李桂元，徐幸儀，李康勇，胡春艷

（湖南省水利水電科學(xué)研究院，長沙410007）

0 引 言

增氧灌溉是指在灌溉水中增加氧氣或溶氧量的一種新型灌溉技術(shù)。21世紀(jì)初，澳大利亞學(xué)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產(chǎn)量，對提高作物品質(zhì)也有幫助，并將其命名為氧灌（oxygation）。國內(nèi)外學(xué)者廣泛開展了增氧灌溉理論及應(yīng)用技術(shù)研究，取得了一些成果。

在旱作增氧灌溉方面，理論研究和實(shí)際應(yīng)用都得到較好發(fā)展。朱艷、臧明、李元等研究表明，增氧地下滴灌對改善土壤通氣性、提高土壤酶活性與微生物數(shù)量有顯著作用，對促進(jìn)番茄、甜瓜植株生長、提高產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)具有顯著效果[1-3]，饒曉娟、徐歡歡、姚幫松等研究表明增氧灌溉對秋黃瓜、棉花等作物育種及生長均具有明顯的促進(jìn)作用[4，5]。目前，水氣耦合、水肥氣一體化等增氧灌溉設(shè)備相繼開發(fā)，增氧灌溉這一新技術(shù)已在大棚果蔬等高價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物灌溉方面得到了較好的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有增氧灌溉，需要具備動(dòng)力條件及購置專用的灌溉水增氧設(shè)備，不僅一次性設(shè)備投入較大，還需設(shè)備維護(hù)及運(yùn)行費(fèi)用，一定程度上制約了增氧灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用。

水稻增氧灌溉方面，目前國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室條件下的增氧灌溉試驗(yàn)研究成果較多：周曉來、姚幫松、廖健程等試驗(yàn)研究表明，增氧灌溉對水稻的根系發(fā)育和水分利用具有明顯的促進(jìn)作用[6-10]，才碩、熊元基、謝東等試驗(yàn)研究表明增氧灌溉對水稻根際微生物轉(zhuǎn)化、提高水肥利用效率有顯著促進(jìn)作用[11-14]，肖衛(wèi)華等研究指出，根區(qū)通氣增氧處理的超級雜交水稻根總長、根總體積、根總表面積、根干重和根尖數(shù)等特征指標(biāo)都明顯優(yōu)于未增氧的對照組，增氧灌溉產(chǎn)量高于未增氧對照組的5.7%～29.7%[15，16]。Bhattarai 等人研究大穗型水稻表明，增氧處理可以促進(jìn)作物地上部分生長，增加作物產(chǎn)量，提高作物的水分利用效率[17]。張立成、姚幫松等研究指出不同加氧處理能夠明顯提高超級稻產(chǎn)量，白天機(jī)械加氧、夜間機(jī)械加氧、化學(xué)加氧3種不同加氧處理方式中的單株理論產(chǎn)量分別高于不加氧處理18.9%、20.66%、16.98%[18]。

但上述這些水稻增氧灌溉試驗(yàn)研究，都是采用機(jī)械增氧方式，因而必須具備增氧設(shè)備及動(dòng)力條件才能實(shí)現(xiàn)增氧灌溉。而廣袤的野外大田環(huán)境下普遍缺乏增氧設(shè)備運(yùn)行所需的能源動(dòng)力條件，購置專用增氧設(shè)備所需成本也難以被農(nóng)戶接受，因而，廣袤的野外水稻種植區(qū)尚未實(shí)現(xiàn)真正的增氧灌溉。

當(dāng)前，我國正在大力推行高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)。管道輸水灌溉作為高效節(jié)水灌溉的一種方式，是高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)主要內(nèi)容之一，已經(jīng)建成和規(guī)劃建設(shè)的面積巨大。管灌的基本特征是輸水管道內(nèi)灌溉水流具有一定壓力。本文研制成功了一款自壓吸氣增氧放水管[19]，利用灌溉供水管道內(nèi)水流自有壓力實(shí)現(xiàn)灌溉水增氧。只需在管灌區(qū)的各個(gè)田間分水口接入一支自壓吸氣增氧放水管，水流經(jīng)增氧放水管完成吸氣、摻氣、水氣融合流程后流入田間，即可提高灌溉水含氧量，使得廣袤的水稻大田區(qū)無能源（動(dòng)力）條件下也可實(shí)現(xiàn)增氧灌溉。該增氧放水管結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、使用方便，結(jié)合高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，在管道輸水灌區(qū)推廣應(yīng)用該自壓吸氣增氧放水管，可產(chǎn)生巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

