滲灌用黏土基微孔陶瓷灌水器入滲性能研究

蒲文輝，張新燕,2，朱德蘭,2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

滲灌是一種傳統(tǒng)的灌溉方法，將灌水器或滲灌管埋于作物根系層土壤中，滲水經(jīng)過土壤毛細(xì)作用向周圍土層擴散，根據(jù)作物生長需求和土壤含水率定時定量的向作物供水[1]。這種灌水方法有效地減少了地面蒸發(fā)帶來的水分損失，具有節(jié)水、節(jié)能的優(yōu)點[2,3]。微孔陶瓷用于農(nóng)業(yè)灌溉由來已久，兩千多年前中國就有關(guān)于用陶瓷灌溉的記載[4]。幾百年前在河南濟(jì)源地區(qū)，人們在地面以下埋設(shè)透水瓦片扣合形成的“透水道”用于作物灌溉[5]，20世紀(jì)70年代，山西省萬榮縣等地將瓦管埋于地下，灌水后水流從瓦罐壁滲出灌溉作物[6]；在印度，約旦等干旱半干旱地區(qū)利用陶罐灌水依舊被人們廣泛利用[7,8]，并逐步發(fā)展成了負(fù)壓灌溉[9,10]、零壓灌溉[11]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對微孔陶瓷灌溉做了大量研究[12-14]。Stein認(rèn)為材料類型對微孔陶瓷開口孔隙率有影響，但土壤中的滲水速率主要受陶罐滲透系數(shù)和土壤蒸發(fā)等因素的影響[15,16]。張濤[17,18]研制出一種粗陶在棗樹灌溉中取得較好的效果，并且開發(fā)出與之相適應(yīng)的自動灌溉控制設(shè)備；蔡耀輝[19,20]等以黏土、硅藻土為主要材料，制備出性能較好的黏土基微孔陶瓷灌水器和硅藻土微孔陶瓷灌水器并進(jìn)行了水力性能優(yōu)化；徐增輝[21]等通過改變硅藻土的含量制備出滲水較好的免燒微孔陶瓷灌水器并進(jìn)行了性能研究。

本文針對3種型號微孔陶瓷灌水器，測試了微孔陶瓷的密度、開口孔隙率，做了微觀形貌分析，進(jìn)行了水力性能試驗和土壤入滲試驗。探究影響微孔陶瓷灌水器滲流量的影響因素，以期為滲灌用微孔陶瓷灌水器的推廣應(yīng)用以及進(jìn)一步研制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

滲灌用黏土基微孔陶瓷灌水器形狀及結(jié)構(gòu)如圖1所示，是以黏土、爐渣和硫酸鈣為原料，控制爐渣摻量、灌水器滲流面積制成3種不同配料比例和尺寸大小的灌水器，主要成分及結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 微孔陶瓷灌水器形狀及結(jié)構(gòu)Fig.1 Porous ceramic irrigation emitter

編號主要成分外徑×內(nèi)徑×高度/mmA黏土，硫酸鈣，爐渣10%37．48×20×95．6B黏土，硫酸鈣，爐渣30%37．48×20×78．0C黏土，硫酸鈣，爐渣20%37．48×20×62．4

注：后文為方便敘述以A，B，C分別代表三種不同的灌水器。

1.2 水力性能試驗

3種型號灌水器各取6個，將進(jìn)口處用PVC膠與外徑為20 mm的PVC短管接頭黏接好，一定的間隔豎向插裝在輸水管道上，如圖2所示。通過電腦控制變頻箱提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的管道進(jìn)口壓力，在0～20 m不同壓力下測量5 min時長灌水器滲流量，實驗結(jié)束后停5 min進(jìn)行下一組實驗，每個壓力下測2組數(shù)據(jù)。實驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)實驗廳的灌水器水力性能綜合測試平臺上完成。

圖2 微孔陶瓷灌水器水力性能實驗和入滲試驗裝置圖Fig. 2 The experiment device of micro hole ceramic irrigation emitter

