不同灌溉模式下微孔混凝土灌水器流量变化规律研究

付金焕，王玉才，朱 进，黄 斌，陆 岸，李 睿，罗文武，李向明

(1. 烟台大学环境与材料工程学院，山东 烟台 264005；2. 栖霞市臧家庄镇村镇建设服务站，山东 烟台 265304)

0 引 言

干旱缺水是制约我国农业发展的重要因素[1,2]。渗灌是一种将水输入到作物根系附近土壤中供作物吸收的灌溉方法[3-9]，节水、节能效果显著，是缓解农业缺水的有效途径[10]。上世纪末，随着塑料工业的快速发展，各种塑料材质的灌水器、滴头、喷头和接头大量涌现，促使了渗灌技术的进步[11-16]。但基于塑料灌水器的渗灌技术有其难以克服的缺点，主要表现在塑料灌水器的制造工艺复杂，使用寿命短，极易老化；与土壤相容性差，灌水器中残留水难以排出导致冬季易被冻裂；硬度小极易遭受虫钻、鼠咬而失效；易堵塞且堵塞后难以清洗，报废后对环境污染大。因此，塑料灌水器在提高灌溉水利用率的同时，会大幅增加渗灌的维护成本[17]。

针对塑料灌水器的不足，一些学者开展了关于陶罐和陶瓦渗灌的研究[18-21]。虽然这些陶罐和陶瓦为手工粗制，在实际使用时没有构建灌溉系统，但这种灌溉方式具有显著的节水效果[22]。由于陶罐和陶瓦制备工艺简单，具有很好的稳定性和耐腐蚀性，使用的黏土原料廉价易得，因此这种灌溉方法曾在中东和拉丁美洲一些干旱地区被广泛使用[23-26]。近年来，材料制备技术的发展促使了微孔陶瓷灌水器的规范化制备。在此基础上，为了避免烧结增加微孔陶瓷灌水器的制备成本，笔者[27]以砂子和水泥为原料，以硅溶胶为黏结剂，采用干压结合雾化加湿法制备了水泥含量为15%～18%，抗折强度为2.8～3.2 MPa，开口孔隙率为18%～27%的微孔混凝土灌水器。该灌水器具有与微孔陶瓷灌水器相当的物理、力学和水力性能，而且造价远低于微孔陶瓷灌水器。

塑料灌水器是通过人为设计迷宫流道使水在流道内发生紊流实现消能的[28-30]，而微孔陶瓷和微孔混凝土灌水器则是利用其内部微孔道减缓水的流速来实现消能的，水在微孔道中处于层流状态。截至目前，关于微孔陶瓷和微孔混凝土灌水器制备的研究已有报道[27,31]，但关于其水力性能的研究还不完善。另外，随着水肥一体化技术逐渐被用于农业生产，关于灌水器在水肥灌溉时的流量变化规律引起了一些学者的关注。水中加入化肥会增加灌水器发生堵塞的几率，从而使原本就不易解决的灌水器堵塞问题更加严重[32,33]。虽然塑料灌水器在水肥灌溉时的堵塞研究已有报道，但关于微孔陶瓷和微孔混凝土灌水器在水肥灌溉时的流量变化规律尚未研究。

综上所述，本文在笔者已有研究的基础上，以造价低廉且性能优异的微孔混凝土灌水器为研究对象，分别采用去离子水和自来水，研究了灌水器在单纯灌水时的流量变化规律。在此基础上，通过向水中加入化肥，详细研究了灌水器在水肥灌溉时的流量变化规律，分析了导致灌水器在水肥灌溉时流量下降的原因。

1 材料制备与实验方法

1.1 微孔混凝土灌水器的制备

微孔混凝土灌水器制备使用的原料有细沙和水泥。细沙为笔者从北纬37.437 7°，东经121.796 5°的位置采集而来，水泥(强度等级P.O52.5)购自浙江三狮集团特种水泥有限公司。首先，过筛选出粒径范围为0.6～1.0 mm的细沙。将水泥和细沙按1∶4的重量比混合，倒入水泥胶砂搅拌机中，边搅拌边喷水，每100 g水泥喷洒30 g水。将搅拌好混合料模压成长度为500 mm、外径为70 mm、内径为50 mm的圆管。将圆管整齐摆于阴暗处，每天定时向圆管表面喷水进行养护，连续养护28 d。图1给出了养护好的微孔混凝土圆管的照片。

图1 微孔混凝土圆管的照片

将微孔混凝土圆管切割成长约150 mm的短管，组装成灌水器。图2是微孔混凝土灌水器的照片和示意图。如图2所示，灌水器由微孔混凝土短管和上下两个外壳采用热熔胶密封而成，灌水器在工作时，水由上外壳的进水口进入灌水器，然后经由短管内的微孔消能渗出后沿管壁流下。

