Page 93 - 2021年第52卷第9期

图 13 为不同埋深下湿润锋运移随时间变化图。可以明显看出，在湿润锋达到边界之前，各埋深
下湿润锋运移速度非常接近。由于篇幅限制，微润管出流量数据未列出，但模拟结果显示 4 个埋深下
的微润管累积出流量基本无差异，相对差异小于 0.12%。综上可以得出，微润管埋深影响湿润锋到达
边界的时间，而对湿润锋运移速度和入渗量影响极小。
18 18 18 18
湿润锋运移距离/cm 12 9 6 向上 湿润锋运移距离/cm 12 9 6 向上 湿润锋运移距离/cm 12 9 6 向上 湿润锋运移距离/cm 12 9 6 向上
15
15
15
15
向下
向下
向下
水平
0 3 水平 3 0 向下 3 0 水平 3 0 水平
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80
入渗时间/h 入渗时间/h 入渗时间/h 入渗时间/h
（a）D=10cm （b）D=15cm （c）D=20cm （d）D=25cm
图 13 不同埋深下湿润锋运移随时间变化

4 讨论

微润灌溉系统的设计和管理决定了其能否发挥最大效益，设计管理参数的优化需要统筹考虑微
润灌入渗特征、作物耗水特点、土壤条件、气候条件等，本研究着眼于微润灌水分运动模型的构
建，并采用该模型模拟了不同土壤质地、压力水头、微润管埋深下的微润灌土壤水分入渗特征，模
型构建和模拟结果可为微润灌溉系统的优化应用提供一定参考。微润管作为微润灌灌水器，其表面
［3］
分布着大量的微孔，水分在管内外的水势差的驱动下通过这些微孔渗出进入土壤 。目前在采用 HY⁃
DRUS-2D/3D 软件进行微润灌水分运动模拟的研究中微润管大多被当作定流量边界处理 ［1，21］ 。本文室
内水分入渗试验中累积入渗量随时间变化接近于一条直线（图 4（a）），表明入渗过程中微润管出水流
量基本恒定，实际上管出水流量随入渗进行逐渐减小并趋于稳定。在不同情境模拟中也发现微润管
出水流量在入渗开始时较大，然后迅速减小，再逐渐减小趋于稳定（篇幅限制，未展示微润管出水流
量数据）。牛文全等 ［11］ 通过大量田间入渗试验研究也发现微润管出水流量在入渗一段时间后减小并趋
于平缓趋势。这一方面是因为入渗一段时间后微润管附近土壤含水率达到较高值，随着含水率的进
一步升高其基质势变化幅度越来越小，管内外水势差变化幅度极小；另一方面，微润管壁的微孔为
［3］
纳米级孔隙 ，管出流缓慢，其出水流量对小幅度的管内外水势差变化响应不明显。因此，在管壁附
近土壤含水率相对稳定的情况下，使用定流量边界模拟微润管出流是可行的。但是在实际大田条件
下，由于天气（降雨、蒸发）或作物蒸腾影响，土壤含水率存在一定波动，微润管出水流量也会随之
波动，使用定流量边界模拟则可能会产生较大误差，尤其在长期模拟时误差会逐渐累积，模型的准
确性会明显降低。本文采用 HYDRU-2D 构建的模型中，基于微润管出水特性，将微润管壁当成多孔
介质赋予其水力特征参数，确保其出水流量由内外水势差控制，当工作压力一定时，管壁附近土壤
含水率的波动会引起微润管出水流量的变化，理论上模型的模拟结果更加合理。
不同影响因素模拟结果显示，微润灌在砂壤土中湿润面积较大，且下渗明显。这是因为砂壤土
结构较疏松，颗粒间孔隙较大，渗透性强 ［22］ ，所以水分运移较快，湿润面积较大，此外，砂壤土的
持水性较差，水分在运移过程中受重力势影响大，导致其下渗严重。因此，在砂性土中使用微润灌
技术应当适当减小其工作压力水头和管埋深，避免产生大量深层渗漏以致灌溉水利用效率低下；而
黏壤土的渗透性弱，持水性好，所以湿润面积小，水分相对更加集中在管附近。因此，在黏性土中
应当适当增大工作压力水头或减小管间距以保证足够的湿润面积，避免作物需水旺盛期供水不足而
影响作物品质和产量。
工作压力水头是微润灌溉系统重要的管理参数。尽管微润管作为一种半透膜材料，其出流的驱
动力为管内外的水势差，出水流量可根据土壤含水率变化自动调节，但一方面由于在一般情况下管

— 1099 —