1.3 土壤入滲試驗

選用水力性能最優(yōu)的灌水器進(jìn)行土壤入滲試驗。試驗土壤為陜北黃綿土和砂土，供試土壤顆粒組成如表2所示，土壤水分特征曲線如圖3所示。首先將供試土壤過2 mm篩網(wǎng)篩分，分別按密度1.3和1.6 g/cm3分層填裝，5 cm一層，共12層，土壤初始含水率均為6%。然后將灌水器埋置于土中，其中心距離土壤表面30 cm。馬氏瓶供水，控制進(jìn)口壓力分別為0、0.3、0.5、0.7 m。同時在灌水器處插入EM50土壤水分采集器用以監(jiān)測土壤水分變化。試驗開始前首先打開管道末端閥門，并打開馬氏瓶的止水夾，待水從管道末端閥門流出時，迅速關(guān)閉閥門并開始計時，持續(xù)灌水8 h。不同進(jìn)口壓力試驗時，所用灌水器均使用超聲波進(jìn)行清洗、晾干，確保灌水器不受前面試驗影響。

表2 供試土壤顆粒組成Tab.2 Soil mechanical composition

圖3 土壤水分特征曲線Fig.3 The soil water characteristic curve

2 結(jié)果與討論

2.1 微孔陶瓷灌水器滲流原理

微孔陶瓷灌水器用于滲灌灌水器是基于進(jìn)入灌水器空腔內(nèi)的水通過器壁上形成的微孔隙滲透濕潤土壤的一種過程，符合達(dá)西定律。

(1)

式中：v為滲流流速，cm/d；A為滲流面積，cm2；q為滲流量，L/h；k為滲透系數(shù)，cm/h；J為水力梯度；Δh為作用水頭差，cm；L為有效滲徑，cm。

谷川寅彥[22]等認(rèn)為多孔低壓滲灌管的流量變化是滲透系數(shù)和其內(nèi)、外部壓力差共同作用的結(jié)果。因此，當(dāng)微孔陶瓷灌水器充滿水時，不計水頭損失，微孔陶瓷灌水器單位長度上的滲流量可由下式計算：

(2)

其中，Δh=H1-H2+ha

式中：r1、r2分別為微孔陶瓷灌水器的內(nèi)徑、外徑，cm；H1、H2分別為灌水器內(nèi)、外部壓力，cm；ha為土壤吸力，cm，當(dāng)灌水器置于空氣中時，ha=0；其余符號意義同前。

2.2 微孔陶瓷結(jié)構(gòu)對灌水器水力性能的影響

由上可知，影響灌水器水力性能的微孔陶瓷結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如表3所示。密度和開口孔隙率利用排水法[27]取得，公式如下：

(4)

式中：ρ為微孔陶瓷試樣密度，g/cm3；n為開口孔隙率，%；ρw為水的密度，g/cm3；ma為試樣在干燥狀態(tài)下空氣中的質(zhì)量，g；mf為試樣在水中浮重，g；mws為試樣吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

表3 微孔陶瓷結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Performance of micro porous ceramic structure

由表3可見，3種型號灌水器的陶瓷密度在2.26～2.38 g/cm3間，基本接近，孔徑均在0～20 μm范圍，因此主要研究開口孔隙率和滲流面積對灌水器滲流效果的影響。陶瓷孔隙是灌水器滲流通道，不同開口孔隙率和滲流面積灌水器滲流效果顯著不同。在0.5 m壓力下B型灌水器外壁上清楚可見出現(xiàn)均勻的水珠，持續(xù)2～3 s后水流便均勻地順著圓柱形外壁滲出。隨著壓力增大，滲出速率加快。而A型和C型灌水器在6 m以下壓力滲流效果較差，只有局部區(qū)域會出現(xiàn)類似于B的現(xiàn)象。

