第36卷第1期2022年2月
水土保持学报
J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n
V o l .36N o .1
F e b .,2022前继
收稿日期:2021-08-01
资助项目：国家自然科学基金项目(52079105,51779205)；湖北省水利重点科研项目(H B S L K Y 201919
) 第一作者：钟韵(1992 )，男，博士，主要从事节水灌溉研究㊂E -m a i l :z h o n g y u n j x 92@163.c o m 通信作者：费良军(1963 )，男，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉与农业水资源利用研究㊂E -m a i l :f e i l i a n g j
u n 2008@163.c o m 浑水膜孔灌入渗特性与致密层形成特性 电机智能监控器
钟韵1,
2
，费良军2，朱士江1，康守旋2，刘利华2，郝坤2，介飞龙2(1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002;
2.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安710048
)摘要：水中带沙是浑水灌溉较清水灌溉的本质区别，为揭示浑水灌溉的节水减渗机制，通过浑水膜孔灌自由入渗室内试验，以清水入渗为对照，研究了浑水膜孔灌入渗能力㊁湿润锋运移距离㊁湿润体含水率㊁致密层土壤颗粒组成及落淤层厚度等随入渗时间的变化规律，提出了土壤含水率与湿润锋运移距离之间的量化模型，分别建立了落淤层厚度与入渗时间㊁滞留层的滞留量与滞留深度之间的关系㊂结果表明：浑水泥沙对土壤水分入渗的影响较大，在入渗结束时浑水较清水的累积入渗量减幅达27.83%；土壤含水率从膜孔中心到湿润锋面逐渐减小，其减小的速率逐渐增大，湿润体半径方向的土壤含水率分布服从椭圆曲线分布㊂落淤层土壤细颗粒相对含量较浑水泥沙少，其物理性黏粒含量显著低于浑水泥沙㊂从土壤表面到6 c m 入渗土层深度为浑水膜孔灌入渗滞留层,
滞留层土壤细颗粒含量较原土壤增多，随着入渗土层深度的增大，土壤颗粒组成与原土壤差异逐渐减少，泥沙细颗粒滞留量随着滞留层深度的增大而减小㊂关键词：浑水；膜孔灌入渗；致密层；含沙率；泥沙颗粒级配组成中图分类号:S 275.3 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2022)01-0238-09
D O I :10.13870/j
.c n k i .s t b c x b .2022.01.031I n f i l t r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o fM u d d y W a t e rF i l m -H o l e I r r i g
a t i o na n d F o r m a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o fD e n s eL a y
e r s Z HO N G Y u n 1,
2,F E IL i a n g j u n 2,Z HUS h i j i a n g 1,
K A N GS h o u x u a n 2
,L I U L i h u a 2,H A O K u n 2,J I EF e i l o n g
2
(1.W a t e rC o n s e r v a n c y a n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s ,C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v e r s i t y ,Y i c h a n g ,H
