王越帥，盛懷森，李先文，亓文明，李 睿，李向明

(煙臺大學環(huán)境與材料工程學院，山東 煙臺 264005)

0 引 言

水資源危機和糧食安全是我國21世紀面臨的重大課題，采用節(jié)水、節(jié)能的灌溉方法是緩解水資源危機和保證糧食安全的必然選擇[1,2]。20世紀末，塑料工業(yè)的快速發(fā)展使得塑料的灌水器、滴頭、噴頭、接頭、管道大量涌現(xiàn)，極大促進了節(jié)水灌溉技術(shù)的進步。然而在實際使用中，塑料的灌溉產(chǎn)品存在諸多不足：易老化、使用壽命短；親水性差、與土壤的相容性差；殘留水難以排出，冬季易被凍裂；易遭受蟲鉆、鼠咬而失效；堵塞后難以清洗；對環(huán)境污染嚴重，必須進行無害化處理。因此，基于塑料灌溉產(chǎn)品的灌溉技術(shù)雖然節(jié)水效果顯著，但后期維護費用較高[3]。

滲灌是一種將灌溉水輸入到作物根系附近土壤中供作物吸收的方法[4-6]，節(jié)水節(jié)能效果顯著。針對塑料灌溉產(chǎn)品的不足，近年來一些學者開始嘗試使用陶罐和陶管進行滲灌[7-10]。由于微孔陶瓷內(nèi)部大量相互連通的微孔道具有很好的毛細作用，灌溉水在經(jīng)由微孔道消能后可穩(wěn)定入滲到土壤中，因此將微孔陶瓷制成灌水器用于滲灌不僅節(jié)水效果顯著，而且經(jīng)久耐用、造價低廉，至今在印度和中東一些干旱地區(qū)仍被廣泛使用[11-14]。截至目前，微孔陶瓷灌水器的規(guī)范化制備[15-19]、水力性能[19-22]和灌溉效果[23-25]等方面的研究均證實了微孔陶瓷滲灌的可行性，然而在實際使用中，微孔陶瓷灌水器需逐個安裝于塑料管道上，因此即便采用微孔陶瓷灌水器替代了塑料灌水器，塑料管道的不足對滲灌的負面影響仍然存在。Siyal將高溫燒制的微孔陶瓷管首尾相連埋入地下，構(gòu)建成微孔陶瓷滲水管道，研究了微孔陶瓷滲水管道的灌溉效果[26,27]。盡管該研究使用的微孔陶瓷管采用手工拉坯成型，燒制溫度也未嚴格控制，但該研究仍然充分體現(xiàn)了微孔陶瓷滲灌的優(yōu)點。重要的是，該研究隱含了一種微孔陶瓷滲灌系統(tǒng)構(gòu)建的新思路，即避免在塑料管道上逐個安裝灌水器，將微孔陶瓷管首位相連直接構(gòu)建滲水管道。由于這種滲水管道沒有任何塑料部件，因此可從根本上消除塑料制品對滲灌的負面影響。

近幾年隨著材料科學技術(shù)的發(fā)展，各種高性能微孔陶瓷大量涌現(xiàn)，但較高的原料價格和制造成本限制了微孔陶瓷在農(nóng)業(yè)滲灌領(lǐng)域的應(yīng)用。為了滿足農(nóng)業(yè)推廣的低成本要求，筆者制備了一種水力性能優(yōu)異的微孔混凝土灌水器，并詳細研究了原料配比和形狀參數(shù)對其水力性能的影響[19,21]。該微孔混凝土灌水器除具有微孔陶瓷灌水器的優(yōu)點之外，由于制造原料為價格低廉的砂子和水泥，而且制備過程無須高溫燒結(jié)，因此制造成本遠低于微孔陶瓷灌水器。本文基于微孔混凝土滲水管道，提出一種灌溉水輸送和滲流同步進行的滲灌方式。以砂子和水泥為原料，采用干壓法制備具有一定長度的微孔混凝土圓管，研究系統(tǒng)了水頭變化對微孔混凝土圓管單位長度流量的影響規(guī)律；將微孔混凝土圓管首位相接構(gòu)建成滲水管道，研究系統(tǒng)了水頭變化對微孔混凝土滲水管道沿程水頭的影響規(guī)律，擬合了微孔混凝土滲水管道的沿程水頭計算公式，以期為微孔混凝土滲灌系統(tǒng)的科學構(gòu)建和合理使用提供理論依據(jù)。