灌水器在不同進(jìn)口壓力下的滲流量變化如圖4所示。從圖中可以看出3種灌水器的滲流量均隨進(jìn)口壓力的增大而增大，B型灌水器隨著進(jìn)口壓力增大其滲流量增加最顯著，0.5 m壓力時滲流量為1.06 L/h，當(dāng)壓力升高到22 m時達(dá)到58.7 L/h。而A型和C型灌水器在壓力<3 m出流較小，壓力達(dá)22 m時滲流量分別為16.14和7.63 L/h，遠(yuǎn)小于B灌水器的滲流量。根據(jù)公式(2)及表(3)可計算出A、B、C三種灌水器的滲透系數(shù)k分別為0.037、0.18、0.005，滲透系數(shù)越大，滲流效果越好。

圖4 不同壓力下灌水器滲流量變化Fig.4 Hydraulic performance of irrigation emitter

在燒制過程中爐渣會隨著溫度升高而分解形成孔隙，因此開口孔隙率主要受爐渣摻量影響，3種灌水器陶瓷材料爐渣摻量分別為10%、30%、20%，形成的開口孔隙率依次為19%、32%、24%?？梢姞t渣摻量對微孔陶瓷開口孔隙率具有重要影響，隨爐渣摻量的增加開口孔隙率增大。同時，3種灌水器的有效滲水長度和滲流面積不同，滲流面積分別為3 750、2 700、1 695 mm2，A型灌水器雖然有著較大的滲透面積，但由于陶瓷開口孔隙率低，滲流效果差。C型灌水器開口孔隙率大于A型，但由于滲透面積較小，總滲流量也隨之降低，而B型灌水器既具有較大的開口孔隙率，也有一定的滲透面積，因此滲流效果最佳。圖5是選取B型號微孔陶瓷利用掃描電子顯微鏡(SEM，S4800，Hitachi，日本)分別在5.00 K和1.00 K時拍攝照片。可以看到，微孔陶瓷內(nèi)部孔隙數(shù)量多而均勻。

圖5 微孔陶瓷SEM圖片F(xiàn)ig.5 SEM micrographs of micro porous ceramics

2.3 土壤類型對灌水器入滲性能的影響

由上述結(jié)果，選用B型灌水器進(jìn)行土壤入滲試驗。圖6是在無壓條件下不同土壤中灌水器入滲速率及累計入滲量，圖6(a)右側(cè)為灌水器處土壤含水率隨灌水時間的變化。在無壓條件下，灌水器滲流效果主要受土壤吸力作用。微孔陶瓷灌水器埋于土壤中與土壤形成一個整體，滲灌開始，受土壤吸力作用，灌水器水流滲出，土壤含水率增大，濕潤峰逐漸向周圍推進(jìn)。灌水開始，由于灌水器周邊土壤含水率較小，土壤吸力較大，入滲速率大，黃綿土入滲速率最大為1.4 L/h，砂土為0.55 L/h。隨著灌水時間的增加，土壤含水率增大，入滲速率迅速減小，在灌水30 min后，趨于穩(wěn)定其值分別為黃綿土0.2 L/h，砂土0.15 L/h。由圖還可看出，灌水50 min后黃綿土土壤含水率為26%，而砂土為16%。之后趨于穩(wěn)定，滲流量與入滲量保持動態(tài)平衡。圖6(b)是灌水器累計入滲量隨著灌水時間的增加而增加。在滲灌初期，入滲速率較大，累計入滲量增加較快。滲灌50 min后，入滲速率趨于穩(wěn)定，累計入滲量增大趨勢放緩。但由于兩種土壤吸力不同，灌水結(jié)束后黃綿土的累計入滲量為1.38 L，砂土的僅為0.90 L。

圖6 無壓條件下不同土壤灌水器入滲速率及累計入滲量Fig.6 The flow and accumulative infiltration amount of irrigation emitter in different soils

圖7是0.5 m作用水頭下灌水器在黃綿土和砂土中的入滲速率和累計入滲量變化。由圖7可見相同條件下灌水器在黃綿土中入滲速率始終小于砂土的入滲速率。初始2種土壤最大入滲速率分別為1.60和2.83 L/h，相差1.23 L/h。穩(wěn)定入滲速率分別接近0.6和1.0 L/h，其值都較無壓時增大，導(dǎo)致土壤含水率增加。

