自由出流條件下秸稈復合管的透水性能研究

仵 峰，劉生東，宰松梅2，，王浩宇，牟彥文，羅 昕，張夢瑤

（1.華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046；2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，河南 鄭州 450046；3.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046）

1 概 述

地下灌溉技術具有節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、灌水質(zhì)量好、蒸發(fā)損失小以及使用壽命長等優(yōu)點［1］，并具有較好的推廣應用前景。依據(jù)灌水器的類型，地下灌溉可分為滲灌［2］、地下滴灌［3-4］、微潤灌溉［5］等多種形式。滲灌是將透水管道或灌水器埋入地下，借助土壤毛細管作用濕潤土壤的一種灌水方法。結合多年的研究與實踐，筆者提出一種新型地下灌溉技術——秸稈地下灌溉［6］，以土壤和秸稈為主要材料，經(jīng)過一定的工藝制作成秸稈復合管，埋于地下作為毛管進行田間灌溉，其工作原理與滲灌類似。

滲灌和地下滴灌系統(tǒng)的設計多參考地表滴灌系統(tǒng)進行，灌水器性能是其設計的基礎，直接關系到系統(tǒng)運行的好壞和成敗。國內(nèi)外對于灌水器的水力特性做了大量的研究，范永申等［7］研究表明，發(fā)絲滴頭灌水器的出流流量與工作壓力成正比、與灌水器長度成反比；Gupta等［8］研究表明，在自由出流時，陶瓷滲水管的滲水速率與工作壓力呈線性關系，埋入土壤后，其滲水速率與土壤質(zhì)地和工作壓力互為函數(shù)關系；仵峰等［9］研究表明，灌水器埋入土壤后，受其出口處土壤水勢的影響，地下滴灌灌水器的流量小于地表滴灌灌水器流量；祁世磊等［10］研究表明，在空氣出流和埋入土壤兩種情況下，低壓微潤帶出流量隨工作壓力的增大而增大，但在土壤中的出流量明顯小于在空氣中的出流量，且壓力越大二者的出流量相差越大；蔡耀輝等［11］研究表明，微孔陶瓷灌水器的水力性能還受設計流量和土壤質(zhì)地等影響，當土土壤含水率由13%增大至40%時，埋地后灌水器（設計流量為1.87 L／h）流量由1.4 L／h下降至0.3 L／h左右。

綜上所述，工作壓力和設計流量是影響地下灌溉系統(tǒng)灌水器性能的關鍵因素，埋土條件也影響灌水器乃至系統(tǒng)的工作狀況。秸稈地下灌溉系統(tǒng)的核心是秸稈復合管，它既是末級輸水管道，又是灌水器。秸稈復合管及使用場景（覆土前）如圖1所示。制作秸稈復合管的材料以土壤為主，其初始含水率也會影響其滲水性能。本文基于秸稈復合管自由出流試驗，分析不同晾曬時間和工作壓力對其透水性能的影響，為進一步研究秸稈復合管地下灌溉系統(tǒng)的水力性能及其推廣應用奠定基礎。

圖1 秸稈復合管及使用場景（覆土前）

2 材料與方法

2.1 試驗材料及裝置

試驗于2020年10—11月在河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室華北水利水電大學農(nóng)水試驗場進行，所用秸稈復合管采用試驗場當年種植的玉米秸稈和土壤現(xiàn)場制作而成，所用土壤為砂壤土，土壤黏粒含量為14.81%。試驗裝置主要有馬氏瓶、電子天平、亞克力玻璃管（用于支撐秸稈復合管，管上打有3排直徑為3 mm的均勻小孔，孔間距為2 cm）、集水容器、可調(diào)節(jié)高度支架等。試驗所用秸稈復合管長度為100 cm。試驗時，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶和支架高度控制秸稈復合管的工作壓力，采用馬氏瓶上的刻度計量秸稈復合管的累計滲水量。試驗裝置如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意

