微润灌水器土壤水分测试方法及测试试验结果探析

郭向东

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

滴灌技术的进步伴随着滴灌灌水器的发展，经历了由初级到高级、由落后到先进的发展进程，滴灌灌水器是实现有压水均匀出流的主要功能部件，滴灌系统的质量直接取决于灌水器滴头的性能[1]。因此，滴头通常被称为灌水器的心脏，是滴灌系统最重要的组成部分之一。滴灌系统本身需要高质量的灌溉水质，如果使用不当，极容易造成滴灌系统堵塞，一旦堵塞，很难清理，导致滴灌管道废弃，造成滴灌系统使用寿命缩短，变相增加了田间灌溉投资，直接影响农民经济收入。滴灌是一项复杂而先进的节水灌溉技术，只有充分考虑所有影响因素，特别是在设计中考虑水质，做好系统的管理、运行和维护，滴灌系统才能正常运行[1]。

1 土壤水分测试方法

1.1 试验区概述

以朝阳市建平县要道吐村为例，太平庄乡要道吐村位于建平县中西部，老哈河东岸，境内地势平坦、土质肥沃、交通便利，地下水为第四纪孔隙潜水区，地下水埋深25m，含水层厚20m，含水层岩性为中粗砂砂砾层。水质良好，为重碳酸钙钠型，矿化度小于0.5g/L，无机质含量粒径一般在100μm左右，适宜灌溉。

1.2 试验土壤选取

土壤为层状土壤结构，该地块粗粒土含量为65.0%，土壤深度为0～40cm，明显高于一般田间土粗粒含量，该层土壤为砂壤土，而在深度为40～100cm粗粒组含量明显下降，该层属于壤土，因此，土壤深度35～40cm是土壤质量变化的界面，对土壤水分入渗速率有一定的影响[1]。通过土壤颗粒分析可知，原状土壤颗粒组成见表1。

表1 原状土壤颗粒组成表

初始土壤含水量随深度变化，各土层的饱和导水率及容重也不尽相同，该区土壤容重较高，主要是由于土壤含砂量高，属于开垦地，表层土压实，表层土容重特别高，土壤深度为40～60cm时的导水率明显降低。相关特性见表2。

表2 土壤水分相关特性及容重表

1.3 试验方法

试验水源分2个小区设置试验，小区一输水毛管长度450cm，灌水器数量7，灌水器间距60cm，测试灌水开始后0.25、0.5、1、2、4h及停水24、48h共7个时间节点湿润锋运移距离及湿润体含水率分布[2]；小区二输水毛管长度150cm，灌水器数量5，灌水器间距为30cm，持续灌水，直至地表湿润体宽度不再增加，测试此过程中地表首次出现湿润点T1、湿润体宽度不再变化T2及停水后T3共3个时间点湿润锋运移距离、湿润体含水率分布及累积灌水量等特性。

通过观察水箱在一定时间内的出水容积来测量灌水器的流量，通过肉眼观察和比较湿锋边界含水量来确定湿锋的运移距离[2]；挖掘土壤剖面测量湿润体含水量，为了减少误差，开挖时间很短，沿灌溉方向和垂直输水毛细管在固定时间点快速取土，按预先设定的网格距离取土样时，立即将土样放入铝箱称重，用干燥法得到网格节点处的土壤含水量。

2 测试试验结果

2.1 入渗流量变化

在试验期间，灌水器累计灌水时间为一个月，即720h，期间共停水2次。第一次停水主要研究入渗初期截流后的流量如何变化，第二次是研究农田排水量减少与灌水器堵塞程度的关系[3]。由试验可知，田间流量随灌溉时间的变化如下：在0～4h内，灌水器流量由1.64L/h下降到1.60L/h，随后再下降到0.30L/h；停水48h后，观察到水分又被重新分配，并在重新灌水8h之后，初始流量逐渐增大，然后从1.541L/h降至0.301L/h；停水10d以后，其初始流量为0.22L/h，随着灌水时间的延长，流量继续下降，当灌水为360h时，灌水流量达到最小值为0.02L/h，流量始终保持在较低水平范围内，即0.02～0.15L/h。