图2 微孔混凝土灌水器的实物图和示意图

图3给出了微孔混凝土灌水器与水力性能测试平台的连接示意图。如图3所示，测试平台由主管道、水泵、水箱、阀门、压力表、回水槽组成。测试时，先将灌水器连接在主管道上，然后启动水泵，通过调节图中的3个阀门控制灌水器的工作水头，由阀门1流出的水进入主管道中，由灌水器渗出的水以及阀门2流出的水由回水槽导流至水箱中循环使用，由阀门3流出的水直接落入水箱中。

图3 微孔混凝土灌水器与水力性能测试平台的连接示意图

灌水器的流量测试采用称重法，测试时在每个灌水器下方放置一个烧杯，将灌水器渗出的水接在烧杯中称重。为了排除由于灌水器长度不同造成灌水器的流量差异，将每个灌水器的流量除以其对应长度得出其单位长度流量。在研究灌水器的流量变化规律时，每间隔10 min对灌水器流量进行一次测试，每次测试时间为1 min，当灌水器的流量稳定不再发生变化时停止测试。为了排除不同灌水器的初始流量差异对实验的影响，本文采用流量保持率作为灌水器流量变化的评价标准。式(1)是灌水器流量保持率的计算公式。

(1)

通过前期预实验发现，灌水器的流量保持率与工作水头无关，因此本文在研究灌水器的流量变化规律时将测试平台的水头始终保持在1 m。在测试灌水器的流量时，先分别采用去离子水和自来水研究灌水器在单纯灌水时的流量变化规律；然后从市售氮肥、磷肥、钾肥中各选出1种常用的化肥加入水中，研究灌水器在水肥灌溉时的流量变化规律，其中氮肥选用尿素(CO(NH2)2，北京晋媒太阳石化工有限公司)，磷肥选用磷酸二氢铵(NH4H2PO4，四川珙县中正化学工业有限公司)，钾肥选用硫酸钾(K2SO4，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司)。

2 结果与分析

2.1 单纯灌水时灌水器的流量变化规律

结合笔者制备的微孔陶瓷灌水器[34]，图4给出了微孔陶瓷和微孔混凝土2种灌水器的流量变化规律。如图4所示，在使用自来水测试时，2种灌水器在工作初期均出现流量下降的情况，其中微孔陶瓷灌水器的流量下降速率远高于微孔混凝土灌水器，微孔陶瓷灌水器在连续工作120 min后其流量保持在75%左右，微孔混凝土灌水器在连续工作150 min后其流量保持在94%～95%之间。

图4 微孔陶瓷和微孔混凝土2种灌水器的流量变化规律

图5 微孔陶瓷灌水器和微孔混凝土灌水器的微观结构照片

2.2 水肥灌溉时灌水器的流量变化规律

2.2.1 氮肥灌溉的情况

将搅拌均匀的尿素溶液倒入水箱中，将水箱中尿素浓度控制在2～6 g/L。图6给出了水中加入尿素时微孔混凝土灌水器的流量变化规律。如图6所示，在相同的时间内，随着水中尿素浓度由2 g/L增至6 g/L，灌水器的流量变化规律基本相同，在连续工作160 min后其流量基本稳定在94%～95%之间，这与图4中微孔混凝土灌水器在自来水测试时的流量变化规律一致。由此表明，水中加入尿素对微孔混凝土灌水器的流量变化规律没有影响。

图6 水中加入尿素时微孔混凝土灌水器的流量变化规律

观察发现，自来水在加入尿素前后无变化，均为无色透明；采用滤纸对尿素溶液过滤后，溶液颜色没有变化，滤纸上也未发现残留物；将过滤了尿素溶液的滤纸烘干后称重，滤纸的重量没有变化。由此进一步说明，尿素中不含难溶物质，在水中加入尿素对微孔混凝土灌水器的流量变化规律没有影响。

2.2.2 磷肥灌溉的情况

将搅拌均匀的磷肥溶液倒入水箱中，将水箱中磷肥浓度控制在3～9 g/L。图7给出了水中加入磷肥时微孔混凝土灌水器的流量变化规律。如图7所示，在水中加入磷肥后，灌水器的流量会快速降低，而且随着水中磷肥浓度的增加，灌水器的流量下降速率更快。当水中磷肥浓度为3 g/L时，灌水器在持续工作70 min后其流量稳定在12%左右；当水中磷肥浓度增至9 g/L时，灌水器仅在工作了50 min时其流量就快速降至7%左右。

图7 水中加入磷肥时微孔混凝土灌水器的流量变化规律

根据图7的结果推断：水中加入磷肥后灌水器的流量快速降低是由于灌水器发生堵塞导致。为了验证，采用滤纸将磷肥溶液进行过滤，对比过滤前后磷肥溶液的颜色，如图8所示。可以看出，未过滤的磷肥溶液呈乳白色，过滤后的磷肥溶液无色透明，而且过滤后的滤纸表面有乳白色物质残留。

