3.1　滴头流量对土壤水盐运移特性的影响分析

滴头流量是滴灌设计的一项重要参数,滴头流量选取的差别会导致相同时间内入渗水量不同,土壤湿润体的形状和大小明显不同,土壤含水率和盐分分布也不同(肖娟等,2007；张振华等,2002)。本节试验均是在入渗水矿化度为3g/L的条件下进行的。

3.1.1　滴头流量对土壤湿润体特性的影响

3.1.1.1　滴头流量对土壤湿润体分布的影响

图3.1为不同滴头流量条件下单点源入渗湿润锋推进图。由图3.1可知,各处理下湿润锋的形状相似,均是以滴头为中心的1/4椭圆形,随着入渗时间的增加,各处理下的水平湿润锋推进距离和垂直湿润锋推进距离均逐渐增大,即湿润体体积随入渗时间的增大而增大。每一处理下,在相同的入渗时间内,水平湿润锋推进距离均明显大于垂直湿润锋推进距离,这是因为试验所用的土壤为黏壤土,导致水分在水平方向运动较快,而在垂直方向运动较慢。进一步比较不同流量下湿润锋推进图可知,滴头流量越大,水平湿润锋推进的距离越远,垂直方向推进的距离越近,滴头流量7mL/min、9mL/min和11mL/min对应的最大水平湿润锋距离分别为18cm、19.4cm和22.5cm,最大垂直湿润锋距离分别为13.8cm、13.2cm和11.4cm。

表3.1对比了各处理下在5min、15min、30min、60min、120min 5个入渗时刻水平湿润距离和垂直湿润距离的比值(X/Z)。由表3.1可知,入渗时间相同时,滴头流量越大宽深比值(D/Z)越大；同一处理下,随着入渗时间的增加,宽深比值(D/Z)逐渐减小。这主要是因为滴头流量越大,表层越易形成积水,水分向水平方向运动更快,同时供试土壤为黏壤土,水分不易下渗,最终导致水分垂直运移较缓慢。

同时,对灌水结束时的湿润锋采用椭圆方程[式(3.1)]进行拟合,拟合结果见表3.2。由表3.2可知,湿润锋形状采用椭圆方程拟合时,拟合的决定系数在0.98及以上,说明不同滴头流量处理下湿润锋形状可采用椭圆方程描述。同时,随着流量增大,参数a逐渐增大,参数b逐渐减小,这是因为参数a为椭圆的长半径,即最大水平湿润锋推进距离,参数b为椭圆的短半径,即最大垂直湿润锋推进距离。

3.1.1.2　水平湿润锋和垂直湿润锋推进规律分析

图3.2为不同滴头流量条件下单点源入渗水平湿润锋和垂直湿润锋随时间变化图。由图3.2可知,随着入渗时间增大,水平湿润锋和垂直湿润锋均增大,但增大幅度逐渐减小。同一时间,滴头流量越大,水平湿润锋推进距离越大,但垂直湿润锋推进距离越小。采用乘幂函数[式(3.2)]对不同滴灌流量处理下湿润锋推进距离与时间的关系进行拟合,拟合结果见表3.3,其中决定系数最小为0.9756,说明不同处理下水平湿润锋推进距离和垂直湿润锋推进距离与时间符合乘幂关系。参数a表示第一个时刻末湿润锋推进距离,由表3.3可知,随着滴头流量增大,水平湿润锋的a逐渐增大,垂直湿润锋的a逐渐减小。

对式(3.2)求导可得到式(3.3),即不同滴灌流量处理下湿润锋推进速度,其参数见表3.4。由式(3.3)可知,在不同滴头流量条件下,湿润锋推进速度随时间的变化规律表现为：随着入渗时间的延长,湿润锋推进速度由刚开始的相对陡峭逐渐变为相对缓平,即在滴灌入渗初期(0～40min),推进速度较大,随着入渗时间的延长,推进速度逐渐降低,这是由于入渗初期,水力梯度较大,初始湿润锋推进快,随着入渗时间的延长,水力梯度迅速减小,推进速度减慢。式(3.3)中,参数c表示第一个时刻末湿润锋推进速度,由表3.4可知,垂直湿润锋的参数c随着滴头流量的增大而减小,即第一个时刻末垂直湿润锋推进速度随着滴头流量增大而减小；水平湿润锋的参数c随着滴头流量的增大而增大,即第一个时刻末水平湿润锋推进速度随着滴头流量增大而增大。

