自压吸气增氧灌溉放水管的研制

李桂元，徐幸仪，李康勇，胡春艳

（湖南省水利水电科学研究院，长沙410007）

0 引 言

增氧灌溉是指在灌溉水中增加氧气或溶氧量的一种新型灌溉技术。21世纪初，澳大利亚学者Surya P，Ninghu Su、Bhattarai等提出，增加灌溉水溶氧量可提高灌溉效率和作物产量，对提高作物品质也有帮助，并将其命名为氧灌（oxygation）。国内外学者广泛开展了增氧灌溉理论及应用技术研究，取得了一些成果。

在旱作增氧灌溉方面，理论研究和实际应用都得到较好发展。朱艳、臧明、李元等研究表明，增氧地下滴灌对改善土壤通气性、提高土壤酶活性与微生物数量有显著作用，对促进番茄、甜瓜植株生长、提高产量和果实品质具有显著效果[1-3]，饶晓娟、徐欢欢、姚帮松等研究表明增氧灌溉对秋黄瓜、棉花等作物育种及生长均具有明显的促进作用[4，5]。目前，水气耦合、水肥气一体化等增氧灌溉设备相继开发，增氧灌溉这一新技术已在大棚果蔬等高价值经济作物灌溉方面得到了较好的应用。然而，现有增氧灌溉，需要具备动力条件及购置专用的灌溉水增氧设备，不仅一次性设备投入较大，还需设备维护及运行费用，一定程度上制约了增氧灌溉技术推广应用。

水稻增氧灌溉方面，目前国内外实验室条件下的增氧灌溉试验研究成果较多：周晓来、姚帮松、廖健程等试验研究表明，增氧灌溉对水稻的根系发育和水分利用具有明显的促进作用[6-10]，才硕、熊元基、谢东等试验研究表明增氧灌溉对水稻根际微生物转化、提高水肥利用效率有显著促进作用[11-14]，肖卫华等研究指出，根区通气增氧处理的超级杂交水稻根总长、根总体积、根总表面积、根干重和根尖数等特征指标都明显优于未增氧的对照组，增氧灌溉产量高于未增氧对照组的5.7%～29.7%[15，16]。Bhattarai 等人研究大穗型水稻表明，增氧处理可以促进作物地上部分生长，增加作物产量，提高作物的水分利用效率[17]。张立成、姚帮松等研究指出不同加氧处理能够明显提高超级稻产量，白天机械加氧、夜间机械加氧、化学加氧3种不同加氧处理方式中的单株理论产量分别高于不加氧处理18.9%、20.66%、16.98%[18]。

但上述这些水稻增氧灌溉试验研究，都是采用机械增氧方式，因而必须具备增氧设备及动力条件才能实现增氧灌溉。而广袤的野外大田环境下普遍缺乏增氧设备运行所需的能源动力条件，购置专用增氧设备所需成本也难以被农户接受，因而，广袤的野外水稻种植区尚未实现真正的增氧灌溉。

当前，我国正在大力推行高标准农田建设。管道输水灌溉作为高效节水灌溉的一种方式，是高标准农田建设主要内容之一，已经建成和规划建设的面积巨大。管灌的基本特征是输水管道内灌溉水流具有一定压力。本文研制成功了一款自压吸气增氧放水管[19]，利用灌溉供水管道内水流自有压力实现灌溉水增氧。只需在管灌区的各个田间分水口接入一支自压吸气增氧放水管，水流经增氧放水管完成吸气、掺气、水气融合流程后流入田间，即可提高灌溉水含氧量，使得广袤的水稻大田区无能源（动力）条件下也可实现增氧灌溉。该增氧放水管结构简单、造价低廉、使用方便，结合高标准农田建设，在管道输水灌区推广应用该自压吸气增氧放水管，可产生巨大的社会、经济效益。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

自压吸气增氧放水管主要由连接螺口、进水段、收缩段、喉管段、吸气腔、掺气段、喷口、振动片和弯头组成，材质为PVC 或者PE 塑料。其结构如图1所示。连接螺口用于与供水管道出水口对接安装；进水段L0用于与供水管道出口水流连接过渡；收缩段L1为变内径的喇叭段，连接进水段与喉管，起改变管道内压力及水流流速的关键作用；喉管段L2布置有进气口、吸气腔，用于吸进管外空气。管内环形吸气腔位于喉管段前端，吸气腔与进气口连通，出口在喉管内壁；吸气腔出口至扩散喷口段为掺气段L3，起掺气及气液混合作用；喷口连接弯头；沿弯头竖轴对称布置两块振动片，振动片侧面与水流方向一致。进水段外径可根据田间低压管道分水管口径配套设计成通用型。实际应用中，只需将增氧放水管对接到田间的低压管道分水口即可实现增氧灌溉。