1 材料制備與實驗方法

1.1 微孔混凝土圓管制備

微孔混凝土圓管制備使用的原料有砂子、水泥、硅溶膠。標準砂購自廈門艾思歐標準砂有限公司，水泥(強度等級P.O52.5)購自浙江三獅集團特種水泥有限公司，硅溶膠(SiO2質(zhì)量分數(shù)為25%，SiO2平均粒徑為10～20 nm，Na2O質(zhì)量分數(shù)≤0.1%)購自山東百特新材料有限公司。

向硅溶膠中添加去離子水并攪拌，得到SiO2質(zhì)量分數(shù)為10%的稀釋硅溶膠。將標準砂過篩選出粒徑范圍為1.0～1.7 mm的砂子。將水泥和砂子按18∶82的重量比混合，倒入水泥膠砂攪拌機(JJ-5型，華錫，中國無錫)中，邊攪拌邊噴灑硅溶膠，每100 g水泥噴灑30 g硅溶膠。將攪拌好的粉料模壓成長度為500 mm、外徑為70 mm、內(nèi)徑為50 mm的微孔混凝土圓管，然后在微孔混凝土圓管的一端插入一根長為40 mm、外徑為50 mm的PVC短管，PVC短管插入微孔混凝土圓管的深度約為20 mm。圖1給出了微孔混凝土圓管的照片。在陰涼的地面鋪一層厚度為20～30 mm的細沙，將制備好的微孔混凝土圓管整齊擺放在細沙上，每天定時向微孔混凝土圓管表面噴水進行養(yǎng)護，連續(xù)養(yǎng)護28 d。

圖1 微孔混凝土圓管的照片

1.2 微孔混凝土滲水管道構(gòu)建和流量測試

在PVC管表面涂抹熱熔膠，依次將微孔混凝土圓管首位相接，將微孔混凝土圓管連接成2根長20 m的滲水管道，然后將滲水管道與水力性能測試平臺連接。圖2給出了微孔混凝土滲水管道與水力性能測試平臺的連接示意圖。如圖2所示，測試系統(tǒng)由微孔混凝土滲水管道、水箱、水泵、過濾器、閥門、壓力表、燒杯、回水槽組成。在進行水力性能測試時，水箱中的水依次經(jīng)過水泵、過濾器、閥門1、壓力表1進入滲水管道中，由滲水管道流出的水依次經(jīng)過閥門2和壓力表2落入回水槽中，然后由回水槽導(dǎo)流至水箱中循環(huán)使用。

圖2 微孔混凝土滲水管道與水力性能測試平臺的連接示意圖

微孔混凝土滲水管道的流量采用稱重法測試。測試時，待滲水管道各處的流量穩(wěn)定后，在距離滲水管道進水口0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 m的位置下方各放置一個燒杯，將滲水管道滲出的水接在燒杯中進行稱重。每次測試時間不少于3 min，每個位置重復(fù)測試3次取平均值。

1.3 微孔混凝土灌水器制備和流量測試

將微孔混凝土圓管切割成長約150～200 mm的短管，組裝成灌水器。圖3是微孔混凝土灌水器的照片和示意圖。如圖3

圖3 微孔混凝土灌水器的實物照片和組裝示意圖

所示，灌水器由上外殼、下外殼、微孔混凝土短管三部分組成，短管位于上、下外殼中間，短管與上、下外殼采用熱熔膠密封，上外殼設(shè)有進水口，下外殼封閉。在進行流量測試時，水流由進水口進入灌水器，然后經(jīng)由短管內(nèi)部的微孔道向外滲流，最后沿短管外壁匯流而下。微孔混凝土灌水器的流量同樣采用稱重法進行測試。測試時，每個灌水器的流量取3次測試結(jié)果的平均值，每次測試時間不少于3 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 微孔混凝土圓管的單位長度流量

本文構(gòu)建的微孔混凝土滲水管道長達20 m，水在進入滲水管道之后，一邊向前流動一邊沿管壁內(nèi)的微孔向外滲流，因此滲水管道的沿程水頭和流量都將逐漸減小。為了準確研究微孔混凝土滲水管道沿程水頭和流量的變化規(guī)律，須先了解微孔混凝土圓管的單位長度流量隨水頭的變化規(guī)律。由于微孔混凝土灌水器的尺寸相對較小，進入灌水器的水只能沿管壁內(nèi)的微孔向外滲流，因此灌水器不同位置的滲水情況相同[19]。綜上所述，微孔混凝土圓管單位長度流量隨水頭的變化規(guī)律，可以通過測試微孔混凝土灌水器的流量后計算獲得。為此，本文對微孔混凝土圓管進行切割后組裝了5個灌水器，然后測試了5個灌水器在不同水頭的流量。

