不同灌溉模式下微孔混凝土灌水器流量變化規(guī)律研究

付金煥，王玉才，朱 進(jìn)，黃 斌，陸 岸，李 睿，羅文武，李向明

(1. 煙臺大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院，山東 煙臺 264005；2. 棲霞市臧家莊鎮(zhèn)村鎮(zhèn)建設(shè)服務(wù)站，山東 煙臺 265304)

0 引 言

干旱缺水是制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[1,2]。滲灌是一種將水輸入到作物根系附近土壤中供作物吸收的灌溉方法[3-9]，節(jié)水、節(jié)能效果顯著，是緩解農(nóng)業(yè)缺水的有效途徑[10]。上世紀(jì)末，隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展，各種塑料材質(zhì)的灌水器、滴頭、噴頭和接頭大量涌現(xiàn)，促使了滲灌技術(shù)的進(jìn)步[11-16]。但基于塑料灌水器的滲灌技術(shù)有其難以克服的缺點，主要表現(xiàn)在塑料灌水器的制造工藝復(fù)雜，使用壽命短，極易老化；與土壤相容性差，灌水器中殘留水難以排出導(dǎo)致冬季易被凍裂；硬度小極易遭受蟲鉆、鼠咬而失效；易堵塞且堵塞后難以清洗，報廢后對環(huán)境污染大。因此，塑料灌水器在提高灌溉水利用率的同時，會大幅增加滲灌的維護(hù)成本[17]。

針對塑料灌水器的不足，一些學(xué)者開展了關(guān)于陶罐和陶瓦滲灌的研究[18-21]。雖然這些陶罐和陶瓦為手工粗制，在實際使用時沒有構(gòu)建灌溉系統(tǒng)，但這種灌溉方式具有顯著的節(jié)水效果[22]。由于陶罐和陶瓦制備工藝簡單，具有很好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，使用的黏土原料廉價易得，因此這種灌溉方法曾在中東和拉丁美洲一些干旱地區(qū)被廣泛使用[23-26]。近年來，材料制備技術(shù)的發(fā)展促使了微孔陶瓷灌水器的規(guī)范化制備。在此基礎(chǔ)上，為了避免燒結(jié)增加微孔陶瓷灌水器的制備成本，筆者[27]以砂子和水泥為原料，以硅溶膠為黏結(jié)劑，采用干壓結(jié)合霧化加濕法制備了水泥含量為15%～18%，抗折強(qiáng)度為2.8～3.2 MPa，開口孔隙率為18%～27%的微孔混凝土灌水器。該灌水器具有與微孔陶瓷灌水器相當(dāng)?shù)奈锢?、力學(xué)和水力性能，而且造價遠(yuǎn)低于微孔陶瓷灌水器。

塑料灌水器是通過人為設(shè)計迷宮流道使水在流道內(nèi)發(fā)生紊流實現(xiàn)消能的[28-30]，而微孔陶瓷和微孔混凝土灌水器則是利用其內(nèi)部微孔道減緩水的流速來實現(xiàn)消能的，水在微孔道中處于層流狀態(tài)。截至目前，關(guān)于微孔陶瓷和微孔混凝土灌水器制備的研究已有報道[27,31]，但關(guān)于其水力性能的研究還不完善。另外，隨著水肥一體化技術(shù)逐漸被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，關(guān)于灌水器在水肥灌溉時的流量變化規(guī)律引起了一些學(xué)者的關(guān)注。水中加入化肥會增加灌水器發(fā)生堵塞的幾率，從而使原本就不易解決的灌水器堵塞問題更加嚴(yán)重[32,33]。雖然塑料灌水器在水肥灌溉時的堵塞研究已有報道，但關(guān)于微孔陶瓷和微孔混凝土灌水器在水肥灌溉時的流量變化規(guī)律尚未研究。

綜上所述，本文在筆者已有研究的基礎(chǔ)上，以造價低廉且性能優(yōu)異的微孔混凝土灌水器為研究對象，分別采用去離子水和自來水，研究了灌水器在單純灌水時的流量變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過向水中加入化肥，詳細(xì)研究了灌水器在水肥灌溉時的流量變化規(guī)律，分析了導(dǎo)致灌水器在水肥灌溉時流量下降的原因。

