氣壓深松參數對耕地滲透性影響規律試驗研究

左勝甲，杜明昊，孔德剛，丁旭旭

氣壓深松參數對耕地滲透性影響規律試驗研究

左勝甲1，杜明昊1，孔德剛2*，丁旭旭1

（1.通化師范學院 物理學院，吉林 通化 134001；2.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030）

【目的】探尋氣壓深松參數對耕地滲透性及灌溉蓄水能力的影響?！痉椒ā拷⒘耸覂饶M耕層結構，通過對氣壓深松機理的分析，選取噴氣壓力、犁底密度、深松位置、噴氣方向為試驗因素（采用四因素三水平兩兩交互作用正交試驗），以深松后犁底孔隙變化度為評價指標，進行了氣壓深松模擬試驗?！窘Y果】深松位置對犁底孔隙變化度即對滲透性的影響最大，犁底密度影響最??；各因素的交互作用對評價指標影響明顯，二因素的交互作用下，評價指標最大的因素數值組合為：噴氣方向為75°時與噴氣壓力2.2 MPa及其與犁底密度1.8 g/cm3、深松位置0.35 m時兩兩組合；深松位置0.25 m與噴氣壓力2.2 MPa和犁底密度1.8 g/cm3的兩兩組合；噴氣壓力1.4 MPa和犁底密度1.8 g/cm3的組合?！窘Y論】氣壓深松可以增加耕地滲透性，增強灌溉蓄水性；試驗條件下75°的噴氣方向為較適宜的噴氣方向；距土面0.35 m處為較適宜的深松深度；氣壓深松可提升高密度犁底層滲透性，為解決高密度犁底層不易被打破而導致水土保持效果不好的問題提供了新的思路。

氣壓深松；深松參數；滲透性；影響規律；灌溉蓄水

0 引言

【研究意義】由于耕地犁底層的存在，使空氣和水分難進入到作物的根部，影響根系的生長發育，深松作業可以打破耕地犁底層，是保護性耕作的重要方式，且易于在土體內形成水庫，減少土表水土流失[1]，另外實施深松作業可調節土壤三相比，增加土壤的孔隙度，有利于創造更好的作物生長環境，增強耕地灌溉蓄水性、增產效果明顯[2-3]。氣壓深松是不同于機械式深松的一種新型方式[4]。其原理是通過對耕地犁底層內部注入高壓氣體，利用氣壓劈裂原理使其打破，實現對耕地的深松?！狙芯窟M展】氣壓深松概念最早由東北農業大學左勝甲等于2014年提出[5]，并進行了可行性及深松特性試驗，證明氣壓深松的最大作用半徑為傳統機械式深松的2倍，并且作用范圍內的土體被疏松的程度差異性較小[6-7]，說明其均勻性較好。另外，試驗證明氣壓深松相對于傳統深松更容易加深深松的深度?！厩腥朦c】關于氣爆松土裂隙跡線方程，奚小波等[8]進行了試驗研究。劉明財等[9]利用高壓氣體對傳統深松進行減阻，對其減阻機理進行了分析，并設計了氣劈式深松鏟。但國內外針對于耕地氣壓深松機理的研究，以及氣壓深松關鍵技術參數對耕地滲透性的影響研究則相對較少?！緮M解決的關鍵問題】本文通過對氣壓深松機理的分析，選取影響深松裂隙擴展的主要參數。利用氣壓深松室內模擬裝置進行了試驗，以所選取的深松參數作為試驗因素，并以犁底層內深松前后的犁底孔隙度增加率作為分析指標，研究氣壓深松參數對耕地滲透性的影響規律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用東北典型黑土作為試驗土壤，土壤以有機質量高、土壤肥沃、土質疏松、最適宜耕作而聞名于世。試驗土壤的基本物理特性如表1所示。因為深松作業通常在春季或秋季進行，作業時土壤的含水率為15%～22%、犁底層密度為（體積質量）1.4～1.8 g/cm3、耕作層密度（體積質量）為1.17 g/cm3，所以需將試驗土壤調制成與實際深松作業時的土壤狀態一致。

