负压灌溉重液式负压阀设计与试验

龙怀玉，张怀志，岳现录，张认连

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

0 引 言

负压灌溉（negative pressure irrigation，NPI）是近十多年来在中国比较受关注的一种灌溉技术。它通过土壤水分吸力和植物蒸腾耗水实现了植物对水分的精准、连续和自动获取，能可靠地根据作物自身需水要求进行土壤水分补充，极大地提高了灌溉效率和水分生产率[1]。负压灌溉系统中负压的形成与持续存在是负压灌溉的基础。尽管负压灌溉系统有多种形式，但在整个系统中一定有一个维持系统负压的装置，从文献来看，现有的负压维持方法与装置大体上有5种。1）悬挂水柱法，即将水源置于一个比灌水器低的位置，两者的高度差即为所需要的负压，不存在独立的负压维持器，由灌水器和储水器构成一个虚拟的负压发生器。在早期的负压灌溉研究以及在实验室土柱模拟研究中，基本上都是采用悬挂水柱法[2-10]，该法的最大优点就是简单，但其缺点也是显著的，因为要将水源置于灌水器的下方，在实际生产中需要将灌溉水储藏到生长作物的地面以下，很不方便。更为不利的是，在负压状态下，溶解在水中的空气会溢出，积累到一定量了，会形成气泡滞留在输水管的上部，阻断连续的水流，致使灌水停止。2）负压泵持续抽气法，Lipiec等[11]、Iwama等[12]为了排除空气溢出、导致负压灌溉水流中断的情况，采用负压泵持续抽气、并保持灌溉水循环的方法维持负压，这种方法需要额外的动力，而且负压值容易受循环泵的影响，在实际生产中是难以运用的，很少看到采用这种方法的研究文献，仅看到Moniruzzaman等[13-14]运用这种方法研究了负压灌溉下的土壤水分平衡，建立了不同负压下土壤水分储量、蒸发量的经验模型。3）水柱调压法，耿伟等[15-16]设计了水柱调压法，并被许高平等[17]、冀荣华等[18]所采用。4）爬升水柱调压法，邹朝望等[19]、李邵等[20]设计了“爬升水柱负压控制装置”，这种方法不同于水柱法的地方在于，水柱不仅用来控压，而且也用来供水，这种方法被不少研究者所采用[21-24]。水柱法、爬升水柱法简单可靠，但是体积庞大，不利于在田间实际使用。5）电磁阀开关法，刘学勇等[25]利用数字压力开关与电磁阀的组合来控制负压，此后不少研究者[26-30]也采用了电磁开关法，该法的优点是精准度高、能够动态监测、体积小、质量轻，但是需要电源，需要价格昂贵的数字压力开关和电池阀，而且特别容易发生故障，特别是在雷雨天气下。

从以上阐述中，可以看出：目前负压灌溉的负压维持器，各有优点，也均有比较明显的缺点。悬挂水柱法需要将水源置于灌水器的下方，而且容易被从灌溉水中溢出的空气阻断灌溉水流。负压泵循环法需要额外的动力，而且负压值容易受循环泵的影响。水柱调压法、爬升水柱法的设备体积庞大。电磁阀法需要电源和价格昂贵的数字压力开关和电池阀，并且容易出故障。为了促进负压灌溉技术实用化，使其能够得到大面积使用，就必须要克服现有负压维持方法存在的以上缺点，研制出操作简单、精确度可靠、成本低、体积小巧的负压维持器。因此，本文在分析负压灌溉的负压过程的基础上，介绍了课题组近年来研制的重液式负压阀，该负压阀在科研和实际中运用了近4 a，能克服现有方法缺点、体积小、质量轻、无能耗、易于动态监测。

