微孔混凝土渗水管道的水力性能研究

王越帅，盛怀森，李先文，亓文明，李 睿，李向明

(烟台大学环境与材料工程学院，山东 烟台 264005)

0 引 言

水资源危机和粮食安全是我国21世纪面临的重大课题，采用节水、节能的灌溉方法是缓解水资源危机和保证粮食安全的必然选择[1,2]。20世纪末，塑料工业的快速发展使得塑料的灌水器、滴头、喷头、接头、管道大量涌现，极大促进了节水灌溉技术的进步。然而在实际使用中，塑料的灌溉产品存在诸多不足：易老化、使用寿命短；亲水性差、与土壤的相容性差；残留水难以排出，冬季易被冻裂；易遭受虫钻、鼠咬而失效；堵塞后难以清洗；对环境污染严重，必须进行无害化处理。因此，基于塑料灌溉产品的灌溉技术虽然节水效果显著，但后期维护费用较高[3]。

渗灌是一种将灌溉水输入到作物根系附近土壤中供作物吸收的方法[4-6]，节水节能效果显著。针对塑料灌溉产品的不足，近年来一些学者开始尝试使用陶罐和陶管进行渗灌[7-10]。由于微孔陶瓷内部大量相互连通的微孔道具有很好的毛细作用，灌溉水在经由微孔道消能后可稳定入渗到土壤中，因此将微孔陶瓷制成灌水器用于渗灌不仅节水效果显著，而且经久耐用、造价低廉，至今在印度和中东一些干旱地区仍被广泛使用[11-14]。截至目前，微孔陶瓷灌水器的规范化制备[15-19]、水力性能[19-22]和灌溉效果[23-25]等方面的研究均证实了微孔陶瓷渗灌的可行性，然而在实际使用中，微孔陶瓷灌水器需逐个安装于塑料管道上，因此即便采用微孔陶瓷灌水器替代了塑料灌水器，塑料管道的不足对渗灌的负面影响仍然存在。Siyal将高温烧制的微孔陶瓷管首尾相连埋入地下，构建成微孔陶瓷渗水管道，研究了微孔陶瓷渗水管道的灌溉效果[26,27]。尽管该研究使用的微孔陶瓷管采用手工拉坯成型，烧制温度也未严格控制，但该研究仍然充分体现了微孔陶瓷渗灌的优点。重要的是，该研究隐含了一种微孔陶瓷渗灌系统构建的新思路，即避免在塑料管道上逐个安装灌水器，将微孔陶瓷管首位相连直接构建渗水管道。由于这种渗水管道没有任何塑料部件，因此可从根本上消除塑料制品对渗灌的负面影响。

近几年随着材料科学技术的发展，各种高性能微孔陶瓷大量涌现，但较高的原料价格和制造成本限制了微孔陶瓷在农业渗灌领域的应用。为了满足农业推广的低成本要求，笔者制备了一种水力性能优异的微孔混凝土灌水器，并详细研究了原料配比和形状参数对其水力性能的影响[19,21]。该微孔混凝土灌水器除具有微孔陶瓷灌水器的优点之外，由于制造原料为价格低廉的砂子和水泥，而且制备过程无须高温烧结，因此制造成本远低于微孔陶瓷灌水器。本文基于微孔混凝土渗水管道，提出一种灌溉水输送和渗流同步进行的渗灌方式。以砂子和水泥为原料，采用干压法制备具有一定长度的微孔混凝土圆管，研究系统了水头变化对微孔混凝土圆管单位长度流量的影响规律；将微孔混凝土圆管首位相接构建成渗水管道，研究系统了水头变化对微孔混凝土渗水管道沿程水头的影响规律，拟合了微孔混凝土渗水管道的沿程水头计算公式，以期为微孔混凝土渗灌系统的科学构建和合理使用提供理论依据。

1 材料制备与实验方法

1.1 微孔混凝土圆管制备

微孔混凝土圆管制备使用的原料有砂子、水泥、硅溶胶。标准砂购自厦门艾思欧标准砂有限公司，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，硅溶胶(SiO2质量分数为25%，SiO2平均粒径为10～20 nm，Na2O质量分数≤0.1%)购自山东百特新材料有限公司。

向硅溶胶中添加去离子水并搅拌，得到SiO2质量分数为10%的稀释硅溶胶。将标准砂过筛选出粒径范围为1.0～1.7 mm的砂子。将水泥和砂子按18∶82的重量比混合，倒入水泥胶砂搅拌机(JJ-5型，华锡，中国无锡)中，边搅拌边喷洒硅溶胶，每100 g水泥喷洒30 g硅溶胶。将搅拌好的粉料模压成长度为500 mm、外径为70 mm、内径为50 mm的微孔混凝土圆管，然后在微孔混凝土圆管的一端插入一根长为40 mm、外径为50 mm的PVC短管，PVC短管插入微孔混凝土圆管的深度约为20 mm。图1给出了微孔混凝土圆管的照片。在阴凉的地面铺一层厚度为20～30 mm的细沙，将制备好的微孔混凝土圆管整齐摆放在细沙上，每天定时向微孔混凝土圆管表面喷水进行养护，连续养护28 d。

