供水压力对新型插入式灌水器入渗特性的影响

马 丽，孙西欢，马娟娟，郭向红，郑利剑

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原030024；2.晋中学院，山西晋中030619；3.中科院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；4.中国科学院大学，北京100049）

0 引 言

地下滴灌（SDI）是在滴灌（DI）日益发展的基础上所形成的一种高效节水灌溉技术。相比其他地面灌溉方式，地下滴灌灌水设备埋于地下，不仅能够有效避免水分地表蒸发损失、延缓管材老化，还能将水、肥适时适量地输送至作物根系土壤，显著地提高了肥料利用率[1-2]与土地利用率，具有明显提质增产效果[3-6]。

尽管地下滴灌具有较明显的节水优势，但其在实际应用中仍存在诸多问题。滴灌系统埋于地下，其出水点缺乏灵活性和可移动性[7]，不便于根据作物特点调整灌水位置[8]。灌溉系统启动时，系统内排出的气体极易冲蚀土壤，破坏团粒结构。此外，负压吸泥、灌溉水质、根系入侵等也极易引起灌水器堵塞[9-11]，灌水器一旦堵塞很难被发现，并且维修更换需要花费大量人力、物力、财力，还会因更换、维修灌水设备等操作扰动作物根系及土壤，影响作物生长发育、破坏土壤结构。以上问题严重影响了地下滴灌系统效益，导致投资管理费用大大提高，阻碍了地下滴灌技术的推广应用。因此，开发新的地下灌溉产品成为目前地下灌溉的一大研究热点。

针对上述地下滴灌存在的一系列问题，笔者及所在研究组在现有地下灌溉产品的基础上，研制出一种可以实现根区精准灌溉的灌水器（CN110754340A），这种灌水器结构简单、操作方便，水肥混合液可以通过扦插进土壤的外壳滴水孔缓慢而均匀地渗入中深层土壤，具有较高的灵活性与适应性。大量研究表明[12-14]，压力水头是影响灌水器入渗特性的重要因素，而灌水器入渗特性又是支撑灌水器优化发展的基础性研究[15]，故本研究通过室内试验，模拟新型插入式灌水器入渗过程，探究在插入式灌水器灌水的条件下，供水压力对土壤水分运移规律的影响，为灌水器结构优化及田间应用提供理论依据。

1 新型插入式灌水器结构及原理简介

1.1 新型插入式灌水器结构组成

插入式灌水器的结构设计见图1，灌水器主要由内芯和插杆外壳2部分组成。内芯包括承插接头、排（进）气孔、进水口、消能装置（螺旋流道）、出水口等部件，插杆外壳上设置滴水孔，内芯与插杆外壳通过顶部螺纹相连接。

1.2 灌水器工作原理

插入式灌水器消能原理见图2。水或水肥混合液通过毛管由进水口进入导水竖管，紧接着通过导水竖管下端的弯曲段向上流入螺旋流道，并在螺旋流道内部向上环绕流动进行第1次消能。随后，灌溉水从螺旋流道顶部末端垂直向上的出水口挑射而出，完成第2次消能。消能后的水流由重力作用落入插杆外壳内，并从外壳壁上的滴水孔缓慢均匀滴出，逐渐湿润灌水器附近土壤。

完整的灌水系统除灌水器外还包括田间首部枢纽、输配水管网。本灌溉系统中，除了灌水器不同外，其余水源首部枢纽及输配水管网的选择均与滴灌系统一致。田间应用时，首先根据作物根系分布等特点，将包裹无纺布的灌水器插入土中适宜深度，然后通过适宜长度的毛管将灌水器和分布于作物行间的田间支管相连接，组成田间灌溉系统。

2 材料与方法

2.1 供试土壤

供试土壤样品取自山西省太谷县果树研究所，取土深度为0～200 cm。试验土样经风干、碾压，过2 mm 筛后均匀混合，其机械组成见表1。经测定，风干土壤的质地为沙壤土，容重为1.47 g/cm3，初始含水率为1.7%，田间持水量为21.7%。

