仵 峰，劉生東，宰松梅2，，王浩宇，牟彥文，羅 昕，張夢(mèng)瑤

（1.華北水利水電大學(xué) 水資源學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046；3.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046）

1 概 述

地下灌溉技術(shù)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，并具有較好的推廣應(yīng)用前景。依據(jù)灌水器的類(lèi)型，地下灌溉可分為滲灌［2］、地下滴灌［3-4］、微潤(rùn)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(xì)管作用濕潤(rùn)土壤的一種灌水方法。結(jié)合多年的研究與實(shí)踐，筆者提出一種新型地下灌溉技術(shù)——秸稈地下灌溉［6］，以土壤和秸稈為主要材料，經(jīng)過(guò)一定的工藝制作成秸稈復(fù)合管，埋于地下作為毛管進(jìn)行田間灌溉，其工作原理與滲灌類(lèi)似。

滲灌和地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多參考地表滴灌系統(tǒng)進(jìn)行，灌水器性能是其設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的好壞和成敗。國(guó)內(nèi)外對(duì)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(zhǎng)度成反比；Gupta等［8］研究表明，在自由出流時(shí)，陶瓷滲水管的滲水速率與工作壓力呈線(xiàn)性關(guān)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(guān)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(shì)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(rùn)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(shè)計(jì)流量和土壤質(zhì)地等影響，當(dāng)土土壤含水率由13%增大至40%時(shí)，埋地后灌水器（設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流量是影響地下灌溉系統(tǒng)灌水器性能的關(guān)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(fù)合管，它既是末級(jí)輸水管道，又是灌水器。秸稈復(fù)合管及使用場(chǎng)景（覆土前）如圖1所示。制作秸稈復(fù)合管的材料以土壤為主，其初始含水率也會(huì)影響其滲水性能。本文基于秸稈復(fù)合管自由出流試驗(yàn)，分析不同晾曬時(shí)間和工作壓力對(duì)其透水性能的影響，為進(jìn)一步研究秸稈復(fù)合管地下灌溉系統(tǒng)的水力性能及其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 秸稈復(fù)合管及使用場(chǎng)景（覆土前）

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)于2020年10—11月在河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華北水利水電大學(xué)農(nóng)水試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，所用秸稈復(fù)合管采用試驗(yàn)場(chǎng)當(dāng)年種植的玉米秸稈和土壤現(xiàn)場(chǎng)制作而成，所用土壤為砂壤土，土壤黏粒含量為14.81%。試驗(yàn)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(fù)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(yàn)所用秸稈復(fù)合管長(zhǎng)度為100 cm。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)馬氏瓶和支架高度控制秸稈復(fù)合管的工作壓力，采用馬氏瓶上的刻度計(jì)量秸稈復(fù)合管的累計(jì)滲水量。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)，確定秸稈復(fù)合管適合在低壓條件下進(jìn)行灌水。本試驗(yàn)設(shè)置的工作壓力水頭為10、20、30、40、50 cm。試驗(yàn)時(shí)，先用尼龍紗布將秸稈復(fù)合管包裹，然后放置在內(nèi)徑為70 mm的透明開(kāi)孔的有機(jī)玻璃管中，起到保護(hù)和支撐的作用，秸稈復(fù)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(xì)繩固定在可調(diào)節(jié)高度支架上，用水平儀進(jìn)行調(diào)平。沿秸稈復(fù)合管長(zhǎng)度方向每隔10 cm設(shè)一個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，將集水容器放置在秸稈復(fù)合管正下方，收集其對(duì)應(yīng)的滲水，并用電子天平稱(chēng)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(yàn)時(shí)間均為111 min，在0～21 min內(nèi)每3 min觀(guān)測(cè)1次，在21～61 min內(nèi)每5 min觀(guān)測(cè)1次，在61～111 min內(nèi)每10 min觀(guān)測(cè)1次。

