浑水膜孔灌入渗影响因素

浑水膜孔灌入渗影响因素

钟韵1, 费良军1, 傅渝亮1, 金世杰1, 王锦辉2

(1.西安理工大学水资源研究所, 陕西 西安 710048; 2.西北综合勘察设计研究院, 陕西 西安 710003)

钟韵

摘要：为了揭示浑水入渗与清水入渗的差异,通过大量浑水膜孔灌自由入渗试验资料,分析了影响浑水膜孔灌自由入渗能力的因素,研究了泥沙粒度组成、膜孔直径、土壤容重和土壤初始含水量对浑水膜孔灌自由入渗能力的影响,结果表明各因素对膜孔灌自由入渗能力均有显著的影响,提出了各影响因素与浑水膜孔灌入渗能力之间的关系,建立了泥沙粒度组成、膜孔直径、土壤容重以及土壤初始含水量的浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量和稳定入渗率模型,其相关系数均大于0.960 0,根据入渗时间利用这些模型可求得相应的累积入渗量、稳定入渗率,从而进一步判断浑水膜孔灌土壤的自由入渗能力．结论可为更深入地研究浑水膜孔灌自由入渗规律和浑水膜孔灌技术提供参考．

关键词：膜孔灌;浑水入渗;泥沙粒度组成;稳定入渗率;单点源入渗

钟韵, 费良军, 傅渝亮， 等. 浑水膜孔灌入渗影响因素[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(2):178-184.

ZHONG Yun, FEI Liangjun, FU Yuliang, et al. Influence factors of muddy water film hole irrigation infiltration[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(2):178-184.(in Chinese)

膜孔灌溉技术是覆膜灌溉中较先进的,既具有地面灌的特点,又具有滴灌局部灌的效果,在提高灌溉水利用效率、增强人为对地面灌溉水流入渗的操控性等方面发挥了巨大作用．关于膜孔灌溉方面的研究,王锦辉等[1]、脱云飞等[2]和李发文等[3]在陕西和新疆等地开展了膜孔灌入渗特性、田面水流运动、灌溉技术要素、灌溉质量和影响因素等方面的室内外试验研究工作,已取得了一批重要的研究成果.

关于浑水膜孔灌的研究[4-6],鲜见国外的研究报道,仅有BOUWER等[7]针对大池塘渗漏问题对浑水入渗规律进行了探讨,其重点研究了浑水泥沙沉积中的泥沙颗粒运动状况对渗流的影响特性.中国在浑水传统地面灌和波涌灌的土壤水分入渗特性方面开展了一些研究工作,主要集中在浑水一维垂直连续入渗和波涌灌间歇入渗方面;利用浑水灌溉是中国黄河流域灌溉的主要特点,由于浑水中的泥沙作用,使得浑水与清水的入渗过程存在很大差异,所以对浑水膜孔灌入渗能力研究具有十分重要的科学价值．

土壤入渗能力是土壤的固有属性,其对灌溉水转换为土壤水的速度起着决定性作用,从而影响到地面灌溉的灌溉效果和灌水质量[8]．文中以大量的浑水膜孔灌室内入渗试验为依据,研究泥沙粒度组成、膜孔直径、土壤容重和土壤初始含水量对浑水膜孔灌自由入渗土壤入渗能力的影响．

1 材料与方法

1.1 试验材料

为了研究浑水膜孔灌单点源自由入渗特性,利用室内单点源自由入渗装置[9]进行入渗试验．试验土箱采用长×宽×高为24 cm×20 cm×30 cm,厚10 mm的有机玻璃制作,入渗点源采用1/4膜孔面积的方形水室,置于土箱的一角,以便于观测湿润锋的运移过程．入渗源水室采用5 mm厚有机玻璃制成,水室的高度为2 cm．试验利用改装的加机械自动搅拌系统的透明有机玻璃的马氏瓶自动供水,通过叶片的转动来搅动浑水,防止浑水中泥沙沉淀．试验装置如图1所示．

图1 浑水膜孔灌自由入渗装置

Fig.1 Device for free infiltration of muddy water film hole irrigation

1.2 试验方法

试验土箱中土样为西安粉砂土,风干碾碎后过2 mm筛,土壤饱和质量含水量为36.87%,物理性黏粒为25.06%,饱和导水率为0.017 2 cm/min,土壤颗粒组成通过英国生产的Mastersizer-2000激光粒度分析仪测定,粒径在d≤0.001,0.001d≤0.010,0.010d≤0.100,0.100d≤2.000 mm的体积分数各占0.70%,24.36%,72.08%,2.86%;按预定的含水率配土后,按预定土壤容重分层(5 cm)称重装入试验土箱,按表1分组进行试验,表中D为膜孔直径；θ为土壤初始含水率；rd为土壤容重；d0.01为泥沙物理性黏粒含量．

