泥沙级配对浑水灌溉下土壤水分增长过程的影响分析

卞艳丽，曹惠提，张会敏，王军涛

(1.黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.黄河流域农村水利研究中心，河南 新乡 453003；3.黄河流域灌溉试验中心站，河南 新乡 453003)

浑水灌溉，是我国黄河流域引黄灌区灌溉的主要特点，由于灌溉水源均含有颗粒级配各异且大小不等的沙量，浑水灌溉与清水灌溉相比，土壤水分增长过程差异显著。目前，国内对浑水在土壤中入渗规律的研究取得了一定研究成果，主要集中在入渗规律影响因素分析和入渗过程模拟两方面；关于浑水连续入渗的研究主要基于室内土柱或田间双套环试验，不足以模拟实际灌溉条件下大面积田块水分入渗情况；并且研究重点在于累积入渗量和稳渗率随时间的变化，即对入渗过程的研究[1,2]。针对浑水灌溉下土壤水分的增长特性以及泥沙级配对土壤水分增长过程的影响等研究成果发布较少。本次灌溉条件下不同泥沙级配浑水灌溉入渗试验控制面积6.67 m2，控制土层深度1.8 m，灌溉入渗试验历时达到300 min以上，相比较而言，本次试验在时间和空间上均进行了展延，通过放大试验尺度来研究浑水灌溉下不同土层土壤水分增长特性，这不仅对高含沙浑水灌区节水改造和灌水定额的研究提供了理论依据，也为提高引浑淤灌、浑水灌溉的灌水质量提供了技术支撑，对研究黄河灌区灌溉方式，作物耗水以及浑水高效利用皆有十分重要意义。

1 试验条件与方法

1.1 试验条件

试验地点位于河南省新乡市黄河水利科学研究院节水试验基地(北纬35°18′，东经113°53′)。该基地属暖温带大陆性气候，年平均气温14.4 ℃，多年平均年降水量539.0 mm；蒸发量1 700～2 000 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h，平均风速2.0 m/s。不同泥沙级配浑水灌溉入渗试验开始于2012年10月，结束于11月，2012年下半年试验区基本气象条件见表1。

灌溉条件下不同泥沙级配浑水灌溉入渗试验在地中渗透仪的测坑中开展，地中渗透仪共由24个标准测坑组成，单个测坑长3.3 m，宽2.0 m，深2.1 m。测坑回填土属于砂质壤土，土壤密度1.4～1.5 g/cm3。试验前土壤初始体积含水量浅层(≤20 cm)在20%左右，深层(≥60 cm)在29%左右，试验前期土壤含水量一致性较好。

表1 2012年试验区7-12月气象参数表

1.2 试验方法

设计灌溉条件下不同泥沙级配浑水入渗试验的背景值(气象、土质、前期土壤含水量等)相同，灌水深度按3 cm控制(整个入渗过程保持该水头)；设计灌水总量为0.8 m3；控制地下水位在1.5 m。

试验设计了2种含沙量4种泥沙级配的组合方案，含沙量设计5%和10%两种，泥沙级配以d50为区分标志，分别为d501= 0.061 mm、d502=0.048 mm、d503=0.042 mm、d504=0.016 mm，测坑土壤和沙洋泥沙颗粒级配见表2和图1。清水对照1组，按照不同泥沙级配和含沙量组合以及清水对照，共开展8组入渗试验，见表3。

图1 土壤及试验用沙泥沙级配累积曲线比较图

表2 不同泥沙级配浑水中小于某一粒径泥沙颗粒体积的百分含量

表3 浑水灌溉入渗试验方案

2 结果与分析

2.1 不同泥沙级配浑水灌溉下土壤水分增长特性分析

清水与不同泥沙级配浑水灌溉下不同深度土壤含水量变化过程及其累积入渗量过程见图2～图4。可见不同泥沙级配浑水灌溉下土壤水分增长过程与清水相同，从初始土壤含水量开始同样经历了快速增长-缓慢增长-达到稳定3个过程，且泥沙级配越细，同时刻灌溉累积入渗量越小，相应土壤含水量增长越缓慢。