為了研究壓力變化過(guò)程對(duì)秸稈復(fù)合管滲水性能的影響，分別對(duì)其進(jìn)行了升壓過(guò)程和降壓過(guò)程試驗(yàn)，測(cè)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(fù)合管的滲水量基本達(dá)到穩(wěn)定。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在灌水1 h后開(kāi)始對(duì)其進(jìn)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(gè)工作壓力持續(xù)0.5 h，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程為5.5 h。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，取其平均值進(jìn)行結(jié)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(fù)合管的滲水過(guò)程用Philip入滲公式進(jìn)行擬合，以描述其滲水過(guò)程。入滲公式為

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

秸稈復(fù)合管滲水均勻系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：Cu為均勻系數(shù)；si為i點(diǎn)的滲水量，L；為各測(cè)點(diǎn)的平均滲水量，L；n為試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 工作壓力對(duì)秸稈復(fù)合管滲水性能的影響

3.1.1 工作壓力對(duì)秸稈復(fù)合管累計(jì)滲水量的影響

不同工作壓力條件下，秸稈復(fù)合管累計(jì)滲水量隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖3所示。

圖3 不同工作壓力條件下秸稈復(fù)合管累計(jì)滲水量隨時(shí)間的變化過(guò)程

由圖3可以看出，秸稈復(fù)合管的累計(jì)滲水量隨著工作壓力的增加而增大，秸稈復(fù)合管累計(jì)滲水量與滲水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。利用SPSS軟件將工作壓力對(duì)累計(jì)滲水量的影響進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，并與數(shù)理統(tǒng)計(jì)附錄5中所查F值進(jìn)行比較，確定工作壓力對(duì)累計(jì)滲水量影響的顯著性。結(jié)果表明，在0.05顯著性水平下，工作壓力對(duì)累計(jì)滲水量的影響達(dá)到顯著水平（F=

將不同工作壓力下秸稈復(fù)合管的滲水過(guò)程用Philip入滲公式進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Philip入滲公式擬合參數(shù)

從表1可以看出，秸稈復(fù)合管的滲水過(guò)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(shí)，秸稈復(fù)合管單位時(shí)間單位長(zhǎng)度穩(wěn)定滲水量在0.6～3.6 L／（m·h）。工作壓力與秸稈復(fù)合管的吸滲率S和穩(wěn)定滲水率A均呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明隨著工作壓力的增加，秸稈復(fù)合管的滲水能力增加。由于制作秸稈復(fù)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(yùn)行成本。所以，確定適宜的工作壓力時(shí)還應(yīng)考慮秸稈復(fù)合管自身的耐受性及其應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1.2 工作壓力對(duì)秸稈復(fù)合管滲水速率的影響

不同工作壓力條件下，秸稈復(fù)合管滲水速率隨滲水時(shí)間的變化情況如圖4所示。

圖4 滲水速率與滲水時(shí)間的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著滲水時(shí)間的增大，滲水速率在逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定。整個(gè)滲水過(guò)程在60 min之后逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)60 min之后的穩(wěn)定滲水速率A與工作壓力H進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖5 滲水速率與工作壓力的關(guān)系

從圖5可以看出，工作壓力在10～50 cm時(shí)，秸稈復(fù)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(xiàn)性關(guān)系：A=0.001 2H＋0.002（R2=0.972 9）?？梢?jiàn)，在自由出流條件下，工作壓力對(duì)秸稈復(fù)合管的穩(wěn)定滲水速率起關(guān)鍵控制作用，秸稈復(fù)合管的穩(wěn)定滲水速率與工作壓力之間的線(xiàn)性關(guān)系不同于微潤(rùn)管的冪函數(shù)關(guān)系［12］。

3.1.3 工作壓力對(duì)秸稈復(fù)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(fù)合管達(dá)到穩(wěn)定滲水時(shí)的滲水均勻系數(shù)見(jiàn)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(dāng)工作壓力為10～50 cm時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定滲水后，秸稈復(fù)合管滲水均勻系數(shù)在0.762～0.908，可以達(dá)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(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：Cu=0.091 5lnH＋0.567（R2=0.916 8）。當(dāng)工作壓力從10 cm增加到30 cm時(shí)，滲水均勻系數(shù)增加速度較快；當(dāng)工作壓力大于30 cm時(shí)，滲水均勻系數(shù)逐漸穩(wěn)定。因此，利用秸稈復(fù)合管作為地下灌溉的灌水器進(jìn)行地下灌溉時(shí)，工作壓力宜大于30 cm，以滿(mǎn)足均勻度的要求。