1 重液式负压阀的设计

1.1 科学依据

在负压灌溉中，灌溉水变成土壤水的基本过程是：生长在水分不饱和的土壤中的作物蒸散耗水导致土壤含水量减少、土壤水势降低，使得土壤水分吸力大于渗水器内的负压吸力，负压灌水器中的灌溉水被土壤吸引到土壤中而变成土壤水，由于水分流向了土壤，负压灌溉系统中空气的体积变大、气压变小，使得负压灌溉系统内部的总压强小于外界大气压，这就是所谓的负压。随着土壤水吸收水分过程的持续进行，这个负压值越来越大，直到达到所设置的负压值，负压维持器开始发生作用，让外界空气或者灌溉水进入负压灌溉系统，阻止了负压值进一步扩大。可见，负压灌溉中的所谓负压是由于土壤吸水而产生的，土壤吸水过程是个逐渐过程，因此负压形成与变大也是逐渐过程。而且只要土壤蒸发、作物蒸腾作用存在，这个负压发生过程就会持续进行下去。总之，负压灌溉中的负压是由于土壤吸水而产生的，是缓慢的持续的单向过程。因此所谓的负压维持器，其实是负压限制器，其作用是限制负压不进一步扩大，使得系统的负压度小于或等于某个值，在负压灌溉系统运行的大部分时间里，负压维持器处于非运动状态或是缓慢运动状态。因此理论上可以用液体的静压力来维持负压灌溉系统中的负压，根据基础物理学可知，任何液体都有静压力，文献中所采用的悬挂水柱法、水柱调压法、爬升水柱调压法，其实就利用水的静压力来维持负压的。液体静压力可以通过其高度和密度准确计算，比如1 mm水银柱的静压力是0.133 kPa，水银柱的高度用肉眼观测均能准确到毫米，同时在负压灌溉中很少将压力值设置到-30 kPa以下，30 kPa约合水银柱22.5 cm。对于给定的静压力，液体密度越大，所需要液体高度就越小。显然，如果利用密度最大的重液—水银的静压力来为负压灌溉系统维持负压，设计出来的负压维持装置就有可能实现体积小、精度高、操作简单的目标。

1.2 基本构造

如图 1所示，重液式负压阀（heavy liquid－type negative pressure valve, HLNPV）的主体由一个U型玻璃管、一个S型玻璃管、一个空心玻璃球以及水银所构成。其中：玻璃球的上部是空腔，称为负压室，下部是水银，可在水银上部搁置一层挥发性极弱的、用以防止水银挥发的保护液（在本文试验中选用的是石蜡油或者水）；U型玻璃管的A端是连通大气的进气口（图1中A端倒扣着的塑料试管以及与之相连的橡皮塞、毛细管构成了一个进气限速装置，详见1.4），B端连接储水器，是将重液式负压阀所维持的负压传递到灌溉水的通道。U型玻璃管底部与玻璃球内水银液面之间的高度为 H，U型管 B边也可以称之为回流管；S型玻璃管，即控压管，其最上端与最下端之间的高度为h，在任何情况下h要小于H。

图1 重液式负压阀的结构Fig.1 Structure of heavy liquid-type negative pressure valve

1.3 工作机制

负压室所能得到的最大负压是控压管内水银所能形成的最大静压力ρgh，ρ是水银的密度，g是重力加速度。其工作过程大致如下：1）在负压灌溉刚开始的时候，负压室内的气压与外界大气压相等，U形管 A、B边和 S形管内的水银液面处于相同的高度；2）随着灌溉的进行，由于土壤的吸水，负压室内的部分空气经 B口流出而进入储水器，气压下降，U形管A边水银液面下降，U形管B边水银液面（一般也就是玻璃球内的水银液面）和控压管的水银液面上升；3）随着步骤2）过程持续进行，当U形管A边液面下降至分岔点C时，控压管中水银和U形管中水银独立开来，因为H永远大于h，所以控压管中水银柱所能形成的最大压力ρgh永远小于回流管所能形成的最大压力ρgH；4）随着步骤 3）继续进行，负压室中的负压继续减少，当其气压与外界大气压之差的绝对值＞ρgh时，控压管中的水银快速流进玻璃球，控压管变成空气通道，外界空气进入负压室，使得负压室气压升高；5）负压室的气压升高，使得水银经过回流管回流，U形管A边液面升高，当升高至C点，水银再次进入控压管，阻止空气继续进入负压室。以上 2）～5）步骤循环进行，使得负压室内的负压度维持在ρgh左右。

