裂隙影響下的微潤灌水分運移和分布規律

齊偉,和玉璞,紀仁婧,麥紫君,王策,江曉星

(1. 南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029;2. 河海大學農業科學與工程學院,江蘇 南京 211100; 3. 南京江寧湖熟街道水務站,江蘇 南京 211121)

微潤灌是由中國率先研發、提出并逐步應用的一種高效節水灌溉技術.該技術核心部件是微潤管,系統運行時管多埋在地下,管內水分在管內水壓力和管外土壤基質勢的作用下從管壁孔隙緩慢滲出,然后在土壤基質勢作用下向周圍擴散從而向作物根區供水[1].微潤管出流速率可根據土壤質量含水量自行調節,實現了自動、連續、適時和適量灌溉.與傳統灌溉技術相比,微潤灌具有節水效果明顯、灌水均勻度高和運行成本低等特點[2],是一種有廣闊應用前景的節水灌溉技術.

微潤灌水分運移規律的研究可為其灌溉制度的制定和進一步推廣應用提供理論依據.近些年來國內外學者通過室內入滲試驗、大田觀測試驗和模型模擬等方法對微潤灌水分運移規律開展了較多研究,主要集中在微潤管出流特性、微潤灌水分運移分布特征及其影響因素等方面[3-5].薛萬來等[6]研究了壓力水頭對微潤灌水分運動特性的影響,結果表明,累積入滲量、濕潤鋒運移距離和入滲后土壤平均質量含水率與壓力水頭均呈正相關,濕潤鋒運移速率初期較快,后期減緩,此外微潤管在土壤中的出流量明顯大于空氣出流量.牛文全等[5]研究表明,微潤管埋深對濕潤體形狀有顯著影響,主要表現為濕潤鋒水平運移距離和寬深比隨埋深增大而減小,垂直運移距離隨埋深增大而小幅增加,累積入滲量與埋深呈負相關,土壤濕潤均勻系數與埋深呈正相關.KANDA等[7]探究了灌溉水質對微潤管出流特性的影響,結果表明,用含雜質的水灌溉會降低微潤管出流速率,且含懸浮性雜質水大于含可溶性雜質水的影響.DIRWAI等[8]研究了管外蒸發強度對微潤管出流速率的影響規律,發現管外蒸發強度越大,微潤管出流速率越快.

農田土壤在干濕凍融交替、根系延展與腐爛及動物活動等因素的影響下普遍存在大孔隙結構[9].土壤干縮開裂形成的裂隙是一種常見的大孔隙[10].干縮裂隙多在土壤表層發育,但也可發育至五六十厘米深度[11].裂隙的存在改變了土壤結構和水力特性,從而對水分溶質運移造成影響.有研究表明,裂隙可導致優先流現象[12],在農田中可導致深層滲漏[13].也有研究發現,裂隙的存在切斷了土壤基質和毛管的連續性,嚴重阻礙了水分的橫向運移[14].目前,對裂隙及其影響效應的研究已成為農業、土壤、水文等學科領域共同關注的熱點之一[15].微潤灌作為一種高度依賴土壤基質勢驅動入滲的地下灌溉方式,其水分運移特征勢必受土壤大孔隙結構尤其是裂隙的影響.因此,文中通過室內微潤灌水分入滲試驗,研究不同發育形式的裂隙對微潤灌水分運移和分布規律的影響,以期為微潤灌優化設計和科學管理提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗在河海大學江寧校區節水園開展.供試土壤取自園內稻麥輪作試驗大田0～20 cm土層.在田間將土壤收集后碾碎并通過2 mm孔徑的篩網,后置于陰涼通風處風干備用(土壤水分質量比約為0.04 g/g).土壤黏粒[0,0.002) mm、粉粒[0.002,0.02) mm、砂粒[0.02,2) mm質量分數分別為21.1%, 56.2%和22.7%.根據國際制土壤質地分類標準(ISSS),供試土壤質地為粉砂質黏壤土.回填后土壤水分飽和體積比為0.502 cm3/cm3,田間持水體積比為0.467 cm3/cm3,有機碳質量比為11.7 g/kg.

