渗灌用黏土基微孔陶瓷灌水器入渗性能研究

蒲文辉，张新燕,2，朱德兰,2

(1. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2. 西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

渗灌是一种传统的灌溉方法，将灌水器或渗灌管埋于作物根系层土壤中，渗水经过土壤毛细作用向周围土层扩散，根据作物生长需求和土壤含水率定时定量的向作物供水[1]。这种灌水方法有效地减少了地面蒸发带来的水分损失，具有节水、节能的优点[2,3]。微孔陶瓷用于农业灌溉由来已久，两千多年前中国就有关于用陶瓷灌溉的记载[4]。几百年前在河南济源地区，人们在地面以下埋设透水瓦片扣合形成的“透水道”用于作物灌溉[5]，20世纪70年代，山西省万荣县等地将瓦管埋于地下，灌水后水流从瓦罐壁渗出灌溉作物[6]；在印度，约旦等干旱半干旱地区利用陶罐灌水依旧被人们广泛利用[7,8]，并逐步发展成了负压灌溉[9,10]、零压灌溉[11]。

近年来国内外学者对微孔陶瓷灌溉做了大量研究[12-14]。Stein认为材料类型对微孔陶瓷开口孔隙率有影响，但土壤中的渗水速率主要受陶罐渗透系数和土壤蒸发等因素的影响[15,16]。张涛[17,18]研制出一种粗陶在枣树灌溉中取得较好的效果，并且开发出与之相适应的自动灌溉控制设备；蔡耀辉[19,20]等以黏土、硅藻土为主要材料，制备出性能较好的黏土基微孔陶瓷灌水器和硅藻土微孔陶瓷灌水器并进行了水力性能优化；徐增辉[21]等通过改变硅藻土的含量制备出渗水较好的免烧微孔陶瓷灌水器并进行了性能研究。

本文针对3种型号微孔陶瓷灌水器，测试了微孔陶瓷的密度、开口孔隙率，做了微观形貌分析，进行了水力性能试验和土壤入渗试验。探究影响微孔陶瓷灌水器渗流量的影响因素，以期为渗灌用微孔陶瓷灌水器的推广应用以及进一步研制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

渗灌用黏土基微孔陶瓷灌水器形状及结构如图1所示，是以黏土、炉渣和硫酸钙为原料，控制炉渣掺量、灌水器渗流面积制成3种不同配料比例和尺寸大小的灌水器，主要成分及结构尺寸见表1。

图1 微孔陶瓷灌水器形状及结构Fig.1 Porous ceramic irrigation emitter

编号主要成分外径×内径×高度/mmA黏土，硫酸钙，炉渣10%37．48×20×95．6B黏土，硫酸钙，炉渣30%37．48×20×78．0C黏土，硫酸钙，炉渣20%37．48×20×62．4

注：后文为方便叙述以A，B，C分别代表三种不同的灌水器。

1.2 水力性能试验

3种型号灌水器各取6个，将进口处用PVC胶与外径为20 mm的PVC短管接头黏接好，一定的间隔竖向插装在输水管道上，如图2所示。通过电脑控制变频箱提供准确而稳定的管道进口压力，在0～20 m不同压力下测量5 min时长灌水器渗流量，实验结束后停5 min进行下一组实验，每个压力下测2组数据。实验在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院灌溉水力学实验厅的灌水器水力性能综合测试平台上完成。

图2 微孔陶瓷灌水器水力性能实验和入渗试验装置图Fig. 2 The experiment device of micro hole ceramic irrigation emitter

1.3 土壤入渗试验

选用水力性能最优的灌水器进行土壤入渗试验。试验土壤为陕北黄绵土和砂土，供试土壤颗粒组成如表2所示，土壤水分特征曲线如图3所示。首先将供试土壤过2 mm筛网筛分，分别按密度1.3和1.6 g/cm3分层填装，5 cm一层，共12层，土壤初始含水率均为6%。然后将灌水器埋置于土中，其中心距离土壤表面30 cm。马氏瓶供水，控制进口压力分别为0、0.3、0.5、0.7 m。同时在灌水器处插入EM50土壤水分采集器用以监测土壤水分变化。试验开始前首先打开管道末端阀门，并打开马氏瓶的止水夹，待水从管道末端阀门流出时，迅速关闭阀门并开始计时，持续灌水8 h。不同进口压力试验时，所用灌水器均使用超声波进行清洗、晾干，确保灌水器不受前面试验影响。

