膜孔灌单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究

摘要：通过大量膜孔单向交汇入渗试验资料，分析了膜孔单向交汇入渗湿润体特性的主要影响因素，研究了膜孔直径、间距、土壤容重、土壤质地和土壤初始含水率对膜孔单向交汇入渗的影响，结果表明各因素对膜孔单向交汇入渗湿润体特性均有明显的影响。这些研究成果为进一步研究膜孔单向交汇入渗规律和膜孔灌技术奠定了基础。

关键词：膜孔灌 膜孔单向交汇入渗 湿润体 影响因素

　　膜孔灌溉是利用地膜输水，通过作物孔和专用灌水孔入渗进行灌溉的一种节水型地面灌溉新技术。膜孔灌入渗为充分供水条件下的三维点源入渗，它不同于滴灌条件下的非充分供水点源入渗。根据农业地膜栽培和种植规格，膜孔入渗分为3种类型：第1种为作物的行距和株距都很大的膜孔自由入渗；第2种为作物的行距相对株距很大时，只在作物行方向膜孔间发生入渗交汇干扰，称之为膜孔单向交汇入渗；第3种为作物的行距和株距均较小，在入渗过程中，膜孔将受到周围膜孔入渗的干扰作用，称之为膜孔多向交汇入渗。研究膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素是进行膜孔灌技术要素研究的基础，近年来，国内外对滴灌条件下的点源入渗特性进行了大量研究^[1-3]，而关于膜孔自由入渗湿润体特性影响因素国内仅进行了初步探讨^[4-8]，直至目前尚未见到国外对此问题的研究报导。膜孔单向交汇入渗比膜孔自由入渗复杂得多，目前对膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究很少^[7]。因此，开展膜孔单向交汇入渗湿润体特性影响因素研究具有重要的理论价值和生产实际意义。

1 试验条件

　　膜孔单向交汇入渗室内试验装置如图1所示。试验土箱采用12mm厚的透明有机玻璃板制作，土箱高AB为40cm，长ad为40cm，宽AD为24cm，aD宽12cm，利用在abcd处加隔板可模拟农田株距为12cm和24cm，行距为80cm的膜孔单向交汇入渗。由于2个膜孔直径相同，且同时开始供水入渗，所以湿润锋及湿润土体的土壤含水率分布均关于abcd面对称，因而abcd面为膜孔交汇界面，即零通量面，为此试验中利用装置的一半就可以达到模拟试验的要求。因此，试验在土箱中土壤表层覆膜，为了模拟膜孔和便于观测湿润锋的发展过程，入渗膜孔采用1/4膜孔面积的方形水室，并置于土箱的一角，因而abCD为膜孔中心界面。试验利用带有刻度的截面积为10cm²的马氏瓶进行自动供水，并保证方形水室中具有恒定的积水层高度，以达到充分供水的点源入渗，每次试验前，给马氏瓶装水，并用皮管将马氏瓶与土箱供水管相连，试验开始后，打开阀门，以分钟为单位，时间间隔先短后长，由马氏瓶的刻度读取入渗水量，并进行入渗量控制。试验土样经风干、粉碎、过筛，按预定的含水量配水后分层装入试验土箱，试验所用土壤的基本物理参数见表1。

表1 土壤基本物理参数

30min时，膜孔直径为3.6cm和5.0cm的膜孔已发生交汇入渗，而膜孔直径为2.0cm和3.0cm的膜孔入渗还处于自由入渗阶段，随着入渗历时的延长，直径为3.0cm和2.0cm的膜孔也先后发生交汇入渗，在入渗历时90min时，4种直径的膜孔均处于交汇入渗阶段。

2.1.2 膜孔面积对垂直湿润锋运移的影响 图4为对应于图2的不同膜孔直径的垂直湿润锋运移曲线。可以看出：不同膜孔直径的膜孔入渗湿润深度均随着入渗时间的延长而不断增大，但是湿润锋运移曲线随入渗时间的延长而变缓，说明湿润锋推进速度随着入渗时间的增长而逐渐减小；在相同入渗时段内，垂直湿润锋运移距离随着膜孔直径的增大而增大。这主要是由于在相同条件下，随着膜孔直径的增大，膜孔入渗的侧渗作用在整个入渗中的比重愈小，使单位膜孔面积入渗量增大，从而垂直湿润锋运移的距离愈大。

