微噴灌與陶瓷滲灌互補裝置設計與試驗

朱德蘭 張 銳 趙 航 葛茂生 程 琪 蔡耀輝

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

農(nóng)果復合種植模式近年來被廣泛應用[1-2]。農(nóng)果復合林中果樹和農(nóng)作物有機結合，可減少地表蒸發(fā)，增加土壤有機質、微生物群落和酶活性，提高土地生產(chǎn)力和水資源利用率[3-6]。相比于單一種植，農(nóng)果復合在獲得更大產(chǎn)出和效益的同時，也能蓄水保墑，防治土壤侵蝕[7-8]。農(nóng)果復合種植模式中果樹和作物的根系位于不同深度的土層，在吸收水分時存在明顯的層次差異，一年生套種作物主要利用淺層水分，多年生果樹主要吸收深層土壤水分[9-12]。此外，農(nóng)作物和果樹的根系在灌水量和灌水時間上也存在較大差異。

近年來隨著氣候變化，單純依靠降水的“雨養(yǎng)”已經(jīng)難以滿足農(nóng)果復合系統(tǒng)中的水分需求，因此須采取一定的灌溉措施[13-14]。果園中最常見的節(jié)水灌溉方式是地面滴灌，由于果樹耗水量大，使用地面滴灌時通常需增加滴頭數(shù)量，延長灌溉時間，才能使灌溉水充分入滲到果樹的深層根系[15-17]。因此將水直接輸送至作物根區(qū)，實現(xiàn)灌溉對象由土壤到作物的轉變才能有效提高灌溉水利用效率[18-19]。但根區(qū)直接灌溉需要將灌水器埋置于地下，普通的地下滴灌灌水器極易發(fā)生負壓吸泥、根系入侵等堵塞問題，一旦產(chǎn)生，難以檢修[20]。為此蔡耀輝等[21-22]以黏土為主要原料，制作出兼顧力學性能和水力性能的微孔陶瓷灌水器，并利用Hydrus-2D軟件模擬出灌水器的結構參數(shù)和埋置深度，將灌水器應用于蘋果樹，結果表明，微孔陶瓷灌水器可促進果樹增產(chǎn)，依據(jù)土壤水勢實時補充土壤水分，防止地表徑流和深層滲漏[23-24]。雖然直接灌溉根區(qū)可滿足深層果樹根系的水肥補給，但卻難以兼顧根系較淺的一年生套種作物[25]。微噴灌系統(tǒng)噴灑水滴粒徑小，霧化程度高[26]。在高溫下開啟微噴灌系統(tǒng)，可快速降溫增濕，調節(jié)田間小氣候，提高了葉片的氣孔導度和光合速率[27]。微噴灌存在較大的蒸發(fā)或飄移損失，濕潤層深度較小，適合灌溉農(nóng)果復合種植中的淺根系作物[28-30]?，F(xiàn)有灌水器的灌溉對象局限于單一的深根或淺根，對農(nóng)果復合林而言，滴灌、微噴灌等單一的灌溉方式易導致深根或淺根缺水，造成水分脅迫。綜上，開發(fā)一種能同時灌溉深根和淺根的灌水裝置具有十分重要的現(xiàn)實意義。

因此，本文設計一種基于水壓控制的微噴灌與陶瓷滲灌互補裝置，以實現(xiàn)“低壓-滲灌-深根，高壓-微噴灌-淺根”的灌溉功能。優(yōu)選滲灌壓力轉換器中彈性膜片的結構參數(shù)，使?jié)B灌部分具有良好的壓力補償效果；開發(fā)微噴壓力轉換器，使微噴頭在低壓工況(滲灌)下不出流；理論推導伸縮裝置中伸縮裝置臨界伸長壓力并進行試驗驗證。將灌水器實際應用于獼猴桃大棚中，跟蹤監(jiān)測灌溉效果。以期為農(nóng)果復合種植中深根和淺根的高效灌溉提供一種新方法。