图1 微孔混凝土圆管的照片

1.2 微孔混凝土渗水管道构建和流量测试

在PVC管表面涂抹热熔胶，依次将微孔混凝土圆管首位相接，将微孔混凝土圆管连接成2根长20 m的渗水管道，然后将渗水管道与水力性能测试平台连接。图2给出了微孔混凝土渗水管道与水力性能测试平台的连接示意图。如图2所示，测试系统由微孔混凝土渗水管道、水箱、水泵、过滤器、阀门、压力表、烧杯、回水槽组成。在进行水力性能测试时，水箱中的水依次经过水泵、过滤器、阀门1、压力表1进入渗水管道中，由渗水管道流出的水依次经过阀门2和压力表2落入回水槽中，然后由回水槽导流至水箱中循环使用。

图2 微孔混凝土渗水管道与水力性能测试平台的连接示意图

微孔混凝土渗水管道的流量采用称重法测试。测试时，待渗水管道各处的流量稳定后，在距离渗水管道进水口0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 m的位置下方各放置一个烧杯，将渗水管道渗出的水接在烧杯中进行称重。每次测试时间不少于3 min，每个位置重复测试3次取平均值。

1.3 微孔混凝土灌水器制备和流量测试

将微孔混凝土圆管切割成长约150～200 mm的短管，组装成灌水器。图3是微孔混凝土灌水器的照片和示意图。如图3

图3 微孔混凝土灌水器的实物照片和组装示意图

所示，灌水器由上外壳、下外壳、微孔混凝土短管三部分组成，短管位于上、下外壳中间，短管与上、下外壳采用热熔胶密封，上外壳设有进水口，下外壳封闭。在进行流量测试时，水流由进水口进入灌水器，然后经由短管内部的微孔道向外渗流，最后沿短管外壁汇流而下。微孔混凝土灌水器的流量同样采用称重法进行测试。测试时，每个灌水器的流量取3次测试结果的平均值，每次测试时间不少于3 min。

2 结果与分析

2.1 微孔混凝土圆管的单位长度流量

本文构建的微孔混凝土渗水管道长达20 m，水在进入渗水管道之后，一边向前流动一边沿管壁内的微孔向外渗流，因此渗水管道的沿程水头和流量都将逐渐减小。为了准确研究微孔混凝土渗水管道沿程水头和流量的变化规律，须先了解微孔混凝土圆管的单位长度流量随水头的变化规律。由于微孔混凝土灌水器的尺寸相对较小，进入灌水器的水只能沿管壁内的微孔向外渗流，因此灌水器不同位置的渗水情况相同[19]。综上所述，微孔混凝土圆管单位长度流量随水头的变化规律，可以通过测试微孔混凝土灌水器的流量后计算获得。为此，本文对微孔混凝土圆管进行切割后组装了5个灌水器，然后测试了5个灌水器在不同水头的流量。

表1给出了5个微孔混凝土灌水器在不同水头下的流量。如表1所示，随着水头的增大，所有灌水器的流量均呈线性增大。例如，随着水头由0.5 m增至4.5 m，编号为G1的灌水器流量由2.02 L/h线性增至16.79 L/h，编号为G5的灌水器流量由2.39 L/h线性增至21.41 L/h。表1中5个灌水器对应的圆管长度有所差异，在水头不变的情况下，圆管长度的增加也会使得灌水器的流量增大。例如，随着圆管长度由15.6 cm增至19.5 cm，当水头为2.0 m时，灌水器的流量由7.36 L/h 线性增至9.76 L/h，当水头为4.0 m时，灌水器的流量由15.16 L/h线性增至18.76 L/h。

表1 微孔混凝土灌水器的流量 L/ h

为了消除圆管长度对灌水器流量的影响，将表1中5个灌水器的流量除以各自对应的圆管长度，得到5个灌水器的单位长度流量，然后对5个灌水器的单位长度流量取平均值，作为微孔混凝土圆管的单位长度流量。图4给出了微孔混凝土圆管的单位长度流量与水头的对应关系。如图4所示，随着水头由0.5 m增至4.5 m，微孔混凝土圆管的单位长度流量由126 mL/(h·cm)线性增至1087 mL/(h·cm)。可以看出，随着水头的增大，微孔混凝土圆管的单位长度流量呈线性增大。根据图4的结果，拟合微孔混凝土圆管的单位长度流量与水头满足公式(1)的线性函数关系。后续研究中，将公式(1)作为微孔混凝土渗水管道沿程水头和流量的计算依据。