2.2 試驗設計與數(shù)據(jù)分析

通過前期預試驗，確定秸稈復合管適合在低壓條件下進行灌水。本試驗設置的工作壓力水頭為10、20、30、40、50 cm。試驗時，先用尼龍紗布將秸稈復合管包裹，然后放置在內(nèi)徑為70 mm的透明開孔的有機玻璃管中，起到保護和支撐的作用，秸稈復合管末端用橡皮泥堵塞，灌水一端用PVC軟管與馬氏瓶連接，最后用細繩固定在可調(diào)節(jié)高度支架上，用水平儀進行調(diào)平。沿秸稈復合管長度方向每隔10 cm設一個觀測點，將集水容器放置在秸稈復合管正下方，收集其對應的滲水，并用電子天平稱量。按照先密后疏的原則，記錄馬氏瓶的水位變化和集水容器中的水量。每組試驗時間均為111 min，在0～21 min內(nèi)每3 min觀測1次，在21～61 min內(nèi)每5 min觀測1次，在61～111 min內(nèi)每10 min觀測1次。

為了研究壓力變化過程對秸稈復合管滲水性能的影響，分別對其進行了升壓過程和降壓過程試驗，測定在同一工作壓力（本文用壓力水頭表示）下的出流量。一般情況下，在灌水1 h之后，秸稈復合管的滲水量基本達到穩(wěn)定。因此，試驗設計在灌水1 h后開始對其進行升壓和降壓，先將工作壓力由50 cm逐步降低到10 cm，再由10 cm逐步升高到50 cm，每個工作壓力持續(xù)0.5 h，整個試驗過程為5.5 h。

試驗設3個重復，取其平均值進行結果分析，數(shù)據(jù)分析采用SPSS和Excel軟件。將不同工作壓力條件下秸稈復合管的滲水過程用Philip入滲公式進行擬合，以描述其滲水過程。入滲公式為

式中：I為累計滲水量，L；S為吸滲率，L／min0.5；t為滲水時間，min；A為穩(wěn)定滲水率，L／min。

秸稈復合管滲水均勻系數(shù)按下式計算：

式中：Cu為均勻系數(shù)；si為i點的滲水量，L；為各測點的平均滲水量，L；n為試驗測點的個數(shù)。

3 結果與分析

3.1 工作壓力對秸稈復合管滲水性能的影響

3.1.1 工作壓力對秸稈復合管累計滲水量的影響

不同工作壓力條件下，秸稈復合管累計滲水量隨時間的變化過程如圖3所示。

圖3 不同工作壓力條件下秸稈復合管累計滲水量隨時間的變化過程

由圖3可以看出，秸稈復合管的累計滲水量隨著工作壓力的增加而增大，秸稈復合管累計滲水量與滲水時間呈冪函數(shù)關系。利用SPSS軟件將工作壓力對累計滲水量的影響進行方差齊性檢驗，并與數(shù)理統(tǒng)計附錄5中所查F值進行比較，確定工作壓力對累計滲水量影響的顯著性。結果表明，在0.05顯著性水平下，工作壓力對累計滲水量的影響達到顯著水平（F=

將不同工作壓力下秸稈復合管的滲水過程用Philip入滲公式進行擬合，擬合參數(shù)見表1。

表1 Philip入滲公式擬合參數(shù)

從表1可以看出，秸稈復合管的滲水過程符合Philip入滲公式，決定系數(shù)均在0.95以上，擬合效果較好。在工作壓力為10～50 cm時，秸稈復合管單位時間單位長度穩(wěn)定滲水量在0.6～3.6 L／（m·h）。工作壓力與秸稈復合管的吸滲率S和穩(wěn)定滲水率A均呈正相關關系，說明隨著工作壓力的增加，秸稈復合管的滲水能力增加。由于制作秸稈復合管的材料以土壤為主，因此增加工作壓力不僅影響其使用壽命，也將增加系統(tǒng)的運行成本。所以，確定適宜的工作壓力時還應考慮秸稈復合管自身的耐受性及其應用場景。