图8 磷肥溶液过滤前后照片对比

为了进一步验证，将过滤后的磷肥溶液加入水箱中，重新测试灌水器的流量变化规律，如图7所示。对比图4和图7可以看出，无论水中是否加入过滤后的磷肥溶液，也无论水中磷肥浓度如何变化，灌水器的流量变化规律完全相同。由此表明，将磷肥直接加入水中，磷肥中的难溶物质堵塞灌水器是导致灌水器流量快速下降的主要原因。将图8中滤纸表面的残留物烘干研磨后进行XRD分析，如图9(a)所示。可以看出，残留物主要由Mg、Al、Ca的磷酸盐组成。将发生堵塞的灌水器破碎并取小块试样观察微观结构，图9(b)给出了发生堵塞灌水器的微观结构照片。对比图5(b)和图9(b)可以看出，灌水器原本相互连通的微孔大部分被堵塞，仅有很少量的微孔未堵塞。在测试灌水器的流量时，仅有少量水可通过这些未堵塞的微孔进行输送，这就是灌水器被堵塞后仍可少量渗水的原因。

图9 磷肥过滤物的XRD图谱和灌水器堵塞后的微观结构照片

综上所述，将磷肥直接加入水中，磷肥中的难溶物质会严重堵塞灌水器的微孔，造成灌水器流量快速下降。若将磷肥配成溶液进行过滤后再加入水中，可去除水中的难溶物质，避免灌水器堵塞，从而保证灌水器的流量稳定。

2.2.3 钾肥灌溉的情况

将搅拌均匀的钾肥溶液倒入水箱中，将水箱中的钾肥浓度控制在2～6 g/L。图10给出了水中加入钾肥时灌水器的流量变化规律。如图10所示，与磷肥灌溉的情况类似，在水中加入钾肥后，灌水器的流量会快速降低，而且随着水中钾肥浓度的增加，灌水器的流量下降速率更快。当水中钾肥浓度为2 g/L时，灌水器在持续工作80 min后其流量稳定在16%左右；当水中钾肥浓度增至6 g/L时，灌水器仅在工作了60 min时其流量就快速降至12%左右。对比图7和图10，灌水器在钾肥灌溉时的流量保持率略高于磷肥灌溉。

图10 水中加入钾肥时微孔混凝土灌水器的流量变化规律

与磷肥灌溉的情况相同，水中加入钾肥同样会造成灌水器堵塞，继而导致灌水器流量快速下降。采用滤纸对钾肥溶液进行过滤，对比过滤前后钾肥溶液的颜色，如图11所示。可以看出，未过滤的钾肥溶液呈暗灰色，过滤后的钾肥溶液无色透明，而且过滤后的滤纸表面同样有残留物，残留物呈灰色。

图11 钾肥溶液过滤前后照片对比

将过滤后的钾肥溶液倒入水箱中，重新测试灌水器的流量变化规律，如图10所示。对比图4和图10可以看出，将过滤后的钾肥溶液加入水中对灌水器的流量变化规律没有影响。由此说明，将钾肥直接加入水中，钾肥中的难溶物质同样是造成灌水器堵塞和流量下降的主要原因。将图11中滤纸表面的残留物烘干研磨后进行XRD分析，如图12所示。可以看出，残留物主要由Mg、Si、Ca的难溶物质组成。对比灌水器的微观结构照片发现，灌水器在钾肥灌溉和磷肥灌溉时的微孔堵塞情况完全相同。

图12 钾肥过滤物的XRD图谱

3 结 论

本文以微孔混凝土灌水器为研究对象，详细研究了灌水器分别在单纯灌水和水肥灌溉时的流量变化规律。结果表明：

(2)在水肥灌溉时，水中加入不同的化肥对灌水器的流量变化规律影响很大。尿素中不含难溶物质，水中加入尿素不会影响灌水器的流量变化规律。磷肥和钾肥中含较多的难溶物质，因此向水中直接加入磷肥和钾肥会造成灌水器堵塞，继而导致灌水器流量快速下降。将磷肥和钾肥配成溶液进行过滤后再加入水中，可去除水中的难溶物质，避免灌水器堵塞，保证灌水器的流量变化规律与单纯灌水时的情况完全相同。

根据本文的研究，微孔混凝土灌水器能够用于作物的常规灌溉；若要进行水肥灌溉，必须确保化肥中不含难溶物质；若化肥中含有难溶物质，必须先将化肥配成溶液进行过滤后再加入灌溉水中，以保证灌水器的流量稳定。本文的研究为微孔混凝土灌水器的科学使用奠定了基础。

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