1 材料制備與實驗方法

1.1 微孔混凝土灌水器的制備

微孔混凝土灌水器制備使用的原料有細(xì)沙和水泥。細(xì)沙為筆者從北緯37.437 7°，東經(jīng)121.796 5°的位置采集而來，水泥(強(qiáng)度等級P.O52.5)購自浙江三獅集團(tuán)特種水泥有限公司。首先，過篩選出粒徑范圍為0.6～1.0 mm的細(xì)沙。將水泥和細(xì)沙按1∶4的重量比混合，倒入水泥膠砂攪拌機(jī)中，邊攪拌邊噴水，每100 g水泥噴灑30 g水。將攪拌好混合料模壓成長度為500 mm、外徑為70 mm、內(nèi)徑為50 mm的圓管。將圓管整齊擺于陰暗處，每天定時向圓管表面噴水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，連續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d。圖1給出了養(yǎng)護(hù)好的微孔混凝土圓管的照片。

圖1 微孔混凝土圓管的照片

將微孔混凝土圓管切割成長約150 mm的短管，組裝成灌水器。圖2是微孔混凝土灌水器的照片和示意圖。如圖2所示，灌水器由微孔混凝土短管和上下兩個外殼采用熱熔膠密封而成，灌水器在工作時，水由上外殼的進(jìn)水口進(jìn)入灌水器，然后經(jīng)由短管內(nèi)的微孔消能滲出后沿管壁流下。

圖2 微孔混凝土灌水器的實物圖和示意圖

圖3給出了微孔混凝土灌水器與水力性能測試平臺的連接示意圖。如圖3所示，測試平臺由主管道、水泵、水箱、閥門、壓力表、回水槽組成。測試時，先將灌水器連接在主管道上，然后啟動水泵，通過調(diào)節(jié)圖中的3個閥門控制灌水器的工作水頭，由閥門1流出的水進(jìn)入主管道中，由灌水器滲出的水以及閥門2流出的水由回水槽導(dǎo)流至水箱中循環(huán)使用，由閥門3流出的水直接落入水箱中。

圖3 微孔混凝土灌水器與水力性能測試平臺的連接示意圖

灌水器的流量測試采用稱重法，測試時在每個灌水器下方放置一個燒杯，將灌水器滲出的水接在燒杯中稱重。為了排除由于灌水器長度不同造成灌水器的流量差異，將每個灌水器的流量除以其對應(yīng)長度得出其單位長度流量。在研究灌水器的流量變化規(guī)律時，每間隔10 min對灌水器流量進(jìn)行一次測試，每次測試時間為1 min，當(dāng)灌水器的流量穩(wěn)定不再發(fā)生變化時停止測試。為了排除不同灌水器的初始流量差異對實驗的影響，本文采用流量保持率作為灌水器流量變化的評價標(biāo)準(zhǔn)。式(1)是灌水器流量保持率的計算公式。

(1)

通過前期預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，灌水器的流量保持率與工作水頭無關(guān)，因此本文在研究灌水器的流量變化規(guī)律時將測試平臺的水頭始終保持在1 m。在測試灌水器的流量時，先分別采用去離子水和自來水研究灌水器在單純灌水時的流量變化規(guī)律；然后從市售氮肥、磷肥、鉀肥中各選出1種常用的化肥加入水中，研究灌水器在水肥灌溉時的流量變化規(guī)律，其中氮肥選用尿素(CO(NH2)2，北京晉媒太陽石化工有限公司)，磷肥選用磷酸二氫銨(NH4H2PO4，四川珙縣中正化學(xué)工業(yè)有限公司)，鉀肥選用硫酸鉀(K2SO4，國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單純灌水時灌水器的流量變化規(guī)律

結(jié)合筆者制備的微孔陶瓷灌水器[34]，圖4給出了微孔陶瓷和微孔混凝土2種灌水器的流量變化規(guī)律。如圖4所示，在使用自來水測試時，2種灌水器在工作初期均出現(xiàn)流量下降的情況，其中微孔陶瓷灌水器的流量下降速率遠(yuǎn)高于微孔混凝土灌水器，微孔陶瓷灌水器在連續(xù)工作120 min后其流量保持在75%左右，微孔混凝土灌水器在連續(xù)工作150 min后其流量保持在94%～95%之間。

