第三節(jié)　噴微灌條件下土壤水入滲與分布

一、噴灌土壤水入滲與分布

噴灌時，水通過噴頭以雨滴形式降落到土壤表面，在重力和毛管力的作用下入滲。不論是單噴頭噴灑，還是多噴頭同時噴灑，噴灌系統(tǒng)控制的范圍內(nèi)的土壤都獲得水分補充，屬于全面灌溉。

（一）噴灌土壤水的入滲過程

噴灌開始，土壤表面形成很薄的飽和層，然后飽和層逐漸增厚直到噴灌結(jié)束，在重力和毛管力作用下，水分繼續(xù)下移，濕潤層逐漸加厚，直到計劃濕潤土壤層深度。若噴灌水量過大下移水分將超過計劃土壤層深度，即產(chǎn)生深層滲漏，減小灌溉水有效利用率。

（二）噴灌土壤水的分布

噴灌土壤水的分布包括垂直分布和水平分布。當計劃濕潤深度內(nèi)為均質(zhì)土壤時，由于重力和毛管力的作用，在噴灑結(jié)束后的較短時間計劃濕潤深度內(nèi)土壤水趨于均勻，但實際上，因土壤表面蒸發(fā)和下層毛管力作用，計劃濕潤區(qū)內(nèi)土壤剖面水分分布是不均勻的，通常是表層和底層土壤含水量較低。

水平分布是指噴灌面積內(nèi)不同位置噴灌水入滲的數(shù)量。實踐表明，在噴灌面積內(nèi)不同位置土壤接受的噴灑水量不可能完全相等。這是因為噴灌降落在地面各個位置的水量有差異，加之微地形導(dǎo)致降落到地面的水存在高處向低處流動的趨勢，因而噴灌面積內(nèi)不同位置土壤獲得的水量是不均勻的。噴灌技術(shù)應(yīng)用總是力爭減小這種不均勻的情況，即所謂提高噴灌均勻度。通過研究影響噴灌土壤水分水平分布均勻度的因素，對其加以控制，是噴灌系統(tǒng)設(shè)計和運行的目標之一。

顯然，噴灌面積內(nèi)不同位置實際噴灌水入滲的數(shù)量不同于利用測桶直接接收的噴灌水水量。因為噴灌降落到地面的水可以因地形坡度和微地形的影響噴產(chǎn)生局部徑流，造成噴灑水的重新分配現(xiàn)象。通常在噴灌系統(tǒng)設(shè)計和運行中，采用噴灌均勻度（噴灌均勻系數(shù)）表征噴灌水在噴灌面積上分布的均勻程度。影響噴灌均勻度的因素很多，主要有下列幾個方面。

1.噴頭結(jié)構(gòu)和水力性能與布置

影響噴灌土壤水分布的噴頭結(jié)構(gòu)和水力性能主要有，噴嘴尺寸和形狀、流量、射程，以及單噴頭噴灑水分布特點、噴灌強度、噴頭的組合形式與間距等。因此，正確選用高質(zhì)量噴頭和合理的田間設(shè)計是高質(zhì)量噴灌的基礎(chǔ)。

2.風(fēng)向風(fēng)力

風(fēng)不僅增加噴灑水漂移損失，而且使噴灑水分布模式變形，降低噴灌水分布均勻度。為了減小風(fēng)對噴灌質(zhì)量的影響，應(yīng)根據(jù)當?shù)仫L(fēng)向風(fēng)力進行合理田間設(shè)計。在運行管理期間，一般規(guī)定風(fēng)力達到5.5m/s（4級）時，應(yīng)停止噴灌。0～6級風(fēng)力的劃分見表2-12。

3.地形

當?shù)孛嬗忻黠@坡度或有起伏時，噴灑到地面的水會由高處流向低處，增加低處土壤的入滲量，甚至造成水土流失，田間設(shè)計宜選擇噴灌強度小的噴頭。

二、微灌土壤水的入滲與分布

微灌時，灌溉水通過灌水器濕潤植物根區(qū)部分土壤，屬于局部灌溉。因灌水器的型式、流量大小和出流方式不同，而有不同濕潤土壤的模式，土壤水的入滲與分布也各有特點，在滴灌條件下土壤水入滲與分布特點進行下列分析。

（一）滴灌土壤水的入滲過程

滴頭流量小于12L/h，灌溉水以滴水狀，或細流狀的方式落于土壤表面，在表面形成一個小的飽和區(qū)，隨著滴水量的增加飽和區(qū)逐漸擴大，同時由于重力和毛管力的作用，飽和區(qū)的水向各方向擴散，形成一個土壤濕潤體并逐漸增大。滴灌結(jié)束后，在一定時間內(nèi)土壤濕潤體繼續(xù)擴大，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（二）影響滴灌土壤水分布的因素

滴灌是一種典型的局部灌溉，灌溉面積內(nèi)土壤水平面分布狀況主要取決于滴頭出流量的均勻度。下面對單滴頭工作時，土壤濕潤區(qū)水分分布的主要影響因素作簡要分析。

