浑水波涌畦灌条件下的间歇入渗试验研究

水利学报
JOURNAT OF HYDRAULIC ENGINEERING
1998年第5期

浑水波涌畦灌条件下的间歇入渗试验研究

费良军　王文焰
(西安理工大学水资源研究所)

摘　要　本文依据大田浑水连续及浑水间歇入渗试验资料，探讨了浑水连续入渗和间歇入渗特性及其规律，研究了浑水泥沙颗粒级配组成对浑水间歇入渗的影响，建立了浑水泥沙物理性粘粒含量与减渗率大小的关系，此研究成果为进一步研究浑水波涌灌理论与技术奠定了基础.

关键词　浑水，间歇入渗，波涌灌溉，含沙率，泥沙颗粒级配.

　　波涌灌溉(Surge flow irrigation)是间歇性地按一定周期向畦(沟)供水，使水流推进到畦(沟) 末端的一种节水型地面灌溉新技术，它具有节水、节能、保肥和灌水质量高等特点^［1，2］.由于我国北方灌区基本是以多泥沙河流为水源的浑水灌区，且地面灌溉面积占98%以上，为节水和提高灌溉质量，应采用波涌灌这一先进的节水灌溉新技术，目前很少见到国内外有关浑水波涌灌方面的研究报导^［3，4］，而研究浑水间歇入渗是研究浑水波涌灌技术的基础，因此，开展浑水波涌灌条件下的间歇入渗试验研究对进一步开展浑水波涌灌理论与技术研究具有重要意义.

1　大田试验
　　浑水波涌畦灌条件下的土壤入渗为一维浑水垂直间歇入渗.为探讨其特性及规律，1995年7～8月，利用我所研制的自动供水双套环入渗仪在陕西蒲城县白卤村农田上进行了浑水连续和间歇入渗试验^［5］，试验田为粘壤土，土壤基本物理参数为：平均干容重1.401g/cm³、比重2.658g/cm³、孔隙率47.3%、田间持水率27.8%.试验中以重量比配制成不同含沙率(清水、5%、10%、16%、23%)和4种不同泥沙颗粒级配组成的浑水水样，共进行了45组浑水间歇入渗和浑水连续入渗试验.

2　浑水连续入渗特性

表1　浑水泥沙颗粒级配组成

颗粒直径/mm	＜0.1	＜0.05	＜0.01	＜0.005	＜0.002	＜0.001
重量百分含量(%)	99.85	83.75	47.89	36.71	25.47	18.87

2.1　浑水含沙率对土壤入渗能力的影响

试验中的浑水泥沙取自陕西洛惠灌区灌溉渠道中的淤积泥沙，其级配组成见表1.图1为同一浑水泥沙颗粒级配、不同浑水含沙率的浑水连续入渗量曲线，可以看出：在同一入渗历时，浑水连续入渗量明显小于清水连续入渗量，浑水的含沙率不同，则对土壤入渗能力减小程度不同，在浑水泥沙颗粒级配组成一定的情况下，随浑水含沙率ρ的增大，其土壤入渗能力减小，在不同的入渗历时，浑水较清水的减渗率(减渗率

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图1　不同含沙率的浑水入渗量曲线

wpe27.jpg (1870 bytes) ，式中Z清c、Z浑c分别表示相同入渗历时的清水和浑水连续入渗的累积入渗量.)见表2，可以看出：对于同一入渗历时，减渗率随浑水含沙率的增大而增大，说明土壤入渗能力随浑水含沙率增大而减小；对于同一含沙率的浑水，减渗率随入渗历时的增长而增大，但随着入渗历时的延长，减渗率的增长率变小，说明浑水中泥沙对入渗一直有减渗效果，在入渗初期，减渗作用最大，随着时间的延长而减小，最后基本趋于稳定值.经分析研究表明：对于同一含沙率的浑水，减渗率与入渗历时的关系为幂函数关系，对表2数据拟合得：ρ=5%， η=4.950t^0.247;ρ=10%， η=29.841t^0.062;ρ=16%， η=43.564t^0.097;ρ=23%， η=59.083t^0.052;上式拟合的相关系数均大于0.94.同样，对同一入渗历时，减渗率与含沙率间仍为幂函数关系，对表2资料拟合得：η_１=1.309ρ^1.325;η₂=1.545ρ^1.284;η₃=1.742ρ^1.256;η₄=2.564ρ^1.124,以上拟合的相关系数均大于0.93.