圖4 微孔陶瓷和微孔混凝土2種灌水器的流量變化規(guī)律

圖5 微孔陶瓷灌水器和微孔混凝土灌水器的微觀結(jié)構(gòu)照片

2.2 水肥灌溉時灌水器的流量變化規(guī)律

2.2.1 氮肥灌溉的情況

將攪拌均勻的尿素溶液倒入水箱中，將水箱中尿素濃度控制在2～6 g/L。圖6給出了水中加入尿素時微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律。如圖6所示，在相同的時間內(nèi)，隨著水中尿素濃度由2 g/L增至6 g/L，灌水器的流量變化規(guī)律基本相同，在連續(xù)工作160 min后其流量基本穩(wěn)定在94%～95%之間，這與圖4中微孔混凝土灌水器在自來水測試時的流量變化規(guī)律一致。由此表明，水中加入尿素對微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律沒有影響。

圖6 水中加入尿素時微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律

觀察發(fā)現(xiàn)，自來水在加入尿素前后無變化，均為無色透明；采用濾紙對尿素溶液過濾后，溶液顏色沒有變化，濾紙上也未發(fā)現(xiàn)殘留物；將過濾了尿素溶液的濾紙烘干后稱重，濾紙的重量沒有變化。由此進(jìn)一步說明，尿素中不含難溶物質(zhì)，在水中加入尿素對微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律沒有影響。

2.2.2 磷肥灌溉的情況

將攪拌均勻的磷肥溶液倒入水箱中，將水箱中磷肥濃度控制在3～9 g/L。圖7給出了水中加入磷肥時微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律。如圖7所示，在水中加入磷肥后，灌水器的流量會快速降低，而且隨著水中磷肥濃度的增加，灌水器的流量下降速率更快。當(dāng)水中磷肥濃度為3 g/L時，灌水器在持續(xù)工作70 min后其流量穩(wěn)定在12%左右；當(dāng)水中磷肥濃度增至9 g/L時，灌水器僅在工作了50 min時其流量就快速降至7%左右。

圖7 水中加入磷肥時微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律

根據(jù)圖7的結(jié)果推斷：水中加入磷肥后灌水器的流量快速降低是由于灌水器發(fā)生堵塞導(dǎo)致。為了驗證，采用濾紙將磷肥溶液進(jìn)行過濾，對比過濾前后磷肥溶液的顏色，如圖8所示?？梢钥闯?，未過濾的磷肥溶液呈乳白色，過濾后的磷肥溶液無色透明，而且過濾后的濾紙表面有乳白色物質(zhì)殘留。

圖8 磷肥溶液過濾前后照片對比

為了進(jìn)一步驗證，將過濾后的磷肥溶液加入水箱中，重新測試灌水器的流量變化規(guī)律，如圖7所示。對比圖4和圖7可以看出，無論水中是否加入過濾后的磷肥溶液，也無論水中磷肥濃度如何變化，灌水器的流量變化規(guī)律完全相同。由此表明，將磷肥直接加入水中，磷肥中的難溶物質(zhì)堵塞灌水器是導(dǎo)致灌水器流量快速下降的主要原因。將圖8中濾紙表面的殘留物烘干研磨后進(jìn)行XRD分析，如圖9(a)所示?？梢钥闯觯瑲埩粑镏饕蒑g、Al、Ca的磷酸鹽組成。將發(fā)生堵塞的灌水器破碎并取小塊試樣觀察微觀結(jié)構(gòu)，圖9(b)給出了發(fā)生堵塞灌水器的微觀結(jié)構(gòu)照片。對比圖5(b)和圖9(b)可以看出，灌水器原本相互連通的微孔大部分被堵塞，僅有很少量的微孔未堵塞。在測試灌水器的流量時，僅有少量水可通過這些未堵塞的微孔進(jìn)行輸送，這就是灌水器被堵塞后仍可少量滲水的原因。