图2 清水灌溉不同深度土壤含水量变化过程及其累积入渗量过程图

图3 10%含沙量不同泥沙级配浑水灌溉下累积入渗量与土壤含水量变化过程

图4 5%含沙量不同泥沙级配浑水灌溉下累积入渗量与土壤含水量变化过程

为分析不同泥沙级配浑水灌溉下的土壤水分增长特性，定义从灌水开始后不同深度土壤从前期含水量开始快速增长的时刻为始变历时。表4统计了清水、浑水灌溉下不同深度土壤含水量的始变历时及其对应的累积入渗量，可以看出，清水灌溉下20、40、60、80 cm土壤含水量的始变历时最短，分别为2.4、11.4、61.8、132 min；同一含沙量条件下，泥沙越细，不同深度土壤含水量始变历时越长；10%含沙量条件下，中值粒径为0.042 mm浑水灌溉下土壤含水量的始变历时最长，分别为7.8、72.6、245、334.4 min；5%含沙量条件下，中值粒径为0.016 mm浑水灌溉下土壤含水量的始变历时最长，分别为3.6、55.2、183.6、316.0 min。从始变历时对应的累积入渗量可以看出，20、40、60 cm土壤含水量始变历时的累积入渗量以清水灌溉下的最小，80 cm土壤含水量始变历时的累积入渗量除10%含沙量条件下中值粒径为0.048和0.042 mm浑水灌溉下的较小外，其他均大于清水。说明清水灌溉条件下由于入渗率大，在入渗水量小、入渗历时短的条件下已使较深层的土壤含水量得到增加，随着入渗历时的增加，土壤水分入渗深度的增大，这种效果变弱。泥沙级配对浑水灌溉下土壤含水量始变历时对应的累积入渗量的影响在本次试验结果中体现尚不明显，具有泥沙级配越细，其始变历时对应的累积入渗量越大的趋势。

表4 清、浑水灌溉下不同深度土壤含水量始变历时及其累积入渗量统计

为进一步分析不同泥沙级配浑水灌溉下的土壤水分增长特性，定义土壤含水量在快速增长至某一较大值并开始缓慢变化的时刻为增长拐点历时。表5统计了清、浑水灌溉下不同深度土壤含水量增长拐点历时，可知，清水灌溉下20、40、60 cm土壤含水量的增长拐点历时最短，分别为17、45、187.8 min；5%含沙量条件下，中值粒径为0.061 mm浑水灌溉下的最短，分别为30、86.4、224.4 min；中值粒径为0.016 mm浑水灌溉下的最长，分别为39.6、144、287.4 min；10%含沙量条件下，中值粒径为0.061 mm浑水灌溉下的最短，分别为84.6、142、213.6 min；中值粒径为0.042 mm浑水灌溉下的最长，分别为117、269、349.4 min。可见，不同深度土壤含水量的增长拐点历时，清水灌溉下最短，同一含沙量条件下，泥沙级配越细，增长拐点历时越长；同一泥沙级配条件下，含沙量越大，增长拐点历时越长。

表5 清、浑水灌溉下不同深度土壤含水量增长拐点历时统计

清水、5%和10%含沙量不同泥沙级配浑水灌溉下土壤含水量在不同灌水入渗历时的变化情况如图5和图6所示。

经比较可知，清水灌溉比浑水灌溉下土壤含水量增长快，30 min时，20 cm土壤含水量已达到最大值，并且40 cm土壤含水量已明显增加，而此时5%和10%含沙量不同泥沙级配浑水 灌水下20 cm土壤含水量虽都已开始增长，但均未达到最大值，40 cm土壤含水量尚未发生变化。5%含沙量条件下，中值粒径为0.061 mm浑水灌溉下不同深度土壤含水量增长最快，0.016 mm浑水灌溉下的土壤含水量增长最慢，180 min时，0.061 mm浑水灌溉下20、40 cm土壤含水量均已达到最大值，60 cm土壤含水量有了较大的增长；0.042 mm浑水灌溉下20 cm土壤含水量达到最大值，40 cm土壤含水量正处于增长阶段，60 cm土壤含水量也开始增长，但增长幅度较0.061 mm小；0.016 mm浑水灌溉下20 cm土壤含水量达到最大值，40 cm土壤含水量正处于增长阶段，60 cm土壤含水量尚未变化。说明泥沙级配越细，浑水灌后同时刻不同深度土壤含水量增长越缓慢，达到最大含水量所需时间越长，见图5。

10%含沙量条件下，由泥沙级配引起的土壤含水量增长过程的差异更加明显，泥沙级配越细，浑水灌后同时刻不同深度土壤含水量增加量与清水相比更小，土壤含水量变化量相互间差异更大，见图6。

图5 5%含沙量不同泥沙级配浑水灌溉下土壤含水量变化过程

图6 10%含沙量不同泥沙级配浑水灌溉下土壤含水量变化过程

2.2 泥沙级配对浑水灌溉下土壤水分增长过程的影响

为分析泥沙级配对浑水灌溉下土壤水分增长过程的影响，分别统计了清水、不同泥沙级配浑水灌溉下不同灌溉入渗历时的累积入渗量以及20、40、60、80 cm土壤含水量较前期增长的变化量，见表6～表9。

表6 不同历时的累积入渗量及20 cm土壤含水量变化量统计表

表7 不同历时的累积入渗量及40 cm土壤含水量变化量统计表

可知，清水灌溉下20、40、60、80 cm土壤含水量增长的最快，在相同入渗历时增长的变化量最大。无论是清水灌溉还是不同泥沙级配的浑水灌溉，土壤含水量变化量与累积入渗量成正比，在不同深度土壤含水量的快速增长阶段，累积入渗量越大，土壤含水量变化量越大。