1.2 入滲試驗

研究試驗裝置與文獻[16]的研究中類似,主要由有機玻璃土箱、微潤灌溉系統和數據采集系統組成.土箱采用1 cm厚透明有機玻璃板制作而成,規格為長40 cm×寬40 cm×高60 cm.土箱后面板按上下左右間距5 cm的布局打有直徑1 cm的土壤體積含水率測量孔,前后面板打有直徑2 cm的對稱微潤管安裝孔.土箱底部打有排水孔,并鋪設5 cm厚的礫石層,從而構成排水系統.將風干土按1.25 g/cm3干容重分層回填至土箱內,填土高度為50 cm,分5層回填,每層回填高度為10 cm,單層回填后平整上表面,輕微壓實至設定容重,然后對表面進行打毛處理,以保證層與層之間的水力連續性.微潤管、橡膠管和馬氏瓶組成簡易微潤灌溉系統.微潤管產自深圳微潤灌溉技術有限公司,為第三代管,四折痕雙層結構,水平鋪設于土箱中,埋深為20 cm.微潤管通過橡膠管與馬氏瓶連接.調節馬氏瓶高度,將微潤管內壓力水頭控制在100 cm.通過預試驗發現,入滲120 h時濕潤鋒接近土箱邊緣,因此,限于土箱幾何尺寸影響,將試驗各處理總入滲時間設置為120 h.試驗過程中采集濕潤體、入滲量和含水率數據,采用數碼相機拍照記錄濕潤體變化,拍照時間按照先密后疏原則,并同時記錄相應時刻馬氏瓶內液面高度以推算入滲量.入滲結束采用TDR(時域反射儀)快速測量土壤剖面含水率,在30 min內完成測量,忽略水分再分布的影響.

試驗處理如表1所示,表中J為裂隙間距,S為裂隙深度.C1—C6為不同處理,CK為無裂隙處理.

表1 試驗處理Tab.1 Experimental treatments cm

根據節水園試驗大田內土壤裂隙發育情況和試驗裝置有機玻璃土箱幾何尺寸情況設置裂隙間距和深度,間距設6和8 cm這2個水平(對應裂隙條數分別為5和3條),深度設5,10和15 cm這3個水平,共6組處理,設空白對照(無裂隙),各處理重復3次.為精準控制裂隙發育形式以便對比分析,采用人造裂隙的方式,將金屬篩網制成頂部寬度為1 cm的楔狀裂隙,在填土過程中根據設定高度和位置嵌入土中,篩網材質的人造裂隙可較好地模擬天然裂隙的透水透氣性.試驗裝置和裂隙布置情況如圖1所示.為了簡便,示意圖僅展示了10 cm裂隙深度下2種裂隙間距的布置情況.

圖1 試驗裝置和裂隙布置示意圖(單位:cm)Fig.1 Schematic diagram of experimental setup and crack layout (unit: cm)

1.3 圖像處理

濕潤體圖像采用Photoshop和MATLAB軟件處理.首先采用Photoshop進行圖像裁剪,截取試樣區域(寬40 cm×高50 cm),圖像分辨率設置為1 600 pixel×2 000 pixel.試樣濕潤區域和干燥區域顏色對比明顯,因此采用“快速選擇工具”選中濕潤區域并填充為白色,選中干燥區域填充為黑色,實現區域分割,并將圖像轉化為灰度圖像.將分割后的灰度圖像導入MATLAB軟件,通過自編程序,將灰度圖像轉化為二值圖像,并計算各方向的濕潤鋒運移距離,其中向上和向下運移距離為該方向上距離微潤管中心的最大距離,水平運移距離為向左和向右2個方向上距離微潤管中心最大距離的平均值.