1 結構設計與工作原理

微噴灌與陶瓷滲灌互補裝置(互補式灌水器)結構示意圖如圖1所示。非灌溉期間，灌水器不進行滲灌和微噴灌。灌溉工況下，灌溉水從支管流入灌水器，當水壓力較低時，滲灌壓力轉換器開啟，水流從陶瓷滲灌器流出進行滲灌，而微噴壓力轉換器關閉；隨著水壓力的增大，滲灌壓力轉換器中彈性膜片形變增大，出水口過水斷面面積減小，當壓力超過一定值后，彈性膜片封堵流道，滲灌停止。此時，伸縮裝置伸長，微噴壓力轉換器開啟，微噴頭開始噴灑，灌溉淺根系作物。灌溉結束后，伸縮裝置在自身重力和彈簧拉力的作用下自動收縮，灌溉過程結束。為實現(xiàn)基于水壓力的“低壓-滲灌-深根，高壓-微噴-淺根”自動轉換功能，設計了如圖1所示的裝置，并對滲灌壓力轉換器、微噴壓力轉換器和伸縮裝置3個核心部件進行重點設計。

1.1 滲灌壓力轉換器

由圖1可知，滲灌壓力轉換器位于陶瓷灌水器下端，用于控制滲灌灌水器的開閉。通過AutoCAD和Pro/E軟件建模，設計的滲灌壓力轉換器如圖2所示，通過SPS450B型激光快速成型機制作出試驗樣品，材料為光敏樹脂，加工精度0.1 mm。如圖2a所示，工作時水從柱體下方流入，水壓力作用在柱體底部，推動柱體向上運動，當水壓較低時，柱體上方彈性膜片的壓縮較小，水流通過彈性膜片與出水孔之間的間隙出流；當壓力持續(xù)增加，彈性膜片形變增大，徹底封堵流道(滲灌壓力轉換器關閉，微孔陶瓷灌水器停止出流)。

如圖2b所示，滲灌壓力轉換器由PVC外殼、柱體和彈性膜片3部分組成。陶瓷灌水器進水口端通常連接直徑20 mm的標準PVC管件，故本文選取PVC外殼為直徑20 mm、壁厚2 mm的標準PVC管[20]；為使柱體在PVC管中能上下運動且在低壓過水時不產(chǎn)生較大晃動，將柱體直徑設計為略小于PVC管內徑(18 mm)，為16 mm；柱體上平臺起“固定”作用，可確保無壓不過流時，柱體不滑落，其直徑為19 mm(小于PVC外殼直徑20 mm且大于PVC管內徑18 mm)；空腔尺寸參照壓力補償式灌水器的上腔體，為定型的標準件，其內徑和高度分別為20 mm和10 mm[14,31]；彈性膜片為壓力補償式灌水器中常用墊片，直徑為15 mm；為連接常用的φ4接頭，將出水口直徑設計為4 mm。綜上，滲灌壓力轉換器各部件尺寸如表1所示。

表1 滲灌壓力轉換器各部件尺寸Tab.1 Dimensions of components of ceramic subsurface irrigation pressure converter mm

1.2 伸縮裝置

為實現(xiàn)伸縮裝置在非灌溉期間地埋，減小對耕作的影響，將直徑20 mm、長30 cm的伸縮裝置內插在直徑32 mm的PVC外管中，灌溉時微噴頭隨伸縮桿上下移動，噴灑高度可調節(jié)，灌溉結束后，伸縮裝置通過自身重力和彈簧拉力回縮。為使伸縮過程穩(wěn)定均勻，伸縮裝置材質選取光潔度較好的薄壁不銹鋼，彈簧線徑為1.6 mm。

1.3 微噴壓力轉換器

為控制微噴頭在低壓條件下不出水，利用防滴器工作原理，設計微噴壓力轉換器，如圖1所示，其安裝位置位于伸縮裝置和微噴頭之間。微噴壓力轉換器結構如圖3所示。當水壓較低時，彈性膜片緊貼過水通道斷面，流道封閉，出水口不過流；受壓面受到較大的水流推力時，彈性膜片產(chǎn)生形變，壓縮彈簧，微噴壓力轉換器開啟，水流通過空腔到達出水口，微噴頭開始噴灑。