表2　不同含沙率的浑水减渗率

入渗历时/min减渗率(%)含沙率(%)	15	30	60	90	η₂-η_１	η₃-η₂	η₄-η₃
入渗历时/min减渗率(%)含沙率(%)	η_１	η₂	η₃	η₄	η₂-η_１	η₃-η₂	η₄-η₃
5	9.50	10.53	11.54	12.29	1.03	1.01	0.75
10	34.62	36.84	37.50	38.10	2.22	0.66	0.60
16	57.69	62.15	65.38	66.67	4.46	3.23	1.29
23	69.23	72.05	74.04	74.60	2.82	1.99	0.56

2.2　浑水连续入渗公式　试验分析表明：浑水连续入渗的累积入渗量Z与入渗历时T的关系符合Kostikov幂函数方程，即

Z=KT^α，(1)

表3　不同含沙率的K、α参数表

含沙率ρ%	K	α	K/K0	α/α0	相关系数
0	6.1235	0.524	1	1	0.9876
5	5.6886	0.510	0.9289	0.9733	0.9543
10	4.4361	0.499	0.7244	0.9523	0.9644
16	3.9355	0.412	0.6427	0.7863	0.9978
23	2.8576	0.368	0.4667	0.7023	0.9473

式中　Z单位为mm,T的单位为min，K、α分别为浑水入渗系数和指数.图1资料拟合的参数见表3，表中α₀，K₀分别为清水连续入渗的α、K值.由表3看出：浑水入渗的Z与T之间拟合的相关系数均在0.94以上，说明拟合效果很好；另外，随着浑水含沙率增大，其K、α、K/K₀、α/α₀值逐渐减小，说明土壤入渗能力随浑水含沙率ρ的增大而变小.
　　以清水条件下的K₀和α_０为基数，以不同含沙率的浑水K与K₀的比值和α与α0的比值来表示不同浑水含沙率对土壤入渗的减渗作用，其大小见表3，拟合函数为

β_１=K/K0=1-aρ^b,β₂=α/α0=1-cρ^d,(2)

式中a、b、c、d为拟合参数，对表3资料拟合得：

β_１=K/K0=1-0.0102ρ^1.3079,R=0.972,(3)

β₂=α/α0=1-0.0015ρ^1.7089,R=0.9551,(4)

其中ρ以百分数计.β_１与ρ_１、β₂与ρ相关系数均大于0.95，说明相关关系很好.浑水入渗量Z与入渗历时T的关系如以清水的K₀、α₀为参数，再考虑浑水与清水入渗间的关系可得：

(5)

　则

(6)

3　浑水间歇入渗特性

　　由于浑水中含有泥沙，所以其入渗特性与清水的不同，浑水入渗较清水入渗复杂得多.试验表明：与相同条件下的清水连续入渗相比，浑水连续入渗可减小土壤的入渗能力，而浑水间歇入渗较其连续入渗，土壤入渗能力又有减小作用，但其减小程度较清水间歇入渗减渗率小2.图2中曲线a0、a1、a2、a3、a4分别表示清水和含沙率5%、10%、16%、23%的浑水连续入渗量曲线；b0、b1、b2、b3、b4分别表示清水和含沙率5%、10%、16%、23%的浑水、周期数为4、周期供水时间为15min、循环率为1/3的间歇入渗量曲线.

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图2　浑水含沙率～间歇入渗量曲线.

可以看出：对于连续和间歇入渗，土壤入渗能力随含沙率的增大而减小，而对同一含沙率的浑水，间歇入渗第一入渗周期和连续入渗完全相同，但对于浑水间歇入渗第一间歇阶段以后，浑水间歇入渗量明显小于其连续入渗量，即浑水间歇入渗能减小土壤渗能力.表4中Z_清ci、Z_清si、Z_浑ci、Z_浑si分别表示第i入渗周期时间末，清水连续、清水间歇、浑水连续和浑水间歇入渗量.表2中η_i反映了浑水对土壤连续入渗能力减渗作用；表4中η'_i反映了浑水泥沙和入渗间歇阶段对土壤入渗能力的共同减渗作用；η"_i表示不同含沙率条件下的浑水间歇入渗在第i入渗周期末较同历时浑水连续入渗的减渗率，它主要反映浑水间歇入渗的间歇阶段对浑水入渗的减渗作用.