表1 对浑水膜孔灌自由入渗试验的不同影响因素分组

Tab.1 Different influence factors grouping of muddy water film hole irrigation free infiltration experiment

影响因素D/cmθ/%rd/(g·cm-3)d0.01/%152.251.40清水20.2625.0631.7537.2324568一维土柱2.321.4020.26352.191.361.381.401.421.4420.26452.934.515.708.4411.431.4020.26

运用风干碾碎后过1 mm筛的泥土配置成重量含沙率为5%的浑水,将1/4膜孔置于试验土箱装置的角上;按照先密后疏的时间间隔通过马氏瓶刻度读取累积入渗量[10]．

2 结果与分析

土壤入渗过程在达到稳定入渗之前,常用累积入渗量来表征入渗能力,达到稳定之后可以用稳定入渗速率表征入渗能力[11];影响浑水膜孔灌自由入渗能力的主要因素有泥沙粒度组成、膜孔直径、土壤容重和土壤初始含水率等．

2.1 泥沙粒度组成对入渗能力的影响

泥沙物理性黏粒是浑水中最活跃的成分,含量的多少是影响浑水入渗特性的主要因素,所以在研究浑水泥沙粒度组成对浑水膜孔灌自由入渗特性的影响时,通常用粒径小于0.01 mm的物理性黏粒含量d0.01来表征不同泥沙粒度的特性[12]．

在膜孔直径为5 cm、初始土壤含水率为2.25%、土壤容重为1.40 g/cm3,及其他影响因素一致的条件下分别对浑水泥沙物理性黏粒含量为20.26%, 25.06%, 31.75%,37.23%进行不同泥沙粒度组成的浑水膜孔灌单点源自由入渗以及相同条件下清水试验．

2.1.1 泥沙粒度组成对累积入渗量的影响

图2为不同泥沙粒度组成的浑水膜孔灌单点源自由入渗单位膜孔面积累积入渗量曲线，图中t为入渗时间．

图2 不同泥沙粒度组成的单位膜孔面积累积入渗量曲线

Fig.2 Curves of cumulative infiltration volume per unit film hole area of different clay and sand grades

由图2可以看出物理性黏粒含量d0.01从20.26%增大到37.23%,250 min时单位面积累积入渗量从31 cm递减到24 cm,减小率达23%,表明单位面积累积入渗量受物理性黏粒含量d0.01影响较大,单位面积累积入渗量随物理性黏粒含量d0.01的增大反而减少,这主要是由于在浑水膜孔灌自由入渗过程中,浑水中泥沙在土壤表面沉积,形成一个沉积层[13],其紧密程度与厚度都随物理性黏粒含量d0.01增大而增大,导致阻渗作用越大．在浑水膜孔灌自由入渗过程中,泥沙中粗颗粒先在膜孔表面沉淤,细颗粒后沉淤,细颗粒含量越多,阻渗作用越强．

分析可知不同泥沙粒度组成的浑水膜孔灌单点源入渗单位膜孔面积累积入渗量均符合Kostiakov模型,这与文献[14]得出的膜孔灌溉入渗模型一致,即

I=Ktα,

(1)

式中:I为浑水膜孔灌单点源自由入渗单位膜孔面积累积入渗量,cm;K为入渗系数,cm/min;α为入渗指数;t为入渗时间,min．

对图2中实测数据利用式(1)进行拟合所得参数K,α与物理性黏粒含量d0.01存在关系[15] 为

(2)

(3)

式中:Kd,αd为不同泥沙粒度组成的入渗系数、入渗指数;K0,α0为清水的入渗系数、入渗指数;Kd/K0,αd/α0为相对入渗系数、相对入渗指数;a,b,c,d为经验参数．则浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量与物理性黏粒含量d0.01具有以下关系：

(4)

对试验数据进行拟合得

(5)