氣壓深松試驗裝置主要由高壓氣體生成部分、氣壓調節部分、氣體注入部分及支撐架3和土槽7組成，高壓氣體由高壓氣泵1生成、由調壓閥2進行氣體調壓、氣體通過導氣管4、氣槍開關5、氣槍6注入到土體中，從而模擬氣壓深松作業。其測試原理如圖1所示。

表1 試驗土壤的基本物理特性

圖1 試驗設備

1.2 試驗方法

1）試驗因素選取

本試驗通過對氣壓深松機理分析，選取氣壓深松作業關鍵技術參數作為試驗因素。當高壓氣體注入到犁底層后，由于氣壓的存在，高壓氣體會在犁底層內快速形成裂隙并擴散。由于高壓氣體的擴散導致其壓力衰減，從而影響裂隙擴展發育。因此，氣壓深松裂隙的擴展模型應考慮通過氣體壓力分布模式、氣體泄漏特征、裂隙發育擴展3個方面進行構建及表述。

①模型假設

氣壓深松時土體內裂隙的產生及擴展是氣體和土體耦合作用過程[10-11]，為了便于對氣壓深松裂隙擴展模型的研究，做如下假設：

Murdoch等[12]統計的現場氣壓劈裂裂隙形態和Alfaro等[13]的室內模型試驗均表明，土體內劈裂裂隙在起劈點一定范圍內均為水平狀，且近似為圓形。因此可以假設氣壓深松裂隙在噴氣起劈點一定范圍內，一直保持橢圓形狀態，其裂隙擴展模型如圖2所示。

圖2 氣壓深松裂隙擴展模型

②氣體壓力分布方程

氣壓深松時氣壓分布模型構建應考慮高壓氣體擴展過程中土體與高壓氣體間的摩擦力，導致其衰減，通過Nautiyal[14]提出的考慮裂流體與隙壁摩擦影響，基于2個無限平板模型的壓力分布模式解析式，建立距噴氣點不同距離下氣壓深松土體內壓力分布方程，如式（1）所示：

式中：為高壓氣體壓力（MPa）；gas為高壓氣體黏滯系數；g為重力加速度（N/kg）；max為氣體的密度（kg/m3）；為高壓氣體徑向流速（m/s）。

考慮到氣體的可壓縮性，求解式（1）得到：

式中：P+1為注氣點+1處的高壓氣體壓力（MPa）；P為注氣點r處的高壓氣體壓力（MPa）；為注氣點r+1與r之間的流量（m3/s）；為深松裂隙寬度（mm）。

③高壓氣體泄漏方程

氣壓深松裂隙的擴展是一個復雜的過程，為了研究問題的方便，依據土力學理論中關于流體與土體滲流作用的一維固結理論分析中的假設前提[15]，假設土體是彈性體、均質、各向同性的，氣體在土體中的滲漏速率相等。在氣體擴散產生裂隙，由于增大了土體內的孔隙度導致氣體泄漏，可以將漏氣裂隙通道劃分為以噴氣點為中心的若干個同心圓環，計算出單個同心圓環滲漏量。便可累計得到總的滲漏量，其計算式為：

式中：leak為氣體泄漏的總量（m3）；leak為氣體在土體中的滲透系數；為第個圓環距深松注氣點的距離（m）；-1為第-1個圓環距深松注氣點的距離（m）；為每個圓環的平均氣體壓力（MPa）；為滲透的距離（m）。

④土體位移方程

關于高壓流體對土體劈裂機理，主要有剪切機理和抬升張拉機理。韓文君等[16]認為氣壓劈裂過程中土體位移模型是指土體對裂隙擴展的響應，裂隙寬度是裂隙內壓力引起的土體變形。對于淺層土體的氣壓劈裂其根據Murdoch等[12]的統計結果，假定上覆土體的豎向位移等于裂隙寬度，獲取淺層土裂隙寬度公式：