圖6 工作壓力與均勻系數(shù)之間的關(guān)系

3.2 升壓、降壓過(guò)程對(duì)秸稈復(fù)合管自由出流的影響

在自由出流條件下，壓力升降過(guò)程對(duì)秸稈復(fù)合管滲水速率的影響如圖7所示。

圖7 壓力升降過(guò)程與滲水速率的關(guān)系

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

3.3 晾曬時(shí)間對(duì)秸稈復(fù)合管出流的影響

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

圖8 不同晾曬時(shí)間下累計(jì)滲水量變化情況

由圖8可以看出，晾曬時(shí)間影響秸稈復(fù)合管的累計(jì)滲水量。晾曬2～6 d時(shí)，在相同的工作壓力下，晾曬時(shí)間越長(zhǎng)，秸稈復(fù)合管的滲水量越大。這是由于晾曬時(shí)間越長(zhǎng)，秸稈復(fù)合管的含水率會(huì)減小，管壁的裂縫會(huì)增加或增大，從而增加其透水性。由圖8還可以看出，晾曬時(shí)間越長(zhǎng)，秸稈復(fù)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(shí)，這種影響更加明顯。進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，工作壓力和晾曬天數(shù)對(duì)累計(jì)滲水量的影響均達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01），雙因素的交互效應(yīng)對(duì)累計(jì)滲水量的影響也達(dá)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(shí)間，在增加秸稈復(fù)合管滲水量的同時(shí)，降低了其滲水穩(wěn)定性，勢(shì)必會(huì)影響其應(yīng)用時(shí)灌水的均勻性。因此，在生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮，為了提高秸稈復(fù)合管地下灌溉的機(jī)械化、規(guī)?；剑煽紤]減少秸稈復(fù)合管的晾曬時(shí)間和田間作業(yè)次數(shù)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制作與埋設(shè)為宜。

4 討 論

本研究表明，在工作壓力為10～50 cm時(shí)，秸稈復(fù)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(cè)定的不同配比秸稈復(fù)合管滲水量范圍0.76～1.40 L／（m·h）結(jié)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(shè)計(jì)流量為1～2 L／h［14］，按每米3個(gè)滴頭計(jì)算，出流量為3～6 L／（m·h），其滲水量與秸稈復(fù)合管相當(dāng)。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(fù)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(xí)慣。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)秸稈復(fù)合管埋入土后，其滲水性能可能會(huì)受到土壤的影響，灌溉時(shí)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(fù)合管的滲水量比痕灌帶滲水量有所增加。因此，當(dāng)秸稈復(fù)合管作為地下灌溉的灌水器使用時(shí)，利用工作壓力與滲水量之間的關(guān)系，可以滿(mǎn)足作物在不同時(shí)期的灌水量需求，還可以在相對(duì)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(fù)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(fù)合管的滲水均勻系數(shù)決定的。在本研究中，秸稈復(fù)合管的滲水均勻系數(shù)已滿(mǎn)足《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB／T 50485—2020）要求，在地埋條件下，秸稈復(fù)合管在“管-溝-土”（秸稈復(fù)合管-預(yù)埋溝-回填土）共同作用下的灌水效果有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)秸稈復(fù)合管的自由出流試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）在自由出流條件下，工作壓力為10～50 cm時(shí)，秸稈復(fù)合管的滲水量為0.6～3.6 L／（m·h），累計(jì)滲水量隨著工作壓力的增大而增大，與滲水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。秸稈復(fù)合管的滲水過(guò)程可很好地用Philip入滲公式擬合。在滲水60 min之后，秸稈復(fù)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(xiàn)性關(guān)系。

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

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