宽垄沟灌土壤湿润体运移规律与模拟研究

王宏飞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

引言

宽垄沟灌是一种在引黄灌区逐渐推行的地面灌溉方式，水分入渗过程为二维平面入渗[1]，土壤容重、质地、灌水沟型、土壤初始含水率、压力水头等因素均会影响土壤水分运动[2,3]。土壤初始含水率、入渗水深对垂直向土壤水分分布的质量重心影响较大[4]，不同灌水水深，土壤水分侧渗程度也不同[1]。由于在大田中不易进行多种条件下的水分运移试验[5]，国内外学者大多采用HYDRUS对沟灌土壤水分运动机理进行研究，通过模拟值与实测值的对比，表明使用HYDRUS模拟水分运动是准确的[6-9]。但在使用HYDRUS软件之前，需要确定合适的土壤水力参数，Ebrahimian H等[10]利用Levenberg-Marquardt优化技术反演了6个土壤水力参数，采用HYDRUS-2D模拟了沟灌灌水沟剖面土壤含水量；朱鹏程[11]使用RETC软件拟合V-G模型参数，分析了不同影响因素对2种沟灌情况下土壤水分入渗特性和湿润体特征的影响。沟灌土壤湿润体运移特性是灌水方案设计和管理的重要基础[12]，特别是对宽垄沟灌而言，故探究宽垄沟灌条件下湿润锋运移规律至关重要。

基于此,本文对不同压力水头和土壤初始含水率条件下的宽垄沟灌进行正交试验。利用HYDRUS-2D数值模拟对初始含水率和压力水头2个因素条件下的土壤湿润体运移。结果可为宽垄沟灌灌水技术提供科学依据，进而促进引黄灌区宽垄沟灌灌水技术的发展。

1 材料与方法

1.1 试验区土壤条件及试验方案

1.1.1 试验区土壤特性

试验用土处理后土壤基本物理特性见表1。

1.1.2 试验土箱

表1 土壤基本物理特性

宽垄沟灌灌水横断面为对称梯形，取灌水沟横断面的半边为模拟区域，在试验和模拟中仅考虑ABCDEF区域内的水分运移。模型图见图1。

1.1.3 试验方案和观测内容

试验设置了不同初始含水率(8%、10%、12%、16%、20%)和压力水头h(3cm、6cm、9cm、12cm、15cm)2个因素，每个因素设5个水平，共25个处理，每个处理重复3次。试验时间为120min，试验过程中在土箱光滑侧描绘出对应时刻的湿润锋运移轮廓，显示湿润体形状，并用毫米刻度尺量出湿润锋运移距离，试验方案见表2。

图1 沟灌模型图

表2 宽垄沟灌土壤水分入渗试验设计表

1.2 沟灌土壤水分运动模型及参数率定

1.2.1 沟灌土壤水分运动模型

1.2.1.1 沟灌水分入渗运动方程

沟灌水分入渗采用Richards方程[13]进行求解。

1.2.1.2 边界条件

(1)

1.2.2 参数率定

根据土壤容重和颗粒级配，使用HYDRUS-2D软件内置Rosetta模块对V-G模型参数α、n进行参数反演，当迭代后的参数值残差最小，为参数值最优解[14]。土壤水分运移模拟V-G模型参数见表3。

表3 土壤水分运动模型参数

在进行试验前需验证所选模拟参数是否满足试验要求，验证试验设置土壤初始含水率为14%，将压力水头取为9cm，土壤容重依据实测结果取为1.35g·cm-3，按照试验设计将土装入土箱，开始供水，每组试验3次重复，取每次试验结果平均值。试验实测值与HYDRUS-2D模拟值对比见图2。

由图2可以看出，实测值与模拟值拟合效果良好，在垂直方向和水平方向上的模拟值与实测值拟合R2分别为0.9899和0.9946，验证了所选拟合参数的合理性，HYDRUS-2D数值模拟具有较高的准确性。

2 结果与分析

2.1 初始含水率对土壤湿润体运移的影响

在h=12cm，不同土壤初始含水率条件下湿润锋运移距离与时间关系如图3所示。从图3中可以看出，0～30min，水分运动速度较快，湿润锋运移范围增加速率较大，30～50min后水分运动速率逐渐降低，然后趋于稳定，这是由于在水分入渗初期阶段，土壤含水率较低导致的土壤水吸力大，有较快的入渗速度。与初始含水率为8%时相比，初始含水率10%、12%、16%和20%时湿润锋运移距离垂直方向增幅为3.62%、8.49%、19.30%和35.99%，水平方向增幅为2.14%、4.76%、11.87%和22.40%。

2.2 压力水头对土壤湿润体运移的影响

土壤初始含水率为8%，不同压力条件下垂向和水平方向湿润锋运移距离与时间关系如图4。从图4可以看出，0～30min湿润锋运移速率较快，30～60min速率逐渐降低，最后逐渐趋于稳定。与压力水头为3cm时相比，压力水头6cm、9cm、12cm和15cm时湿润锋运移距离垂直方向增幅为9.60%、17.04%、22.92%和29.70%，水平方向增幅为9.75%、17.87%、25.65%和33.30%。

图2 实测值与模拟值比较

图4 不同压力水头下湿润锋运移距离

3 讨论

通过将湿润锋运移距离实测值与HYDRUS模型模拟值进行分析，垂直方向的R2为0.9899，水平方向的R2为0.9946，均在0.98以上，验证了HYDRUS软件Rosetta模块模拟软件拟合V-G模型参数的准确性，可以在后续试验中继续使用HYDRUS软件。这与聂坤堃等[15]、代智光[16]的发现一致，但模拟结果优于聂堃坤等的研究，主要是本次试验并未加入溶质，所构建的模型相较于聂堃坤的模型更简单，而与代小平的研究结果不同，沟灌水分入渗过程与涌泉根灌的水分运动过程并不相同，沟灌水分运动过程为二维面源入渗，涌泉根灌为一维入渗，2种入渗方式的不同，导致水分模拟结果出现区别。

在灌水试验过程中，初始含水率对垂直方向的湿润锋运移影响比水平方向更显著，这是由于受到了水的重力势影响，这与聂卫波等[4]和张勇勇等[17]的研究一致。随压力水头的增大，湿润锋运移距离逐渐增大，压力水头对水平方向的湿润锋运移距离影响较垂直方向比较显著，这是由于压力水头的增大，灌水沟断面湿周增大，增大了水分与灌水沟断面接触面积，从而提升了水平方向水分入渗速率，进而增加了水平方向湿润锋运移距离。聂坤堃[18]研究发现，沟中水深变化仅对水平向湿润锋运移影响较大，对垂直向几乎无影响，这是由于试验方案中压力水头大小跨度不同，并未观察到明显区别。

4 结论

本文在沟灌水分入渗实验基础上，运用HYDRUS-2D软件模拟不同初始含水率和压力水头条件下湿润锋的运移规律。将湿润锋运移距离实测值和HYDRUS-2D软件模拟值进行拟合，验证了HYDRUS-2D模拟实验参数的准确性，可以使用HYDRUS-2D构建沟灌水分运动模型。湿润锋运移距离随初始含水率以及压力水头的增大而增大。