　　经分析不同膜孔直径的膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间符合幂函数规律，即

式中：A，B为拟合参数。

　　利用式(1)对图4资料拟合得：d=20mm， R_Z=1.5057t^0.3150， R²=0.9962；d=30mm， R_Z=1.5975t^0.3290， R²=0.9991；d=36mm，R_Z=1.7651t^0.3287， R²=0.9927；d=50mm， R_Z=1.9359t^0.3452， R²=0.9947。上述相关系数R²均大于0.99，说明膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间具有良好的幂函数关系。可以看出：在其它条件相同情况下，随着膜孔直径的增大，系数A依次增大，而指数B变化不大。

　　经分析膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移参数A、B与膜孔直径d之间分别符合幂函数和线型函数关系，设A=ad^b，B=kt+L。式中a，b，k，L为拟合参数，d为膜孔直径。

　　则膜孔单向交汇入渗的垂于湿润锋运移距离R_Z为 

　　在图4试验条件下R_Z=0.6353d^0.2822·t^{(0.001d+0.2967)}。

2.1.3 膜孔面积对水平湿润锋运移的影响 图5为对应于图2的不同膜孔面积的水平湿润锋运移曲线。可以看出：膜孔直径愈大，交汇时间愈短，当发生交汇后，随着入渗时间的延长，而水平湿润锋保持不变。经分析研究膜孔单向交汇入渗水平湿润半径与入渗时间t的关系为：

式中：d为膜孔直径(cm)；t₀为交汇时间；m，n为拟合参数；S₀为膜孔中心距的一半；参数****。

　　利用式(3)对图5资料拟合得：d=2.0cm， R_X=(1-α)·(1.0+0.8981t^0.3653)+5.6·α，R²=0.9883；d=3.0cm， R_X=(1-α)·(1.5+1.0043t^0.3546)+5.6·α，R²=0.9910；d=3.6cm， R_X=(1-α)·(1.8+1.1223t^0.3627)+5.6·α，R²=0.9979；d=5.0cm， R_X=(1-α)·(2.5+1.2023t^0.3143)+5.6·α，R²=0.9860。经分析，膜孔单向交汇入渗水平湿润锋拟合参数m、n与膜孔直径d之间符合m=ed^f、n=Pd+h关系，则

式中：e、f、p、h为拟合参数。

　　则试验条件下R_X=(1-α)·(d/2+0.7136d^0.3302t^{-0.0165d+0.4053})+5.6·α。

2.2 膜孔间距对湿润体特性的影响

2.2.1 膜孔间距对垂直湿润锋的影响 图6表示粉土在膜孔直径为3.6cm、容重为1.3g/cm³、初始含水率为1.94%时，不同膜孔间距的膜孔单向交汇入渗膜孔中心处的垂直湿润锋运移曲线，图中S表示膜孔间距。可以看出：在相同入渗时段内，不同膜孔间距Ｓ的垂直湿润锋运移距离基本相同，说明膜孔入渗交汇阶段对膜孔中心垂直湿润锋运移特性影响不大，而对交汇界面处湿润锋运移特性影响较大。

　　图7为对应于图6的垂直湿润锋运移速率曲线，t₀为膜孔入渗交汇时间。可以看出：在发生交汇后，膜孔中心处的垂直湿润锋运移速率比交汇界面处的垂直湿润锋运移速率慢，这主要是由于交汇界面为零通量面，水平方向的湿润锋运移受到限制而使垂直湿润锋运移速率加大。

2.2.2 膜孔间距对水平湿润锋的影响 图8表示对应于图6的不同膜孔间距的水平湿润锋运移曲线，S表示膜孔间距。可以看出：不同膜孔间距对水平湿润锋运移的影响主要通过交汇时间的不同来体现。水平湿润锋运移分为自由入渗阶段和交汇入渗阶段，在其它条件相同的情况下，不同膜孔间距的入渗在发生交汇之前为自由入渗规律，膜孔间距越大，则水平自由入渗运移阶段时间越长，在水平湿润锋到达交汇界面时开始交汇入渗阶段，这时水平湿润锋运移距离不再加大，但湿润体内土壤含水量在不断变化，此时主要影响交汇界面处的垂直湿润锋运移速率。

2.3 土壤容重对湿润体特性的影响

2.3.1 土壤容重对垂直湿润锋的影响 图9表示粉土在膜孔直径为3.6cm、膜孔间距为11.2cm、土壤质地为粉土、初始含水率为1.94％时，不同土壤容重的垂直湿润锋运移曲线。可以看出：在相同入渗时段内，垂直湿润锋运移的距离随着土壤容重的增大而减小。这主要是由于在相同条件下，随着土壤容重的增大，土壤愈密实，土壤空隙率减小，土壤入渗能力愈低，从而垂直湿润锋运移距离愈小。

