自由出流条件下秸秆复合管的透水性能研究

仵 峰，刘生东，宰松梅2，，王浩宇，牟彦文，罗 昕，张梦瑶

（1.华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046；2.河南省节水农业重点实验室，河南 郑州 450046；3.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046）

1 概 述

地下灌溉技术具有节水、节能、节地、灌水质量好、蒸发损失小以及使用寿命长等优点［1］，并具有较好的推广应用前景。依据灌水器的类型，地下灌溉可分为渗灌［2］、地下滴灌［3-4］、微润灌溉［5］等多种形式。渗灌是将透水管道或灌水器埋入地下，借助土壤毛细管作用湿润土壤的一种灌水方法。结合多年的研究与实践，笔者提出一种新型地下灌溉技术——秸秆地下灌溉［6］，以土壤和秸秆为主要材料，经过一定的工艺制作成秸秆复合管，埋于地下作为毛管进行田间灌溉，其工作原理与渗灌类似。

渗灌和地下滴灌系统的设计多参考地表滴灌系统进行，灌水器性能是其设计的基础，直接关系到系统运行的好坏和成败。国内外对于灌水器的水力特性做了大量的研究，范永申等［7］研究表明，发丝滴头灌水器的出流流量与工作压力成正比、与灌水器长度成反比；Gupta等［8］研究表明，在自由出流时，陶瓷渗水管的渗水速率与工作压力呈线性关系，埋入土壤后，其渗水速率与土壤质地和工作压力互为函数关系；仵峰等［9］研究表明，灌水器埋入土壤后，受其出口处土壤水势的影响，地下滴灌灌水器的流量小于地表滴灌灌水器流量；祁世磊等［10］研究表明，在空气出流和埋入土壤两种情况下，低压微润带出流量随工作压力的增大而增大，但在土壤中的出流量明显小于在空气中的出流量，且压力越大二者的出流量相差越大；蔡耀辉等［11］研究表明，微孔陶瓷灌水器的水力性能还受设计流量和土壤质地等影响，当土土壤含水率由13%增大至40%时，埋地后灌水器（设计流量为1.87 L／h）流量由1.4 L／h下降至0.3 L／h左右。

综上所述，工作压力和设计流量是影响地下灌溉系统灌水器性能的关键因素，埋土条件也影响灌水器乃至系统的工作状况。秸秆地下灌溉系统的核心是秸秆复合管，它既是末级输水管道，又是灌水器。秸秆复合管及使用场景（覆土前）如图1所示。制作秸秆复合管的材料以土壤为主，其初始含水率也会影响其渗水性能。本文基于秸秆复合管自由出流试验，分析不同晾晒时间和工作压力对其透水性能的影响，为进一步研究秸秆复合管地下灌溉系统的水力性能及其推广应用奠定基础。

图1 秸秆复合管及使用场景（覆土前）

2 材料与方法

2.1 试验材料及装置

试验于2020年10—11月在河南省节水农业重点实验室华北水利水电大学农水试验场进行，所用秸秆复合管采用试验场当年种植的玉米秸秆和土壤现场制作而成，所用土壤为砂壤土，土壤黏粒含量为14.81%。试验装置主要有马氏瓶、电子天平、亚克力玻璃管（用于支撑秸秆复合管，管上打有3排直径为3 mm的均匀小孔，孔间距为2 cm）、集水容器、可调节高度支架等。试验所用秸秆复合管长度为100 cm。试验时，通过调节马氏瓶和支架高度控制秸秆复合管的工作压力，采用马氏瓶上的刻度计量秸秆复合管的累计渗水量。试验装置如图2所示。

图2 试验装置示意

2.2 试验设计与数据分析

通过前期预试验，确定秸秆复合管适合在低压条件下进行灌水。本试验设置的工作压力水头为10、20、30、40、50 cm。试验时，先用尼龙纱布将秸秆复合管包裹，然后放置在内径为70 mm的透明开孔的有机玻璃管中，起到保护和支撑的作用，秸秆复合管末端用橡皮泥堵塞，灌水一端用PVC软管与马氏瓶连接，最后用细绳固定在可调节高度支架上，用水平仪进行调平。沿秸秆复合管长度方向每隔10 cm设一个观测点，将集水容器放置在秸秆复合管正下方，收集其对应的渗水，并用电子天平称量。按照先密后疏的原则，记录马氏瓶的水位变化和集水容器中的水量。每组试验时间均为111 min，在0～21 min内每3 min观测1次，在21～61 min内每5 min观测1次，在61～111 min内每10 min观测1次。

为了研究压力变化过程对秸秆复合管渗水性能的影响，分别对其进行了升压过程和降压过程试验，测定在同一工作压力（本文用压力水头表示）下的出流量。一般情况下，在灌水1 h之后，秸秆复合管的渗水量基本达到稳定。因此，试验设计在灌水1 h后开始对其进行升压和降压，先将工作压力由50 cm逐步降低到10 cm，再由10 cm逐步升高到50 cm，每个工作压力持续0.5 h，整个试验过程为5.5 h。