u b e i 443002;2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f E c o -h y d r a u l i c s i nN o r t h w e s tA r i dR e g i o n ,X i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,
X i a n 710048)A b s t r a c t :S e d i m e n t c a r r y i n g i nw a t e r i s t h e e s s e n t i a l d i f f e r e n c e b e t w e e nm u d d y w a t e r i r r i g
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a t i o n ,t h em o v e m e n t d i s t a n c e o f t h ew e t f r o n t ,t h em o i s t u r e c o n t e n t o f t h ew e t
b o d y ,t h e s o i l p a r t i
c l e c o m p o s i t i o no f t h e
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e n s e l a y e r ,a n d t h e t h i c k n e s so
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K e y w o r d s:m u d d y w a t e r;f i l m-h o l e i n f i l t r a t i o n;d e n s e l a y e r;s a n d c o n t e n t r a t e;s e d i m e n t p a r t i c l e s g r a d a t i o n
c o m p o s i t i o n
黄河流域雨量稀少而集中，水土流失严重，致使黄河及其支流的泥沙含量较高，该地区多数灌区均利用浑水进行灌溉[1]㊂多年来，高含沙水流灌溉的实践证明[2]，它不仅解决了该地区水资源短缺的问题，而且可显著提高土壤肥力，改善土壤结构，促进作物增产㊂由于黄河是我国挟带泥沙数量最大的河流，而且也是居世界首位，因此，针对浑水地面灌溉进行研究既反映了我国生产实际的需要，又体现了我国在该研究领域的独特性[3]㊂
浑水入渗过程中，泥沙颗粒易在土壤表层沉积，形成致密层使得水分入渗的上边界条件发生改变，土壤阻水能力显著提高[4-6]；致密层的形成，将土壤变成了上实下松的双层结构，其中，土壤上层致密层是整个水分入渗的控制层，对水分入渗起到关键作用，也就是说浑水灌溉条件下，土壤的入渗能力将主要受浑水泥沙致密层的影响[7]㊂致密层的形成包含2种性质不同的现象:(1)泥沙颗粒沉积形成落淤层，落淤层对水分入渗的影响增加了入渗介质层，延长了水分进入土体的路径;(2)泥沙颗粒滞留形成滞留层，入渗滞留改变的是介质层内颗粒级配，使得土壤孔隙发生变化，减小了水分入渗通道[8]㊂
在我国，地面灌溉技术仍是农业发展的核心基础，膜孔灌是我国农田灌溉中应用较广泛的地面灌水技术㊂膜孔灌利用地膜输水，灌溉水通过膜孔进入到土壤中，既具有地面灌的特点，又具有滴灌局部灌的效果，从而提高了灌溉水利用率，增强了人为对地面灌溉水流入渗的操控性，较常规地面灌具有节水㊁保肥等特点[9-12]㊂由于膜孔灌的诸多优点，使得这种地面灌水技术适合在我国北方地区大面积推广应用，具有十分广阔的应用前景㊂
目前，国内外在膜孔灌地面灌水技术方面主要是针对清水开展了较多的试验研究工作，而有关浑水方面的研究，国外鲜有报道㊂西安理工大学近年来开展了浑水膜孔灌入渗水氮运移方面的试验研究[4,13-15]，取得了相应研究成果，但关于浑水灌溉的节水减渗机制及泥沙致密层形成规律等方面的研究较少，而浑水灌溉的入渗机制㊁节水机理较清水更为复杂㊂因此，本文拟基于现有研究成果，开展浑水膜孔灌入渗特性与致密层特性的研究，以期缓解我国北方地区