　　经分析不同土壤容重r_d的膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间符合幂函数规律，对图9资料拟合得r_d=1.20g/cm³，R_Z=1.8424t^0.3270，R²=0.9938；r_d=1.30g/cm³，R_Z=1.7651t^0.3287，R²=0.9927；r_d=1.35g/cm³，R_Z=1.7054t^0.3271，R²=0.9926；r_d=1.40g/cm³，R_Z=1.6826t^0.3235，R²=0.9982。上述相关系数R²均大于0.99，说明膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间具有良好的幂函数关系。在其它条件相同情况下，随着土壤容重r_d的增大，系数A依次减小，而指数B基本不变。

　　经分析研究，膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移参数A与土壤容重r_d之间关系为A=qr^w_d；q，w为拟合参数；B采用均值0.3266。则膜孔交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间具有以下关系：

　　利用式（5）对图9资料拟合得R_Z=2.0607r_d^-0.6093·t^0.3266。

2.3.2 土壤容重对水平湿润锋的影响 图10为对应图9的不同土壤容重的水平湿润锋曲线。可以看出：在发生交汇前，不同土壤容重的水平湿润锋运移速度随着土壤容重的增大而减小，并且交汇时间随土壤容重的增大而增大。当发生交汇后，水平湿润锋随入渗历时的增长保持不变。经分析膜孔单向交汇入渗水平湿润半径R_X随入渗时间t的变化规律满足式（3）。

　　对图10资料拟合得：r_d=1.20g/cm³， R_X=(1-α)·(1.8+1.1367t^0.3786)+5.6·α，R²=0.9938；r_d=1.30g/cm³，R_X=(1-α)·(1.8+1.1223t^0.3627)+5.6·α，R²=0.9979；r_d=1.35g/cm³，R_X=(1-α)·(1.8+0.8475t^0.4424)+5.6·α，R²=0.9825；r_d=1.40g/cm³，R_X=(1-α)·(1.8+0.7911t^0.4365)+5.6·α，R²=0.9840。式中：r_d为土壤干容重；R_X为水平湿润半径(cm)。

　　可以看出：在其它条件相同情况下，随着土壤容重的增大，系数依次减小，而指数有增大的趋势。

2.4 土壤质地对湿润体特性的影响

2.4.1 土壤质地对湿润体的影响 图11表示膜孔直径为3.6cm、膜孔间距为11.2cm时不同质地土壤在入渗时间为10min时abCD面的湿润锋运移曲线。可以看出：在相同入渗时间内，湿润体的大小随着土壤质地的不同而异，湿润体的大小为粗沙土＞粉土＞粉质粘土。这主要是由于不同质地的土壤，其粘粒含量和大小孔隙的数量和比例有很大差别，所以入渗能力是不同的，从而导致湿润锋的运移速度不同。在入渗10min时，粗沙土发生交汇入渗，而粉土和粉质粘土还处于自由入渗阶段。

2.4.2 土壤质地对垂直湿润锋的影响 图12为对应图11的不同质地土壤的垂直湿润锋运移曲线。可以看出：在相同入渗时段内，垂直湿润锋运移的距离随着土壤质地的不同而异，运移距离大小依次为粗沙土、粉土和粉质粘土。

　　经分析不同质地的土壤膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间符合幂函数规律。对图12资料拟合得：粗沙土 R_Z=2.4604t^0.3087，R²=0.9877；粉土 R_Z=1.7651t^0.3287，R²=0.9927；粉质粘土 R_Z=0.9768t^0.3164，R²=0.9972，可以看出：上述相关系数R²均大于0.98，说明不同质地土壤的膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离RZ与入渗时间t之间具有很好的幂函数关系。在其它情况相同条件下，粗沙土、粉土和粉质粘土的拟合系数依次减小，而指数变化不大。

　　图13为对应图11的垂直湿润锋运移距离与t^1/2的关系曲线。可以看出：除膜孔入渗初期以外，垂直湿润锋运移距离近似为t^1/2的线性函数。对图13资料拟合得：粗沙土 ，R²=0.9703；粉土 ，R²=0.9694；粉质粘土，R²=0.9867。可以看出：上述拟合的相关系数R²均大于0.96，说明膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t^1/2之间具有良好的线性函数关系，且系数随粗沙土、粉土和粉质粘土依次减小。