表4　浑水连续入渗及间歇入渗的减渗率

含沙率(%)									Δη′₁	Δη′₂	Δη′₃
含沙率(%)	η′₁	η′₂	η′₃	η′₄	η″₁	η″₂	η″₃	η″₄	Δη′₁	Δη′₂	Δη′₃
0	-	13.18	17.78	23.08	0	13.70	20.45	20.79	-	-	-
5	7.69	23.68	27.78	30.77	0	10.94	18.75	20.22	15.99	4.10	2.99
10	34.62	44.74	48.89	51.92	0	8.70	17.86	19.69	10.12	4.15	2.03
16	57.69	68.42	71.11	73.08	0	8.20	15.84	17.65	10.73	2.69	1.97
23	69.23	76.63	77.78	78.85	0	8.10	13.64	16.67	8.40	1.15	1.07

　　从表2、表4可以看出：对于同一含沙率ρ，随着入渗历时的增长，浑水连续和间歇入渗的减渗率η_i、η′_i、η″_i增大，且浑水间歇入渗在第一入渗周期间歇阶段以后，其减渗率η′_i大于浑水连续入渗的减渗率η_i，说明浑水间歇入渗较其连续入渗更能减小土壤的入渗能力，且浑水间歇入渗的减渗作用随入渗历时增长而减渗率越大；在相同入渗历时，减渗率η′_i随浑水含沙率ρ的增大而增大，这主要由于在同一入渗历时和浑水泥沙颗粒级配组成一定时，含沙率ρ越大，则沉积的泥沙愈多，沉积层厚度越大，形成的致密层减渗作用越大.表4中

可以看出：

较

、

大得多，又

较

大，说明浑水减小土壤的入渗能力体现在整个浑水入渗过程中，浑水间歇入渗的第一入渗周期减渗作用最大，以后各入渗周期对土壤入渗能力减小作用较小，且随周期数的增加，浑水间歇入渗的减渗作用减小.对表4中

与含沙率ρ拟合得：

=0.8832ρ^1.4637，R=0.9762;

=6.7538ρ^0.8047，R=0.9902;

=9.3637ρ^0.7011，R=0.9872;

=11.4048ρ^0.6414，R=0.9860.上式适用于3%≤ρ≤25%，其中ρ以百分数计，各式拟合的相关系数R均大于0.96.由表4看出：η″_i随浑水含沙率ρ的增大而减小，说明浑水间歇入渗的间歇阶段对入渗有减渗作用，但浑水间歇入渗的间歇阶段的减渗作用随浑水含沙率的增大而减小，而浑水连续入渗的减渗率

随浑水含沙率的增大而增大，则说明浑水间歇阶段对浑水入渗的减渗作用较浑水落淤的减渗作用小.　　

4　浑水泥沙颗粒级配组成对入渗的影响

表5　不同级配的浑水泥沙组成

颗粒直径/min	＜0.1	＜0.05	＜0.01	＜0.005	＜0.002	＜0.0001
浑水泥沙A	99.90	84.00	54.40	43.91	30.22	23.79
浑水泥沙B	99.85	83.75	47.89	36.71	25.47	18.87
浑水泥沙C	98.64	74.25	42.79	29.18	17.79	10.32
浑水泥沙D	95.44	68.37	35.89	21.15	10.25	2.39

浑水间歇入渗较清水间歇入渗的最大差别在于浑水中含有泥沙，在浑水间歇入渗过程中，不仅有原有田面土壤的密实作用，且有泥沙不断沉积，这样改变了原有田面土壤的结构性状，有利于致密层的形成和发展，致密层中不仅有原田面土壤，且主要为浑水中的沉积泥沙，所以浑水的含沙率大小、粘粒含量、泥沙颗粒组成和泥沙矿物成份对浑水间歇入渗特性及减渗大小影响很大，从而影响浑水波涌灌的灌水效果.试验中采用的4种不同级配组成的泥沙见表5，并分别配制成含沙率16%的浑水进行入渗试验，浑水间歇入渗的周期数为4、周期供水时间为15min，循环率为1/3，试验结果如图3。

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图3　泥沙颗粒级配～入渗量关系

可以看出：浑水连续及间歇入渗量均小于同历时的清水连续入渗量，对于同一含沙率的浑水，不同泥沙级配的浑水的入渗能力和减渗率大小不同，其结果见表6，表中d_0.01表示浑水泥沙中粒径小于0.01mm的泥沙含量占总量的重量百分数， wpe4A.jpg (1704 bytes) ， wpe4B.jpg (1709 bytes) ，式中符号意义同前，η_1i、η_2i分别表示浑水间歇入渗相对清水连续入渗和同一含沙率、同一泥沙级配组成的浑水连续入渗的减渗率.由图3可以

表6　浑水泥沙颗粒级配组成对浑水减渗率的影响

d_0.01	入渗方式	Z_imm(i为周期)				η_1i				η_2i
d_0.01	入渗方式	Z₁	Z₂	Z₃	Z₄	η₁₁	η₁₂	η₁₃	η₁₄	η₂₁	η₂₂	η₂₃	η₂₄
清水	连续	36.0	47.0	55.0	61.5	-	-	-	-	-	-	-	-
35.89(D)	连续间歇	31.0 31.0	41.5 37.0	48.0 41.5	53.0 44.5	13.89	21.28	24.55	27.64	0	10.84	13.54	16.04
42.79(C)	连续间歇	20.5 20.5	27.0 23.0	31.5 26.0	35.5 28.1	43.06	51.06	52.73	55.28	0	14.81	17.46	20.85
47.89(B)	连续间歇	17.0 17.0	24.7 20.5	28.5 23.1	33.0 25.7	52.78	56.38	58.0	58.39	0	17.10	19.32	22.39
54.40(A)	连续间歇	15.5 15.5	21.0 17.0	24.5 19.0	27.0 20.0	56.94	63.83	65.45	67.48	0	19.05	22.45	25.93