表2 供试土壤颗粒组成Tab.2 Soil mechanical composition

图3 土壤水分特征曲线Fig.3 The soil water characteristic curve

2 结果与讨论

2.1 微孔陶瓷灌水器渗流原理

微孔陶瓷灌水器用于渗灌灌水器是基于进入灌水器空腔内的水通过器壁上形成的微孔隙渗透湿润土壤的一种过程，符合达西定律。

(1)

式中：v为渗流流速，cm/d；A为渗流面积，cm2；q为渗流量，L/h；k为渗透系数，cm/h；J为水力梯度；Δh为作用水头差，cm；L为有效渗径，cm。

谷川寅彦[22]等认为多孔低压渗灌管的流量变化是渗透系数和其内、外部压力差共同作用的结果。因此，当微孔陶瓷灌水器充满水时，不计水头损失，微孔陶瓷灌水器单位长度上的渗流量可由下式计算：

(2)

其中，Δh=H1-H2+ha

式中：r1、r2分别为微孔陶瓷灌水器的内径、外径，cm；H1、H2分别为灌水器内、外部压力，cm；ha为土壤吸力，cm，当灌水器置于空气中时，ha=0；其余符号意义同前。

2.2 微孔陶瓷结构对灌水器水力性能的影响

由上可知，影响灌水器水力性能的微孔陶瓷结构性能参数如表3所示。密度和开口孔隙率利用排水法[27]取得，公式如下：

(4)

式中：ρ为微孔陶瓷试样密度，g/cm3；n为开口孔隙率，%；ρw为水的密度，g/cm3；ma为试样在干燥状态下空气中的质量，g；mf为试样在水中浮重，g；mws为试样吸水饱和状态下的质量，g。

表3 微孔陶瓷结构参数Tab.3 Performance of micro porous ceramic structure

由表3可见，3种型号灌水器的陶瓷密度在2.26～2.38 g/cm3间，基本接近，孔径均在0～20 μm范围，因此主要研究开口孔隙率和渗流面积对灌水器渗流效果的影响。陶瓷孔隙是灌水器渗流通道，不同开口孔隙率和渗流面积灌水器渗流效果显著不同。在0.5 m压力下B型灌水器外壁上清楚可见出现均匀的水珠，持续2～3 s后水流便均匀地顺着圆柱形外壁渗出。随着压力增大，渗出速率加快。而A型和C型灌水器在6 m以下压力渗流效果较差，只有局部区域会出现类似于B的现象。

灌水器在不同进口压力下的渗流量变化如图4所示。从图中可以看出3种灌水器的渗流量均随进口压力的增大而增大，B型灌水器随着进口压力增大其渗流量增加最显著，0.5 m压力时渗流量为1.06 L/h，当压力升高到22 m时达到58.7 L/h。而A型和C型灌水器在压力<3 m出流较小，压力达22 m时渗流量分别为16.14和7.63 L/h，远小于B灌水器的渗流量。根据公式(2)及表(3)可计算出A、B、C三种灌水器的渗透系数k分别为0.037、0.18、0.005，渗透系数越大，渗流效果越好。

图4 不同压力下灌水器渗流量变化Fig.4 Hydraulic performance of irrigation emitter

在烧制过程中炉渣会随着温度升高而分解形成孔隙，因此开口孔隙率主要受炉渣掺量影响，3种灌水器陶瓷材料炉渣掺量分别为10%、30%、20%，形成的开口孔隙率依次为19%、32%、24%。可见炉渣掺量对微孔陶瓷开口孔隙率具有重要影响，随炉渣掺量的增加开口孔隙率增大。同时，3种灌水器的有效渗水长度和渗流面积不同，渗流面积分别为3 750、2 700、1 695 mm2，A型灌水器虽然有着较大的渗透面积，但由于陶瓷开口孔隙率低，渗流效果差。C型灌水器开口孔隙率大于A型，但由于渗透面积较小，总渗流量也随之降低，而B型灌水器既具有较大的开口孔隙率，也有一定的渗透面积，因此渗流效果最佳。图5是选取B型号微孔陶瓷利用扫描电子显微镜(SEM，S4800，Hitachi，日本)分别在5.00 K和1.00 K时拍摄照片。可以看到，微孔陶瓷内部孔隙数量多而均匀。