1.2 工作原理

自压吸气增氧放水管利用输水管道内自身的压力作为工作动能，吸入空气，称之为自压吸气。当有压水流从自压吸气增氧放水管进水段进入，经过收缩段，过流断面逐渐缩小、流速逐渐增大、管内压力逐渐降低，至喉管段，流速增至最大值、压力降至最低值，喉管段会较进水段产生相对负压，空气便会从进气口经吸气腔被吸入。为提高空气吸入量，在喉管内壁设计了一个吸气腔，与进气管口连通，吸气腔的纵截面为弧形，其横截面积由外向内逐渐减小，进气管与吸气腔构成一个微型文丘里管，吸气腔相当于文丘里管的收缩段，气流通过进气管经过吸气腔时，在吸气腔内形成负压，从而进一步提高空气的吸入效率。在喉管和吸气腔双重负压的协同作用下，空气被高效吸入增氧放水管中。沿管壁吸入的空气迅即被拽进、渗入快速流动的水体中，经过掺气段，空气在水流剪切力作用下被分割成一个个的气泡，在掺气段完成气液混合。掺气段末端即为喷口，喷口连接消能弯头，掺气水流经喷口射出，高速射流冲击弯头内壁设置的振动片，使振动片产生高频振荡，进一步击碎水体中的气泡。水流剪切力和高速射流冲击振动片的共同作用，使被吸入的空气以更微小的气泡形式融合于水中，从而提高了出口水流的含氧量。

自压吸气增氧放水管的工作原理可用文丘里效应解析如下：自压吸气增氧放水管自主吸入空气的能量来自于P1与P2的压力差值（Δp=P1-P2）。设收缩段进口截面处和喉管段的水流平均速度、平均压力及截面积分别为V1、P1、S1，和V2、P2、S2；水流密度为ρ。根据水流连续方程及伯努利原理，视管体俩端高程相等、管内平均运动的流线是等高的，可得出：

设收缩比：

式（7）表明：当供水管道流量恒定，收缩比d变小，喉管部位产生的负压Δp成指数级增大，有利于吸气增氧，但据水力学原理，当d小到一定程度，即D2缩小到一定程度会影响管道过流能力。综合这两点，说明V1、P1、S1和V2、P2、S2存在一个最优动态平衡的问题。因此，收缩比d的改变亦即D2的改变将会引起V2、P2、S2随之改变，进而引起负压Δp改变，最终影响吸气效果。因此，收缩比d是自压吸气增氧放水管d最关键结构参数，与此同时，收缩段的长度、喉管（掺气段）长度在一定程度影响自压吸气增氧放水管掺气效果。

2 关键结构参数优化与试验测试

自压吸气增氧放水管的发明为广袤的水稻大田增氧灌溉提供了一种有效方式。为将该发明转化为水稻大田增氧灌溉实用技术，还需要对增氧灌溉放水管关键部位结构参数进一步优化，从中选定一种最优的结构参数组合方案，用于产品定型设计，实现增氧放水管的批量生产。

自压吸气增氧放水管的关键部位有收缩、吸气、掺气（气液融合）三段，当管径确定时，相应的关键结构参数有总体长度L、收缩比d及收缩段长度L1、掺气段长度L3。每一个部位的构造参数变化都会对增氧放水管的掺气增氧效果产生不同程度的影响。理论上，自压吸气增氧放水管有任意种可能的结构方案，但存在一种结构紧凑、掺气增氧效果最好的方案。水力试验测试是确定最优的收缩比d及收缩段长度L1、掺气段长度L3的最好途径。

