李夢剛，孫兆軍,*，焦炳忠，韓 磊，李興強(qiáng)，李 茜

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏大學(xué) 環(huán)境工程研究院，銀川 750021； 3.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，銀川750021； 4.寧夏（中阿）旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川750021）

0 引 言

【研究意義】滲灌是繼噴灌、滴灌之后的又一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸?jié)水灌溉技術(shù)，通過將滲灌管直接鋪設(shè)在作物根系附近，借助土壤毛管作用直接向作物根系層進(jìn)行供水，避免傳統(tǒng)地面灌溉所帶來的蒸發(fā)損失，具有節(jié)水節(jié)肥、改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、避免地表板結(jié)及抑制雜草生長等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。目前，滲灌類型主要有打孔滲灌管和微孔滲灌管2 大類，打孔滲灌管主要通過在PE 管或橡膠管上按一定距離打孔、劃口或安裝灌水器；微孔滲灌管主要是沿管壁通身布設(shè)孔眼以達(dá)到滲水的效果，如瓦灌、陶罐、無砂混凝土管、微孔地下滲灌管等[4]。其中，微孔地下滲灌管孔隙細(xì)而豐富，均勻地分布在管壁上，是目前最新、運(yùn)用范圍最廣的一種微孔滲灌管類型，廣泛應(yīng)用于溫室、果園及綠地灌溉，主要以廢舊輪胎末和聚乙烯為原料生產(chǎn)而成[5-6]。由于管道原料組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管道滲水性能受工作壓力影響較大，且對(duì)灌溉水質(zhì)要求較高，在不同的應(yīng)用條件下管道滲水性能發(fā)生著變化[1,7]?！狙芯窟M(jìn)展】Teeluck 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，提高水質(zhì)能夠縮短管道達(dá)到滲水穩(wěn)定所用的時(shí)間，并且有利于提高管道滲水均勻性和滲水速率。Lomax 等[9]研究表明，在初始滲水階段，滲灌管滲水速率急劇下降，后隨通水時(shí)間延長，最終趨于穩(wěn)定，管道初始滲水速率顯著大于穩(wěn)定滲水速率。Edwin 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，管道滲水量與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，滲水速率變異系數(shù)（CV）隨壓力升高而減小，最低為4.40%，與可溶性固體溶液相比，固體懸浮溶液對(duì)滲水量影響更大。張書函等[11]對(duì)一種早期國產(chǎn)微孔滲灌管進(jìn)行了滲水性能研究，發(fā)現(xiàn)滲水速率隨通水時(shí)間延長和累積滲水量的增加而降低。梁海軍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在清水試驗(yàn)條件下，微孔滲灌管存在著一個(gè)最優(yōu)的壓力區(qū)間，在該壓力區(qū)間內(nèi)滲水均勻性最佳。李敏等[13]進(jìn)行了微孔滲灌管生產(chǎn)工藝對(duì)滲水性能的影響研究，為該產(chǎn)品后續(xù)規(guī)?；a(chǎn)提供了參考?！厩腥朦c(diǎn)】前人主要針對(duì)灌溉水質(zhì)或壓力單個(gè)因素下微孔滲灌管滲水性能進(jìn)行了研究，但對(duì)灌溉水質(zhì)和壓力共同作用條件下微孔滲灌管滲水性能的研究相對(duì)較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)對(duì)一種微孔地下滲灌管在自來水和2 種渾水條件下，調(diào)節(jié)進(jìn)水口壓力進(jìn)行通水試驗(yàn)，明晰灌溉水泥沙濃度和壓力對(duì)微孔地下滲灌管滲水性能的影響，為微孔地下滲灌管的田間應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2018 年7—11 月在寧夏大學(xué)國家大學(xué)科技園中試基地進(jìn)行，測試水溫為15～20 ℃。采用W1（自來水）和W2（泥沙質(zhì)量濃度0.5 g/L）、W3（泥沙質(zhì)量濃度1.0 g/L）1 種清水與2 種渾水為試驗(yàn)水源，渾水用土為風(fēng)干沙壤土，經(jīng)500 目篩網(wǎng)篩分處理，粒徑小于0.025 mm，試驗(yàn)水源W1 主要理化性質(zhì)如表1 所示。