3.1.2　滴头流量对土壤水分运移规律的影响

3.1.2.1　滴头流量对水平方向土壤含水率分布的影响

图3.3为不同滴头流量条件下水平方向土壤含水率分布图。由图3.3可知,不同滴头流量处理下土壤含水率沿水平方向变化趋势一致,均为随着水平距离增大,土壤含水率逐渐减小。但滴头流量不同,土壤含水率分布的范围不同,滴头流量为7mL/min、9mL/min和11mL/min时土壤含水率在水平方向分布的范围分别为0～19cm、0～20cm和0～23cm,滴头流量越大,水平方向分布的范围越大,这是由于该试验土壤为黏壤土,渗透性能差,滴灌时地表有积水,滴头流量越大,地表积水范围越大所致。

3.1.2.2　滴头流量对垂直方向土壤含水率分布的影响

图3.4为不同滴头流量条件下垂直方向土壤含水率分布图。由图3.4可知,不同滴头流量处理下土壤含水率沿深度变化趋势一致,均为随着深度增大,土壤含水率逐渐减小。但滴头流量不同,土壤含水率分布的范围不同,滴头流量为7mL/min、9mL/min和11mL/min时土壤含水率在垂直方向分布的范围分别为0～14.5cm、0～13cm和0～12cm,滴头流量越大,垂直方向分布的范围越小。

3.1.2.3　滴头流量对土壤含水率空间分布的影响

图3.5为不同滴头流量条件下单点源入渗土壤含水率分布图。由图3.5可知,各处理下土壤含水率分布规律一致,土壤含水率均是以滴头为中心,向四周逐渐减小,呈1/4椭圆状分布,各处理对应的含水率值在滴头附近最大,距离滴头越远,含水率值越小。从图3.5中可以看出,滴头流量不同,土壤含水率在水平方向和垂直方向分布的范围不同,水平方向,随着滴头流量增大,含水率的分布范围也增大,垂直方向,滴头流量越大,含水率的分布范围越小。

3.1.3　滴头流量对土壤盐分运移规律的影响

3.1.3.1　土壤盐分水平方向变化分析

图3.6为不同滴头流量条件下水平方向土壤电导率分布图。由图3.6可知,不同滴头流量处理下土壤电导率沿水平方向变化趋势一致,均为随着水平距离增大,土壤电导率先保持一个相对较小值,然后在湿润锋处急剧增大,超过湿润锋处土壤电导率又骤降至土壤初始电导率。但滴头流量不同,土壤电导率峰值出现的位置不同,滴头流量为7mL/min、9mL/min和11mL/min时土壤电导率最大值出现的位置分别为18cm、19.4cm和22.5cm,滴头流量越大,土壤电导率峰值在水平方向出现的位置越远,这是因为盐分在土壤中主要依靠对流作用运移,盐分主要累积在湿润锋附近,滴灌流量越大,湿润锋在水平方向运移越远,盐分累积峰值出现的位置也越远。

3.1.3.2　土壤盐分垂直方向变化分析

图3.7为不同滴头流量条件下垂直方向土壤电导率分布图。由图3.7可知,不同滴头流量处理下土壤电导率沿深度变化趋势一致,均为随着深度增大,土壤电导率先保持一个相对较小值,然后在湿润锋处急剧增大,超过湿润锋处土壤电导率又骤降至土壤初始电导率。但滴头流量不同,土壤电导率峰值出现的位置不同,滴头流量为7mL/min、9mL/min和11mL/min时土壤电导率最大值出现的位置分别为14cm、12cm和10cm,滴头流量越大,土壤电导率峰值在深度方向出现的位置越近。

3.1.3.3　土壤盐分空间分布分析

图3.8为不同滴头流量条件下单点源入渗土壤电导率分布图。由图3.8可知,不同滴头流量处理下,土壤电导率空间分布规律一致,即以滴头为中心,向四周依次可以分为低盐区、盐分累积区和盐分不变区。低盐区在滴头附近呈1/4椭圆状分布,滴头流量越大,低盐区在水平方向分布越远,垂直方向分布越近。盐分累积区分布在低盐区外侧,呈1/4椭圆带状分布,滴头流量越大,盐分累积区在水平方向距滴头越远,在垂直方向距滴头越近。其原因是在土壤中盐随水动,盐分累积在水分运动的前锋,因此灌水结束时滴灌土壤盐分累积区与湿润前锋的分布一致。盐分不变区是盐分累积区外层土壤电导率没有变化的区域,这是因为滴灌时水分没有运动到该区域,所以土壤盐分也没有发生改变。