1.4 进气速率限制器的设计

在试制过程中发现，如图1所示的HLNPV在A端没有倒扣塑料试管的情况下实现不了控压，因为一旦控压管变成空气通道，气压差的驱动力非常强，如果水银从回流管回到分岔点C的速度不够快、进入控压管中的水银量不够多，控压管中的水银柱所产生的压强就会总是小于气压差，水银就会被强有力的空气流携带着通过控压管回到负压室，结果水银会在“回流管→控压管→回流管”内发生气爆式的剧烈回流，直至负压室的气压与外界气压（即大气压）相同，而且这个过程非常短暂，往往不超过10 S。其原因是水银的回流速度相对慢、而A端的进气速率相对过快所致，水银的回流速率是难以调控的，但是A端的进气速率是可以调控的。通过试验发现，如果A管上端的进气速率受到一定程度的限制，气爆现象明显减弱，A端口的进气速率对控压效果有着明显影响。于是设计了对A端的进气速率进行限制的装置（如图1中虚线框所示），即：将容积25 ml、内径25.5 mm的试管，用橡胶塞塞住，然后倒扣在A管上端（A管穿过橡胶塞），在橡胶塞上穿一根内径0.3 mm、外径0.6 mm的聚四氟乙烯毛细管，空气需要经过这个毛细管进入塑料试管，然后才进入A端。

空气流动是靠压力梯度驱使的，根据常识，在相同的管材、相同的管道内径下，压力梯度越大空气流速就越大，也就是毛细管的通气速率随着压力差的增大而增大、随着管长的增大而减小。在目前所见负压灌溉研究文献中[2-6,10-30]，负压值基本上在-2.0～-30.0 kPa之间。为了确定在这个负压范围内的适宜毛细管长度，运用理论控压为-30.0 kPa的HLNPV分别测试了5.0、10.0、25.0、50.0 cm毛细管长度的控压效果。其测试方法是：将HLNPV的B连接到一个2 500 ml的抽滤瓶，用抽滤瓶的真空度模拟负压灌溉中土壤吸水产生负压的情况。首先，将HLNPV与抽滤瓶之间的硅胶管用夹子夹住、阻断其气体通道，用抽气机将抽滤瓶抽到-35 kPa的负压度；接着，将抽滤瓶与抽气机之间的硅胶管用夹子夹住、阻断其气体通道，松开HLNPV与抽滤瓶之间的硅胶管，用高精度电子负压计以秒为时间步长自动记录抽气瓶中的负压度，以压力值在30 s中没有变化作为最终的稳定负压，也就是HLNPV所维持的稳定负压，同时目测HLNPV的运动情况。其结果如表1，从中可以看出，毛细管长度对控压的影响是明显的，随着毛细管长度的增加，从-35 kPa达到稳定负压的时间显著变长，从5 cm的115 s增加到50 cm的690 s。毛细管长度似乎对实际稳定压力与理论压力之间的相对误差没有明显影响，其误差均在可以接受的范围内，但是在10、25 cm时，相对误差更小。根据这个测试结果，同时考虑节省材料、操作方便等，在实际使用中，一般选择毛细管长度为5～15 cm。

表1 进气毛细管长度对30 kPa重液式负压阀精度的影响Table 1 Effect of length air entering capillary of on the pressure of 30 kPa heavy liquid-type negative pressure valve

2 负压维持试验

为了考察HLNPV的压力控制精度，从2017年制作的用于田间示范的200支HLNPV中随机抽取了一批样品在实验室进行检测，包括理论设计控压为-10、-20、-30 kPa的HLNPV各5个，从表2中可以看出，除-10 kPa重液式负压阀的 5号样品的相对误差比较大外，其他样品的相对误差均没有超过5%，是可以接受的。推测这些误差主要来自于控压管的制作过程，控压高度1 mm的误差将带来0.13 kPa的压力误差，控压管在上下两端均有弯曲部分，目前采用手工制作，很难将控压管的高度制作的非常精确。

表2 3种设计负压重液式负压阀的抽样检测Table 2 Sampling inspection on heavy liquid－type negative pressure valves with 3 designed negative pressure

3 田间使用情况调查

2014、2015、2016年以及2017年上半年在山东济南、湖南长沙、北京、黑龙江大庆、云南玉溪等地实际采用HLNPV研究了负压灌溉对玉米、辣椒、黄瓜、油菜、甜菜、棉花、菠菜、莴苣、小白菜、甘蓝、花生、西瓜、烤烟等作物生长发育、产量质量的影响，及其最佳土壤水分条件的筛选（相关研究数据另文发表）。从试验中HLNPV运行的结果来看，大致可以分成3种类型（如图2）：1）在整个试验过程中具有很好的负压维持能力，没有氧化变黑现象，覆盖液也没有明显减少（图 2a）；2）当试验进行到一定时期后产生了水银氧化变黑现象，但能够将负压维持在设置值到试验结束（图 2b）；3）当试验进行到一定时期后产生了较多的黑色水银氧化沉淀物，堵塞管道而导致负压维持能力丧失（图2c）。从表3展示的部分作物使用结果来看，大多数HLNPV的效果是比较好的，而且以水作为覆盖液的效果似乎要好于以石蜡油作为覆盖液。在以水作覆盖液的5次不同作物试验、55个压力不同的HLNPV中，即使长达4个多月的烤烟试验中，HLNPV都能平稳运行，没有发生水银氧化现象，覆盖液也没有明显减少，说明以水作为覆盖液时能够长期平稳运行。