式中：為處的裂隙寬度（mm）；為上腹土層厚度（m）；為土體的壓縮模量（MPa）；為噴氣壓力（MPa）；為裂隙半徑（mm）。

通過對氣壓深松裂隙擴展模型分析可知，氣壓、土體的壓縮模量、上腹土層厚度為影響氣壓深松裂隙擴展的關鍵參數，犁底層土體的壓縮模量與犁底密度高度相關。同時，深松位置與上腹土層厚度高度相關，另外考慮到裂隙的擴展受噴氣方向的影響。因此試驗設計中將“噴氣方向、噴氣壓力、犁底密度和深松位置”作為試驗因素分析在其交互作用對耕地滲透性影響規律。

2）試驗評價指標

犁底層的孔隙度是耕地滲透性的重要表征。為了深入分析氣壓深松對提升耕地滲透性的效果和影響規律，本試驗將犁底孔隙變化度（深松前、后的犁底層內土壤孔隙度的差值與深松前土壤孔隙度之比）作為評價指標。

本研究利用阿爾奇建立的土壤電阻率模型，經由試驗用土的電阻率與土壤孔隙度關系式標定試驗[17]，獲取試驗土壤在含水率為18%（通常深松作業時土壤含水率）時土壤電阻率與土壤孔隙度的關系式如式（5）所示：

式中：0為土壤電阻率（Ω·m）；為土壤孔隙度。

利用溫納法[18-19]測得“犁底層”試驗前后的土壤電阻率，代入式（5），通過數學求解軟件1stopt v1.5，進行編程求解，可以得出試驗前后“犁底層”土壤孔隙度值，進而得到犁底孔隙變化度。

1.3 試驗設計

旱作耕地結構從下至上大體為0.2～0.25 m的犁底層及厚度約為0.2 m的耕作層（松土）[20-21]，為了模擬實際深松作業時的土層狀態，本試驗構建了旱作耕地模型，預先鋪設了約0.25 m的“犁底層”，使其密度達到試驗所需密度。然后在犁底層上面鋪設約0.2 m厚的試驗土壤作為“耕作層”（密度約為1.17 g/cm3），土壤含水率調至18%。

本試驗的因素水平如表2所示。試驗的4個因素為：噴氣方向A如圖3所示，通過氣槍噴氣孔的角度不同獲得不同的噴氣方向、噴氣壓力B、犁底密度C和深松位置D（距地面深度），犁底孔隙變化度用表示。本試驗采用四因素三水平兩兩交互作用正交試驗。

表2 試驗因素水平

圖3 氣搶注氣示意圖

采用27(313)正交試驗表，其表頭設計如表3所示。試驗方案及結果如表4所示。

表3 試驗表頭設計

2 結果與分析

表4為試驗方案及結果，由表4可知，氣壓深松前后犁底層孔隙變化度均為正值。證明犁底被疏松孔隙變大，達到了增加滲透性的效果，分析比較各個列的極差值可直觀得出，各因素對犁底孔隙變化度影響最大的為：深松位置D（第九列），其次是噴氣方向A（第一列），然后是噴氣壓力B（第二列），犁底密度C（第5列）的極差值相對較小，對指標的影響程度相對較低。

本試驗分別從噴氣方向與噴氣壓力的交互作用、噴氣方向與犁底密度的交互作用、噴氣方向與深松位置的交互作用，犁底密度與深松位置交互作用、噴氣壓力與犁底密度的交互作用、噴氣壓力與深松位置的交互作用，6個方面對犁底孔隙變化度的影響進行分析。4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別為深松位置與犁底密度為（0.35 m、1.6 g/cm3）中間水平、噴氣壓力與深松位置為（1.8 MPa、0.35 m）中間水平、噴氣壓力與犁底密度為中間水平（1.8 MPa、0.35 m）時，噴氣方向分別與噴氣壓力、犁底密度和深松位置兩因素交互作用對評價指標犁底孔隙變化度影響的曲面圖。

由圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）可知，在交互作用下，犁底孔隙變化度隨著噴氣方向角度（與水平方向的夾角）的增加呈先增大后減小的趨勢；在任一噴氣方向，隨著噴氣壓力的增加，犁底孔隙變化度逐漸增大，當噴氣方向為75°、噴氣壓力為2.2 MPa時，犁底孔隙變化度最大。在任一噴氣方向，犁底孔隙變化度隨著犁底密度的增加而增大，當噴氣方向為75°，犁底密度為1.8 g/cm3時，犁底孔隙變化度較大；在任一噴氣方向，犁底孔隙變化度隨著深松位置的加深，呈小幅波動減小的趨勢，噴氣方向為75°時，深松位置在0.35 m時，犁底孔隙變化度較大。