表1 供试土壤的机械组成（国际制）Tab.1 Mechanical composition of soil tested(international system)

2.2 试验装置

试验装置由恒压水源及测压系统和入渗试验装置2部分组成。恒压水源及测压系统由水源、供水稳压系统、测压系统组成。入渗试验装置由土箱（60 cm×50 cm×60 cm）、称重传感器组成（试验装置见图3）。

2.3 试验设计

试验探究灌水器埋深为20 cm 时，供水压力对湿润体入渗特性的影响。试验中供水压力H 设置8个水平：6、7、8、10、12、13、14、16 m，其中H=7、13 m 为验证试验组，每种工况下重复试验3次，取其平均值进行结果分析。

试验开始前，土箱按容重为1.4 g/cm3进行装填夯实。装填完毕后，将灌水器插入地表以下20 cm，并将土箱置于重量传感器上，土箱埋置灌水器的一侧粘贴坐标纸绘制湿润锋轮廓。开始供水的同时用秒表计时，按一定时间间隔记录传感器重量示数，同时在坐标纸上绘制湿润锋轮廓，累计供水2 h 后停止供水。

2.4 数据采集方法

试验开始后，按时间间隔先密后疏的原则进行数据采集及湿润锋轮廓绘制。停水之后的3 h 内每间隔1 h 绘制一次湿润锋轮廓。将各压力条件下的湿润体轮廓图片导入GetData 2.20 软件获取湿润锋轮廓的坐标。湿润锋运移速率为单位时间内湿润锋的运移距离，累积入渗量根据重量传感器示数及记录时间确定。

3 结果与分析

3.1 压力对湿润体形状的影响

图4 为灌水器埋深20 cm，入渗2 h，不同供水压力（H）下插入式灌水器入渗湿润体[由于形成的湿润体均以灌水器竖向轴线呈左右对称，故图中仅画出一半湿润体，图4 中（0，0）点为灌水器滴水孔]。由图4 可知，供水压力对插入式灌水器的湿润体形状具有显著影响。供水压力为6～10 m 时，湿润体是以滴水孔为球心的球体；当供水压力水头＞10 m 时，湿润体随入渗时间的延长由较为标准的球体逐渐变得不规则，这是由于随着供水压力的增大，灌水器出流量增加，短时间内水分渗到地表，致使湿润锋顶端不再闭合，湿润体变得不规则。此外，观察湿润体剖面可以看出，供水压力H=14、16 m时的湿润体内部由于水流冲蚀形成了冲蚀通道，这一通道的出现显著地影响了湿润体形状。其中H=16 m 时，由于冲蚀通道贯穿土体，在入渗60 min 时，湿润体向右上方凸出，水流经通道直接流向地表，在地表产生积水并向四周入渗直至被土箱边壁所限制。因此，将使土壤产生冲蚀通道的供水压力称为临界压力，本试验条件下的临界压力水头为14 m，该临界压力水头可以为灌水器供水压力的选择提供参考。

3.2 压力对湿润锋运移状况的影响

图5 为压力6～16 m 时，水平和垂直方向湿润锋运移距离随入渗时间的变化曲线。从图5（a）可以看出，其他条件一定时，除最大压力(H=16 m)以外，湿润锋水平运移距离均随供水压力的增加呈现增大的趋势，当压力从6 m 增加到14 m 时，湿润锋水平运移距离按入渗时间由短到长（10 min、30 min、60 min、120 min、灌后5 h） 依次 增加59.23%、61.43%、64.51%、49.1%、24.7%。

从图5（b）可知，不同压力范围，随着压力增加，湿润锋垂直向上运移距离的变化规律不同。入渗时间一定，压力在H=6～10 m 范围时，随着压力水头的增加，湿润锋垂直向上运移距离的变化不明显。压力水头H=10～14 m 范围内，入渗时间一定时，随着压力的提高，垂直向上运移距离明显增大，而当压力增大到16 m 时，相比H=14 m 条件下的运移距离，16 m的压力并没有使垂直向上运移距离明显增加，有些入渗时刻甚至低于H=14 m 条件下的垂直运移距离。此外，图5（b）中H=12、14、16 m 条件下，灌水末期出现了平行于横轴的趋势线，这是因为压力H≥12 m，水分在入渗尚未结束时就已经渗透到地表，这时湿润锋垂直向上的运移距离将不再随时间的延续而增加。