水资源紧缺问题，也更加突出了浑水灌溉在我国研究的特与优势㊂
1材料与方法
1.1试验土壤
试验在西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室进行，试验土样为粉砂壤土，采自西安市灞桥区，风干碾碎后过2mm筛，土壤初始质量含水量为2.93%，土壤饱和质量含水量为36.87%，物理性黏粒含量为25.06%，饱和导水率为0.0172c m/m i n，田间持水量为25.61%，土壤颗粒组成通过M a s t e r s i-z e r-2000型激光粒度分析仪测定，粒径dɤ0.002, 0.002<dɤ0.05,0.05<dɤ2mm含量体积分数分别为12.58%,74.98%,12.44%㊂
1.2试验浑水泥沙
结合黄河流域引黄河水灌区浑水灌溉泥沙的特点，通过从泾惠渠灌区取回的灌溉水水样，分析灌溉浑水的含沙率和泥沙颗粒级配组成等特点㊂将从室外取得的不同颗粒级配组成的泥沙风干后过1mm 土筛后，通过称重法人工调配成含沙率为6%㊁物理性黏粒含量为9.87%的浑水，配置成的浑水泥沙颗粒粒径在0~0.002,0.002~0.005,0.005~0.01,0.01~ 0.05,0.05~1mm的体积含量分别为2.62%, 3.47%,3.78%,51.68%,38.45%㊂
1.3试验方法
浑水膜孔灌单点源自由入渗试验装置见图1，其由3部分组成：土箱㊁膜孔装置和马氏瓶㊂试验土箱由10mm厚的有机玻璃板制成，长㊁宽㊁高分别为35,25,40c m㊂试验前将土箱内壁清理干净，土样按照干容重1.40g/c m3分层(5c m)称重均匀装入试验土箱；装土过程中在土壤层间打毛，防止水分入渗过程中土壤出现分层不连续的现象，采用夯实工具将土壤压实到预定高度㊂为便于观测入渗过程中湿润锋的运移，入渗源采用1/4的膜孔面积的方形水室，水室采用5mm厚有机玻璃制成，为模拟膜孔灌时的充分供水，试验过程中，通过加装有自动搅拌系统的马氏瓶[3]保持水室水头高2.5c m㊂将方形水室紧贴土壤表面固定在土箱一角，土壤表面覆膜，静置24h㊂1.4测定及计算项目
1.4.1测定项目浑水灌溉后土壤的结构见图2，本文
932
第1期钟韵等：浑水膜孔灌入渗特性与致密层形成特性
将致密层分成落淤层和滞留层2个部分来分析㊂(1)累积入渗量(c m)：通过马氏瓶读数计算出累积入渗量㊂
(2)土壤含水率(%)：采用烘干法测量土壤含水率㊂
图1浑水膜孔灌自由入渗试验装置
图2浑水入渗后土壤结构示意(3)湿润锋运移距离(c m)：在透明有机玻璃箱外
壁上定时描绘出不同入渗时刻所对应的湿润锋的位置及形状㊂
(4)落淤层厚度(c m)：土样均匀装入试验土箱后，在透明有机玻璃土箱外壁标记上表土位置，将土箱表土处的标记做为表土 本体 和落淤层 客体 的分界线；入渗开始后，每隔5m i n使用精度为0.01 mm的游标卡尺测量从表土标记处到落淤层表面的距离即为落淤层厚度㊂
(5)落淤层㊁滞留层土壤颗粒组成(%)：采用M a s t e r s i z e r-2000型激光泥沙粒度仪测定㊂(6)滞留层泥沙细颗粒滞留量(%)：粒径<0.01 mm的物理性黏性颗粒是浑水泥沙颗粒中十分活跃的部分，其含量是直接影响浑水入渗规律的主要因素，为了对参与运移的泥沙细颗粒进行量化分析，将滞留层各层土壤物理性黏粒含量d0.01的增加量概化为各层泥沙细颗粒滞留量㊂
1.4.2计算项目利用分形理论定量描述土壤结构特征具有一定的独特优势㊂土壤颗粒累积体积分布与平均粒径的分形关系式[16-17]为:
V(δ<d i)
V0=(
d i
d m a x
)3-D(1)式中:δ为土壤颗粒的粒径变量;d i为2筛分粒级d i 和d i+1间粒径的平均值;V(δ<d i)为粒径<d i的土壤颗粒累计体积;V0为土壤各粒级质量的总和，土壤机械组成用体积百分含量表示，此时V0=100;d m a x为最大粒级土粒的平均直径;D为分形维数，土壤粒径分形维数值为0~3㊂