1.土壤質(zhì)地和土層構(gòu)造對滴灌土壤濕潤區(qū)形狀的影響

不同土壤質(zhì)地由于空隙率不同，重力作用與毛管力作用的相對差異，使得土壤濕潤區(qū)的形狀明顯不同。圖2-2是三種典型均質(zhì)土壤滴灌時土壤濕潤區(qū)的形狀見表2-2。可以概括看出，粗質(zhì)土的濕潤體比較窄長，細質(zhì)土的濕潤區(qū)比較寬扁。

當植物根系活動層土壤質(zhì)地不均勻，對灌溉水的入滲和分布都有明顯的影響。當上層為強透水性的砂質(zhì)土，下層為弱透水性的黏質(zhì)土，滴灌時可因下層土壤對入滲水的阻隔作用，使灌溉水滯留于黏質(zhì)土頂部土壤，上層部分土壤處于飽和狀態(tài)，影響根系土壤通氣狀況。當為相反的情況時，如滴頭流量太大，可造成地表漫流，下層土壤水分不足。因此，對于非均質(zhì)土層滴灌系統(tǒng)設(shè)計和運行，采用小流量滴頭是必要的。

2.滴頭流量

在均勻土質(zhì)的情況下，滴頭流量越大，寬深比越大，滴頭不同流量土壤濕潤區(qū)的變化見表2-3。這可能是由于流量越大，初始土壤表層飽和區(qū)越大，入滲面積越大所致。

3.滴頭間距和滴水量

在滴頭流量一定的情況下，滴頭間距越大，隨著滴水時間的增長，滴水量增大，土壤濕潤區(qū)擴大，直到相互連接（當?shù)晤^間距較小時）。圖2-4和圖2-5表示出這種變化的情形。

4.滴頭流量的均勻度

在田間布置有成千上萬個滴頭，每個滴頭的流量決定了所在位置土壤接受灌溉水的數(shù)量。因此，滴頭流量均勻度直接決定了滴灌面積上土壤水分布均勻度。當?shù)晤^為非補償型時，不同位置滴頭由于水流摩阻水頭損失和地形變化引起工作水頭的變化，以及流道（孔口）制造偏差的綜合影響，不可避免地造成各滴頭流量之間的差異。當?shù)晤^為壓力補償型時，滴頭工作水頭的變化引起的流量差異，可因滴頭壓力補償作用得到某一程度克服。理論上，對于“完全補償”滴頭，不同位置滴頭流量的差異主要取決于滴頭制造偏差。因此，選用高質(zhì)量滴頭對保證滴灌均勻度十分重要。

（三）微灌土壤濕潤比

土壤濕潤比是指灌溉計劃土壤濕潤深度內(nèi)，微灌濕潤的土壤體積占灌溉面積百分數(shù)。它是局部灌溉的特有土壤水分參數(shù)。由于微灌土壤濕潤體的形狀和尺寸受諸多因素影響，國內(nèi)外還沒有一種精確實用的微灌土壤濕潤比計算方法。我國在應(yīng)用微灌技術(shù)中，對于地面滴灌沿用以地面以下20～30cm濕潤面積與微灌面積之比作為滴灌土壤濕潤比的近似估算。

不同毛管灌水器布置方式土壤濕潤比近似計算方法有下列幾種。

1.滴頭單行直線毛管布置

滴頭單行直線毛管布置可用式（2-1）計算：

2.滴頭雙行直線毛管布置

當一行作物布置兩條毛管時，可用式（2-2）計算滴灌土壤濕潤比。

3.多滴頭繞樹布置

對于寬間距高大樹木，如果一株樹用若干個滴頭環(huán)繞布置，土壤濕潤比可用式（2-3），或式（2-4）估算。

其余符號意義同前。

4.微噴灌

（1）微噴頭沿毛管均勻分布時：

其余符號意義同前。

（2）當一株樹布置幾個微噴頭時：

其余符號意義同前。

【計算示例2-1】

（1）某蔬菜滴灌系統(tǒng)毛管為單行布置，一行蔬菜布置一條毛管，毛管間距Sl＝0.8m，滴頭間距0.8m，滴頭流量q＝2.0L/h，田間測定地面濕潤區(qū)平均有效直徑Dw＝0.7m，土壤為砂壤土。試確定滴灌土壤濕潤比。

解：取濕潤體形狀系數(shù)k＝0.9，按式（2-1）估算滴灌土壤濕潤比。

（

2）某蘋果園滴灌系統(tǒng)，土壤為砂壤土，果樹株行距為5m×6m，滴頭流量q＝ 4.0L/h，采用雙行直線毛管布置。試確定滴頭間距Se和土壤濕潤比。

解：查表2-13，滴頭流量4L/h，中等結(jié)構(gòu)土壤滴頭間距Se＝1.0m，濕潤比100%的最大毛管有效間距Sl＝1.2m，毛管寬間距取S2＝6-1.2＝4.8m，相應(yīng)濕潤比為25%，滴灌土壤濕潤比按式（2-2）計算：

（3）某梨樹園滴灌系統(tǒng)，土壤為砂質(zhì)土，環(huán)繞每株樹布置4個滴頭，滴頭流量4L/h，梨樹株行距為4m×4m，一次灌水地面有效濕潤面積平均直徑Dw＝1.2m。試確定滴灌土壤濕潤比。

解：按式（2-3）估算該梨樹滴灌系統(tǒng)濕潤比，取濕潤體形狀系數(shù)k＝0.95