自壓吸氣增氧放水管主要由連接螺口、進(jìn)水段、收縮段、喉管段、吸氣腔、摻氣段、噴口、振動(dòng)片和彎頭組成，材質(zhì)為PVC 或者PE 塑料。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。連接螺口用于與供水管道出水口對接安裝；進(jìn)水段L0用于與供水管道出口水流連接過渡；收縮段L1為變內(nèi)徑的喇叭段，連接進(jìn)水段與喉管，起改變管道內(nèi)壓力及水流流速的關(guān)鍵作用；喉管段L2布置有進(jìn)氣口、吸氣腔，用于吸進(jìn)管外空氣。管內(nèi)環(huán)形吸氣腔位于喉管段前端，吸氣腔與進(jìn)氣口連通，出口在喉管內(nèi)壁；吸氣腔出口至擴(kuò)散噴口段為摻氣段L3，起摻氣及氣液混合作用；噴口連接彎頭；沿彎頭豎軸對稱布置兩塊振動(dòng)片，振動(dòng)片側(cè)面與水流方向一致。進(jìn)水段外徑可根據(jù)田間低壓管道分水管口徑配套設(shè)計(jì)成通用型。實(shí)際應(yīng)用中，只需將增氧放水管對接到田間的低壓管道分水口即可實(shí)現(xiàn)增氧灌溉。

1.2 工作原理

自壓吸氣增氧放水管利用輸水管道內(nèi)自身的壓力作為工作動(dòng)能，吸入空氣，稱之為自壓吸氣。當(dāng)有壓水流從自壓吸氣增氧放水管進(jìn)水段進(jìn)入，經(jīng)過收縮段，過流斷面逐漸縮小、流速逐漸增大、管內(nèi)壓力逐漸降低，至喉管段，流速增至最大值、壓力降至最低值，喉管段會(huì)較進(jìn)水段產(chǎn)生相對負(fù)壓，空氣便會(huì)從進(jìn)氣口經(jīng)吸氣腔被吸入。為提高空氣吸入量，在喉管內(nèi)壁設(shè)計(jì)了一個(gè)吸氣腔，與進(jìn)氣管口連通，吸氣腔的縱截面為弧形，其橫截面積由外向內(nèi)逐漸減小，進(jìn)氣管與吸氣腔構(gòu)成一個(gè)微型文丘里管，吸氣腔相當(dāng)于文丘里管的收縮段，氣流通過進(jìn)氣管經(jīng)過吸氣腔時(shí)，在吸氣腔內(nèi)形成負(fù)壓，從而進(jìn)一步提高空氣的吸入效率。在喉管和吸氣腔雙重負(fù)壓的協(xié)同作用下，空氣被高效吸入增氧放水管中。沿管壁吸入的空氣迅即被拽進(jìn)、滲入快速流動(dòng)的水體中，經(jīng)過摻氣段，空氣在水流剪切力作用下被分割成一個(gè)個(gè)的氣泡，在摻氣段完成氣液混合。摻氣段末端即為噴口，噴口連接消能彎頭，摻氣水流經(jīng)噴口射出，高速射流沖擊彎頭內(nèi)壁設(shè)置的振動(dòng)片，使振動(dòng)片產(chǎn)生高頻振蕩，進(jìn)一步擊碎水體中的氣泡。水流剪切力和高速射流沖擊振動(dòng)片的共同作用，使被吸入的空氣以更微小的氣泡形式融合于水中，從而提高了出口水流的含氧量。

自壓吸氣增氧放水管的工作原理可用文丘里效應(yīng)解析如下：自壓吸氣增氧放水管自主吸入空氣的能量來自于P1與P2的壓力差值（Δp=P1-P2）。設(shè)收縮段進(jìn)口截面處和喉管段的水流平均速度、平均壓力及截面積分別為V1、P1、S1，和V2、P2、S2；水流密度為ρ。根據(jù)水流連續(xù)方程及伯努利原理，視管體倆端高程相等、管內(nèi)平均運(yùn)動(dòng)的流線是等高的，可得出：