2 核心部件參數(shù)試驗優(yōu)化

2.1 滲灌壓力轉換器彈性膜片參數(shù)試驗優(yōu)選

2.1.1試驗設計

滲灌壓力轉換器中彈性膜片形變程度對滲灌部分的壓力補償和流道封堵有決定性的作用。因此，將壓力補償式灌水器中常用的彈性膜片厚度(1.0、1.5、1.6、1.7、2.0、3.0 mm，記為T1～T6)和硬度(20～70 HA，間隔10 HA，記為H2～H7)設為試驗因素，每種因素取6個水平，采用完全試驗，測試所有處理下微孔陶瓷灌水器的壓力-流量關系。彈性膜片硬度制作精度為3 HA，厚度制作精度為0.1 mm，分別用邵氏硬度計和游標卡尺測量。滲灌器工作壓力為5～100 kPa，每隔5 kPa測試1次，測試時間為2 min，每個處理重復3次，取平均值。

2.1.2試驗結果與分析

圖4為滲灌壓力轉換器中不同厚度和硬度的彈性膜片的壓力-流量關系。流量隨膜片硬度的增加而增加，膜片硬度相同時，隨著厚度增加，壓力補償范圍和穩(wěn)定流量均呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定再減小的趨勢，但不同厚度的膜片對起調壓力的影響不顯著。

滲灌出水口的水力特征方程為

Q=kpx

(1)

式中Q——流量，L/hk——流量系數(shù)

p——工作壓力，MPa

x——流態(tài)指數(shù)

其中x為0～1，x=0表示灌水器出流不受壓力影響，補償效果良好。

對試驗得到的滲灌出流量的壓力和流量進行回歸分析得到式(1)中的流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)，結果見表2。采用SPSS軟件對彈性膜片厚度T(1.0～3.0 mm)、硬度H(60～70 HA)共12種處理下灌水器的流態(tài)指數(shù)和流量進行多元線性回歸分析，得到流量Q、流態(tài)指數(shù)與彈性膜片結構參數(shù)之間的線性回歸模型為

Q=f(H,T)=-5.890+0.197T+0.535H

(2)

表2 硬度為60、70 HA的彈性膜片壓力補償區(qū)間和流量系數(shù)及流態(tài)指數(shù)Tab.2 Pressure compensation interval and flow coefficient of elastic diaphragm with hardnesses of 60 HA and 70 HA

x=f(H,T)=1.098-0.015T-0.083H

(3)

兩回歸方程的相關系數(shù)分別為0.679和-0.728,表明硬度、厚度與流量呈正相關，與流態(tài)指數(shù)呈負相關。流量和流態(tài)指數(shù)回歸方程中厚度和硬度的sig.值分別為0.023和0.049，均小于0.05，故厚度和硬度對流態(tài)指數(shù)和流量回歸方程的影響顯著。

以起調壓力較小、流態(tài)指數(shù)較小、壓力補償區(qū)間較大、適宜流量為原則優(yōu)選彈性膜片硬度和厚度。由表2可以看出，硬度為70 HA、厚度分別為1.5、1.6、1.7 mm的3種彈性膜片在壓力補償區(qū)間內，穩(wěn)定流量約為10 L/h。進一步分析發(fā)現(xiàn)，厚度1.5 mm的彈性膜片不僅補償區(qū)間較大，流量也更穩(wěn)定，且當水壓超過0.06 MPa后，其流量-壓力曲線下降趨勢最陡，即滲灌部分停止灌溉時間最短。因此，優(yōu)選出厚度1.5 mm、硬度70 HA的彈性膜片，其穩(wěn)定工作流量約為10 L/h，流態(tài)指數(shù)為0.004。

圖5為微噴灌與滲灌互補裝置的壓力-流量曲線，該圖直觀反映了兩種灌水器在不同工作壓力下的流量關系，當工作壓力小于0.066 MPa，滲灌具有壓力補償性能，流量穩(wěn)定在10 L/h，隨著壓力持續(xù)增加，微噴轉換器開啟，微噴頭開始噴灑，流量逐漸增加至最大流量40 L/h。