灌水器流量的变化主要是由于灌水器的特性和堵塞造成的，当灌水器在埋置条件下运行时，灌水器的流量受这2个因素和土壤条件的影响[3]，而初始含水率、容重、饱和导水率均会影响灌水器出流量，所以，灌水器埋入地下时流量略有下降，但此影响因素主要体现在入渗初期较短时间内，且下降幅度不会很大。试验中，灌水器在使用一段时间后流量急剧下降，主要原因是灌水器导水芯纤维膨胀。

2.2 土壤水分入渗特性

2.2.1湿润锋随时间变化特点

湿润锋在0.25、0.5、1、2、4h灌水及在24和48h停水的情况下，7个时间点的水平和垂直移动距离如图1—2所示。

图1 垂直方向湿润锋运移距离随时间变化

图2 水平方向湿润锋运移距离随时间变化

由图1—2可以看出，湿润峰运移距离与入渗时间之间具有良好的对数函数关系，在灌溉开始时，湿润峰的运移距离相对较大；当灌溉进行4h后，湿润峰运行速度逐渐减慢，其湿润峰在不同方向的变化特征如下。

灌溉4h内，湿润锋横向和纵向运移距离较长，垂直向上运移距离最大，垂直向下运移距离较小，这可能是由于在入渗开始阶段，水分运移主要受土壤基质势的影响，导致湿润锋的入渗速率较快，运移距离迅速增大，然而，在35～60cm深度范围内的土壤是黄土，35～40cm深度处土壤界面的快速变化对入渗有影响。

试验表明，土壤条件、初始含水率、容重、饱和导水率均会影响水分入渗速率，容重越大，孔隙率越小，入渗能力越弱[4]。当灌水器出流速率大于土壤入渗速率时，实际入渗速率为灌水器出流速率。反之，实际入渗速率就是土壤入渗速率，与灌水器实际出流量无关。在入渗初期，土壤水分扩散主要是基质势影响，随着入渗量的累积，颗粒孔隙逐步被填满，湿润体内含水率升高，其扩散将受到重力作用影响，入渗能力将逐渐减弱。在土壤中，灌水器周边区域入渗情况还受饱和湿润区影响，而砂土无此因素，砂质土壤的这一作用更为显著[5]。当土壤空间结构发生变异，即存在层状土壤结构时，在土质变化界面会产生阻水作用，导致水分向上和横向运移速率加大。但当界面水分积累到一定程度，依然会冲破此阻碍，继续下渗。而当灌水器出流量过大时，可能会引起深层渗漏。当灌水器流量较小时，土壤条件的影响程度将非常显著，大于供水压力水头和水力特性变化的影响。

2.2.2土壤水分前期分布变化特点

在0～0.25h内，灌水器的出流量为1.60L/h，低于室内1.651L/h的流量，水分的输送主要与出口压力和导水芯形状有关，湿润锋的距离为1.5～3cm，整个湿润体较低，土壤条件对水的输送没有产生影响[5]。

在0.25～0.5h期间，土壤开始影响水分的输送，随着灌水器的堵塞和土壤扩散的抑制，出水流量逐渐下降到0.814L/h，湿润锋的垂直向上和左右运移距离接近5cm，垂直向下移动距离为3.1cm。

在0.5～1h期间，出流量降至0.79L/h，湿润锋的水平移动距离为6.72cm，垂直向上移动距离为6.9cm，垂直向下移动距离为3.2cm，其原因是在35～40cm的深度形成了一个快速变化的土壤界面，这对水的渗透规律产生了影响。

在1～2h期间，出流量降至0.496L/h，湿润锋的水平运移距离为8cm，垂直向上运移距离为8.4cm，垂直向下运移距离仅为3.3cm，这仍然是由于30～40cm土壤界面快速变化对入渗规律的影响。

在2～4h期间，流量降至0.311L/h，湿润锋水平运移距离12cm，垂直上升距离12cm，垂直下降距离仅3.3cm。这仍然是由于30～40cm土壤界面的快速变化对水渗透的影响。

在停水24h以后，湿润锋水平移动距离12.9cm，垂直向上距离17.5cm，垂直向下距离3.46cm，略有增加，可以看出，在土壤基质势的作用下，孔隙水含量在降低，水分继续扩散，这是由于停水后水扩散的结果。