設(shè)收縮比：

式（7）表明：當(dāng)供水管道流量恒定，收縮比d變小，喉管部位產(chǎn)生的負(fù)壓Δp成指數(shù)級增大，有利于吸氣增氧，但據(jù)水力學(xué)原理，當(dāng)d小到一定程度，即D2縮小到一定程度會(huì)影響管道過流能力。綜合這兩點(diǎn)，說明V1、P1、S1和V2、P2、S2存在一個(gè)最優(yōu)動(dòng)態(tài)平衡的問題。因此，收縮比d的改變亦即D2的改變將會(huì)引起V2、P2、S2隨之改變，進(jìn)而引起負(fù)壓Δp改變，最終影響吸氣效果。因此，收縮比d是自壓吸氣增氧放水管d最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，與此同時(shí)，收縮段的長度、喉管（摻氣段）長度在一定程度影響自壓吸氣增氧放水管摻氣效果。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)測試

自壓吸氣增氧放水管的發(fā)明為廣袤的水稻大田增氧灌溉提供了一種有效方式。為將該發(fā)明轉(zhuǎn)化為水稻大田增氧灌溉實(shí)用技術(shù)，還需要對增氧灌溉放水管關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，從中選定一種最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案，用于產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)增氧放水管的批量生產(chǎn)。

自壓吸氣增氧放水管的關(guān)鍵部位有收縮、吸氣、摻氣（氣液融合）三段，當(dāng)管徑確定時(shí)，相應(yīng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)有總體長度L、收縮比d及收縮段長度L1、摻氣段長度L3。每一個(gè)部位的構(gòu)造參數(shù)變化都會(huì)對增氧放水管的摻氣增氧效果產(chǎn)生不同程度的影響。理論上，自壓吸氣增氧放水管有任意種可能的結(jié)構(gòu)方案，但存在一種結(jié)構(gòu)緊湊、摻氣增氧效果最好的方案。水力試驗(yàn)測試是確定最優(yōu)的收縮比d及收縮段長度L1、摻氣段長度L3的最好途徑。

2.1 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)擬定

本文介紹進(jìn)水段管徑為63 mm 的自壓吸氣增氧放水管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選，這是管道灌區(qū)田間分水口一種常用的標(biāo)準(zhǔn)管徑。從便于安裝、使用及維護(hù)和減少對農(nóng)耕活動(dòng)影響考慮，增氧放水管總體長度應(yīng)越短越好，故按盡量緊湊但不影響功能原則，擬定總體長度L為35～40 cm；將d、L1、L3分3 組，每個(gè)參數(shù)從大到小分4擋，從大到小的變幅區(qū)間基本涵蓋該參數(shù)所表征的物理狀況可能的變幅。每次改變1 個(gè)參數(shù)、另2 個(gè)參數(shù)固定，形成一個(gè)組合方案，如此共形成12 種方案，每種方案采用3D 打印技術(shù)制作2 根增氧放水管，采用專用測試臺測試其摻氣增氧效果。

2.2 專用測試臺

增氧放水管運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣口的吸氣量越大，說明增氧效果越好。因此，吸氣量是反映增氧放水管性能最直觀的指標(biāo)。為測試不同構(gòu)造參數(shù)自壓吸氣增氧放水管的增氧效果，建造了一個(gè)專用測試臺。該測試臺既可用于增氧放水管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)選試驗(yàn)，也可用于增氧放水管出廠產(chǎn)品的性能檢測。如圖2所示。潛水泵置于水塘中，用支架固定于水面以下0.5 m 深處。潛水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程50 m，設(shè)計(jì)流量360 L/h，采用可控變頻電源向潛水泵供電，以便模擬灌溉管道系統(tǒng)實(shí)際工作壓力或者提供試驗(yàn)測試壓力。供水總管上串聯(lián)安裝壓力表、流量表、控制閥門。試驗(yàn)測試時(shí)，將被測試的增氧放水管對接到供水管出口，同時(shí)在增氧放水管吸氣口對接空氣流量計(jì)，以測試增氧放水管吸氣量。經(jīng)增氧放水管彎頭出口放出的水仍然流入池塘。根據(jù)需要，可測試增氧放水管的吸氣流量、增氧放水管出口水體含氧量、增氧水體含氧量隨時(shí)間的衰減情況等。

