)體最大水平濕潤(rùn)半徑小于垂直入滲深度,隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng),差距越來(lái)越顯著.這主要是由于垂直方向由基質(zhì)勢(shì)吸力和重力勢(shì)作為驅(qū)動(dòng)力,水平方向由土壤基質(zhì)勢(shì)作為驅(qū)動(dòng)力,并且隨著時(shí)間延長(zhǎng),重力勢(shì)作用越顯著,最終濕潤(rùn)體的形狀呈近似垂直橢球體.試驗(yàn)中采用均質(zhì)土壤研究,與大田土壤相比存在一定差距,對(duì)涌泉根灌在實(shí)際大田中的水分入滲及水分分布規(guī)律還有待進(jìn)一步深入研究. 4結(jié)論 采用土箱模擬試驗(yàn),研究了土壤初始含水率對(duì)涌泉根灌水分?jǐn)U散率的影響,得出以下主要結(jié)論:1)土壤初始含水率對(duì)涌泉根灌土壤水分傳輸具有較大的影響.土壤表面濕潤(rùn)時(shí)間隨著土壤初始含水率的增大而減小,表面濕潤(rùn)半徑的增長(zhǎng)速度隨著土壤初始含水率的增大而增大.2)隨著土壤初始含水率的增大,涌泉根灌土壤濕潤(rùn)體水