3.1.2 工作壓力對秸稈復合管滲水速率的影響

不同工作壓力條件下，秸稈復合管滲水速率隨滲水時間的變化情況如圖4所示。

圖4 滲水速率與滲水時間的關系

從圖4可以看出，隨著滲水時間的增大，滲水速率在逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定。整個滲水過程在60 min之后逐漸趨于相對穩(wěn)定，對60 min之后的穩(wěn)定滲水速率A與工作壓力H進行擬合，結果如圖5所示。

圖5 滲水速率與工作壓力的關系

從圖5可以看出，工作壓力在10～50 cm時，秸稈復合管的穩(wěn)定滲水速率A隨著工作壓力H的增加而增大，二者呈較好的線性關系：A=0.001 2H＋0.002（R2=0.972 9）?？梢?，在自由出流條件下，工作壓力對秸稈復合管的穩(wěn)定滲水速率起關鍵控制作用，秸稈復合管的穩(wěn)定滲水速率與工作壓力之間的線性關系不同于微潤管的冪函數(shù)關系［12］。

3.1.3 工作壓力對秸稈復合管滲水均勻系數(shù)的影響

自由出流條件下，在不同工作壓力下秸稈復合管達到穩(wěn)定滲水時的滲水均勻系數(shù)見圖6。

從圖6可以看出，隨著工作壓力的增加，滲水均勻系數(shù)不斷增大。當工作壓力為10～50 cm時，達到穩(wěn)定滲水后，秸稈復合管滲水均勻系數(shù)在0.762～0.908，可以達到微灌的灌水均勻系數(shù)要求。工作壓力與滲水均勻系數(shù)之間有較好的對數(shù)函數(shù)關系：Cu=0.091 5lnH＋0.567（R2=0.916 8）。當工作壓力從10 cm增加到30 cm時，滲水均勻系數(shù)增加速度較快；當工作壓力大于30 cm時，滲水均勻系數(shù)逐漸穩(wěn)定。因此，利用秸稈復合管作為地下灌溉的灌水器進行地下灌溉時，工作壓力宜大于30 cm，以滿足均勻度的要求。

圖6 工作壓力與均勻系數(shù)之間的關系

3.2 升壓、降壓過程對秸稈復合管自由出流的影響

在自由出流條件下，壓力升降過程對秸稈復合管滲水速率的影響如圖7所示。

圖7 壓力升降過程與滲水速率的關系

從圖7可以看出，壓力升降過程對秸稈復合管的滲水速率的影響規(guī)律并不一致。降壓過程滲水速率的變化幅度大于升壓過程，即降壓過程對滲水速率的影響大于升壓過程，當工作壓力大于30 cm時，這種影響程度更明顯。在試驗中發(fā)現(xiàn)，由降壓過程轉(zhuǎn)為升壓過程時，秸稈復合管管壁會因壓力突然增大而導致滲水不及時，從而影響了升壓過程的滲水速率。因此，在實際應用時，應緩慢增加工作壓力，使秸稈復合管保持相對穩(wěn)定的滲水速率，盡量避免起始工作壓力過大，造成局部出水量過大，影響系統(tǒng)的灌水均勻度。

3.3 晾曬時間對秸稈復合管出流的影響

秸稈復合管是在一定的含水量條件下制成的，經(jīng)過晾曬2、4、6 d時，其含水率分別為14.70%、10.42%、7.38%。同一批秸稈復合管在不同晾曬條件下的累計滲水量變化如圖8所示。

圖8 不同晾曬時間下累計滲水量變化情況

由圖8可以看出，晾曬時間影響秸稈復合管的累計滲水量。晾曬2～6 d時，在相同的工作壓力下，晾曬時間越長，秸稈復合管的滲水量越大。這是由于晾曬時間越長，秸稈復合管的含水率會減小，管壁的裂縫會增加或增大，從而增加其透水性。由圖8還可以看出，晾曬時間越長，秸稈復合管滲水量受工作壓力的影響越大，在工作壓力大于30 cm時，這種影響更加明顯。進一步對數(shù)據(jù)樣本進行雙因素方差分析，結果見表2。由表2可以看出，工作壓力和晾曬天數(shù)對累計滲水量的影響均達到了極顯著水平（P＜0.01），雙因素的交互效應對累計滲水量的影響也達到極顯著水平（P＜0.01）。