试验设3个重复，取其平均值进行结果分析，数据分析采用SPSS和Excel软件。将不同工作压力条件下秸秆复合管的渗水过程用Philip入渗公式进行拟合，以描述其渗水过程。入渗公式为

式中：I为累计渗水量，L；S为吸渗率，L／min0.5；t为渗水时间，min；A为稳定渗水率，L／min。

秸秆复合管渗水均匀系数按下式计算：

式中：Cu为均匀系数；si为i点的渗水量，L；为各测点的平均渗水量，L；n为试验测点的个数。

3 结果与分析

3.1 工作压力对秸秆复合管渗水性能的影响

3.1.1 工作压力对秸秆复合管累计渗水量的影响

不同工作压力条件下，秸秆复合管累计渗水量随时间的变化过程如图3所示。

图3 不同工作压力条件下秸秆复合管累计渗水量随时间的变化过程

由图3可以看出，秸秆复合管的累计渗水量随着工作压力的增加而增大，秸秆复合管累计渗水量与渗水时间呈幂函数关系。利用SPSS软件将工作压力对累计渗水量的影响进行方差齐性检验，并与数理统计附录5中所查F值进行比较，确定工作压力对累计渗水量影响的显著性。结果表明，在0.05显著性水平下，工作压力对累计渗水量的影响达到显著水平（F=

将不同工作压力下秸秆复合管的渗水过程用Philip入渗公式进行拟合，拟合参数见表1。

表1 Philip入渗公式拟合参数

从表1可以看出，秸秆复合管的渗水过程符合Philip入渗公式，决定系数均在0.95以上，拟合效果较好。在工作压力为10～50 cm时，秸秆复合管单位时间单位长度稳定渗水量在0.6～3.6 L／（m·h）。工作压力与秸秆复合管的吸渗率S和稳定渗水率A均呈正相关关系，说明随着工作压力的增加，秸秆复合管的渗水能力增加。由于制作秸秆复合管的材料以土壤为主，因此增加工作压力不仅影响其使用寿命，也将增加系统的运行成本。所以，确定适宜的工作压力时还应考虑秸秆复合管自身的耐受性及其应用场景。

3.1.2 工作压力对秸秆复合管渗水速率的影响

不同工作压力条件下，秸秆复合管渗水速率随渗水时间的变化情况如图4所示。

图4 渗水速率与渗水时间的关系

从图4可以看出，随着渗水时间的增大，渗水速率在逐渐减小，直至趋于稳定。整个渗水过程在60 min之后逐渐趋于相对稳定，对60 min之后的稳定渗水速率A与工作压力H进行拟合，结果如图5所示。

图5 渗水速率与工作压力的关系

从图5可以看出，工作压力在10～50 cm时，秸秆复合管的稳定渗水速率A随着工作压力H的增加而增大，二者呈较好的线性关系：A=0.001 2H＋0.002（R2=0.972 9）。可见，在自由出流条件下，工作压力对秸秆复合管的稳定渗水速率起关键控制作用，秸秆复合管的稳定渗水速率与工作压力之间的线性关系不同于微润管的幂函数关系［12］。

3.1.3 工作压力对秸秆复合管渗水均匀系数的影响

自由出流条件下，在不同工作压力下秸秆复合管达到稳定渗水时的渗水均匀系数见图6。

从图6可以看出，随着工作压力的增加，渗水均匀系数不断增大。当工作压力为10～50 cm时，达到稳定渗水后，秸秆复合管渗水均匀系数在0.762～0.908，可以达到微灌的灌水均匀系数要求。工作压力与渗水均匀系数之间有较好的对数函数关系：Cu=0.091 5lnH＋0.567（R2=0.916 8）。当工作压力从10 cm增加到30 cm时，渗水均匀系数增加速度较快；当工作压力大于30 cm时，渗水均匀系数逐渐稳定。因此，利用秸秆复合管作为地下灌溉的灌水器进行地下灌溉时，工作压力宜大于30 cm，以满足均匀度的要求。

图6 工作压力与均匀系数之间的关系

3.2 升压、降压过程对秸秆复合管自由出流的影响

在自由出流条件下，压力升降过程对秸秆复合管渗水速率的影响如图7所示。

图7 压力升降过程与渗水速率的关系

从图7可以看出，压力升降过程对秸秆复合管的渗水速率的影响规律并不一致。降压过程渗水速率的变化幅度大于升压过程，即降压过程对渗水速率的影响大于升压过程，当工作压力大于30 cm时，这种影响程度更明显。在试验中发现，由降压过程转为升压过程时，秸秆复合管管壁会因压力突然增大而导致渗水不及时，从而影响了升压过程的渗水速率。因此，在实际应用时，应缓慢增加工作压力，使秸秆复合管保持相对稳定的渗水速率，尽量避免起始工作压力过大，造成局部出水量过大，影响系统的灌水均匀度。