2.1.2 泥沙粒度组成对稳定入渗率的影响

图3为不同泥沙粒度的浑水膜孔灌入渗率曲线．

图3 不同泥沙粒度的入渗率曲线

Fig.3 Infiltration rate curves of different clay and sand grades

由图3可以看出:在相同的入渗时间内,清水入渗和不同泥沙粒度的浑水膜孔灌自由入渗的入渗率均随着时间的延长而逐渐减少,最后都趋近于稳定值,浑水入渗达到稳渗的时间比清水早并且物理性黏粒含量越大,达到稳渗的时间越早,土壤稳定入渗率受物理性黏粒含量影响比较大,试验土壤稳定入渗率随物理性黏粒含量的增大反而减小,物理性黏粒含量d0.01从20.26%增大到37.23%,稳定入渗率从0.10 cm/min递减到0.08 cm/min,减小率达20%,物理性黏粒含量d0.01与稳定入渗率呈极显著指数函数负相关．

将图3中的稳定入渗率if和泥沙物理性黏粒含量d0.01进行拟合,可以得到稳定入渗率与泥沙粒度组成的关系为

if=0.168 9e-0.018 5d0.01,R2=0.975 3,

(6)

式中:if为不同泥沙粒度组成的稳定入渗率,cm/min;其拟合决定系数R2大于0.970 0,说明拟合结果较好．

2.2 膜孔直径对入渗能力的影响

在土壤初始含水率为2.32%、浑水泥沙物理性黏粒含量d0.01为20.26%、土壤容重为1.40 g/cm3,及其他影响因素一致的条件下分别对膜孔直径为4,5,6,8 cm进行不同膜孔直径的浑水膜孔灌自由入渗试验;同时在相同条件下利用土柱进行浑水垂直一维入渗试验,其可看作膜孔直径趋近于无穷大时的入渗．

2.2.1 膜孔直径对累积入渗量的影响

图4为不同膜孔直径的浑水膜孔灌单点源入渗单位膜孔面积累积入渗量曲线．可以看出膜孔直径从4 cm增大到8 cm,257 min时单位面积累积入渗量从34 cm递减到20 cm,减小率达41%,表明单位膜孔面积累积入渗量受膜孔直径影响较大．

图4 不同膜孔直径的单位膜孔面积累积入渗量曲线

Fig.4 Curves of cumulative infiltration volume per unit film hole area of different film hole diameters

利用I=Ktα对图4中实测数据进行拟合可知参数K,α与膜孔直径D存在关系为

K=K0(1+aDb),

(7)

α=α0(1+menD),

(8)

则单位膜孔面积累积入渗量与膜孔直径D关系为

I=Ktα=K0(1+aDb)tα0(1+menD),

(9)

式中:K0,α0为垂直一维入渗的入渗系数、入渗指数;a,b,m,n为拟合参数．

对试验数据进行拟合得

I=0.159 6(1+5.700 2D-1.812 3)t0.601 6(1+0.605 2e-0.031 6D).

(10)

上述拟合过程中的相关系数R2均大于0.960 0，说明浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间t比较符合该模型．

2.2.2 膜孔直径对稳定入渗率的影响

图5为不同膜孔直径的入渗率曲线．可以看出,不同膜孔直径的浑水膜孔灌入渗率均随时间的延长而递减,最后达到稳定入渗率,膜孔直径对其影响比较大,试验土壤稳定入渗率随膜孔直径的增大反而减小,膜孔直径从4 cm增大到8 cm,稳定入渗率从0.11 cm/min递减到0.07 cm/min,减小率达36%,膜孔直径与稳定入渗率呈极显著幂函数负相关．

图5 不同膜孔直径的入渗率曲线

Fig.5 Infiltration rate curves of different film hole diameters

将图5中的稳定入渗率if和膜孔直径D进行拟合,可得到与膜孔直径有关的稳定入渗率模型为

if=i0(1+31.747 9D-0.830 9),

(11)

式中:if为不同膜孔直径的稳定入渗率,cm/min;i0为垂直一维入渗的稳定入渗率,cm/min．其拟合决定系数R2大于0.980 0,说明拟合结果较好．

2.3 土壤容重对入渗能力的影响

在膜孔直径为5 cm、浑水泥沙物理性黏粒含量d0.01为20.26%、土壤初始含水率为2.19%,及其他影响因素一致的条件下分别对土壤容重为1.36,1.38,1.40,1.42,1.44 g/cm3进行不同土壤容重的浑水膜孔灌自由入渗试验．