Q=240.3H+5.7

(1)

式中：Q为微孔混凝土圆管的单位长度流量，mL/(h·cm)；H为微孔混凝土圆管内部的水头，m。

图4 微孔混凝土圆管单位长度流量与水头的对应关系

2.2 微孔混凝土渗水管道的水力性能

在测试微孔混凝土灌水器的水力性能时，由于灌水器的长度相对较短，水会很快充满灌水器，然后沿灌水器管壁内的微孔道向外渗流，因此微孔混凝土灌水器表面不同位置几乎同时被水润湿，而且灌水器表面被润湿后立即有水渗出。而在测试微孔混凝土渗水管道的水力性能时，由于渗水管道较长，水在进入渗水管道之后，一边沿渗水管道向前流动，一边沿管壁内的微孔道向外渗流，因此渗水管道进水口处首先被润湿，然后沿水流方向依次被润湿，出水口处最后被润湿。另外，在渗水管道刚通水时，渗水管道前段处于刚充水状态，而渗水管道后段尚处于无水状态，因此当渗水管道某一位置刚被润湿时，该位置内部的水头很小，该位置表面只有很少的水渗出。随着该位置后方的渗水管道逐渐充满水，该位置内部的水头逐渐增大，该位置表面的渗水速率逐渐加快；随着该位置后方更长的渗水管道被充满水，该位置内部的水头进一步增大，该位置表面的渗水速率会变得更快。

以1 m水头为例，图5给出了微孔混凝土渗水管道的渗水照片。照片中的2根渗水管道位置为距离进水口10 m处，第1根渗水管道为稳定渗流状态，第2根渗水管道为刚被水润湿的状态。拍摄时，将相机对准距离进水口10 m处的渗水管道，将渗水管道进水口的水头调为1 m，打开第1根渗水管道的进水口阀门，让第1根渗水管道稳定工作3 min后，打开第2根渗水管道的进水口阀门，待第2根渗水管道上相机对准的位置刚被水润湿时，按下相机快门进行抓拍。对比图5中2根渗水管道下方的水滴数量可以清楚看出，刚被水润湿的渗水管道下方水滴很少，水滴下落频率较慢；而处于稳定渗流状态的渗水管道下方水滴数量明显较多，水滴下落频率较快。因此，在测试微孔混凝土渗水管道不同位置的流量时，须等到压力表1的读数和渗水管道各处的流量稳定之后再进行测试。

图5 微孔混凝土渗水管道的渗水照片

在对渗水管道的流量进行测试时，渗水管道的沿程流量变化非常明显，即便是渗水管道处于稳定渗流状态，渗水管道前段的水滴下落频率明显高于后段，尤其是渗水管道进水口处的水滴下落频率远高于出水口处。表2给出了微孔混凝土渗水管道不同位置的单位长度流量。通过对比表2的结果发现，随着系统水头的增大，渗水管道上每个被测位置的单位长度流量均增大。例如，随着系统水头由0.5 m增至4.5 m，在渗水管道4、10、16 m处的单位长度流量分别由80、58、43 mL/(h·cm)增至435、130、83 mL/(h·cm)。通过对比表2的结果还发现，在系统水头不变的情况下，随着被测位置沿水流方向后移，渗水管道的单位长度流量逐渐降低。例如，当系统水头分别为1.0、2.5、4.0 m时，随着被测位置由2 m处后移至18 m处，渗水管道的单位长度流量分别由174、407、619 mL/(h·cm)逐渐降至45、61、72 mL/(h·cm)。

表2 微孔混凝土渗水管道不同位置的单位长度流量 mL/(h·cm)

根据图4的结果已知，微孔混凝土圆管的单位长度流量与水头满足公式(2)的线性函数关系。因此，在测得渗水管道不同位置的单位长度流量后，根据公式(2)可准确计算出渗水管道不同位置内部所对应的水头，继而得出渗水管道的沿程水头变化规律。

图6(a)给出了微孔混凝土渗水管道的沿程水头随系统水头的变化规律。如图6(a)所示，随着系统水头的增大，渗水管道上所有被测位置的水头均呈线性增大。分别以4、10、16、20 m被测位置为例，随着系统水头由0.5 m增至4.5 m，渗水管道4、10、16、20 m处的水头分别由0.31、0.22、0.15、0.13 m线性增至1.79、0.52、0.32、0.26 m。根据图6(a)的结果进一步发现，随着系统水头由0.5 m增至4.5 m，虽然渗水管道进水口处的水头增大了8倍，但是渗水管道出水口处的水头仅增大了1倍，在渗水管道4、10、16 m处的水头增幅依次减小，分别为4.8、1.4、1.1倍。根据上述规律可以看出，在沿水流方向上，系统水头变化只对渗水管道前段的水头影响较大，对渗水管道中段的水头影响逐渐减小，对渗水管道后段的水头影响很小。