2.3 收縮段長度L1優(yōu)選

收縮段長度L1越長，水流形態(tài)變化越平緩，局部水頭損失越小，有利于吸氣增氧，但相應(yīng)的會(huì)增加增氧放水管的總體長度及制造成本，也不利于現(xiàn)場安裝與應(yīng)用。將L1/D1從0.8到2.0，分4 擋擬定L1、d、L3固定不變，制作了4 支不同收縮段長度的增氧放水管，采用專用測試臺測試吸氣量，試驗(yàn)測試結(jié)果見表1。

表1 收縮段長度優(yōu)化測試試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of contraction length optimization test

由表1可知，4 支不同收縮段長度增氧放水管的過流能力及吸氣量總體無明顯差異，但L1/D1在1.0～1.5 間稍好?？紤]到增氧放水管處于管道灌溉系統(tǒng)的末端，管道越長對農(nóng)耕活動(dòng)的干擾越大，機(jī)耕時(shí)越易被損壞。因此，將收縮段長度以管內(nèi)徑的1.5倍（95 mm）為宜。

2.4 收縮比d優(yōu)選

增氧放水管吸氣d需能量來自于喉管部位產(chǎn)生的負(fù)壓Δp，從公式（7）可以看出Δp由2項(xiàng)因子構(gòu)成：

則Δp=Δp1Δp2。

Δp1為客觀因子項(xiàng)，它由供水管道實(shí)際過流量及管道內(nèi)徑?jīng)Q定，屬于確定項(xiàng)，Δp2為可變項(xiàng)，由收縮比d決定。改變d可以顯著改變。即當(dāng)供水管道及流量一定時(shí)，為定值，不同收縮比的增氧放水管喉管處會(huì)產(chǎn)生不同的Δp2，而且差異非常大，如表2所示。

d是決定增氧管吸氣能力的關(guān)鍵參數(shù)，一定程度上也會(huì)影響過流能力。為求證合適的d，制作了4 個(gè)收縮比不同、其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的增氧放水管，經(jīng)專用測試臺測試，4種方案的增氧放水管吸氣量，見表3。

試驗(yàn)測試表明，管道壓力相同（0.2 MPa），收縮比越小，其吸氣效果越好，但當(dāng)收縮比小于0.4 時(shí)，會(huì)影響增氧放水管的過流能力，收縮比大于0.4 后，繼續(xù)增大收縮比，對過流能力影響很小，但吸氣能力會(huì)顯著減少。據(jù)此，收縮比d取0.4～0.45較合適。

2.5 摻氣段長度L3優(yōu)選

喉管水流經(jīng)摻氣口拽入空氣后，須經(jīng)摻氣段完成氣液融合。如果摻氣段過短，氣液融合不充分，摻氣水流經(jīng)噴口及彎頭流出后，摻入水體中的空氣泡大部分會(huì)迅即破裂，回歸大氣，影響增氧效果，但如果摻氣段過長，又會(huì)因喉管摻氣水流紊動(dòng)、回流，影響摻氣口進(jìn)氣量，甚至引起增氧管整體震蕩。制作了4支摻氣段長度不同、其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的增氧放水管，采用專用測試臺測試，以優(yōu)選摻氣段長度參數(shù)。4支不同摻氣段增氧放水管吸氣量如表4所示。

表3 收縮比參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)測試結(jié)果Tab.3 Results of contraction ratio parameter optimization test

表4 摻氣段長度參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)測試結(jié)果Tab.4 Results of parameter optimization test of aeration section length

試驗(yàn)測試結(jié)果表明，摻氣增氧段長度增加，會(huì)影響吸氣量，L3越長其吸氣量越少。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻氣增氧段長度為200 mm 時(shí)，增氧放水管工作時(shí)的振動(dòng)很大，而且隨著管道工作壓力增加，增氧放水管振動(dòng)的越厲害。但物理原理顯示，L3越長，從吸氣腔吸入的空氣與水流混合得會(huì)越好，有利于提高摻氣增氧效果。綜合權(quán)衡利弊，摻氣增氧段長度取100 mm為宜。

2.6 參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

綜合前述表1、表3和表4測試結(jié)果，確定Φ63 管徑增氧放水管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。

表5 自壓吸氣增氧放水管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選結(jié)果Tab.5 Optimization results of structural parameters for the drainage pipe of self-pressurized inspiratory oxygenated irrigation

2.7 管道工作壓力對吸氣增氧效果的影響

為驗(yàn)證管道不同的工作壓力與吸氣增氧效果的關(guān)系，選定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的增氧管（d=0.45、L1=95 mm、L3=100 mm）測試其在不同的工作壓。下流量及吸氣量，結(jié)果見表6。