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2019記錄和整理.數據分析均取3組重復平均值,使用IBM SPSS Statistics 20.0軟件,以裂隙間距和裂隙深度作為主效應因素進行方差分析,采用最小顯著性差異檢驗進行多重比較(顯著性水平P<0.05),最后采用Origin軟件制圖.

采用分散度指標描述微潤灌濕潤體形態規則度[17].幾何圖形的分散度定義為

(1)

式中:D為圖形分散度;C為濕潤鋒周長;A為濕潤體面積.幾何形態越不規則,分散度則越高.在常見的幾何圖形中,圓形的分散度最小,為4π.

采用冪函數對濕潤鋒運移距離變化進行擬合,即

L=atb,

(2)

式中:L為濕潤鋒運移距離,下文L1,L2,L3分別為濕潤鋒向上、向下和水平運移距離;a為濕潤鋒擴散系數;b為濕潤鋒擴散指數;t為入滲時間.

采用克里斯琴森均勻系數計算入滲結束時土壤剖面水分分布均勻度,計算公式為

(3)

2 結果與分析

2.1 入滲特征

圖2為不同處理微潤灌累積入滲量Q隨入滲時間t的變化關系.由圖可以看出,各處理下的累積入滲量變化趨勢基本一致,均呈一條直線.同時可以看出,各處理之間及與CK之間的差異均較小.入滲前期,各處理之間累積入滲量幾乎重合,入滲結束時,CK和C1—C6處理的最終累積入滲量分別為10 000.8,9 785.2,10 211.2,10 403.5,10 234.2,10 421.5,10 542.1 mL,處理間相對差異小于10%,通過方差分析發現,各處理的最終累積入滲量之間差異不具有統計學意義(P>0.05).綜合上述分析發現,不同裂隙間距和深度對微潤灌的水分入滲速率無明顯影響.

圖2 不同處理累積入滲量隨時間變化Fig.2 Variation of cumulative infiltration amount related to infiltration time for different treatments

2.2 濕潤體形態特征

2.2.1形態演變過程

圖3為不同處理微潤灌土壤濕潤體(截面)隨入滲時間(3,24,48,96,120 h)的演變情況.無裂隙時,不同時刻的濕潤體呈近似圓形,隨入滲時間的增加,濕潤鋒不斷向外擴展.觀察有裂隙處理組發現,當裂隙深度為5 cm時(C1,C4處理),入滲結束時濕潤鋒未到達裂隙區域,因而濕潤體形態與CK處理類似,也呈近似圓形.當裂隙深度為10 cm時(C2,C5處理),入滲96 h時濕潤鋒已到達裂隙區域,濕潤鋒不再以同心圓方式向外擴展,與裂隙相遇后水分水平運動受到一定抑制,豎直向上運動得到一定加強,相鄰裂隙之間濕潤體呈近似矩形分布.這一現象在裂隙深度為15 cm時表現得更加明顯,C3和C6處理中濕潤鋒到達裂隙區域時間更早,C3處理中濕潤鋒約在第48 h到達裂隙區域,C6處理中約在第24 h到達裂隙區域.

圖3 不同處理微潤灌濕潤體形態演變Fig.3 Evolution of wetting body morphology under different treatments of moistube irrigation

可以觀察到,入滲結束時,C3處理中濕潤體呈墨水瓶狀,上部為近似矩形,下部為近似橢圓形,C6處理中濕潤體上部為多個矩形,靠近中間的裂隙之間矩形長度明顯大于位于邊緣裂隙之間的矩形長度,濕潤體下部也接近橢圓形.綜上可以得出,裂隙對微潤灌水分運動的影響發生在濕潤鋒與裂隙相遇之后,裂隙會一定程度上抑制附近區域水分水平方向的運移,而促進水分上移,從而影響濕潤體形態.

2.2.2形態規則度

由上可知,裂隙的存在改變了微潤灌濕潤體形態,使濕潤體呈現不規則形狀.對所有處理不同時刻的濕潤體分散度D進行統計,得出其隨入滲時間變化趨勢如圖4所示.