圖7 有壓作用下不同土壤灌水器入滲速率及累計入滲量Fig.7 The flow and accumulative infiltration amount of irrigation emitter in different soils

由表2可知，黃綿土中砂粒約為23%，黏粒和粉粒占77%，透水性較砂土弱，保水性強，濕潤鋒運移速度小，灌水器滲流量較小。而砂土的顆粒組成中近96%為砂粒，黏粒和粉粒的總和約為4%，較多的砂粒使得土壤中間隙較大，具有較強的透水性。滲灌開始75 min，黃綿土和砂土土壤含水率分別增加到35%和26%，黃綿土基本趨于飽和，砂土在灌水200 min后土壤含水率增加到36%，達(dá)到飽和含水率。在0.5 m水頭下灌水器累計入滲量變化與在無壓條件下基本類似，但累計入滲量在8 h灌水結(jié)束后有較大幅度增加，黃綿土和砂土分別為6.13和13.81 L，較無壓條件下分別增加4.75、12.91 L。

2.4 灌水條件對灌水器入滲性能的影響

如圖8所示為灌水器在黃綿土中不同壓力水頭下的入滲量及累計入滲量隨時間變化規(guī)律。從圖中可知隨著壓力增大，灌水器入滲速率增大。0.3、0.5、0.7 m水頭下灌水器滲灌50 min平均入滲速率分別為0.57、1.08、1.46 L/h。其累計入滲量與進(jìn)口壓力成正相關(guān)，經(jīng)過480 min后累計入滲量分別為4.10、6.13、9.93 L。灌水初期土壤含水率低，滲透性較強，灌水器入滲速率較大。隨著灌水時間的增加，土壤含水率增加，入滲速率漸趨穩(wěn)定。從圖中可以看到進(jìn)口壓力越大穩(wěn)定所需時間越短，0.3 m水頭在120 min時達(dá)到穩(wěn)定，而0.5 m和0.7 m水頭下，入滲速率在灌水80 min后已基本趨于穩(wěn)定。灌水過程中，相同時間段不同壓力下灌水器入滲速率越大，其累計入滲量越大。滲灌120 min，由于灌水器入滲速率較大，其累計入滲量與灌水時間呈正相關(guān)急劇增大，之后，增長變緩。砂土也具有類似規(guī)律。

圖8 灌水器在不同壓力下入滲速率和累計入滲量Fig.8 The flow and accumulative infiltration amount of irrigation emitter under different pressure

3 結(jié) 語

針對3種黏土基微孔陶瓷灌水器，研究了灌水器的開口孔隙率、滲流面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對微孔陶瓷灌水器水力性能的影響；通過土壤入滲試驗，研究了土壤類型、進(jìn)口壓力及灌水時間對微孔陶瓷灌水器在土壤中入滲性能的影響，得出以下結(jié)論。

(1)微孔陶瓷灌水器水力性能受灌水器開口孔隙率和滲流面積的共同作用，所研究黏土基微孔陶瓷灌水器爐渣摻量30%，其開口孔隙率約為32%左右，滲流面積不小于2 700 mm2時具有較好滲流效果。

(2)微孔陶瓷灌水器置于土壤中的入滲性能與土壤類型有關(guān)，同時也受進(jìn)口壓力的影響。試驗結(jié)果表明，在無壓狀態(tài)下，微孔陶瓷灌水器在黃綿土中的入滲速率大于砂土，但當(dāng)作用水頭增大時，灌水器內(nèi)外壓差占主導(dǎo)作用，且由于砂土較黃綿土具有較好的滲透能力，故砂土的入滲速率大于黃綿土。

(3)微孔陶瓷灌水器的入滲性能受灌水壓力和灌水時間的影響。同一作用水頭下，灌水初期入滲速率較大且不穩(wěn)定，隨時間延長，入滲速率漸趨穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)口壓力增大時，灌水器入滲速率隨之增大且由不穩(wěn)定達(dá)到穩(wěn)定的時間縮短。

□

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