表2 滲水量參數(shù)雙因素方差分析

增加晾曬時間，在增加秸稈復合管滲水量的同時，降低了其滲水穩(wěn)定性，勢必會影響其應用時灌水的均勻性。因此，在生產(chǎn)應用時應綜合考慮，為了提高秸稈復合管地下灌溉的機械化、規(guī)?；?，可考慮減少秸稈復合管的晾曬時間和田間作業(yè)次數(shù)，以實現(xiàn)現(xiàn)場制作與埋設為宜。

4 討 論

本研究表明，在工作壓力為10～50 cm時，秸稈復合管的滲水量為0.6～3.6 L／（m·h），這與仵峰等在0.25 m工作壓力下測定的不同配比秸稈復合管滲水量范圍0.76～1.40 L／（m·h）結論一致。有研究表明，在10 m工作壓力下，內(nèi)鑲貼片式滴灌灌水器的設計流量為1～2 L／h［14］，按每米3個滴頭計算，出流量為3～6 L／（m·h），其滲水量與秸稈復合管相當。玉米膜下滴灌的最大灌水定額約為52.5 L／m2［15］，按照秸稈復合管在工作壓力為50 cm下的滲水量，需要12 h就可以完成灌溉，符合地下滴灌的灌溉習慣。應當注意的是，當秸稈復合管埋入土后，其滲水性能可能會受到土壤的影響，灌溉時間可能有所改變。在10 m工作壓力下，痕灌帶灌水器滲水量為0.9 L／（m·h）［16］，地埋后平均減少3%～8%。秸稈復合管的滲水量比痕灌帶滲水量有所增加。因此，當秸稈復合管作為地下灌溉的灌水器使用時，利用工作壓力與滲水量之間的關系，可以滿足作物在不同時期的灌水量需求，還可以在相對低壓狀態(tài)下工作，節(jié)省投資，降低能耗。這與新型地下灌溉灌水器的研發(fā)正朝著低壓、抗堵、節(jié)水、節(jié)能等方向發(fā)展相一致［17］。

秸稈復合管在地埋條件下的灌水效果是由灌水均勻系數(shù)所決定的，而灌水均勻系數(shù)在很大程度上是由秸稈復合管的滲水均勻系數(shù)決定的。在本研究中，秸稈復合管的滲水均勻系數(shù)已滿足《微灌工程技術規(guī)范》（GB／T 50485—2020）要求，在地埋條件下，秸稈復合管在“管-溝-土”（秸稈復合管-預埋溝-回填土）共同作用下的灌水效果有待進一步研究。

5 結 論

通過對秸稈復合管的自由出流試驗，得出以下結論：

（1）在自由出流條件下，工作壓力為10～50 cm時，秸稈復合管的滲水量為0.6～3.6 L／（m·h），累計滲水量隨著工作壓力的增大而增大，與滲水時間呈冪函數(shù)關系。秸稈復合管的滲水過程可很好地用Philip入滲公式擬合。在滲水60 min之后，秸稈復合管滲水速率逐漸趨于穩(wěn)定，滲水速率與工作壓力呈較好的線性關系。

（2）在工作壓力為10～50 cm時，壓力升降過程影響秸稈復合管自由出流的滲水量，降壓過程其滲水速率的變化幅度大于升壓過程；當工作壓力大于30 cm時，這種影響程度更加明顯。在生產(chǎn)應用時，宜緩慢增加工作壓力。

（3）晾曬時間和工作壓力交互影響秸稈復合管的滲水量。增加晾曬時間，可以增加秸稈復合管的滲水量，但其滲水穩(wěn)定性將有所降低。在生產(chǎn)應用時，宜考慮減少秸稈復合管的晾曬時間，實現(xiàn)現(xiàn)場制作與埋設。影響秸稈復合管滲水特性的因素較多，本文僅初步研究了工作壓力對于秸稈復合管在自由出流條件下的滲水特性，對于秸稈復合管埋入土壤中的滲水特性還需進一步研究。