圖4 不同處理濕潤體分散度隨時間變化Fig.4 Variation of dispersity of wetting body related to infiltration time for different treatments

由圖可知,所有處理中入滲起始階段濕潤體分散度值較為接近,均在13.0～14.0,隨入滲時間增加各處理之間差異逐漸增大.CK處理中濕潤體分散度隨入滲時間變化不大,一直穩定在13.7左右.當裂隙深度為5 cm時,入滲結束時濕潤鋒未到達裂隙區域,裂隙對濕潤鋒運移基本無影響,因此C1和C4處理中濕潤體分散度隨時間變化幅度也較小,分散度值約為14.0.當裂隙深度為10 cm及以上時,裂隙對濕潤鋒運移的影響較為明顯.C2—C6處理中濕潤體分散度均隨入滲時間的推移而快速增加,其中,C2和C5處理的變化趨勢較為接近,C3和C6處理的變化趨勢較為接近,這說明隨入滲時間推移,裂隙深度越大,濕潤體分散度增加幅度也越大.入滲結束時,C2和C5處理濕潤體分散度約為16.0,C3和C6處理濕潤體分散度高于18.0.

表2為不同處理入滲結束時濕潤體分散度、濕潤鋒運移距離、水分分布均勻度方差分析結果.由表可知,裂隙深度和裂隙間距無交互效應,裂隙間距對入滲結束時刻濕潤體分散度影響不具有統計學意義(P>0.05),而裂隙深度對其影響具有統計學意義(P<0.01).

表2 濕潤體分散度、濕潤鋒運移距離、水分分布均勻度方差分析Tab.2 Analysis of variance for dispersity of wetting body, advancing distance of wetting front and uniformity of soil water distribution

圖5為不同裂隙深度對入滲結束時濕潤體分散度的影響.裂隙深度為5 cm時,濕潤體分散度與CK相比差異不具有統計學意義(P>0.05);裂隙深度為10 cm時,濕潤體分散度與CK相比差異具有統計學意義(P<0.05),增加了約18.3%;裂隙深度為15 cm時,濕潤體分散度與CK相比差異具有統計學意義(P<0.05),增加了約34.5%.

注:圖中不同小寫字母表示不同處理間差異具有統計學意義(P<0.05),下同圖5 不同裂隙深度處理下濕潤體分散度比較Fig.5 Comparison of dispersity of wetting body among treatments of different crack depth

2.2.3濕潤鋒運移距離

圖6為不同處理微潤灌濕潤鋒運移距離L隨時間的變化情況.

圖6 不同處理濕潤鋒運移距離隨時間變化Fig.6 Variation of wetting distance related to infiltration time for different treatments

由圖6可以看出,各處理濕潤鋒運移距離隨時間的變化趨勢基本一致,呈先快后慢的變化趨勢.在入滲開始階段,濕潤鋒運移速率較快.入滲10 h后濕潤鋒運移速率開始減緩,且各方向運移距離逐漸出現差異,具體表現為豎直向上的運移距離小于豎直向下和水平方向的運移距離,且隨入滲時間增加差異不斷增大.這主要是由于在入滲前期土壤體積含水率較低,土壤基質勢較大,水分運動主要受基質勢驅動,各方向驅動力差異不大,因此各方向濕潤鋒運移距離接近.而隨著入滲時間增加,土壤體積含水率升高,基質勢減小,重力勢影響越來越大,在重力勢影響下水分向上運移速率逐漸小于水平和向下方向,因此運移距離也表現為豎直向上方向相對較小.

由圖6還可以看出,所有處理中濕潤鋒各方向運移距離與入滲時間均符合冪函數關系,擬合決定系數為0.984～0.999.各處理間擴散系數和擴散指數無明顯規律,擴散系數為1.599～2.947,擴散指數為0.396～0.525.