試驗(yàn)測試結(jié)果表明，管道工作壓力越大，增氧管流量及吸氣量越大，增氧效果越好。

表6 不同的工作壓力下流量及吸氣量的變化Tab.6 Flow rate and inspiratory capacity under different working pressure

3 實(shí)際應(yīng)用及增氧效果檢驗(yàn)

自壓吸氣增氧放水管研制成功后，2017年在湖南省灌溉試驗(yàn)中心站春華試驗(yàn)區(qū)開展大田實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，于2018年推廣應(yīng)用到湖南省長沙縣、湘潭縣等5縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田示范區(qū)，已推廣應(yīng)用面積達(dá)1 333.3 hm2，真正實(shí)現(xiàn)了廣袤野外大田無能源動(dòng)力條件水稻增氧灌溉，獲得應(yīng)用農(nóng)戶一致好評。

3.1 灌溉水增氧量現(xiàn)場檢測

在春華灌溉試驗(yàn)區(qū)應(yīng)用現(xiàn)場，任意選擇一支增氧放水管，通過控制其前端閥門開度，檢測其不同閥門開度下增氧放水管出口水流含氧量。采用哈西公司HQ40d 水質(zhì)分析儀測得的閥門開度從30°（小開）到90°（全開）增氧放水管出口水流含氧量，結(jié)果如表7所示。

表7 自壓吸氣增氧放水管增氧效果實(shí)測結(jié)果Tab.7 Measured results for oxygenated effect of the self-pressurized inspiratory oxygenated drainage pipe

由表7可知，自壓吸氣增氧放水管具有明顯的增氧效果。當(dāng)閥門開度少于60°時(shí)，增氧放水管管道內(nèi)因流量受控而致壓力不足，未達(dá)到自壓吸氣條件，出口水流是未經(jīng)摻氣的“原狀”水體，其含氧量為7.11 mg/L 左右，與現(xiàn)場同時(shí)檢測的“原狀”灌溉水含氧量相同。當(dāng)閥門由60°開至90°，隨著閥門開度增加，流量增大，管道內(nèi)自壓吸氣條件逐步形成，管內(nèi)水流摻氣量也逐步增加，出口水體含氧量隨閥門開度增加而增加，至全開時(shí)達(dá)到最高8.16 mg/L，灌溉水含氧量較“原狀”水提高了14.7%左右。

3.2 灌溉水高含氧量持續(xù)時(shí)間檢測

為檢測增氧灌溉田間灌溉水高含氧量持續(xù)時(shí)間，灌水期間，在增氧灌溉田間每隔2 h 檢測田間灌溉水含氧量，并與同期未增氧的“原狀”水做對比。結(jié)果見表8。

表8 灌溉水增氧效果持續(xù)時(shí)間檢測結(jié)果 mg/LTab.8 Test results of duration of aerobic effect of irrigation water

結(jié)果表明自壓吸氣增氧放水管可使得田間灌溉水高含氧量維持20 h以上。

4 結(jié) 論

（1）自壓吸氣增氧放水管的研制成功及其性能測試平臺的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了增氧放水管的定型設(shè)計(jì)與批量生產(chǎn)，解決了廣袤的野外田間無能源動(dòng)力條件灌溉水增氧的關(guān)鍵問題，真正實(shí)現(xiàn)了廣袤的野外田間水稻增氧灌溉。

（2）測試結(jié)果表明，增氧放水管3個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)d、L1、L3中，收縮比d對吸氣增氧效果影響最大。d越小，吸氣量越大，增氧效果越好，但小到一定程度會(huì)影響過流能力，其臨界值約0.4 左右；L1、L3在滿足基本結(jié)構(gòu)尺寸后，其長短變化對吸氣量無明顯影響，但摻氣段長度L3應(yīng)該對氣液融合有影響，但測試平臺受功能限制無法測得。

（3）本文基于工程實(shí)際應(yīng)用的需要，用運(yùn)行時(shí)增氧放水管的吸氣量作為評價(jià)其增氧性能的主要指標(biāo)，并基于此開發(fā)了一套專用性能測試臺，結(jié)合應(yīng)用便攜式快速水質(zhì)分析儀，較好地滿足了增氧放水管定型設(shè)計(jì)和現(xiàn)場增氧性能測試的實(shí)際需要。