綜上所述，不同工作壓力區(qū)間微噴灌與滲灌互補裝置的工作狀態(tài)如圖6所示。

2.2 伸縮裝置與微噴壓力轉換器臨界工作壓力確定

2.2.1試驗設計

伸縮裝置臨界工作壓力是指伸縮裝置初始伸長時對應的壓力，臨界工作壓力與伸縮裝置自身重力、管壁摩擦力和伸縮裝置下端的受壓面積有關。首先通過理論分析得出彈簧線徑(1.6 mm)、材質為薄壁不銹鋼的伸縮裝置臨界伸長壓力，再通過試驗測定的伸縮裝置伸長高度隨壓力的變化曲線進行驗證。工作壓力從0.03～0.17 MPa變化，間隔0.01 MPa，伸長高度用毫米刻度尺測量。

微噴壓力轉換器的臨界工作壓力是指微噴頭開始出水時的壓力。由圖3可知，彈簧可控制微噴壓力轉換器開閉，因此本試驗以彈性膜片為脫離體進行受力分析(圖7)，確定微噴壓力轉換器中彈簧勁度系數(shù)，使微噴壓力轉換器在低壓時關閉，伸縮裝置升起后打開。

初始過流時刻的受壓面積和彈簧勁度系數(shù)計算式為

(4)

(5)

式中S1——初始過流時刻的受壓面積，m2

r1——過水通道半徑，6 mm

k1——彈簧勁度系數(shù),N/m

p1——伸縮裝置升起時對應的水壓力，MPa

Δx1——彈簧預裝壓縮長度，即彈簧原長(2 cm)與固定桿長度(1.5 cm)之差

2.2.2試驗結果與分析

微噴灌與陶瓷滲灌互補裝置通過水壓的變化來控制工作狀態(tài)。因此，確定陶瓷滲灌和微噴灌的工作壓力范圍和伸縮裝置的臨界伸長壓力具有重要意義。伸縮裝置的臨界伸長壓力處于陶瓷滲灌和微噴灌工作壓力之間，因此，首先確定伸縮裝置的臨界伸長壓力，再確定滲灌和微噴灌的工作壓力區(qū)間。

取伸縮裝置為脫離體，伸長過程受力分析如圖8b所示，臨界伸長狀態(tài)力學平衡方程為

p2S2=Ff+Gp+k2Δx2

(6)

式中p2——臨界伸長時管道內水壓力，MPa

S2——伸縮裝置與水的接觸面積，取710 m2

Gp——伸縮裝置自身重力，N

k2——伸縮裝置內彈簧的勁度系數(shù)，取130 N/m

Δx2——彈簧的壓縮長度，取3 cm

Ff——伸縮裝置伸長時薄壁不銹鋼管受到的摩擦阻力，N

伸縮裝置在上升過程中，需要克服自身重力Gp、摩擦阻力Ff和彈簧彈力k2Δx2，而下降過程中彈簧壓縮量被釋放，給伸縮裝置向下的彈力k2Δx2，此時，管道中余留的水尚未排出，對伸縮裝置起反向頂托作用，水壓力作為阻力存在。伸長和下降兩個過程中伸縮裝置受的摩擦阻力不同，灌溉結束后，伸縮裝置下降，F(xiàn)f的方向由豎直向下轉變?yōu)樨Q直向上。由式(6)可知，欲求解伸縮裝置伸長的臨界壓力p2，須先確定各臨界壓力對應的摩擦阻力Ff。

以伸縮過程穩(wěn)定為原則，在確定伸縮裝置材質(薄壁不銹鋼)和彈簧線徑(1.6 mm)的基礎上，可通過力學平衡分析推算伸縮裝置伸長所需臨界壓力p2，本試驗通過在伸縮裝置上安裝不同配重來測試p2與伸縮裝置重力的關系，為簡化受力分析，在測量Ff時先取出伸縮裝置內的彈簧，即k2Δx2=0，不同水壓力對應的摩擦阻力計算式為

Ff=p2S2-G′p

(7)