对公式(1)两边求对数形式，整理得:
D=3-
l g(V i/V0)
l g(d i/d m a x)
l g V(δ<d i)
V0=(3-D)l g(
d i
节能转轮除湿机
d m a x
)(2)首先由土壤颗粒机械组成数据可确定土壤样品不同粒径d i的l g(V i/V0)和l g(d i/d m a x)值，然后分别以l g(V i/V0)和l g(d i/d m a x)为纵坐标和横坐标，点绘在坐标系上，将所得的点进行线性回归分析求得斜率K，则土壤分形维数为D=3-K㊂
1.5数据处理与分析
利用统计学中均方根误差(R M S E)㊁偏差百分比(P B I A S)和平均绝对误差(MA E)3个指标，对计算值与试验观测值之间的符合度进行评价分析㊂其中, R M S E和MA E越接近0,P B I A S<ʃ10%时，表示计算值与试验观测值差异越小，两者吻合越好㊂各指标定义为:
R M S E=1n-1ðn i=1x i-y i
()2(3) P B I A S=ðn i=1x i-y i
()
ðn i=1x iˑ100%(4)
MA E=ðn i=1x i-y i
n
(5)式中:x i为第i个观测值;y i为第i个计算值;n为数据总个数㊂
2结果与分析
2.1浑水膜孔灌入渗特性
2.1.1单位膜孔面积累积入渗量变化特性由图3和图4可知，在入渗初期，清水与浑水的入渗率均较大，两者相应的累积入渗量差异不大；随着入渗历时的延长，两者的入渗率不断减小并逐渐趋于稳定，而清水与浑水的累积入渗量差异逐渐增大，在入渗结束时，清水和浑水膜孔灌累积入渗量分别为54.05,
042水土保持学报第36卷
39.01c m，浑水较清水的入渗量减幅达27.83%，对应入渗率的减幅为18.34%，表明浑水泥沙对土壤入渗的影响逐渐增强㊂
图3膜孔灌累积入渗量随时间变化
图4膜孔灌入渗率随时间变化
本研究表明，清水膜孔灌入渗量符合K o s t i a k o v 模型㊁P h i l i p模型及简化的P h i l i p模型，本文分别利用这3个入渗模型对图3中浑水膜孔灌入渗量曲线进行拟合㊂由表1可知，利用简化的P h i l i p模型拟合的决定系数<0.9，且R M S E㊁MA E和P B I A S分别为4.5259,3.9456c m和-14.5990%,R M S E和MA E 均较大,|P B I A S|>10%，表明利用简化的P h i l i p模型拟合效果不佳;K o s t i a k o v模型和P h i l i p模型拟合的决定系数均接近于1，相关系数均大于临界相关系数,R M S E和MA E均接近0,|P B I A S|均<10%，说明利用这2种入渗模型均能有效地拟合浑水膜孔灌累积入渗量与入渗时间之间的关系，其中,K o s t i a k o v 入渗模型拟合的决定系数最高,R M S E㊁MA E和|P B I A S|最小，表明其拟合精度最高，且由于K o s t i a-k o v入渗模型形式较简单㊁计算方便，因此，本文采用K o s t i a k o v入渗模型描述浑水膜孔灌水分入渗规律㊂
采用K o s t i a k o v入渗模型对图3中清水和浑水膜孔灌累积入渗量曲线进行拟合:
清水I=0.3321t0.8747R2=0.9822(6)
浑水I=0.2178t0.9003R2=0.9959(7)可知，浑水膜孔灌入渗模型的入渗系数比清水的小，而入渗指数比清水的略大㊂
2.1.2湿润锋运移变化规律由图5和图6可知，膜孔灌自由入渗的湿润体形状近似于半椭球体；在入渗开始阶段，湿润体水平方向湿润锋运移距离大于垂直方向，因为入渗开始时，水平湿润锋由零瞬时增至
膜孔半径，而垂直方向湿润锋运移距离是从零开始㊂随着入渗时间的逐渐延长，湿润体不断扩大，湿润体形状逐渐呈长半椭球形，这主要是因为垂直方向的水分运动比水平方向增加了重力势的作用，所以垂直方向的湿润锋推进速度比水平方向湿润锋推进速度快㊂