根据20 cm土壤含水量随时间增长的变化量及相应累积入渗量统计数据(见表6)，20 min时，清水灌溉的累积入渗量为1.62 cm，土壤含水量增加了12.39%；10%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为1.34 cm，土壤含水量增加了5.38%；d50=0.048 mm浑水灌溉的累积入渗量为1.16 cm，土壤含水量增加了5.15%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为0.97 cm，土壤含水量增加了3.16%；5%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为1.44 cm，土壤含水量增加了10.39%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为1.09 cm，土壤含水量增加了6.99%；d50=0.016 mm浑水灌溉的累积入渗量为1.10 cm，土壤含水量增加了5.68%。可见，浑水灌溉下不同入渗历时的累积入渗量和20 cm土壤含水量变化量均比清水要小，且含沙量越大，与清水的差异越显著，泥沙级配越细，同一入渗历时的累积入渗量和土壤含水量的变化量越小。

表8 不同历时的累积入渗量及60 cm土壤含水量变化量统计表

根据不同历时的累积入渗量及40 cm土壤含水量变化量统计数据(见表7)，90 min时，清水灌溉的累积入渗量为4.41 cm，土壤含水量增加了5.17%；10%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为3.82 cm，土壤含水量增加了3.49%；d50=0.048 mm浑水灌溉的累积入渗量为3.1 cm，土壤含水量增加了1.32%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为2.54 cm，壤含水量增加量为0.5%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为3.74 cm，土壤含水量增加了4.05%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为3.18 cm，土壤含水量增加了5.27%；d50=0.016 mm浑水灌溉的累积入渗量为2.75 cm，土壤含水量增加了0.95%。

根据不同历时的累积入渗量及60 cm土壤含水量变化量统计数据(见表8)，180 min时，清水灌溉的累积入渗量为6.53 cm，土壤含水量增加了3.64%；10%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为5.59 cm，土壤含水量增加了1.52%；d50=0.048 mm浑水灌溉的累积入渗量为4.76 cm，土壤含水量增加量为0；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为3.70 cm，土壤含水量增加量为0。5%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为5.71 cm，土壤含水量增加了2.60%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为4.95 cm，土壤含水量增加了1.60%；d50=0.016 mm浑水灌溉的累积入渗量为4.25 cm，土壤含水量增加量为0。360 min时，清水灌溉的累积入渗量为8.88 cm，土壤含水量增加了3.02%；10%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为7.96 cm，土壤含水量增加了2.78%；d50=0.048 mm浑水灌溉的累积入渗量为7.41 cm，土壤含水量增加了2.47%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为5.54 cm，土壤含水量增加了1.41%。5%含沙量条件下，d50=0.061 mm浑水灌溉的累积入渗量为8.29 cm，土壤含水量增加了4.94%；d50=0.042 mm浑水灌溉的累积入渗量为7.19 cm，土壤含水量增加了4.07%；d50=0.016 mm浑水灌溉的累积入渗量为6.71 cm，土壤含水量增加了2.06%。80 cm土壤含水量变化量统计数据反映的规律与20、40、60 cm的相同(见表9)。

综上所述，可以看出，无论是清水灌溉还是浑水灌溉，累积入渗量与土壤含水量互为因果关系，两者成正比，累积入渗量越大，土壤含水量的变化量(增加量)越大。相同入渗历时，浑水灌溉下的土壤含水量变化量和累积入渗量均较清水灌溉的小；由于浑水的阻渗作用，造成相同入渗历时的累积入渗量比清水小，进一步导致土壤含水量增长较清水慢，又由于含沙量和泥沙级配不同，所产生的阻渗作用和减渗效果不同，同一含沙量条件下，泥沙组成越细，灌水后的土壤含水量变化量和累积入渗量越小；同一泥沙级配浑水，含沙量越大，灌水后的土壤含水量变化量和累积入渗量越小。

表9 不同历时的累积入渗量及80 cm土壤含水量变化量统计表

3 结 语

(1)浑水灌溉下不同深度土壤含水量增长过程和清水灌溉的相同，均从初始含水量开始经历了快速增长-缓慢增长-达到稳定3个阶段；但浑水灌溉下不同深度土壤含水量的变化速率较清水慢，变化过程较清水更长。

(2)同一含沙量浑水灌溉，泥沙级配越细，不同深度土壤含水量始变历时和增长拐点历时更长；同一泥沙级配浑水灌溉，含沙量越大，不同深度土壤含水量始变历时和增长拐点历时更长。泥沙级配对浑水灌溉下土壤含水量始变历时对应的累积入渗量的影响在本次试验结果中体现尚不明显，具有泥沙级配越细，其始变历时对应的累积入渗量越大的趋势。

(3)相同入渗历时，浑水灌溉下的累积入渗量和土壤含水量变化量均较清水灌溉的小，土壤水分增长较 清水缓慢；由于浑水中泥沙的阻渗和减渗作用，同一含沙量条件下，泥沙级配越细，灌水后相同入渗历时的土壤含水量变化量和累积入渗量越小；同一泥沙级配浑水，含沙量越大，灌水后相同入渗历时的土壤含水量变化量和累积入渗量越小。

[1] 曹惠提，卞艳丽，张会敏，等．浑水灌溉下土壤水分变化研究[J]．节水灌溉，2013,(8)：1-6．

[2] 曹惠提，卞艳丽，黄福贵．浑水灌溉下土壤水分入渗规律研究综述[J]．人民黄河，2010，32(3)：69-70．