看出：浑水泥沙级配组成不同，其浑水入渗能力不同，浑水中泥沙粒径大小组成直接影响着浑水中固液界面的理化性质和泥沙自身的受力特性，这种性质又影响着浑水中泥沙的沉降发特性和田面致密层的形成.粗颗粒在浑水中分散性差、极易下沉，而细颗粒情况相反，但对于粒径d＜0.01mm的泥沙，它们之间会发生一种絮凝现象，这样会使浑水处于絮凝不稳定状态；而絮凝结构的存在又将导致浑水流变性的改变.根据粗、细颗粒对浑水性质和沉积后对田面致密层形成的不同影响，可以将浑水泥沙颗粒分为2类，一类是粒径d≤0.01mm的物理性粘性颗粒；另一类是d＞0.01mm的非粘性颗粒，由于粘性与非粘性颗粒在浑水中的稳定性和力学性质不同，使它们从微观和宏观两方面对浑水产生影响，其中粘性颗粒是最活跃的成份，是造成浑水特性的主要因素，因而不同泥沙级配的浑水对入渗的影响主要反映在d_0.01大小上^［6］，因而可以用d_0.01代表该种泥沙颗粒级配.将d_0.01与η_1i、η_2i的关系绘于图4和图5，可以看出：对于同一d_0.01,随周期数的增大，减渗率增大；对于同一入渗周期，


图4　泥沙级配～η_1i关系	图5　泥沙级配～η_2i关系

随着d_0.01的增大，减渗率均增大，说明泥沙中物理性粘粒含量越多，对浑水间歇入渗减渗作用越大，对不同入渗周期，将图4、图5的d_0.01与η_1i、η_2i关系拟合得. 上式拟合的相关系数大于0.95，说明η_1i、η_2i与d_0.01的相关关系很好，其中η_1i、η_2i和d_0.01均以百分数计.从η_1i、η_2i与d_0.01的拟合结果看出：拟合的系数随周期数i增大而增大，而指数随周期的增大而减小.

　　表7　不同颗粒级配的K′、α′参数表

d_0.01(%)	K′	α′	K′/K₀	α′/α0
清水	11.912	0.386	1	1
35.89	9.162	0.436	0.769	1.130
42.79	6.823	0.453	0.573	1.174
47.89	4.955	0.463	0.416	1.199
54.40	3.819	0.490	0.321	1.269

试验研究表明：不同级配组成的泥沙配制的浑水，其连续入渗量Z与历时t的关系仍符合Kostikov公式，设为Z=K′t^α′，其拟合结果见表7，可以看出：K′随物理性粘粒含量d_0.01增大而α′随物理性粘粒含量的增加而增大，说明在浑水泥沙矿物组成一定条件下，浑水中物理性粘粒含量d_0.01的增大使浑水入渗能力降低，且随时间的延长，浑水入渗率的减小速度变小，经拟合得：

(7)

(8)


图6　K′/K0-d_0.01关系曲线	图7　α′/α0-d_0.01关系曲线

若以K0、α0表示清水连续入渗公式中的系数和指数，则得浑水连续入渗的相对系数K′/K0、相对指数α′/α0见表7和图6、图7，可以看出：随物理性粘粒含量d_0.01的增大，K′/K0减小，而α′/α0却增大，经拟合得K′/K0、α′/α0与d_0.01的关系函数为：

(9)

(10)

其相关系数均大于0.97，说明K′/K0、α′/α0与d_0.01的相关关系很好.

5　结　语
　　(1)相对清水连续入渗，浑水连续入渗能减小土壤入渗能力.浑水连续入渗曲线仍符合Kostikov公式，浑水间歇入渗相对其连续入渗更能减小土壤的入渗能力.浑水连续入渗和间歇入渗能力均随浑水含沙率增大而减小.(2)浑水泥沙颗粒级配组成对浑水连续和间歇入渗能力影响较大，浑水泥沙中性粘粒含量越大，则浑水入渗的减渗性越大，本文建立了浑水泥沙中的物理性粘粒含量与其减渗率的关系.(3)本文研究成果为浑水波涌灌技术要素设计和灌水质量评价提供了科学依据.

参考文献

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