图5 微孔陶瓷SEM图片Fig.5 SEM micrographs of micro porous ceramics

2.3 土壤类型对灌水器入渗性能的影响

由上述结果，选用B型灌水器进行土壤入渗试验。图6是在无压条件下不同土壤中灌水器入渗速率及累计入渗量，图6(a)右侧为灌水器处土壤含水率随灌水时间的变化。在无压条件下，灌水器渗流效果主要受土壤吸力作用。微孔陶瓷灌水器埋于土壤中与土壤形成一个整体，渗灌开始，受土壤吸力作用，灌水器水流渗出，土壤含水率增大，湿润峰逐渐向周围推进。灌水开始，由于灌水器周边土壤含水率较小，土壤吸力较大，入渗速率大，黄绵土入渗速率最大为1.4 L/h，砂土为0.55 L/h。随着灌水时间的增加，土壤含水率增大，入渗速率迅速减小，在灌水30 min后，趋于稳定其值分别为黄绵土0.2 L/h，砂土0.15 L/h。由图还可看出，灌水50 min后黄绵土土壤含水率为26%，而砂土为16%。之后趋于稳定，渗流量与入渗量保持动态平衡。图6(b)是灌水器累计入渗量随着灌水时间的增加而增加。在渗灌初期，入渗速率较大，累计入渗量增加较快。渗灌50 min后，入渗速率趋于稳定，累计入渗量增大趋势放缓。但由于两种土壤吸力不同，灌水结束后黄绵土的累计入渗量为1.38 L，砂土的仅为0.90 L。

图6 无压条件下不同土壤灌水器入渗速率及累计入渗量Fig.6 The flow and accumulative infiltration amount of irrigation emitter in different soils

图7是0.5 m作用水头下灌水器在黄绵土和砂土中的入渗速率和累计入渗量变化。由图7可见相同条件下灌水器在黄绵土中入渗速率始终小于砂土的入渗速率。初始2种土壤最大入渗速率分别为1.60和2.83 L/h，相差1.23 L/h。稳定入渗速率分别接近0.6和1.0 L/h，其值都较无压时增大，导致土壤含水率增加。

图7 有压作用下不同土壤灌水器入渗速率及累计入渗量Fig.7 The flow and accumulative infiltration amount of irrigation emitter in different soils

由表2可知，黄绵土中砂粒约为23%，黏粒和粉粒占77%，透水性较砂土弱，保水性强，湿润锋运移速度小，灌水器渗流量较小。而砂土的颗粒组成中近96%为砂粒，黏粒和粉粒的总和约为4%，较多的砂粒使得土壤中间隙较大，具有较强的透水性。渗灌开始75 min，黄绵土和砂土土壤含水率分别增加到35%和26%，黄绵土基本趋于饱和，砂土在灌水200 min后土壤含水率增加到36%，达到饱和含水率。在0.5 m水头下灌水器累计入渗量变化与在无压条件下基本类似，但累计入渗量在8 h灌水结束后有较大幅度增加，黄绵土和砂土分别为6.13和13.81 L，较无压条件下分别增加4.75、12.91 L。

2.4 灌水条件对灌水器入渗性能的影响

如图8所示为灌水器在黄绵土中不同压力水头下的入渗量及累计入渗量随时间变化规律。从图中可知随着压力增大，灌水器入渗速率增大。0.3、0.5、0.7 m水头下灌水器渗灌50 min平均入渗速率分别为0.57、1.08、1.46 L/h。其累计入渗量与进口压力成正相关，经过480 min后累计入渗量分别为4.10、6.13、9.93 L。灌水初期土壤含水率低，渗透性较强，灌水器入渗速率较大。随着灌水时间的增加，土壤含水率增加，入渗速率渐趋稳定。从图中可以看到进口压力越大稳定所需时间越短，0.3 m水头在120 min时达到稳定，而0.5 m和0.7 m水头下，入渗速率在灌水80 min后已基本趋于稳定。灌水过程中，相同时间段不同压力下灌水器入渗速率越大，其累计入渗量越大。渗灌120 min，由于灌水器入渗速率较大，其累计入渗量与灌水时间呈正相关急剧增大，之后，增长变缓。砂土也具有类似规律。

图8 灌水器在不同压力下入渗速率和累计入渗量Fig.8 The flow and accumulative infiltration amount of irrigation emitter under different pressure

3 结 语

针对3种黏土基微孔陶瓷灌水器，研究了灌水器的开口孔隙率、渗流面积等结构参数对微孔陶瓷灌水器水力性能的影响；通过土壤入渗试验，研究了土壤类型、进口压力及灌水时间对微孔陶瓷灌水器在土壤中入渗性能的影响，得出以下结论。

(1)微孔陶瓷灌水器水力性能受灌水器开口孔隙率和渗流面积的共同作用，所研究黏土基微孔陶瓷灌水器炉渣掺量30%，其开口孔隙率约为32%左右，渗流面积不小于2 700 mm2时具有较好渗流效果。