2.4.3 土壤质地对水平湿润锋的影响 图14为对应于图11的不同质地土壤的膜孔单向交汇入渗水平湿润锋运移曲线。可以看出：粗沙土发生交汇的时间最短，其次为粉土，粉质粘土发生交汇的时间最长。当发生交汇后，水平湿润锋运移随入渗历时的延长保持不变。经分析研究膜孔单向交汇入渗水平湿润锋运移距离随入渗时间t的变化规律满足式（3）。

　　对图14资料拟合得：粗沙土 R_X=(1-α)·(1.8+1.9107t^0.3510)+5.6·α，R²=0.9881；粉土 R_X=(1-α)·(1.8+1.1223t^0.3627)+5.6·α，R²=0.9979；粉质粘土 R_X=(1-α)·(1.8+0.4648t^0.3801)+5.6·α，R²=0.9982。可以看出：上述拟合的相关系数R²均大于0.98，说明膜孔单向交汇入渗的水平湿润锋运移距离与入渗时间之间具有良好的幂函数关系，且式（3）中系数m随粗沙土、粉土和粉质粘土依次减小，入渗指数n依次增大。

2.5 土壤初始含水率对湿润体特性的影响

2.5.1 土壤初始含水率对垂直湿润锋的影响 图15为膜孔直径为36mm、膜孔间距为11.2cm、土壤容重为1.3g/cm³时不同土壤初始含水率的膜孔单向交汇入渗膜孔中心处的垂直湿润锋运移曲线。可以看出：在相同入渗时段内，垂直湿润锋运移的距离随着土壤初始含水率的增大而减小。这主要是由于在相同条件下，随着土壤初始含水率的增大，湿润锋前后湿土和干土的含水率差值减小，土水势梯度小，从而垂直湿润锋运移速度减小。

　　经分析不同土壤初始含水率θ_g的膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间满足幂函数关系。

　　对图15资料拟合得：θ_g=1.94%，R_Z=1.7651t^0.3287，R²=0.9927；θ_g=7.84%，R_Z=1.5671t^0.3418，R²=0.9986；
θ_g=12.82%，R_Z=1.4522t^0.3456，R²=0.9904。上述拟合的相关系数R²均大于0.99，说明膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离R_Z与入渗时间t之间具有良好的幂函数关系。在其它相同条件下，随着土壤初始含水率的增大，拟合系数A依次减小，而指数B变化不大。

2.5.2 土壤初始含水率对水平湿润锋的影响 图16为对应图15的不同土壤初始含水率的水平湿润锋运移曲线。可以看出：不同土壤初始含水率的膜孔单向交汇入渗发生交汇的时间不同，土壤初始含水率愈大，发生交汇的时间愈长。在发生交汇前，水平湿润锋运移距离随着土壤初始含水率的增大而减小；当发生交汇入渗后，水平湿润锋运移距离在交汇界面处随入渗时间的延长保持不变。经分析膜孔单向交汇入渗水平湿润半径随入渗时间t的变化规律满足式（3）。

　　对图16资料拟合得：θ_g=1.94%，R_X=(1-α)·(1.8+1.1223t^0.3627)+5.6·α， R²=0.9979；θ_g=7.84%，R_X=(1-α)·(1.8+0.6940t^0.4842)+5.6·α，R²=0.9935；θ_g=12.82%，R_X=(1-α)·(1.8+0.6351t^0.4871)+5.6·α，R²=0.9892。以上相关系数R²均大于0.98，说明不同土壤初始含水率的膜孔单向交汇入渗水平湿润锋运移距离与入渗时间之间均符合幂函数关系。

3 结论

　　（1）膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离随着膜孔直径的增大而增大；膜孔间距的变化对膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离影响不大；土壤容重愈大，其膜孔单向交汇入渗的垂直湿润锋运移距离愈小；土壤质地愈粗，其垂直湿润锋运移距离愈大；土壤初始含水率愈大，其膜孔单向交汇入渗垂直湿润锋运移速度愈小。（2）膜孔单向交汇入渗的水平湿润锋在发生交汇入渗前属于自由入渗，其运移的距离随着膜孔直径的增大而增大；土壤容重和初始含水率愈大，膜孔单向交汇入渗的水平湿润锋运移距离愈小；土壤质地愈粗，其水平湿润锋运移距离愈大；土壤初始含水率愈大，其水平湿润锋运移距离愈小。当膜孔入渗发生交汇后，其水平湿润锋运移距离随各影响因素的变化而保持不变。

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