表1給出了5個微孔混凝土灌水器在不同水頭下的流量。如表1所示，隨著水頭的增大，所有灌水器的流量均呈線性增大。例如，隨著水頭由0.5 m增至4.5 m，編號為G1的灌水器流量由2.02 L/h線性增至16.79 L/h，編號為G5的灌水器流量由2.39 L/h線性增至21.41 L/h。表1中5個灌水器對應(yīng)的圓管長度有所差異，在水頭不變的情況下，圓管長度的增加也會使得灌水器的流量增大。例如，隨著圓管長度由15.6 cm增至19.5 cm，當水頭為2.0 m時，灌水器的流量由7.36 L/h 線性增至9.76 L/h，當水頭為4.0 m時，灌水器的流量由15.16 L/h線性增至18.76 L/h。

表1 微孔混凝土灌水器的流量 L/ h

為了消除圓管長度對灌水器流量的影響，將表1中5個灌水器的流量除以各自對應(yīng)的圓管長度，得到5個灌水器的單位長度流量，然后對5個灌水器的單位長度流量取平均值，作為微孔混凝土圓管的單位長度流量。圖4給出了微孔混凝土圓管的單位長度流量與水頭的對應(yīng)關(guān)系。如圖4所示，隨著水頭由0.5 m增至4.5 m，微孔混凝土圓管的單位長度流量由126 mL/(h·cm)線性增至1087 mL/(h·cm)?？梢钥闯?，隨著水頭的增大，微孔混凝土圓管的單位長度流量呈線性增大。根據(jù)圖4的結(jié)果，擬合微孔混凝土圓管的單位長度流量與水頭滿足公式(1)的線性函數(shù)關(guān)系。后續(xù)研究中，將公式(1)作為微孔混凝土滲水管道沿程水頭和流量的計算依據(jù)。

Q=240.3H+5.7

(1)

式中：Q為微孔混凝土圓管的單位長度流量，mL/(h·cm)；H為微孔混凝土圓管內(nèi)部的水頭，m。

圖4 微孔混凝土圓管單位長度流量與水頭的對應(yīng)關(guān)系

2.2 微孔混凝土滲水管道的水力性能

在測試微孔混凝土灌水器的水力性能時，由于灌水器的長度相對較短，水會很快充滿灌水器，然后沿灌水器管壁內(nèi)的微孔道向外滲流，因此微孔混凝土灌水器表面不同位置幾乎同時被水潤濕，而且灌水器表面被潤濕后立即有水滲出。而在測試微孔混凝土滲水管道的水力性能時，由于滲水管道較長，水在進入滲水管道之后，一邊沿滲水管道向前流動，一邊沿管壁內(nèi)的微孔道向外滲流，因此滲水管道進水口處首先被潤濕，然后沿水流方向依次被潤濕，出水口處最后被潤濕。另外，在滲水管道剛通水時，滲水管道前段處于剛充水狀態(tài)，而滲水管道后段尚處于無水狀態(tài)，因此當滲水管道某一位置剛被潤濕時，該位置內(nèi)部的水頭很小，該位置表面只有很少的水滲出。隨著該位置后方的滲水管道逐漸充滿水，該位置內(nèi)部的水頭逐漸增大，該位置表面的滲水速率逐漸加快；隨著該位置后方更長的滲水管道被充滿水，該位置內(nèi)部的水頭進一步增大，該位置表面的滲水速率會變得更快。

以1 m水頭為例，圖5給出了微孔混凝土滲水管道的滲水照片。照片中的2根滲水管道位置為距離進水口10 m處，第1根滲水管道為穩(wěn)定滲流狀態(tài)，第2根滲水管道為剛被水潤濕的狀態(tài)。拍攝時，將相機對準距離進水口10 m處的滲水管道，將滲水管道進水口的水頭調(diào)為1 m，打開第1根滲水管道的進水口閥門，讓第1根滲水管道穩(wěn)定工作3 min后，打開第2根滲水管道的進水口閥門，待第2根滲水管道上相機對準的位置剛被水潤濕時，按下相機快門進行抓拍。對比圖5中2根滲水管道下方的水滴數(shù)量可以清楚看出，剛被水潤濕的滲水管道下方水滴很少，水滴下落頻率較慢；而處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)的滲水管道下方水滴數(shù)量明顯較多，水滴下落頻率較快。因此，在測試微孔混凝土滲水管道不同位置的流量時，須等到壓力表1的讀數(shù)和滲水管道各處的流量穩(wěn)定之后再進行測試。