式中G′p——伸縮裝置及其配重的總重力，N

由式(7)可知，推動力p2S2與伸縮裝置及其配重的總重力G′p之差即為該壓力下的摩擦阻力Ff，由此計算出各水壓力對應的伸縮裝置臨界伸長摩擦阻力Ff，取下配重，將1.6 mm線徑(k2=130 N/m)的彈簧安裝到伸縮裝置中，安裝后彈簧存在預壓縮長度Δx2=3 cm。30 cm薄壁不銹鋼伸縮裝置質量m為200 g,g取9.8 m/s2。由圖9可知，當水壓力約等于0.066 MPa時，水推力p2S2等于阻力Gp+Ff+k2Δx2。

由圖9可看出，伸縮裝置上升過程中的升力p2S2和阻力Gp+Ff+k2Δx2隨工作壓力的變化關系，當工作壓力大于0.066 MPa后，推動力大于阻力，伸縮裝置開始上升，理論分析結果與圖10實測結果吻合。由于彈簧彈力在上升過程中作為阻力，因此在試驗工作壓力下，推動力并未遠大于阻力，伸縮裝置上升過程的加速度較小，整個伸縮過程平緩、均勻，穩(wěn)定。伸縮裝置臨界伸長壓力p2為0.066 MPa。

為驗證上述推導過程的準確性，實測了薄壁不銹鋼伸縮裝置和1.6 mm線徑彈簧的臨界伸長壓力。如圖10所示，伸縮裝置在0.066 MPa時開始伸長，與理論推導結果相符。由設計原理可知，伸縮裝置伸長后，微噴頭開始出水，聯(lián)立式(4)、(5)計算出微噴壓力轉換器中彈簧勁度系數(shù)為1 500 N/m。

3 互補裝置性能測試

3.1 試驗設計

按上述工作原理對灌水器結構進行設計制造，得到灌水器實物如圖11所示。其中，滲灌部分選用西北農(nóng)林科技大學自主研制、成本低廉、抗堵塞性能良好的微孔陶瓷灌水器；微噴部分選用霧化效果良好、水量分布較均勻的新型十字霧化微噴頭，其主要工作參數(shù)如下：工作壓力0.15～0.30 MPa，流量40～75 L/h，射程0.8～1.5 m。通過調壓旋鈕調整壓力在0～0.18 MPa范圍變化，間隔0.01 MPa，用雨量筒收集微噴頭的流量，測試時間5 min，設置3次重復。

3.2 性能檢測結果

參照SL/T 67.3—94，對本試驗選用的霧化微噴頭進行測試，結果表明，其表面光滑、無毛刺和銳邊，不透光并經(jīng)過抗紫外線處理，可適用于噴灑化肥、農(nóng)藥；可手工更換零部件，螺紋連接符合GB 7306.1—2000的規(guī)定；設計中微噴頭額定工作壓力為0.15 MPa，經(jīng)檢測各部件在常溫下能承受兩倍額定工作壓力，連接處不出現(xiàn)泄漏和脫落；額定工作壓力下噴頭噴灑直徑1.5 m，灌水強度40 L/h。參照GB/T 19812.2—2017，對滲灌部分進行測試，結果表明，滲灌灌水器材料為多孔陶瓷，內外表面光滑平整，無裂口，缺損及變形；在搭建的長50 m的試驗平臺上，每隔1 m安裝一個互補式灌水器，額定工作壓力4 m下，灌水器滲灌部分流量約為10 L/h，流態(tài)指數(shù)0.004。綜上所述，互補式灌水器符合相關國家及行業(yè)標準。

4 田間應用試驗

4.1 試驗設計

加工、制作并組裝了150個灌水器，安裝在陜西省楊凌區(qū)五泉鎮(zhèn)湯家村某獼猴桃溫室(34°29′N，107°99′E)。安裝時滲灌灌水器與獼猴桃根系水平距離30 cm，裝置整體埋于地下30 cm處。試驗時首先調節(jié)壓力為0.04 MPa進行滲灌，灌溉2 h后，增大首部壓力至0.15 MPa進行微噴灌，噴灑0.5 h。