表4 試驗方案及結果

注R為第因素的極差值；k為試驗指標之和的算數平均值。

圖4（d）、圖4（e）分別為噴氣方向與深松位置為中間水平（75°、0.35 m），噴氣方向與犁底密度為中間水平（75°、1.6 g/cm3），噴氣壓力與深松位置為（1.8 MPa、1.6 g/cm3）時，噴氣壓力與犁底密度和深松位置兩因素交互作用對評價指標犁底孔隙變化度的曲面圖。

由圖4（d）可知，犁底密度低時，隨著噴氣壓力的增加犁底孔隙變化度增大，犁底密度高時，犁底孔隙變化度變化幅度相對較??；另外，任一噴氣壓力作用下，隨著犁底密度的增加，犁底孔隙變化度增加率也隨之增大。試驗條件下，當噴氣壓力為1.4 MPa時，犁底密度為1.8 g/cm3時犁底孔隙增加度較大。由圖4（e）可知，隨著噴氣壓力增加犁底孔隙變化度增大；隨著深松位置的加深，犁底孔隙變化度減??；噴氣壓力2.2 MP時，深松位置在深度0.25 m時，犁底孔隙變化度較大。

圖4 各因素交互作用的影響

圖4（f）為噴氣壓力為中間水平1.8 MPa時，噴氣方向75°時，犁底密度與深松位置的交互作用對評價指標影響的曲面圖。由圖4（f）可知，隨著犁底密度的增加，犁底孔隙變化度增大；隨著深松位置深度的加深，犁底孔隙變化度減??；當犁底密度為1.8 g/cm3，深松位置在深度0.25 m時，犁底孔隙變化度最大。

3 討論

本試驗過程中，在氣壓深松時，發現土面明顯抬升，并隨著距噴氣點距離的增加抬升幅度逐漸減小，這與韓文君等[16]關于高壓流體對土體劈裂機理研究中，得出高壓流體對土體劈裂存在剪切機理和抬升張拉機理，其中對于淺層土體更符合抬升張拉機理的表述一致。分析原因，高壓氣體由噴氣孔噴出后，氣體沿水平方向運動的同時向四周擴散且壓力逐漸減小，另外高壓氣體以噴氣點為中心向四周球面擴散形成了壓力場，壓力場使土體內部產生裂隙，因為土槽上方沒有足夠約束，所以上方壓力場的合力使得上方的土面抬升，即越接近土面中心處土面抬升量就越大。另外，隨著與噴氣點距離的增加，高壓氣體的泄漏，其沖擊力逐漸降低，導致土面抬升量隨著距離的增加逐漸減小。

本研究中的深松高壓氣體的壓力通過預試驗選取的最小深松氣壓為1.4 MPa，壓力區間為1.4～2.2 MPa，在高壓氣體的作用下，不同密度犁底層內的土壤孔隙度均增大，實現了增加土體滲透性的目的。而馮壯壯等[22]通過對新疆地區的灰漠土進行氣壓深松模擬試驗的氣壓深松壓力最小值為1.0 MPa，也同樣達到了增加土體滲透性的效果，這表明土壤質地不同，土壤凝聚力不同，深松氣壓參數的選取也不同，說明在設計氣壓深松裝備時注氣裝置應該具有壓力可調功能以適應不同的土壤質地。

土體的應力歷史、應力狀態及土層成層性均會影響裂隙的擴展方向?，F有的研究成果對裂隙擴展方向的認識是一致的，裂隙的擴展方向垂直于最小主應力方向，當最小主應力為水平向時，裂隙為豎向裂隙；當最小主應力為豎向時，裂隙為水平裂隙，本試驗的結果可以一定程度上反映裂隙的發展方向，犁底層內一定水平范圍內的土壤孔隙度提升證明了裂隙的水平擴展與Suthersan[23]認為淺層超固結土的氣壓劈裂多產生水平裂隙的表述一致?？梢缘贸鐾馏w的應力狀態是控制裂隙傳播的主要因素，控制淺層土的應力狀態一定程度上是可以控制裂隙擴展的方向。