在停水48h后，湿润锋水平移动距离为15.4cm，垂直向上移动距离为18.6cm，垂直向下移动距离为4.1cm，增加并不明显，水继续扩散，中部地区的含水量为17.4%，仍在继续下降[5]。

2.2.3表层湿润特性

试验表明，灌溉开始时，湿润锋迅速上升，4h内达到12cm，然后缓慢上升，结果表明，湿润锋在320h后向地下移动6cm，然后缓慢移动，258h后才逐渐到达地表[5]，这表明从地表渗透的过程是非常缓慢的。由此可见，表层土是压实的，这将大大影响透水率(如图3所示)。

地表后宽度随时间变化规律如图4所示。由图4可以看出，577h时，湿点首次出现，宽度约10cm，此后，宽度逐渐增加，但速度略有下降，当最终宽度增加到100cm，且连续2d没有增加时，说明此时水主要垂直向下迁移，停水24h后增至105cm，连续停水24h后便不再增加，说明停水有利于水的横向扩散。相应地，累积入渗量由577h显著增加到720h，但是，在稳定流区，流量逐渐减小，流速由最高值逐渐减小，可以看出，表面湿润体的加宽过程增加了水的入渗速率，而增加的速度则在逐渐减小[6]。

图3 湿润锋上移距离地表湿润宽度随时间变化规律

图4 地表后宽度随时间变化规律

2.2.4土壤水分空间分布

当第一个湿点T1(t=577h，d=10cm，点状，不连续)时，灌水器的流量为0.192L/h，是流量稳定区的最大流量[7]。当湿润锋前沿到达地表时，湿润体的宽度为10cm，地下5cm处湿润体的宽度为60cm，地下10cm处湿润体的宽度为80cm，地下50cm处湿润体的宽度为85cm[7]，湿润体的深度为68cm。由于入渗初期湿润锋向上移动，但当土质变化界面处含水率上升到一定程度后，水分将下渗。由于在这30cm的土层中水分入渗速率较小，客观上还起到了一定保水作用，出现了如含水率0.22等值线所示的保水区。

当t=625h时，灌水器流量为0.146L/h，地表湿润体的宽度为60cm，地下5cm处地表湿润体的宽度为100cm，地下10cm处湿润体的宽度为105cm，地下50cm处湿润体的宽度为116cm。当湿润体深度为70cm时，地表横向移动距离明显增大，但地下移动距离增量不明显，含水率为0.22的持水面积扩大，但速度略有下降。

当t=720h时，灌水器的流量为0.085L/h，地表湿润体宽度为100cm，地下5cm处湿润体宽度为121cm，地下10cm处湿润体宽度为125cm，地下50cm处湿润体宽度为141cm，水平运动距离继续增大，不同深度之间的水平距离差减小，结果表明，该阶段水的运动主要是渗透，这也是地表润湿体宽度不发生变化的原因。湿润体深度为75cm[7]，但由于其含水量较低，相当于该深度的初始土壤含水量，无明显深部渗漏，与灌水器流量低有关。

当湿润锋向上移动到距地表1～6cm时，很难突破地表，地表以下土壤湿润体的宽度不断增加[8]，因此，当地表出现湿润点时，地表以下的土壤已经开始湿润，湿润体的宽度比地表大得多。种子的埋深一般为5～10cm，为了解层状土壤中湿润体的宽度，观测了5、10、50cm地下湿润体的宽度，同时，观测地下80cm处的含水量，了解渗水深度及是否有局部渗漏现象发生，结果见表3。

表3 微润灌水器向地表灌溉试验结果

3 结语

运移距离与入渗时间之间存在较好的对数函数关系，在灌溉初期，水平和垂直方向的湿润锋运移速率较大，运移距离相对较长，垂直向下运移距离较小，运移速率较小[9]。停水48h后，湿润锋在水平和垂直方向趋于稳定，即湿化中心的含水量趋于均匀，当湿润锋向上移动到离地面1～5cm处时[10]，很难突破地面，当湿润点出现在地表时，地表以下土壤的湿润宽度要比地表大得多。