圖5 微孔混凝土滲水管道的滲水照片

在對滲水管道的流量進行測試時，滲水管道的沿程流量變化非常明顯，即便是滲水管道處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，滲水管道前段的水滴下落頻率明顯高于后段，尤其是滲水管道進水口處的水滴下落頻率遠高于出水口處。表2給出了微孔混凝土滲水管道不同位置的單位長度流量。通過對比表2的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)水頭的增大，滲水管道上每個被測位置的單位長度流量均增大。例如，隨著系統(tǒng)水頭由0.5 m增至4.5 m，在滲水管道4、10、16 m處的單位長度流量分別由80、58、43 mL/(h·cm)增至435、130、83 mL/(h·cm)。通過對比表2的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)水頭不變的情況下，隨著被測位置沿水流方向后移，滲水管道的單位長度流量逐漸降低。例如，當系統(tǒng)水頭分別為1.0、2.5、4.0 m時，隨著被測位置由2 m處后移至18 m處，滲水管道的單位長度流量分別由174、407、619 mL/(h·cm)逐漸降至45、61、72 mL/(h·cm)。

表2 微孔混凝土滲水管道不同位置的單位長度流量 mL/(h·cm)

根據(jù)圖4的結(jié)果已知，微孔混凝土圓管的單位長度流量與水頭滿足公式(2)的線性函數(shù)關(guān)系。因此，在測得滲水管道不同位置的單位長度流量后，根據(jù)公式(2)可準確計算出滲水管道不同位置內(nèi)部所對應(yīng)的水頭，繼而得出滲水管道的沿程水頭變化規(guī)律。

圖6(a)給出了微孔混凝土滲水管道的沿程水頭隨系統(tǒng)水頭的變化規(guī)律。如圖6(a)所示，隨著系統(tǒng)水頭的增大，滲水管道上所有被測位置的水頭均呈線性增大。分別以4、10、16、20 m被測位置為例，隨著系統(tǒng)水頭由0.5 m增至4.5 m，滲水管道4、10、16、20 m處的水頭分別由0.31、0.22、0.15、0.13 m線性增至1.79、0.52、0.32、0.26 m。根據(jù)圖6(a)的結(jié)果進一步發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)水頭由0.5 m增至4.5 m，雖然滲水管道進水口處的水頭增大了8倍，但是滲水管道出水口處的水頭僅增大了1倍，在滲水管道4、10、16 m處的水頭增幅依次減小，分別為4.8、1.4、1.1倍。根據(jù)上述規(guī)律可以看出，在沿水流方向上，系統(tǒng)水頭變化只對滲水管道前段的水頭影響較大，對滲水管道中段的水頭影響逐漸減小，對滲水管道后段的水頭影響很小。

圖6(b)給出了微孔混凝土滲水管道的沿程水頭隨被測位置的變化情況。如圖6(b)所示，分別以1.0、2.5、4.0 m的系統(tǒng)水頭為例，隨著被測位置由進水口處后移至6 m處，滲水管道的水頭分別由1.0、2.5、4.0 m快速減至0.41、0.78、1.01 m；隨著被測位置由8 m處后移至14 m處，滲水管道的水頭分別由0.32、0.53、0.67 m逐漸減至0.20、0.29、0.34 m；隨著被測位置由16 m處后移至20 m處，滲水管道的水頭分別由0.18、0.25、0.31 m緩慢減至0.16、0.22、0.25 m。根據(jù)上述規(guī)律可以看出，在系統(tǒng)水頭不變的情況下，滲水管道的水頭沿水流方向減小，其中滲水管道前段水頭減小速度很快，中段水頭減小速度逐漸變慢，后段水頭減小速度則非常緩慢。

圖6 微孔混凝土滲水管道的沿程水頭隨系統(tǒng)水頭和被測位置的變化規(guī)律

根據(jù)圖6(b)的結(jié)果進一步發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)水頭較小時的滲水管道沿程水頭變化曲線，實際上是系統(tǒng)水頭較大時滲水管道沿程水頭變化曲線的一部分。分別以0.5 m和4.5 m系統(tǒng)水頭為例，當系統(tǒng)水頭為0.5 m時，隨著被測位置由0 m處后移至10 m處，滲水管道的水頭由0.5 m緩慢減至0.22 m，水頭減小了0.28 m；當系統(tǒng)水頭為4.5 m時，隨著被測位置由10 m處后移至20 m處，滲水管道的水頭由0.52 m緩慢減至0.26 m，水頭減小了0.26 m。再分別以2.5 m和4.0 m系統(tǒng)水頭為例，當系統(tǒng)水頭為2.5 m時，隨著被測位置由0 m處后移至18 m處，滲水管道的水頭由2.5 m緩慢減至0.23 m，水頭減小了2.27 m；當系統(tǒng)水頭為4.0 m時，隨著被測位置由2 m處后移至20 m處，滲水管道的水頭由2.55 m緩慢減至0.25 m，水頭減小了2.3 m。通過上述2個例子的對比結(jié)果可以看出，不論系統(tǒng)水頭如何變化，只要在滲水管道上找到具有相同水頭的位置，在此位置后方滲水管道上的水頭變化規(guī)律完全一致。綜上所述，只要擬合出系統(tǒng)水頭較大時滲水管道的沿程水頭變化函數(shù)，系統(tǒng)水頭較小時滲水管道的沿程水頭變化函數(shù)可同時獲得。