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品采用輪胎脫硫橡膠顆粒和聚乙烯顆粒粉末按一定比例制造而成，該管道內(nèi)徑16 mm，壁厚2 mm，管道在出水均勻性及抗堵塞能力等方面均有一定提升，具有使用壽命長、耐高溫、耐強(qiáng)紫外線輻射等特點(diǎn)。隨機(jī)選取9 條不同批次生產(chǎn)的微孔地下滲灌管各3 m 長進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 自來水主要理化性質(zhì) Table 1 Main physical and chemical properties of tap water

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)布置如圖1 所示。該試驗(yàn)裝置由恒壓供水部分、滲水收集部分、壓力測試部分組成，系統(tǒng)首部由500 L 的不銹鋼水箱通過水泵加壓向末級(jí)管道供水，其中進(jìn)入末級(jí)管道的流量大小及灌水器測試壓力由安裝在進(jìn)口壓力表前端的控制閥調(diào)節(jié)，并通過安裝在灌水器前端的壓力表讀取灌水器進(jìn)水口壓力，采用0.001 L 測量精度的量筒進(jìn)行灌水器滲水速率測試，管道末端連接與進(jìn)水口同型號(hào)的壓力表。滲水收集槽全長3 m，上方水平鋪蓋尼龍塑料網(wǎng)，以保證管道水平放置，滲水收集槽共布置6 個(gè)分室，每個(gè)長0.5 m，各分室下設(shè)置導(dǎo)管通至對(duì)應(yīng)滲水收集桶。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)布置 Fig.1 Layout of test system platform

1.3 試驗(yàn)方法

在0～100 kPa 壓力范圍內(nèi)，以W1、W2、W3 為試驗(yàn)水源對(duì)微孔地下滲灌管進(jìn)行通水試驗(yàn)。將選取的9 條待測管道隨機(jī)取組，分3 組分別放置于尼龍塑料網(wǎng)上方進(jìn)行通水試驗(yàn)。與滲水收集槽各分室相對(duì)應(yīng)，滲灌管被自然分隔為6 個(gè)滲水管段，記錄各管段0（初始）、0.5、1 h 及以后每整時(shí)段滲水速率，每次滲水試驗(yàn)持續(xù)10 h，各次試驗(yàn)間隔14 h。為避免前次試驗(yàn)影響，每次試驗(yàn)結(jié)束后排出管道內(nèi)殘余水量，并在室溫條件下將管道置于干燥處自然晾干。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel、SPSS 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從滲水速率和滲水速率變異系數(shù)等方面評(píng)價(jià)微孔地下滲灌管的滲水性能，計(jì)算方法如下：

式中：CV為滲水速率變異系數(shù)（%）；S為滲水速率標(biāo)準(zhǔn)偏差（L/h）；v?為全部滲水段的平均滲水速率（L/（m·h））；vi為第i個(gè)滲水段的滲水速率（i=1，2，...，6）。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲水速率隨通水時(shí)間的變化

在H1（20 kPa）、H2（60 kPa）、H3（100 kPa）壓力下，采用W1、W2、W3 水源進(jìn)行通水試驗(yàn)，滲水速率隨時(shí)間的變化如圖2 所示。

圖2 滲水速率隨通水時(shí)間的變化 Fig.2 The changes of emission rate with time of water supply

從圖2 可看出，管道初始滲水速率遠(yuǎn)大于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)滲水速率，隨著通水時(shí)間的延長，滲水速率總體呈減小趨勢，滲水速率在初期滲水階段下降較快，原因可能是微孔地下滲灌管在滲水初期微觀結(jié)構(gòu)重新固化，橡膠顆粒吸水膨脹改變了滲水孔隙和數(shù)量，導(dǎo)致滲水速率明顯下降，相關(guān)研究表明，隨著通水時(shí)間、次數(shù)的增加管道細(xì)微結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，變化幅度逐漸減小[11-12]。W1 條件下，隨著通水時(shí)間的延長，滲水速率最終趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但在W3 條件下，滲水速率隨通水時(shí)間的延長持續(xù)降低，這可能是因?yàn)槟嗌吃诠艿纼?nèi)沉積，造成滲水孔堵塞，且隨著通水時(shí)間延長，滲水孔堵塞情況加劇，從而使得滲水不能進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

相同壓力下，灌溉水泥沙量對(duì)滲灌管滲水速率影響較大，管道滲水速率隨通水時(shí)間延長減小的幅度隨著泥沙質(zhì)量濃度的增加而增大，以低壓力下最為顯著，20 kPa 壓力條件下，W2、W3 水源至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，較W1 條件下滲水速率分別下降61.41%、92.74%，管道已基本喪失灌溉性能，且隨通水時(shí)間的延長滲水速率仍呈下降趨勢；高壓力下變化較小，100 kPa 壓力條件下，W2、W3 水源至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，較W1 條件下滲水速率分別下降14.92%、46.52%，滲水速率下降幅度明顯低于20 kPa 壓力條件下。