4.2 田間應用效果

為直觀驗證灌水器應用效果，將灌水器進行實地應用，圖12為田間布置和灌溉實況，設定相同的灌水量10 L，對滲噴結合、微噴灌、地面滴灌和陶瓷滲灌4種不同灌溉方式灌水結束1 d后獼猴桃植株的土壤剖面進行觀測，其土壤剖面含水率如圖13所示。4種灌水方式中，微噴灌和地面滴灌的主要濕潤層深度為15～30 cm，但由于微噴灌在噴灑過程中存在較大的蒸發(fā)和飄移損失，所以其主要濕潤層的土壤含水率略低于地面滴灌；陶瓷滲灌器埋深為30 cm，灌溉水由于重力的作用向下運移，地下30～60 cm處土壤含水率較大，靠近地表處則較低；互補式灌水器滲噴結合灌溉后，土壤剖面含水率自上而下分布均勻，說明該方法有效解決了滲灌難以濕潤淺層土壤、微噴灌難以濕潤深層土壤的問題。為期1年的跟蹤觀測結果顯示灌水器伸縮轉換效果良好，工作穩(wěn)定，土壤剖面含水率分布均勻。

本文設計的伸縮式微噴灌與陶瓷滲灌互補裝置灌溉對象為農(nóng)果復合種植中果樹深根和套種作物淺根，其根系深度、灌溉時間和灌水量不同。因此在實際應用中，微噴灌與滲灌的使用頻率、灌水量、灌溉時長等也不盡相同。以溫室獼猴桃為例，成齡獼猴桃樹和套種作物根系分別垂直分布在距地表40～60 cm和10～20 cm的土層中，6—8月為需水高峰期，獼猴桃樹每8～10 d灌溉1次，滲灌器每次工作1.5 h，灌水15 L，套種作物根系較淺，溫室內溫度較高，為減少蒸發(fā)損失多為夜間灌溉，每5 d灌溉1次，微噴頭每次工作0.5 h，灌水20 L。由于獼猴桃喜濕且不耐高溫，因此正午溫室內溫度高于35℃時需間歇式開啟微噴灌，以降溫增濕[32]。

需要注意的是，微噴頭每次工作時間不宜超過1 h，因為灌水量較大不僅會形成地表徑流和土壤結皮，還會導致灌溉水下滲至獼猴桃根系附近，雖然同時灌溉了深根和淺根，但過量灌溉，降低了灌溉水利用效率，違背了互補式灌水器中微噴和滲灌分別針對不同根系進行灌溉的設計理念。使用滲灌應嚴格遵守獼猴桃各生育期耗水量確定灌溉制度，防止灌水量較大引起深層滲漏或根區(qū)濕度過大導致獼猴桃出現(xiàn)“爛根”現(xiàn)象[33]。

5 結論

(1)設計了伸縮式微噴灌與陶瓷滲灌互補裝置，開發(fā)的3個核心部件——滲灌壓力轉換器、微噴壓力轉換器和伸縮裝置協(xié)同使用可實現(xiàn)低壓時滲灌，灌溉深根，壓力較大時滲灌停止，伸縮裝置升起，微噴頭噴灑，灌溉淺根的功能。

(2)優(yōu)選出滲灌壓力轉換器中具有壓力補償性能的彈性膜片，其硬度為70 HA，厚度為1.5 mm；設計了微噴壓力轉換器，可使微噴頭在低壓工況下不出流，0.066 MPa時開始噴灑，0.15 MPa時充分霧化；開發(fā)出伸縮裝置，在伸縮裝置材質為薄壁不銹鋼、彈簧線徑為1.6 mm時，理論推導出伸縮裝置臨界伸長壓力為0.066 MPa，與試驗結果相符。

(3)制作了裝置并在田間應用。實測壓力轉換，壓力低于0.066 MPa時灌溉果樹深根，高于0.066 MPa后自動轉換為微噴灌，灌溉農(nóng)作物淺根。為期1年的跟蹤觀測結果表明，灌水器伸縮轉換效果良好，工作穩(wěn)定，土壤剖面含水率分布均勻，表明深淺根均能得到有效灌溉，裝置應用效果達到設計預期。