由图5（c）可知，供水压力对垂直向下湿润锋运移距离的影响较小，供水压力＜临界压力时，垂直向下的湿润锋运移距离随供水压力的增大而略有增加；当供水压力≥临界压力时，湿润锋垂直向下运移距离随压力的增大而减小，这是因为压力水头较大，水流冲蚀土壤产生通道并溢出地表，造成地下部分水量较小，湿润锋运移距离变小。

由各方向湿润锋运移距离与入渗时间计算出湿润锋运移速率，不同压力条件下湿润锋运移速率随时间的变化规律见图6。对比不同供水压力条件下湿润锋运移速率可知，各工况下的水平、垂直向上、垂直向下湿润锋运移速率均随入渗时间的推移逐渐减小。产生这样的现象一方面可能是因为入渗初期土壤含水率较小，土体内水势梯度较大，湿润锋推进速度较快，随着入渗时间的推移，湿润体土壤含水量增加，土体内土水势梯度减小，湿润锋推进速率逐渐减缓[16]，另一方面可能是由于入渗界面面积增大，同样水量相同时间入渗距离的增量有所减小。此外，由图6可知，各方向的湿润锋运移速率随供水压力的增加无明显变化规律。

以入渗时间及供水压力为影响因子对湿润锋运移距离进行方差分析（见表2）。由表2 可知，供水压力及入渗时间对湿润锋运移距离具有显著影响（P＜0.05）。将供水压力、入渗时间及各方向湿润锋运移距离进行拟合，拟合结果表明，湿润锋运移距离与压力水头、入渗时间符合以下关系式（拟合参数及决定系数见表3）：

式中：Y 为湿润锋运移距离，cm；t为入渗时间，min；H 为供水压力水头，m；k、a、b为拟合经验参数。

表2 入渗时间及供水压力对湿润锋运移距离影响的方差分析Tab.2 Variance analysis of the influence of infiltration time and water supply pressure on the moving distance of wet front

表3 湿润锋运移距离模型拟合参数Tab.3 The fitting parameter table of wetting front migration distance

为了检验湿润锋水平、垂直运移距离拟合公式的准确性，用压力水头为7、13 m 的试验数据对拟合公式进行验证。表4为拟合公式计算值与实测值之间的误差。由表4可知，实测值与拟合值的平均误差、相对平均误差和均方根误差均较小，拟合效果较为精确。各验证组均表现为水平方向、垂直向下的湿润锋运移拟合公式的拟合效果较好，垂直向上拟合公式的拟合效果略差一些。因此，在本试验条件下，供水压力为6～16 m 时，利用公式（1）可以较为精确地计算本试验条件下不同压力水头下的瞬时湿润锋运移距离。

表4 湿润锋运移拟合公式拟合结果Tab.4 The fitting results of the fitting formula of wetting front movement

3.3 压力对累积入渗量的影响

图7为灌水2 h、灌水器埋深20 cm，不同压力水头下插入式灌水器湿润体累积入渗量随时间的变化情况。由图7 可知，各供水压力条件下的累积入渗量均随入渗时间的推移而增大。在相同入渗时间内，累积入渗量随供水压力的增大而增大，当入渗时间为10、30、60、90、120 min 时，压力水头从6 m增大到16 m，湿润体累积入渗量分别增加0.19、0.61、1.24、1.92、2.61 L，并且这一增量随着入渗时间的延长逐渐增大。产生这一规律的原因是随着供水压力的增加，入渗界面的压力势增大，入渗速率随之增大，进而在相同入渗时间内累计入渗量也增大[17，18]。