2.3.1 土壤容重对累积入渗量的影响

图6为5种土壤容重的浑水膜孔灌单点源单位膜孔面积累积入渗量曲线．可以看出,土壤容重从1.36 g/cm3增大到1.44 g/cm3,307 min时单位面积累积入渗量从45 cm递减到28 cm,减小率达38%,表明单位膜孔面积累积入渗量受土壤容重影响较大,单位膜孔面积上的累积入渗量随土壤容重的增加反而减小．这是由于在入渗过程中水分的主要通道为大孔隙及其传导孔隙,土壤中较大孔隙的数量以及分布将直接影响浑水在土壤中的运移[11],而土壤容重增加时,土壤变得更加紧密,土壤的孔隙减少．

图6 不同土壤容重的单位膜孔面积累积入渗量曲线

Fig.6 Curves of cumulative infiltration volume per unit film hole area of different soil bulk densities

利用式I=Ktα,对图6中的实测数据进行拟合可知参数K与土壤容重rd呈极显著指数负相关,α与土壤容重rd存在极显著对数相关,即

K=33 257e-6.715 8rd,R2=0.988 6,

(12)

α=0.306 6ln rd+0.382 2, R2=0.983 6,

(13)

则浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量与土壤容重rd的关系为

I=Ktα=33 257e-6.715 8rdt0.306 6ln rd+0.382 2.

(14)

上述拟合过程中的相关系数R2均大于0.980 0，说明浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间t的关系比较符合该模型．

2.3.2 土壤容重对稳定入渗率的影响

图7为不同土壤容重的入渗率曲线．可以看出,不同土壤容重的浑水膜孔灌入渗率均随时间的延长而递减,最后达到稳定入渗率.稳定入渗率受容重影响比较大,试验土壤稳定入渗率随土壤容重增大反而减小,土壤容重从1.36 g/cm3增大到1.44 g/cm3,稳定入渗率从0.13 cm/min递减到0.08 cm/min,减小率达38%,土壤容重与稳定入渗率呈极显著对数负相关．

图7 不同土壤容重的浑水入渗率曲线

Fig.7 Muddy water infiltration rate curves of different soil bulk densities

将图7中的稳定入渗率if和土壤容重进行拟合得出试验土壤稳定入渗率与容重符合对数负相关关系,可得到不同土壤容重的稳定入渗率模型为

if=-1.75ln rd+0.726 5,R2=0.995 7.

(15)

其拟合决定系数R2大于0.990 0,说明拟合结果较好．

2.4 初始含水率对入渗能力的影响

膜孔直径为5 cm、浑水泥沙物理性黏粒含量d0.01为20.26%、土壤容重为1.40 g/cm3,在其他影响因素一致的条件下分别对土壤初始含水率为2.93%,4.51%,5.70%,8.44%,11.43%进行不同初始土壤含水率的浑水膜孔灌自由入渗试验．

2.4.1 初始含水率对累积入渗量的影响

图8为5种土壤初始含水率的浑水膜孔灌单点源单位膜孔面积累积入渗量曲线．可见土壤初始含水率从2.93%增大到11.43%,307 min时单位面积累积入渗量从36 cm递减到20 cm,减小率达44%,表明单位膜孔面积累积入渗量受土壤初始含水率影响较大,随着初始含水率的增大,相同时间内单位膜孔面积累计入渗量呈递减趋势．这是由于一方面较高的土壤初始含水量增强了土壤胶体颗粒的分散和膨胀，使得土壤孔隙堵塞引起导水能力的减小[16];另一方面由于土壤初始含水率越高,其水分入渗锋面的土水势也越高,则平均势梯度(水分入渗锋面与地表之间)越小,因此土壤的入渗通量越小即土壤累积入渗量越低[17]．

图8 不同土壤初始含水率的单位膜孔面积累积入渗量曲线

Fig.8 Curves of cumulative infiltration volume per unit film hole area of different initial soil water contents

分析可知不同土壤初始含水率的浑水膜孔灌单点源入渗单位膜孔面积累积入渗量均符合Kostiakov模型,对图8中的实测数据利用式I=Ktα进行拟合可知参数K随土壤初始含水率θ增大而减小,具有良好的幂函数关系,指数α大小变化不大,呈近平线型指数关系

K=0.179 7θ-0.736 9, R2=0.962 6,

(16)

α=0.526 8e0.164 8θ, R2=0.960 4,

(17)

则浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量与土壤含水率关系为

I=Ktα=0.179 7θ-0.736 9t0.526 8e0.164 8θ.