本研究表明，試驗參數中對評價指標影響最顯著的是深松位置，而土體密度對評價指標影響相對較小，這與涂杰等[24]研究結果一致。這可能是因為試驗條件下的高壓氣體產生的沖擊力大于最大土體密度所產生的阻力，高壓氣體可以在瞬間打破試驗條件下犁底密度的土體產生裂隙，同時高壓氣體向土面泄漏，導致其沖擊力受泄漏路徑長短即深松位置影響明顯，從另一角度也可以說明，深松作業時上腹土層厚度對評價指標影響顯著，而上腹土層厚度與土壓密切相關，將來在對氣壓深松機理深入研究及相關試驗應將土壓作為一重要影響因素。

4 結論

1）氣壓深松后，犁底層內的土壤孔隙度增大，高壓氣體打破了耕地犁底層，增加了耕地的滲透性，利于水土保持與灌溉。

2）氣壓深松作業時，試驗條件下75°的噴氣方向為較適宜的噴氣方向；距土表0.35 m處為較適宜深松深度；氣壓深松對高密度（1.8 g/cm3）犁底層同樣具有較好的提升滲透性的效果。

3）氣壓深松后土體內犁底孔隙變化度即滲透性的提升，受深松參數的影響明顯但并非正相關。

（作者聲明本文無實際或潛在利益沖突）

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Impact of Air Pressure in Subsoiling on Soil Permeability

ZUO Shengjia1, DU Minghao1, KONG Degang2*, DING Xuxu1

(1. School of Physics, Tonghua Normal University, Tonghua 134001, China;2. College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

【Objective】The dense plough layer is difficult for airs and water to move into and out the root zone, hindering root penetration as a result. Deep loosening techniques, including the innovative air pressure subsoiling method, offer a solution by effectively breaking up this compacted layer. In contrast to traditional mechanical subsoiling, air-pressure subsoiling involves injecting high-pressure gas into the bottom of the plough layer. This paper studies the influence of air pressure on permeability of the loosen plough layer.【Method】Laboratory experiments were conducted to investigate the effect of air pressure subsoiling. We analyzed the mechanism underlying this process and assessed the impact of operating factors, including air jet pressure, bulk density of the plough layer, subsoiling position, and air jet direction, on loosening the soil. 【Result】Among the factors we studied, subsoiling position had the most pronounced effect on soil permeability, and bulk density of the plough layer had the least impact. These factors collectively influenced the porosity of the loosened plough layer. Under the test conditions, when the bulk soil density was 1.8 g/cm3and the subsoiling depth was 0.35 m, an air jet direction of 75°combined with a jet pressure of 2.2 MPa yielded the most effective results. Similarly, with the bulk density was 1.8 g/cm3and subsoiling depth was 0.25 m, using a jet pressure 2.2 MPa was highly effective. 【Conclusion】Deep loosening the plough layer by air injecting can increase the permeability of the plough layer and enhance its water storage capacity. Under the test condition, 75° is an appropriate angle to inject the air; injecting the air at the depth of 0.35 m is the most suitable for plough layer loosening.

air pressure deep loosening; deepening parameters; permeability; law of influence; irrigation water storage

1672 - 3317（2023）10 - 0098 - 07

S22.1+9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022667

左勝甲, 杜明昊, 孔德剛, 等. 氣壓深松參數對耕地滲透性影響規律試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(10): 98-104.

ZUO Shengjia, DU Minghao, KONG Degang, et al. Impact of Air Pressure in Subsoiling on Soil Permeability[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 98-104.

2022-11-25

2023-06-20

2023-09-14

吉林省教育廳“十三五”科學技術研究項目（20191096KJ）；通化師范學院學生創新與技能訓練項目（CS2023134）

左勝甲（1984-），男，吉林通化人。副教授，博士，主要從事農業機械化工程研究。E-mail: zuoshengjia@163.com

孔德剛（1956-），男，吉林白山人。教授，博士生導師，主要從事農業機械化工程研究。E-mail: 509152836@qq.com

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責任編輯：趙宇龍