(2)微孔陶瓷灌水器置于土壤中的入渗性能与土壤类型有关，同时也受进口压力的影响。试验结果表明，在无压状态下，微孔陶瓷灌水器在黄绵土中的入渗速率大于砂土，但当作用水头增大时，灌水器内外压差占主导作用，且由于砂土较黄绵土具有较好的渗透能力，故砂土的入渗速率大于黄绵土。

(3)微孔陶瓷灌水器的入渗性能受灌水压力和灌水时间的影响。同一作用水头下，灌水初期入渗速率较大且不稳定，随时间延长，入渗速率渐趋稳定；当进口压力增大时，灌水器入渗速率随之增大且由不稳定达到稳定的时间缩短。

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[1] 王淑红，张玉龙，虞 娜，等. 渗灌技术的发展概况及其在保护地中应用[J]. 农业工程学报，2005，21(13)：92-95.

[2] 王彦军，沈秀英，王留运. 一种新型的节水灌溉技术—渗灌[J]. 节水灌溉，1997,(2)：3-7.

[3] 巴特尔·巴克，郑大玮，宋秉彝，等. 渗灌节水技术及其经济效益浅析[J]. 节水灌溉，2005,(2)：8-10.

[4] 石声汉. 氾胜之书今释[M]. 北京:科学出版社，1956.

[5] 康银红,马孝义,李 娟,等.地下滴渗灌灌水技术研究进展[J]. 灌溉排水学报，2007,26(6):34-40.

[6] 杨少俊，张明斌. 浅析渗灌[J].山西水利，1998,(2):23-23.

[7] Bainbridge D A. Buried clay pot irrigation: a little known but very efficient traditional method of irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2001,48(2):79-88.

[8] Ashrafi S, Gupta A D, Babel M S, et al. Simulation of infiltration from porous clay pipe in subsurface irrigation[J]. Hydrological Sciences Journal, 2002,47(2):253-268.

[9] 雷廷武，江培福，Vincent F Bralts，等. 负压自动补给灌溉原理及可行性试验研究[J]. 水利学报，2005，36(3):298-302.

[10] 邹朝望，薛绪掌，张仁铎，等. 负水头灌溉原理与装置[J]. 农业工程学报，2007，23(11)：17-22.

[11] 赵伟霞，蔡焕杰，陈新明，等. 无压灌溉土壤湿润体含水率分布规律与模拟模型研究[J]. 农业工程学报，2007，23(3):7-12.

[12] Siyal A A, van Genuchten M T, Skaggs T H. Solute transport in a loamy soil under subsurface porous clay pipe irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2013,121:73-80.

[13] Abu-Zreig M M, Abe Y, Isoda H. The auto-regulative capability of pitcher irrigation system[J]. Agricultural Water Management, 2006,85(3): 272-278.

[14] 梁红梅. 粗陶微孔地埋渗灌装置的性能研究[J]. 新疆农机化, 2010,(5):5-8.

[15] Stein T M. The influence of evaporation, hydraulic conductivity, all thickness and surface area on the seepage rates of pitchers for pitcher irrigation[J]. Zeitschrift für Bewässerungswirtschaft, 1997,32(1):65-84.

[16] Stein T M． Possibilities to vary the hydraulic conductivity of pitcher materials[J]. Zeitschrift für Bewsserungswirtschaft，1996，31(2):165-181．

[17] 张 涛. 粗陶微孔地埋渗灌装置的研制与应用试验[J]. 灌溉排水学报, 2010, 29(6): 126-128.

[18] 张 涛. DPSQKS-1型灌溉自动控制器的研制[J]. 农机化研究，2011,(6):84-90.

[19] 蔡耀辉, 吴普特, 朱德兰, 等. 黏土基微孔陶瓷渗灌灌水器制备与性能优化[J]. 农业机械学报, 2015,46(4):183-188.

[20] 蔡耀辉, 吴普特, 朱德兰, 等. 硅藻土微孔陶瓷灌水器的制备及性能研究[J]. 农业工程学报, 2015,31(22): 70-76.

[21] 徐增辉，李向明，林 力，等. 免烧微孔陶瓷渗灌灌水器制备与性能研究[J]. 节水灌溉，2015,(10):74-77.

[22] 谷川寅彦，矢部腾彦，吴景社. 低压渗灌原理与基础试验研究[J]. 灌溉排水，1992，11(2)：35-38.