在本文的研究范圍內(nèi)，根據(jù)圖6(b)的結(jié)果，公式(2)給出了系統(tǒng)水頭為4.5 m時滲水管道的沿程水頭變化函數(shù)。

H=[4.5+(0.1L)4.6] e-0.235 L

(2)

式中：H為微孔混凝土滲水管道被測位置的水頭大小，m；L為微孔混凝土滲水管道被測位置到進水口的距離，m。

圖7對比了系統(tǒng)水頭為4.5 m時滲水管道沿程水頭的計算值和實測值。如圖7所示，根據(jù)公式(2)計算得到的滲水管道沿程水頭變化曲線與實測結(jié)果非常吻合。由此可見，在本文滲水管道長度為20 m的研究范圍內(nèi)，公式(2)完全能夠用于計算系統(tǒng)水頭小于等于4.5 m時微孔混凝土滲水管道不同位置的水頭。

圖7 系統(tǒng)水頭為4.5 m時滲水管道沿程水頭與被測位置的函數(shù)關(guān)系

假設(shè)微孔混凝土滲水管道的長度大于20 m，當系統(tǒng)水頭為4.5 m時，根據(jù)公式(2)計算滲水管道在10 m處和30 m處的水頭分別為0.52 m和0.14 m，即隨著滲水管道由10 m處后移至30 m處，滲水管道的水頭由0.52 m逐漸減至0.14 m，水頭減小了0.38 m。而根據(jù)圖6(b)的實測結(jié)果可知，當系統(tǒng)水頭為0.5 m時，隨著滲水管道由0 m處后移至20 m處，滲水管道的水頭由0.5 m逐漸減至0.13 m，水頭減小了0.37 m。對比上述計算結(jié)果和實測結(jié)果可以看出，對于長度大于20 m的滲水管道，根據(jù)公式(2)計算的滲水管道沿程水頭變化規(guī)律與實測值仍然保持非常高的一致性。綜上所述，對于長度大于20 m的微孔混凝土滲水管道，公式(2)同樣能夠準確計算其在系統(tǒng)水頭小于等于4.5 m時不同位置的水頭。

3 結(jié) 論

(1)微孔混凝土圓管的單位長度流量與系統(tǒng)水頭滿足Q=240.3H+5.7的線性函數(shù)關(guān)系。隨著系統(tǒng)水頭由0.5 m增至4.5 m，微孔混凝土圓管的單位長度流量由126 mL/h線性增至1 087 mL/h。在已知微孔混凝土滲水管道某個位置的水頭后，根據(jù)該線性函數(shù)可準確計算出滲水管道相應(yīng)位置的流量。

(2)隨著系統(tǒng)水頭的增大，微孔混凝土滲水管道不同位置的水頭均呈線性增大。系統(tǒng)水頭變化只對滲水管道前段水頭影響較大，對滲水管道后段水頭影響較小。隨著系統(tǒng)水頭由0.5 m增至4.5 m，滲水管道進水口處水頭增大了8倍，出水口處水頭僅由0.13 m增至0.26 m。在系統(tǒng)水頭不變的情況下，滲水管道前段沿程水頭減小速度較快，中段沿程水頭減小速度較慢，后段沿程水頭減小速度緩慢。當系統(tǒng)水頭為4.5 m時，滲水管道前段沿程水頭由4.5 m快速減至1.1 m，中段沿程水頭由0.71 m逐漸減至0.36 m，后段沿程水頭由0.32 m緩慢減至0.26 m。

(3)當系統(tǒng)水頭為4.5 m時，微孔混凝土滲水管道的沿程水頭滿足 的函數(shù)關(guān)系。由于系統(tǒng)水頭較小時滲水管道沿程水頭變化曲線，是系統(tǒng)水頭較大時滲水管道沿程水頭變化曲線的一部分，故該函數(shù)同樣可用于計算系統(tǒng)水頭小于4.5 m時滲水管道不同位置的水頭。

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