2.1 初始结构参数拟定

本文介绍进水段管径为63 mm 的自压吸气增氧放水管结构参数优选，这是管道灌区田间分水口一种常用的标准管径。从便于安装、使用及维护和减少对农耕活动影响考虑，增氧放水管总体长度应越短越好，故按尽量紧凑但不影响功能原则，拟定总体长度L为35～40 cm；将d、L1、L3分3 组，每个参数从大到小分4挡，从大到小的变幅区间基本涵盖该参数所表征的物理状况可能的变幅。每次改变1 个参数、另2 个参数固定，形成一个组合方案，如此共形成12 种方案，每种方案采用3D 打印技术制作2 根增氧放水管，采用专用测试台测试其掺气增氧效果。

2.2 专用测试台

增氧放水管运行时，进气口的吸气量越大，说明增氧效果越好。因此，吸气量是反映增氧放水管性能最直观的指标。为测试不同构造参数自压吸气增氧放水管的增氧效果，建造了一个专用测试台。该测试台既可用于增氧放水管结构参数设计优选试验，也可用于增氧放水管出厂产品的性能检测。如图2所示。潜水泵置于水塘中，用支架固定于水面以下0.5 m 深处。潜水泵设计扬程50 m，设计流量360 L/h，采用可控变频电源向潜水泵供电，以便模拟灌溉管道系统实际工作压力或者提供试验测试压力。供水总管上串联安装压力表、流量表、控制阀门。试验测试时，将被测试的增氧放水管对接到供水管出口，同时在增氧放水管吸气口对接空气流量计，以测试增氧放水管吸气量。经增氧放水管弯头出口放出的水仍然流入池塘。根据需要，可测试增氧放水管的吸气流量、增氧放水管出口水体含氧量、增氧水体含氧量随时间的衰减情况等。

2.3 收缩段长度L1优选

收缩段长度L1越长，水流形态变化越平缓，局部水头损失越小，有利于吸气增氧，但相应的会增加增氧放水管的总体长度及制造成本，也不利于现场安装与应用。将L1/D1从0.8到2.0，分4 挡拟定L1、d、L3固定不变，制作了4 支不同收缩段长度的增氧放水管，采用专用测试台测试吸气量，试验测试结果见表1。

表1 收缩段长度优化测试试验结果Tab.1 Results of contraction length optimization test

由表1可知，4 支不同收缩段长度增氧放水管的过流能力及吸气量总体无明显差异，但L1/D1在1.0～1.5 间稍好。考虑到增氧放水管处于管道灌溉系统的末端，管道越长对农耕活动的干扰越大，机耕时越易被损坏。因此，将收缩段长度以管内径的1.5倍（95 mm）为宜。

2.4 收缩比d优选

增氧放水管吸气d需能量来自于喉管部位产生的负压Δp，从公式（7）可以看出Δp由2项因子构成：

则Δp=Δp1Δp2。

Δp1为客观因子项，它由供水管道实际过流量及管道内径决定，属于确定项，Δp2为可变项，由收缩比d决定。改变d可以显著改变。即当供水管道及流量一定时，为定值，不同收缩比的增氧放水管喉管处会产生不同的Δp2，而且差异非常大，如表2所示。

d是决定增氧管吸气能力的关键参数，一定程度上也会影响过流能力。为求证合适的d，制作了4 个收缩比不同、其他结构参数相同的增氧放水管，经专用测试台测试，4种方案的增氧放水管吸气量，见表3。

试验测试表明，管道压力相同（0.2 MPa），收缩比越小，其吸气效果越好，但当收缩比小于0.4 时，会影响增氧放水管的过流能力，收缩比大于0.4 后，继续增大收缩比，对过流能力影响很小，但吸气能力会显著减少。据此，收缩比d取0.4～0.45较合适。

2.5 掺气段长度L3优选

喉管水流经掺气口拽入空气后，须经掺气段完成气液融合。如果掺气段过短，气液融合不充分，掺气水流经喷口及弯头流出后，掺入水体中的空气泡大部分会迅即破裂，回归大气，影响增氧效果，但如果掺气段过长，又会因喉管掺气水流紊动、回流，影响掺气口进气量，甚至引起增氧管整体震荡。制作了4支掺气段长度不同、其他结构参数相同的增氧放水管，采用专用测试台测试，以优选掺气段长度参数。4支不同掺气段增氧放水管吸气量如表4所示。

表3 收缩比参数优化试验测试结果Tab.3 Results of contraction ratio parameter optimization test

表4 掺气段长度参数优化试验测试结果Tab.4 Results of parameter optimization test of aeration section length