2.2 不同泥沙質(zhì)量濃度和壓力條件下滲水性能

以W1、W2、W3 為水源，在0～100 kPa 壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)壓力進(jìn)行通水試驗(yàn)，不同試驗(yàn)水源條件下滲水速率與CV隨壓力變化如圖3 所示。

圖3 不同試驗(yàn)水源條件下滲水速率與滲水速率變異系數(shù)（CV）隨壓力變化 Fig.3 coefficients of variation and emission rate with pressure under different test the water

從圖3 可以看出，在W1、W2、W3 水源條件下，管道滲水速率均隨進(jìn)水口壓力增大呈上升趨勢。不同進(jìn)水口壓力條件下，滲水速率均表現(xiàn)為：W1>W2>W3，管道滲水速率隨著水中含沙量增大而降低，在20、60、100 kPa 壓力條件下，W2 較W1 分別降低46.03%、17.21%、9.80%，W3較W1分別降低68.58%、32.72%、27.06%，可見，隨著進(jìn)水口壓力增大，不同試驗(yàn)水源間滲水速率變化的幅度逐漸減小。

在W1、W2、W3 試驗(yàn)水源條件下，CV隨進(jìn)水口壓力發(fā)生變化。W1 條件下，CV范圍為4.54%～12.26%，進(jìn)水口壓力為10～50 kPa 時(shí)，CV隨著進(jìn)水口壓力的增大而減小，進(jìn)水口壓力為50～100 kPa時(shí)，CV隨著進(jìn)水口壓力的增大而增大，在40～70 kPa壓力范圍內(nèi)，CV均小于7%，50 kPa 時(shí)達(dá)到最小值，為4.54%。W2 條件下，CV范圍為8.68%～28.64%，基本隨著進(jìn)水口壓力的增大而減小，80 kPa 時(shí)達(dá)到最小值，為8.68%。W3條件下，CV范圍為19.62%～64.39%，基本隨著進(jìn)水口壓力的增大而減小，100 kPa 時(shí)達(dá)到最小值，為19.45%。W1、W2、W3 條件的CV的差異同樣較大，隨著含沙量的增加，CV最小值及范圍均增大，可見隨著含沙量增加，管道滲水均勻性變差。相同壓力下，CV均表現(xiàn)為W3>W2>W1，在20、60、100 kPa 壓力下，W2 較W1 漲幅分別為14.52%、5.96%、1.46%，W3較W1漲幅分別為35.26%、14.5%、10.27%，可見，隨著進(jìn)水口壓力增大，不同試驗(yàn)水源間CV的漲幅逐漸減小?？梢娫龃筮M(jìn)水口壓力可有效減緩水中泥沙給管道滲水均勻性帶來的危害。

由以上結(jié)果可知，進(jìn)水口壓力和泥沙質(zhì)量濃度均會(huì)對(duì)微孔地下滲灌管滲水均勻性產(chǎn)生影響。通過對(duì)不同條件下管道CV值進(jìn)行方差分析，確定影響微孔地下滲灌管滲水均勻性的主要因素。不同泥沙質(zhì)量濃度和壓力條件下CV方差計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 微孔地下滲灌管滲水速率變異系數(shù)（CV）方差 Table 2 Variance analysis of coefficients of variation of microporous subsurface infiltration pipe

由表2 可知，壓力和泥沙質(zhì)量濃度對(duì)滲水均勻度的影響程度不同，壓力和泥沙質(zhì)量濃度對(duì)微孔地下滲灌管CV的影響均達(dá)到極顯著水平，其中泥沙質(zhì)量濃度對(duì)CV的影響更為顯著。因此，影響微孔地下滲灌管滲水均勻度的主要因素為灌溉水泥沙質(zhì)量濃度，其次是進(jìn)水口壓力。