(18)

上述拟合过程的相关系数R2均大于0.960 0,说明浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间t的关系很符合该模型．

2.4.2 初始含水率对稳定入渗率的影响

图9为不同土壤初始含水率的浑水膜孔灌单点源入渗率曲线．可以看出在相同的入渗时间内,不同初始含水率的浑水膜孔灌入渗率均随时间的延长而递减,最后达到稳定入渗率,土壤稳定入渗率受土壤初始含水率影响比较大,土壤初始含水率越大，达到稳渗的时间越早,试验土壤稳定入渗率随土壤初始含水率的增大反而减小,土壤初始含水率从2.93%增大到11.43%,稳定入渗率从0.10 cm/min递减到0.06 cm/min,减小率达40%,土壤初始含水率与稳定入渗率呈极显著幂函数负相关,这是由于水分在土壤中入渗主要受基质势(吸力)和重力势的作用[18],而土壤初始含水率的增大导致吸力减小,土壤湿润锋运移速度变小,土壤的入渗率减小．对图9中的稳定入渗率if和不同初始含水率进行拟合,得出试验土壤稳定入渗速率与初始含水率呈显著幂函数关系,可以得到不同初始含水率的稳定入渗率模型为

if=0.010 6θ-0.747 1, R2=0.979 7.

(19)

其拟合决定系数R2大于0.970 0,说明拟合结果较好．

图9 不同土壤初始含水率的浑水入渗率曲线

Fig.9 Muddy water infiltration rate curves of different initial soil water contents

3 结 论

1) 浑水膜孔灌自由入渗能力受泥沙粒度组成、膜孔直径、土壤容重和土壤初始含水量等因素影响比较显著．

2) 浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量随物理性黏粒含量d0.01的增大而减小;膜孔直径愈大,单位膜孔面积累积入渗量愈小;随着土壤容重的增大,浑水膜孔灌单点源自由入渗单位膜孔面积累积入渗量减小;初始含水率愈大,单位膜孔面积累积入渗量愈小．

3) 浑水膜孔灌自由入渗的稳定入渗率随物理性黏粒含量d0.01的增大而减小,两者呈指数负相关;膜孔直径愈大,稳定入渗率愈小,两者呈幂函数关系;随着土壤容重的增大,浑水膜孔灌稳定入渗率减小,两者呈对数负相关关系;初始含水率愈大,稳定入渗率愈小,两者呈幂函数关系．

4) 通过拟合得到在各影响因素下的浑水膜孔灌自由入渗的单位膜孔面积累积入渗量、稳定入渗率模型其相关性显著;利用这些模型可以在一定已知条件下根据入渗时间求得相应的累积入渗量、稳定入渗率,从而进一步判断土壤的入渗能力．

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(责任编辑 徐云峰)

Influence factors of muddy water film hole irrigation infiltration

ZHONG Yun1, FEI Liangjun1, FU Yuliang1, JIN Shijie1, WANG Jinhui2

(1.Institute of Water Resources Research, Xi′an University of Technology, Xi′an, Shaanxi 710048, China; 2.Northwest Research Institute of Engineering Investigations and Design,Xi′an, Shaanxi 710003, China)

Abstract：In order to reveal the difference of muddy water infiltration and clean water infiltration, through the test data of free infiltration of muddy water film hole irrigation, analyzing the influence of free water infiltration capacity of muddy water film hole irrigation, such as clay and sand grade,size of film hole,soil bulk density and initial soil water content were researched.The results show that various factors all have a significant impact on the film hole irrigation free infiltration capacity,putting forward the relationship between the influence factors and the infiltration capacity of muddy water film hole irrigation.The model of clay and sand grade,size of film hole,soil bulk density and cumulative infiltration volume per unit film hole area of free infiltration of muddy water film hole irrigation of initial soil water content and steady infiltration rate was established. Moreover its correlation coefficient is greater than 0.960 0. Based on the model, the cumulative infiltration volume per unit film hole area and steady infiltration rate can be obtained, further judging the free infiltration capacity in soil under muddy water film hole irrigation. The results could provide a reference for further studies of muddy water film hole irrigation free infiltration law and technology.

Key words：film hole irrigation;muddy water infiltration;clay and sand grade;steady infiltration rate; single point source infiltration

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0035

收稿日期：2016-03-23;

网络出版：时间： 2017-01-17

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170117.1507.002.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51479161，51279157); 公益性行业科研专项资助项目(201203003)

作者简介：钟韵(1992—),男,江西宜春人,博士研究生([e-mail]),主要从事节水灌溉研究． 费良军(1963—),男,陕西蓝田人,教授,博士生导师(通信作者，[e-mail]),主要从事节水灌溉、农业水资源利用研究．

中图分类号：S275.3

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2017)02-0178-07