由于供水压力、入渗时间对累积入渗量的影响具有明显规律，因此，以入渗时间、供水压力为影响因子对累积入渗量进行方差分析（见表5）。分析结果表明入渗时间及供水压力对湿润体累积入渗量的影响较显著（P＜0.05）。采用麦夸特法+通用全局优化法算法对累积入渗量及入渗时间进行回归分析，分析结果表明：不同压力水头下的累积入渗量I与供水压力H及入渗时间t之间符合：

表5 入渗时间及供水压力对累积入渗量影响的方差分析Tab.5 Variance analysis of the influence of infiltration time and water supply pressure on the cumulative infiltration amount

用灌水器埋深为20 cm，供水压力为7 m、13 m 条件下的累积入渗量数据对回归方程进行验证，验证结果见图8。由图8 可知，实测值与回归方程所得的拟合值呈良好的线性关系，表明拟合值与实测值的差异性较小。经计算，实测值与拟合值之间的平均误差（AE）、平均相对误差（ARE）和均方根误差（RMSE）分别为0.033 6 L、5.90%、0.045 3 L。这3 个评价指标的值均较小，表明了回归方程具有较高的拟合计算精度。

4 讨 论

本研究表明，在容重为1.4 g/cm3的沙壤土条件下，灌水器埋深为20 cm、入渗2 h 时，供水压力对湿润体形状有显著影响，压力越大，湿润体内越容易产生冲蚀通道，水分入渗到地表所需时间越短，湿润体形状越不规则。压力水头H=14 m是湿润体是否产生冲蚀通道的临界压力，这一概念同张营等人[19]对浅埋式滴灌带的研究中提出的临界流量相似，均表示使土体产生结构破坏的临界值。这一临界值是工作压力的上限，超出临界值以后，不仅会破坏土壤结构，而且会导致大量水流流向地表，影响插入式灌水器的灌溉效果。

插入式灌水器累积入渗量与供水压力呈正相关，这是由于压力水头的增大提高了入渗界面的压力势，从而增大了累积入渗量，这与范严伟等人[20]的研究结论一致。此外，研究结果表明，与常见土壤入渗模型不同的是，本试验条件下的累积入渗量与入渗时间可以用线性关系来表示，张国祥[21]等人在研究微润灌时也得出了类似的结论，这一差异可能是由于入渗时间较短，土壤水势梯度变化较小，累积入渗量随时间的推移呈线性增加[22]。

累积入渗量预测模型与湿润锋运移模型可以为灌水器田间应用中灌溉制度的制定提供参考。即利用湿润锋运移距离模型估算一定条件下满足作物对水分湿润范围要求时所需的灌水延续时间，然后通过累积入渗量模型估算出满足作物需水要求所需的灌溉用水量。

5 结 论

为了给灌水器结构优化及田间应用提供理论指导，本试验研究了灌水器在不同供水压力条件下的入渗特性，取得的主要结论如下。

（1）供水压力对插入式灌水器湿润体形状具有显著影响。当供水压力水头≤10 m 时，湿润体呈以滴水孔为球心的球体，当供水压力水头＞10 m 时，湿润体随入渗时间的延长由较为规则的球体逐渐变为不规则。供水压力水头H=14 m 是湿润体内部产生冲蚀通道的临界压力，该临界压力可以为灌水器供水压力的选择提供参考。在本试验条件下，为了不影响灌水效果，尽可能降低地表蒸发损失，供水压力水头应小于等于10 m。

（2） 供水压力对湿润锋运移距离具有显著影响（P＜0.05），湿润锋运移距离随着入渗时间的推移逐渐增大，湿润锋运移速率随入渗时间的增加而降低。利用MATLAB 建立了描述湿润锋运移距离与入渗时间、供水压力之间关系的数学模型，模型的平均相对误差范围为2.13%～13.45%，均方根误差分布于0.18～1.82 cm。

（3）灌水器埋深为20 cm，插入式灌水器累积入渗量随供水压力的增大而增加。采用麦夸特法+通用全局优化法算法对累积入渗量、入渗时间及供水压力进行回归分析，得到了描述入渗时间（t）、供水压力水头（H）及累积入渗量（I）之间关系的回归方程：I = 0.003 9 H0.8291t（R2=0.999 4）。