表3 HLNPV在部分作物负压灌溉上的使用情况调查Table 3 Application of HLNPV on some crops under (negative pressure irrigation)

以石蜡油作为覆盖液的 HLNPV的使用效果要略差子以水作为覆盖液的HLNPV，在9次不同作物试验中，有3次试验的部分HLNPV的水银发生氧化变黑，甚至黑色沉淀堵塞玻璃管而使其丧失负压维持能力。但是水银变黑、HLNPV负压维持能力丧失的时间不尽相同，而且可以发现发生氧化的是压力比较高的-5 kPa和-10 kPa的HLNPV。2014年在北京进行的黄瓜试验，-5 kPa的HLNPV在25-30天水银变黑、45～50 d黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的HLNPV在45～50 d水银变黑，但直到试验结束，都还有负压控制能力。2015年在北京进行的玉米试验，-5、-10 kPa的HLNPV都在50～55 d水银变黑，-5 kPa的HLNPV在60-65天黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的 HLNPV能够保持负压维持能力直到试验结束。而2016年在济南进行的棉花试验，直到试验进行了90天左右，才有-5 kPa的水银开始变黑，而且能够保持维持负压维持能力直到试验结束。水银理论上是一种性能稳定的金属，在常温下是不会与空气发生氧化反应的，HLNPV中水银发生的氧化变黑现象，可能是水银与石蜡油发生了氧化反应，也可能是由于有些试验中没有对HLNPV进行充分遮光，使其遭受阳光照射而产生了表面高温的同时接触了较多空气所致。即便如此，以石蜡油为覆盖液的LVPV仍然是可以实际使用的，在表3所展示的 9次不同作物试验的、129个石蜡油为覆盖液的LVPV中，只有20个、约为15.5%的HLNPV发生了水银氧化现象，最终只有8个、约为6.2%的HLNPV因为水银氧化而丧失了维持负压能力。

图2 田间试验结束后重液式负压阀的状况Fig.2 Photographs of HLNPV when field experiments were over

4 讨 论

4.1 重液式负压阀与其他负压维持方法的比较

本文设计的重液式负压阀（HLNPV）是比较新颖的，不论是设计思路，还是具体产品，很难查到类似的文献，虽然从能够维持稳定负压的广义上来看，文献中的水柱调压法[19-24]也是一种重液式负压阀，但是和本文设计的HLNPV有着本质的区别。在水柱调压法中维持负压的水柱是静止不动的，空气进入系统时需穿过水体本身，和水存在一个先混合、再分离的过程，而HLNPV是通过水银循环的方式，为空气直接提供了可以开关的通道，空气进入系统时不需穿过水银本身，空气与重液的接触面、接触时间都要小的多。

从限制负压不低于某个值的角度看，在工业上广泛使用的负压阀、真空阀等之类的机械器件似乎可以用来维持负压灌溉中的负压，然而工业上的负压阀或真空阀的根本作用是破坏管道中的负压，由膜瓣、弹性元件等固体机械元件组成，其真空破坏作用是靠气压差驱动下的弹性元件控制膜瓣的开关而实现，精度一般只能达到0.01 MPa（也就是10 kPa），而在绝大多数负压灌溉的文献中均将负压值准确设置到kPa，即运用于负压灌溉的负压阀的精度需要达到0.1 kPa。笔者咨询了数十家负压阀或真空阀厂家，没有一家能生产出精度小于1 kPa的负压阀。另外，目前市场上的机械负压阀没有稳定负压的作用。2013年笔者委托江西省航博科技开发有限公司制作了一批-0.01～-0.08 MPa的机械真空限压阀，实验室检测结果表明这些真空限压阀的开启阈值很宽（一般为标示值±0.01 MPa，比如标示值为-0.02 MPa的真空限压阀开启的实际值是-0.01～-0.03 MPa），而且一旦真空阀开启了，就会一直保持开启，直到真空度上升到0.00 MPa为止，不具备稳定负压的作用。因此，目前的机械式负压阀是不能被运用到负压灌溉的。