试验测试结果表明，掺气增氧段长度增加，会影响吸气量，L3越长其吸气量越少。试验发现，掺气增氧段长度为200 mm 时，增氧放水管工作时的振动很大，而且随着管道工作压力增加，增氧放水管振动的越厉害。但物理原理显示，L3越长，从吸气腔吸入的空气与水流混合得会越好，有利于提高掺气增氧效果。综合权衡利弊，掺气增氧段长度取100 mm为宜。

2.6 参数优选结果

综合前述表1、表3和表4测试结果，确定Φ63 管径增氧放水管结构参数见表5。

表5 自压吸气增氧放水管结构参数优选结果Tab.5 Optimization results of structural parameters for the drainage pipe of self-pressurized inspiratory oxygenated irrigation

2.7 管道工作压力对吸气增氧效果的影响

为验证管道不同的工作压力与吸气增氧效果的关系，选定最优结构参数的增氧管（d=0.45、L1=95 mm、L3=100 mm）测试其在不同的工作压。下流量及吸气量，结果见表6。

试验测试结果表明，管道工作压力越大，增氧管流量及吸气量越大，增氧效果越好。

表6 不同的工作压力下流量及吸气量的变化Tab.6 Flow rate and inspiratory capacity under different working pressure

3 实际应用及增氧效果检验

自压吸气增氧放水管研制成功后，2017年在湖南省灌溉试验中心站春华试验区开展大田实际应用验证，于2018年推广应用到湖南省长沙县、湘潭县等5县高标准农田示范区，已推广应用面积达1 333.3 hm2，真正实现了广袤野外大田无能源动力条件水稻增氧灌溉，获得应用农户一致好评。

3.1 灌溉水增氧量现场检测

在春华灌溉试验区应用现场，任意选择一支增氧放水管，通过控制其前端阀门开度，检测其不同阀门开度下增氧放水管出口水流含氧量。采用哈西公司HQ40d 水质分析仪测得的阀门开度从30°（小开）到90°（全开）增氧放水管出口水流含氧量，结果如表7所示。

表7 自压吸气增氧放水管增氧效果实测结果Tab.7 Measured results for oxygenated effect of the self-pressurized inspiratory oxygenated drainage pipe

由表7可知，自压吸气增氧放水管具有明显的增氧效果。当阀门开度少于60°时，增氧放水管管道内因流量受控而致压力不足，未达到自压吸气条件，出口水流是未经掺气的“原状”水体，其含氧量为7.11 mg/L 左右，与现场同时检测的“原状”灌溉水含氧量相同。当阀门由60°开至90°，随着阀门开度增加，流量增大，管道内自压吸气条件逐步形成，管内水流掺气量也逐步增加，出口水体含氧量随阀门开度增加而增加，至全开时达到最高8.16 mg/L，灌溉水含氧量较“原状”水提高了14.7%左右。

3.2 灌溉水高含氧量持续时间检测

为检测增氧灌溉田间灌溉水高含氧量持续时间，灌水期间，在增氧灌溉田间每隔2 h 检测田间灌溉水含氧量，并与同期未增氧的“原状”水做对比。结果见表8。

表8 灌溉水增氧效果持续时间检测结果 mg/LTab.8 Test results of duration of aerobic effect of irrigation water

结果表明自压吸气增氧放水管可使得田间灌溉水高含氧量维持20 h以上。

4 结 论

（1）自压吸气增氧放水管的研制成功及其性能测试平台的开发应用，实现了增氧放水管的定型设计与批量生产，解决了广袤的野外田间无能源动力条件灌溉水增氧的关键问题，真正实现了广袤的野外田间水稻增氧灌溉。

（2）测试结果表明，增氧放水管3个主要结构参数d、L1、L3中，收缩比d对吸气增氧效果影响最大。d越小，吸气量越大，增氧效果越好，但小到一定程度会影响过流能力，其临界值约0.4 左右；L1、L3在满足基本结构尺寸后，其长短变化对吸气量无明显影响，但掺气段长度L3应该对气液融合有影响，但测试平台受功能限制无法测得。

（3）本文基于工程实际应用的需要，用运行时增氧放水管的吸气量作为评价其增氧性能的主要指标，并基于此开发了一套专用性能测试台，结合应用便携式快速水质分析仪，较好地满足了增氧放水管定型设计和现场增氧性能测试的实际需要。