由表2可以看出,裂隙深度和裂隙間距在濕潤鋒向上、向下和水平方向最終運移距離上不存在交互效應,且對濕潤鋒向下運移距離和水平方向運移距離的影響均不具有統計學意義(P>0.05),但裂隙深度對濕潤鋒向上運移距離的影響具有統計學意義(P<0.01).圖7為不同裂隙深度處理濕潤鋒最終向上運移距離L1比較.

圖7 不同裂隙深度處理濕潤鋒最終向上運移距離比較Fig.7 Comparison of final advancing distance of upward wetting front among treatments of diffe-rent crack depth

由圖7可以看出,裂隙深度為5 cm和10 cm時,濕潤鋒最終向上運移距離與CK差異不具有統計學意義(P>0.05);而裂隙深度為15 cm時,濕潤鋒最終向上運移距離與CK差異具有統計學意義(P<0.05),其運移距離較CK約增加12.9%,這表明當微潤灌裂隙深度達到一定值時,水分向上運移距離將會明顯增加.

2.3 水分分布特征

2.3.1含水率分布

圖8為不同處理入滲結束時土壤中水分分布情況.圖中l為土壤寬度;h為土壤深度;θ為土壤水分體積比.

圖8 不同處理入滲結束時刻土壤水分分布Fig.8 Soil water distribution at end of infiltration for different treatments

由圖8可知,微潤灌后水分主要集中在微潤管周圍.在各組處理中,越靠近微潤管,土壤水分體積比越高,各處理中微潤管附近的土壤水分體積比約為0.40～0.48 cm3/cm3.在以微潤管為圓心半徑大約7 cm的圓形范圍內,土壤水分體積比都高于0.36 cm3/cm3,當距離微潤管10 cm及以上時,土壤水分體積比基本低于0.26 cm3/cm3.比較不同處理之間水分分布特征,可以發現水分分布與濕潤體形態類似,當土壤中無裂隙或裂隙深度較淺時,水分分布區域呈近似橢圓狀.隨著裂隙深度的增大和裂隙間距的減小,水分分布范圍呈現出明顯的不規則性,在C2,C3,C5和C6處理中,土壤上層20 cm中的水分分布都表現為明顯的指狀特征.

2.3.2分布均勻度

水分分布均勻度反映了灌水均勻性,而灌水均勻性很大程度上決定了灌溉質量[18].表2結果表明,裂隙深度和裂隙間距在水分分布均勻度上不存在交互效應,裂隙間距對水分分布均勻度影響不具有統計學意義(P>0.05),而裂隙深度對其影響具有統計學意義(P<0.01).圖9為不同裂隙深度處理入滲結束時刻土壤水分分布均勻度.可以看出,裂隙深度為5 cm時水分分布均勻度與CK差異較小,均在40.0%左右.當裂隙深度達到10 cm及以上時,水分分布均勻度與CK差異具有統計學意義(P<0.05).裂隙深度為10 cm時水分分布均勻度顯著降低了約15.2%,裂隙深度為15 cm時水分分布均勻度顯著降低了約27.5%.

圖9 不同裂隙深度處理入滲結束時刻水分分布均勻度比較Fig.9 Comparison of uniformity of soil water distribution at end of infiltration among treatments of different crack depth

3 討 論

在含有不同發育形式裂隙的土壤中,微潤灌水分入滲速率差異不大(見圖2),即微潤管出流速率基本一致.這主要是因為裂隙的存在未明顯影響微潤管周圍的土壤水勢.由圖8可以看出,各處理中管附近土壤體積含水率較為接近.微潤灌水分入滲過程中,管內和管外具有水勢差,管中水則在水勢差的驅動下進入土壤.當管附近土壤體積含水率相互接近時,管內外水勢差也較為接近,因而微潤管出流速率基本一致,可認為裂隙對微潤灌水分入滲速率基本無影響.