表4 不同负压维持方法的简要对比Table 4 Simple comparison about different methods maintaining negative pressure

从表 4中可以发现，虽然悬挂水柱法、负压泵循环法、水柱调压法、爬升水柱法、电磁阀法均比HLNPV具有更好的精度（分辨率），但HLNPV精度（分辨率）也已经达到了0.13 kPa，在负压灌溉文献中负压值一般只是设置到kPa，因此比0.1 kPa再高的精度没有实际意义。从外形尺度、质量看，HLNPV的高度远远小于悬挂水柱法、负压泵循环法、水柱调压法、爬升水柱法，大约只有它们的9.6%～17.2%，体积、质量也远远小于水柱调压法、爬升水柱法。尽管电磁阀法的高度要小于HLNPV，但其体积、质量要明显大于HLNPV。此外，HLNPV没有能耗，显著优于电磁阀法、负压泵循环法。在稳定性方面，HLNPV显著优于电磁阀法、负压泵循环法、悬挂水柱法。

4.2 重液式负压阀性能的可能改进

4年的实际使用表明，HLNPV有显著的优点，但是也存在着不足，有必要进行进一步优化设计，在进一步的优化设计中，应该着重考虑以下3个方面：

1）减少玻璃管内径，减少水银消耗量和整体质量。在目前少批量手工生产条件下，玻璃仪器工厂选择的玻璃管内径最小为 3mm，-5～-30 kPa的理论控压至少需要水银16～52 g，如果将玻璃管直径降低到1 mm，水银用量将下降到2～6 g。

2）需筛选高效的覆盖液。当覆盖液为石蜡油时，在连续平稳运行大约20多天～3个月后，在部分 HLNPV中发生了水银氧化反应，形成大量黑色沉淀，堵塞了管道，致使系统丧失功能。压力越高，这种情况也就越严重。如果用水作为覆盖液，虽然不会发生氧化现象，但理论上水有一定的挥发性，如果作物生长期比较长，可能需要多次添加作为覆盖液的水，增加劳动。因此，需要需找一种挥发性极小，不与空气、水银发生反应的覆盖液。

3）目前的HLNPV不能动态设置系统负压值。HLNPV的控压管是硬性的，其控压值是固定的，如果需要在作物的不同生长阶段设置不同的负压值，就必须更换HLNPV，有些不方便。如果将控压管设置成柔性的、其高度可调，必然大大地提高方便性，有利于动态设置系统负压值。

5 结 论

本文利用彼此相连的U型玻璃管、S型玻璃管、空心玻璃球以及能在这三者之间进行循环流动的水银，为负压灌溉系统设计出了重液式负压阀（HLNPV），利用水银的静压力维持负压，利用石蜡油或水覆盖在水银液面上防止其挥发。在试验室中对HLNPV的控压精度进行了检测，在田间对HLNPV控压效果进行了观察，对比分析了 HLNPV与负压灌溉系统中现有负压维持器的性能指标，取得了以下结论：

1）HLNPV具有较高的压力分辨率和负压维持准确度，其分辨率为0.1 kPa，在-30 kPa以内的负压下维持负压的相对误差小于5%。

2）大部分HLNPV在实际田间条件下能够长期稳定地运行。在以水作覆盖液的5种作物上的55个HLNPV，在2～4个月的试验期间内均能平稳运行。在以石蜡油作为覆盖液9种作物上的129个LVPV，在2～3个月的试验期间内，有15.5%的发生了水银氧化变黑现象，其中只有 6.2%的因为黑色氧化沉淀物堵塞管道而影响了负压维持功能。

3）HLNPV相对于现有负压维持方法具有显著的比较优势。在-5.0～-20.0 kPa下，其高度只有悬挂水柱法、负压泵循环法、水柱调压法、爬升水柱法的9.6～17.2%，体积、质量远远小于水柱调压法、爬升水柱、电磁阀，不像负压循环泵、电磁阀那样需要电能，也不像悬挂水柱那样只能在短时间下运行。

总体上，HLNPV能够比较准确地长时间维持系统的负压，动态地监测系统负压，高度短、体积小、质量轻、安装调试简便，可以替代现有的负压维持方法。

致谢：

感谢山东农业科学院农业资源与环境研究所谭德水研究员、湖南农业大学黄运湘教授、黑龙江八一农垦大学王鹏教授、云南省烟草农业科学院马二登博士提供了重液式负压阀部分作物田间试验数据。

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