3.3 晾晒时间对秸秆复合管出流的影响

秸秆复合管是在一定的含水量条件下制成的，经过晾晒2、4、6 d时，其含水率分别为14.70%、10.42%、7.38%。同一批秸秆复合管在不同晾晒条件下的累计渗水量变化如图8所示。

图8 不同晾晒时间下累计渗水量变化情况

由图8可以看出，晾晒时间影响秸秆复合管的累计渗水量。晾晒2～6 d时，在相同的工作压力下，晾晒时间越长，秸秆复合管的渗水量越大。这是由于晾晒时间越长，秸秆复合管的含水率会减小，管壁的裂缝会增加或增大，从而增加其透水性。由图8还可以看出，晾晒时间越长，秸秆复合管渗水量受工作压力的影响越大，在工作压力大于30 cm时，这种影响更加明显。进一步对数据样本进行双因素方差分析，结果见表2。由表2可以看出，工作压力和晾晒天数对累计渗水量的影响均达到了极显著水平（P＜0.01），双因素的交互效应对累计渗水量的影响也达到极显著水平（P＜0.01）。

表2 渗水量参数双因素方差分析

增加晾晒时间，在增加秸秆复合管渗水量的同时，降低了其渗水稳定性，势必会影响其应用时灌水的均匀性。因此，在生产应用时应综合考虑，为了提高秸秆复合管地下灌溉的机械化、规模化水平，可考虑减少秸秆复合管的晾晒时间和田间作业次数，以实现现场制作与埋设为宜。

4 讨 论

本研究表明，在工作压力为10～50 cm时，秸秆复合管的渗水量为0.6～3.6 L／（m·h），这与仵峰等在0.25 m工作压力下测定的不同配比秸秆复合管渗水量范围0.76～1.40 L／（m·h）结论一致。有研究表明，在10 m工作压力下，内镶贴片式滴灌灌水器的设计流量为1～2 L／h［14］，按每米3个滴头计算，出流量为3～6 L／（m·h），其渗水量与秸秆复合管相当。玉米膜下滴灌的最大灌水定额约为52.5 L／m2［15］，按照秸秆复合管在工作压力为50 cm下的渗水量，需要12 h就可以完成灌溉，符合地下滴灌的灌溉习惯。应当注意的是，当秸秆复合管埋入土后，其渗水性能可能会受到土壤的影响，灌溉时间可能有所改变。在10 m工作压力下，痕灌带灌水器渗水量为0.9 L／（m·h）［16］，地埋后平均减少3%～8%。秸秆复合管的渗水量比痕灌带渗水量有所增加。因此，当秸秆复合管作为地下灌溉的灌水器使用时，利用工作压力与渗水量之间的关系，可以满足作物在不同时期的灌水量需求，还可以在相对低压状态下工作，节省投资，降低能耗。这与新型地下灌溉灌水器的研发正朝着低压、抗堵、节水、节能等方向发展相一致［17］。

秸秆复合管在地埋条件下的灌水效果是由灌水均匀系数所决定的，而灌水均匀系数在很大程度上是由秸秆复合管的渗水均匀系数决定的。在本研究中，秸秆复合管的渗水均匀系数已满足《微灌工程技术规范》（GB／T 50485—2020）要求，在地埋条件下，秸秆复合管在“管-沟-土”（秸秆复合管-预埋沟-回填土）共同作用下的灌水效果有待进一步研究。

5 结 论

通过对秸秆复合管的自由出流试验，得出以下结论：

（1）在自由出流条件下，工作压力为10～50 cm时，秸秆复合管的渗水量为0.6～3.6 L／（m·h），累计渗水量随着工作压力的增大而增大，与渗水时间呈幂函数关系。秸秆复合管的渗水过程可很好地用Philip入渗公式拟合。在渗水60 min之后，秸秆复合管渗水速率逐渐趋于稳定，渗水速率与工作压力呈较好的线性关系。

（2）在工作压力为10～50 cm时，压力升降过程影响秸秆复合管自由出流的渗水量，降压过程其渗水速率的变化幅度大于升压过程；当工作压力大于30 cm时，这种影响程度更加明显。在生产应用时，宜缓慢增加工作压力。

（3）晾晒时间和工作压力交互影响秸秆复合管的渗水量。增加晾晒时间，可以增加秸秆复合管的渗水量，但其渗水稳定性将有所降低。在生产应用时，宜考虑减少秸秆复合管的晾晒时间，实现现场制作与埋设。影响秸秆复合管渗水特性的因素较多，本文仅初步研究了工作压力对于秸秆复合管在自由出流条件下的渗水特性，对于秸秆复合管埋入土壤中的渗水特性还需进一步研究。