表1浑水膜孔灌单位膜孔面积入渗量与
入渗历时关系拟合结果
项目K o s t i a k o v模型P h i l i p模型简化的P h i l i p模型模型形式I=K t a I=S t1/2+A t I=S t1/2拟合方程I=0.2178t0.9003I=0.0994t1/2+0.1202t I=1.7643t1/2决定系数(R2)0.99590.98710.8727 RM S E/c m0.95870.96244.5259
P B I A S/%2.30124.5920-14.5990 MA E/c m0.59650.63993.9456研究表明，湿润锋在水平方向和垂直方向的运移距离分别为椭圆曲线的半长轴和半短轴，则椭圆曲线方程可表示为:
甘蔗去皮机
x2
S2x+
z2
S2z=1(8)式中:S x为浑水和清水膜孔灌湿润锋在水平方向的最大运移距离(c m);S z为浑水和清水膜孔灌湿润锋在垂直方向的最大运移距离(c m)㊂
对比图6中浑水膜孔灌湿润锋形状与椭圆曲线的吻合度表明，当入渗时间t在10m i n时，实测湿润锋形状与椭圆曲线的R M S E㊁P B I A S和MA E分别为0.07c m,-2.95%和0.05c m,R M S E和MA E都接近0,|P B I A S|<10%；当t在45,90,210,300m i n 时，实测湿润锋形状与椭圆曲线的R M S E和MA E 均接近0,|P B I A S|均<10%㊂结果表明，浑水膜孔灌湿润锋与椭圆曲线一致性较好，因此，可使用椭圆曲线方程表示其湿润锋形状㊂
图5清水湿润锋随时间变化
2.1.3湿润体内含水率分布特性为了研究浑水膜孔灌湿润体含水率分布特点，绘制了浑水膜孔灌土壤
142
第1期钟韵等：浑水膜孔灌入渗特性与致密层形成特性
含水率等值线(图7)㊂不同入渗历时的土壤含水率从膜孔中心到湿润锋面均逐渐减小，等值线密度逐渐变大，即湿润体土壤含水率减小的速率逐渐增大㊂
由图8可知，湿润体水平和垂直方向的含水率分布近似于椭球曲线，根据计算结果可知，当入渗历时分别为45,90,210,300m i n时，水平方向湿润体土壤含水率值与椭圆曲线的R M S E分别为1.75%, 1.03%,0.76%,0.60%,P B I A S分别为-0.64%, 1.02%,1.78%,1.62%,MA E分别为1.29%,0.72%, 0.49%,0.46%；垂直方向湿润体土壤含水率值与椭圆曲线的R M S E分别为0.97%,0.88%,0.73%, 0.76%,P B I A S分别为2.23%,1.88%,1.68%,1.99%, MA E分别为0.62%,0.61%,0.55%,0.58%;2个方向的R M S E和MA E都接近0,|P B I A S|均<10%，表明水平和垂直方向湿润体半径的土壤含水率分布均与椭圆曲线拟合较好㊂因此，可认为任意方向湿润体半径的土壤含水率变化都符合椭圆曲线㊂
图6浑水湿润锋随时间变化
图7浑水膜孔灌土壤含水率等值线
则湿润体内任意一点的土壤含水率满足椭圆曲线方程:
(θ-θ0)2
(θs-θ0)2+x2r2=1(9)式中:r为湿润体半径(c m)，其等效半径可用几何平均值表示为r=3S x2S z;x为湿润体半径上的点与膜孔中心点的距离(c m);θ为该点的含水率(%)㊂2.2浑水膜孔灌入渗致密层形成特性
2.2.1落淤层厚度变化规律由图9和图10可知，落淤层厚度均随入渗历时的增大而增大；入渗初期(0~ 1
0m i n)，落淤层厚度较小；入渗中期(10~170m i n)，落淤层厚度增加较快，随着入渗的进行，厚度增加速率逐渐变小；入渗后期(170~300m i n)，落淤层厚度增幅基本稳定㊂研究表明，浑水膜孔灌入渗落淤层厚度随入渗时间的变化曲线符合幂函数关系，设
H=a(t-10)b(10)式中:H为落淤层厚度(mm);a㊁b为拟合系数和拟合指数㊂钢副框角码
三维模型制作
242水土保持学报第36卷
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