2.3 滲水速率擬合關(guān)系

根據(jù)圖3 滲水速率隨壓力變化散點(diǎn)分布圖確定回歸直線，對(duì)H-V曲線進(jìn)行擬合[14-15]：

式中：V為滲水速率（L/（m·h））；k為滲水速率系數(shù)；H為進(jìn)水口壓力（kPa）；x為流態(tài)指數(shù)。

k反映滲水速率波動(dòng)程度，其值越小，滲水速率變動(dòng)越??；x是滲水速率隨壓力變化的敏感性指標(biāo)，體現(xiàn)了滲灌管流態(tài)特征及滲水速率與壓力的關(guān)系[16]，不同試驗(yàn)水源條件下H-V擬合關(guān)系如表3 所示。

由表3 可看出，W1、W2、W3 條件下，H-V擬合曲線具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)0.98 以上。W1、W2、W3 條件下，滲灌管流量系數(shù)分別為0.270 3、0.047 6、0.013 2，隨著水中泥沙質(zhì)量濃度的增加而減??；流態(tài)指數(shù)均大于1，分別為1.053 3、1.416 1、1.665 0，隨著水中泥沙質(zhì)量濃度的增加而增大，W2、W3 較W1 增大幅度分別為34.44%、58.07%。可見，隨著灌溉水含泥沙量的增加，管道滲水速率對(duì)壓力的變化越敏感，滲水性能變差。

表3 不同試驗(yàn)水源下H-V 擬合關(guān)系 Table 3 H-V fitting relationship of under different test the water

3 討 論

灌溉水中泥沙顆粒的存在會(huì)使得管道滲水速率降低，但不同壓力條件下影響效果存在差異。其中，低壓力下對(duì)灌溉水源的要求更高，泥沙量增加可能會(huì)導(dǎo)致管道喪失灌溉性能，高壓力下，管道滲水速率隨著泥沙量增加變化較小。這與滴灌、陶瓷滲灌等灌水器條件下存在區(qū)別[17-18]，主要是由于微孔地下滲灌管自身具有一定的彈性，滲水孔孔徑和數(shù)量受壓力變化敏感，高壓力下，微孔隙膨脹，管道滲水孔數(shù)量和孔徑均有所增加，能排出部分泥沙，從而降低了泥沙顆粒對(duì)滲灌管滲水性能的影響；而低壓力下，滲水孔孔徑較小、數(shù)量較少，泥沙大量沉積于管道內(nèi)壁，致使?jié)B水孔堵塞，滲水孔數(shù)量持續(xù)減少，從而嚴(yán)重影響滲灌管滲水性能。在灌水過程中，灌水器堵塞情況由壓力和灌溉水質(zhì)耦合作用引起[19]，因此，在微孔地下滲灌管田間應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量采用管道輸水及安裝過濾裝置，減少灌溉水中固體顆粒量，提高微孔地下滲灌管滲水性能和使用壽命，當(dāng)灌溉水源中含有少量泥沙時(shí)，可通過增大灌溉系統(tǒng)壓力來保障滲灌管灌溉性能。

灌溉水含泥沙量和壓力通過影響灌水器滲水速率和均勻度，從而影響灌水器滲水性能[20-21]。受管道原料組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響，地下微孔滲灌管道流態(tài)指數(shù)大于1，滲水速率受壓力變化敏感，但工作壓力對(duì)滲水均勻度影響較小。與之相比，灌溉水泥沙量對(duì)管道滲水性能影響更大。研究表明，灌溉水泥沙量增多會(huì)造成管道滲水速率大幅度減小，根據(jù)滲水速率和壓力關(guān)系擬合結(jié)果，灌溉水含沙量越大，其流態(tài)指數(shù)越大，從而使得不同管段滲水速率差異增大，滲水均勻度降低，當(dāng)泥沙質(zhì)量濃度過高的情況下甚至?xí)?dǎo)致管道喪失灌溉性能。灌溉水源中泥沙顆粒在管壁沉積，造成灌水器堵塞，泥沙質(zhì)量濃度增加，管道內(nèi)泥沙顆粒沉積速度加快，滲水均勻度隨之降低，管道堵塞程度加劇，嚴(yán)重影響管道滲水性能[22]。

4 結(jié) 論

1）灌溉水泥沙量增多會(huì)造成滲水速率隨通水時(shí)間延長持續(xù)降低，使得滲水速率不能進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2）管道在通自來水條件下的滲水性能最好，在40～70 kPa 壓力范圍內(nèi)，管道滲水均勻性達(dá)到最佳。

3）灌溉水泥沙量是影響微孔地下滲灌管滲水性能的主要因素，灌溉水含沙量增加會(huì)使得管道流態(tài)指數(shù)增大，滲水性能變差。