圖9 磷肥過濾物的XRD圖譜和灌水器堵塞后的微觀結(jié)構(gòu)照片

綜上所述，將磷肥直接加入水中，磷肥中的難溶物質(zhì)會嚴(yán)重堵塞灌水器的微孔，造成灌水器流量快速下降。若將磷肥配成溶液進(jìn)行過濾后再加入水中，可去除水中的難溶物質(zhì)，避免灌水器堵塞，從而保證灌水器的流量穩(wěn)定。

2.2.3 鉀肥灌溉的情況

將攪拌均勻的鉀肥溶液倒入水箱中，將水箱中的鉀肥濃度控制在2～6 g/L。圖10給出了水中加入鉀肥時灌水器的流量變化規(guī)律。如圖10所示，與磷肥灌溉的情況類似，在水中加入鉀肥后，灌水器的流量會快速降低，而且隨著水中鉀肥濃度的增加，灌水器的流量下降速率更快。當(dāng)水中鉀肥濃度為2 g/L時，灌水器在持續(xù)工作80 min后其流量穩(wěn)定在16%左右；當(dāng)水中鉀肥濃度增至6 g/L時，灌水器僅在工作了60 min時其流量就快速降至12%左右。對比圖7和圖10，灌水器在鉀肥灌溉時的流量保持率略高于磷肥灌溉。

圖10 水中加入鉀肥時微孔混凝土灌水器的流量變化規(guī)律

與磷肥灌溉的情況相同，水中加入鉀肥同樣會造成灌水器堵塞，繼而導(dǎo)致灌水器流量快速下降。采用濾紙對鉀肥溶液進(jìn)行過濾，對比過濾前后鉀肥溶液的顏色，如圖11所示?？梢钥闯?，未過濾的鉀肥溶液呈暗灰色，過濾后的鉀肥溶液無色透明，而且過濾后的濾紙表面同樣有殘留物，殘留物呈灰色。

圖11 鉀肥溶液過濾前后照片對比

將過濾后的鉀肥溶液倒入水箱中，重新測試灌水器的流量變化規(guī)律，如圖10所示。對比圖4和圖10可以看出，將過濾后的鉀肥溶液加入水中對灌水器的流量變化規(guī)律沒有影響。由此說明，將鉀肥直接加入水中，鉀肥中的難溶物質(zhì)同樣是造成灌水器堵塞和流量下降的主要原因。將圖11中濾紙表面的殘留物烘干研磨后進(jìn)行XRD分析，如圖12所示?？梢钥闯觯瑲埩粑镏饕蒑g、Si、Ca的難溶物質(zhì)組成。對比灌水器的微觀結(jié)構(gòu)照片發(fā)現(xiàn)，灌水器在鉀肥灌溉和磷肥灌溉時的微孔堵塞情況完全相同。

圖12 鉀肥過濾物的XRD圖譜

3 結(jié) 論

本文以微孔混凝土灌水器為研究對象，詳細(xì)研究了灌水器分別在單純灌水和水肥灌溉時的流量變化規(guī)律。結(jié)果表明：

(2)在水肥灌溉時，水中加入不同的化肥對灌水器的流量變化規(guī)律影響很大。尿素中不含難溶物質(zhì)，水中加入尿素不會影響灌水器的流量變化規(guī)律。磷肥和鉀肥中含較多的難溶物質(zhì)，因此向水中直接加入磷肥和鉀肥會造成灌水器堵塞，繼而導(dǎo)致灌水器流量快速下降。將磷肥和鉀肥配成溶液進(jìn)行過濾后再加入水中，可去除水中的難溶物質(zhì)，避免灌水器堵塞，保證灌水器的流量變化規(guī)律與單純灌水時的情況完全相同。

根據(jù)本文的研究，微孔混凝土灌水器能夠用于作物的常規(guī)灌溉；若要進(jìn)行水肥灌溉，必須確?；手胁缓y溶物質(zhì)；若化肥中含有難溶物質(zhì)，必須先將化肥配成溶液進(jìn)行過濾后再加入灌溉水中，以保證灌水器的流量穩(wěn)定。本文的研究為微孔混凝土灌水器的科學(xué)使用奠定了基礎(chǔ)。

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