裂隙對微潤灌水分運移路徑有明顯影響.圖10為均質土和開裂土水分運移示意圖.由于微潤管出流緩慢,土壤內未形成飽和區,故可忽略壓力勢影響,進入土壤后的水分主要靠土壤基質勢作用運移,不斷向濕潤體四周擴散.在均質土中,濕潤鋒處土壤基質勢ψ1高于濕潤鋒外圈土壤基質勢ψ2,從t1時刻至t2時刻,在水勢差的驅動下,水分基本呈同心圓式擴散.相比之下,在含裂隙土壤中,裂隙切斷了土壤基質和毛管的連續性,產生毛管阻隔效應.當濕潤鋒擴展到裂隙邊緣處時,裂隙區與大氣接觸,可看作基質勢為0,因此靠近裂隙的濕潤鋒處土壤水勢低于裂隙區土壤水勢,水分不再從濕潤鋒處往外圈擴散,在裂隙毛管阻隔效應下,水分的擴散被直接切斷,原本應往外圈擴散的水分沿著裂隙臨水側邊緣向上方運動,使裂隙臨水側水分增多,而背水側水分減少,濕潤體形狀不規則程度增加,同時水分分布均勻度降低,當裂隙間距較小時,濕潤體在裂隙之間的形狀接近矩形,土壤水分分布呈指狀特征.

圖10 微潤灌下均質土和開裂土中水分運移示意圖Fig.10 Schematic diagram of water movement in homogeneous soil and cracked soil under moistube irrigation

裂隙深度對微潤灌水分運移分布起決定性作用.微潤灌作為一種地下灌溉方式,水分自微潤管滲出后逐漸向四周以近似圓形或橢圓形擴散,濕潤鋒與裂隙的相遇時間和裂隙深度密切相關,裂隙深度的增加明顯縮短濕潤鋒與裂隙相遇時間,水分運移受裂隙影響的時間提前,受影響程度也相應增大.深裂隙的存在可明顯增大局部水分上移量和上移速率,當裂隙深度為15 cm時濕潤鋒向上運移距離顯著增加(見圖7).從圖3也可看出,裂隙或裂隙較淺的處理中濕潤鋒向上尚未到達土壤表面,而C6處理中濕潤鋒向上已基本到達土壤表面.由此不難推測,當土壤蒸發強度較大時,深裂隙將增大土壤表層無效蒸發,降低微潤灌水分利用效率.此外,考慮微潤灌大田應用,若采用一管控制2行作物的管道布置方式,深裂隙將顯著降低裂隙背水側區域供水強度,減少該區域水分入滲量,延緩水分運移到達時間,將對作物根系吸水造成不利影響.因此,在易開裂土壤中應用微潤灌時,應當采取有效措施如翻耕、秸稈添加等控制裂隙發育,減小裂隙深度.本次試驗和得出的結論是基于室內人造裂隙且無作物的情況,在實際大田中氣候條件、土壤性質和作物根系等均會影響裂隙發育特征[19],致使裂隙對微潤灌水分運移及分布的影響規律發生變化,所以還需在大田尺度下進一步研究,綜合考慮多方面因素,以消除或最小化土壤裂隙對微潤灌的不利影響.

4 結 論

1) 裂隙對微潤灌水分入滲速率無明顯影響.不同裂隙發育形式處理下微潤灌累積入滲量隨時間變化趨勢一致,且各處理最終累積入滲量相對差異小于10%.

2) 裂隙對微潤灌水分運移路徑有明顯影響,可降低濕潤體形態規則度和水分分布均勻度,其中裂隙深度影響顯著.相比無裂隙處理,裂隙深度為15 cm時濕潤體分散度約增加了34.5%,濕潤鋒最終向上運移距離約增加了12.9%,水分分布均勻度約降低27.5%.

3) 裂隙深度對微潤灌水分運移和分布起決定性作用,裂隙達到一定深度時會對灌溉質量產生不利影響,在大田應用微潤灌技術時應控制田間裂隙深度發育.