图6(b)给出了微孔混凝土渗水管道的沿程水头随被测位置的变化情况。如图6(b)所示，分别以1.0、2.5、4.0 m的系统水头为例，随着被测位置由进水口处后移至6 m处，渗水管道的水头分别由1.0、2.5、4.0 m快速减至0.41、0.78、1.01 m；随着被测位置由8 m处后移至14 m处，渗水管道的水头分别由0.32、0.53、0.67 m逐渐减至0.20、0.29、0.34 m；随着被测位置由16 m处后移至20 m处，渗水管道的水头分别由0.18、0.25、0.31 m缓慢减至0.16、0.22、0.25 m。根据上述规律可以看出，在系统水头不变的情况下，渗水管道的水头沿水流方向减小，其中渗水管道前段水头减小速度很快，中段水头减小速度逐渐变慢，后段水头减小速度则非常缓慢。

图6 微孔混凝土渗水管道的沿程水头随系统水头和被测位置的变化规律

根据图6(b)的结果进一步发现，系统水头较小时的渗水管道沿程水头变化曲线，实际上是系统水头较大时渗水管道沿程水头变化曲线的一部分。分别以0.5 m和4.5 m系统水头为例，当系统水头为0.5 m时，随着被测位置由0 m处后移至10 m处，渗水管道的水头由0.5 m缓慢减至0.22 m，水头减小了0.28 m；当系统水头为4.5 m时，随着被测位置由10 m处后移至20 m处，渗水管道的水头由0.52 m缓慢减至0.26 m，水头减小了0.26 m。再分别以2.5 m和4.0 m系统水头为例，当系统水头为2.5 m时，随着被测位置由0 m处后移至18 m处，渗水管道的水头由2.5 m缓慢减至0.23 m，水头减小了2.27 m；当系统水头为4.0 m时，随着被测位置由2 m处后移至20 m处，渗水管道的水头由2.55 m缓慢减至0.25 m，水头减小了2.3 m。通过上述2个例子的对比结果可以看出，不论系统水头如何变化，只要在渗水管道上找到具有相同水头的位置，在此位置后方渗水管道上的水头变化规律完全一致。综上所述，只要拟合出系统水头较大时渗水管道的沿程水头变化函数，系统水头较小时渗水管道的沿程水头变化函数可同时获得。

在本文的研究范围内，根据图6(b)的结果，公式(2)给出了系统水头为4.5 m时渗水管道的沿程水头变化函数。

H=[4.5+(0.1L)4.6] e-0.235 L

(2)

式中：H为微孔混凝土渗水管道被测位置的水头大小，m；L为微孔混凝土渗水管道被测位置到进水口的距离，m。

图7对比了系统水头为4.5 m时渗水管道沿程水头的计算值和实测值。如图7所示，根据公式(2)计算得到的渗水管道沿程水头变化曲线与实测结果非常吻合。由此可见，在本文渗水管道长度为20 m的研究范围内，公式(2)完全能够用于计算系统水头小于等于4.5 m时微孔混凝土渗水管道不同位置的水头。

图7 系统水头为4.5 m时渗水管道沿程水头与被测位置的函数关系

假设微孔混凝土渗水管道的长度大于20 m，当系统水头为4.5 m时，根据公式(2)计算渗水管道在10 m处和30 m处的水头分别为0.52 m和0.14 m，即随着渗水管道由10 m处后移至30 m处，渗水管道的水头由0.52 m逐渐减至0.14 m，水头减小了0.38 m。而根据图6(b)的实测结果可知，当系统水头为0.5 m时，随着渗水管道由0 m处后移至20 m处，渗水管道的水头由0.5 m逐渐减至0.13 m，水头减小了0.37 m。对比上述计算结果和实测结果可以看出，对于长度大于20 m的渗水管道，根据公式(2)计算的渗水管道沿程水头变化规律与实测值仍然保持非常高的一致性。综上所述，对于长度大于20 m的微孔混凝土渗水管道，公式(2)同样能够准确计算其在系统水头小于等于4.5 m时不同位置的水头。

3 结 论

(1)微孔混凝土圆管的单位长度流量与系统水头满足Q=240.3H+5.7的线性函数关系。随着系统水头由0.5 m增至4.5 m，微孔混凝土圆管的单位长度流量由126 mL/h线性增至1 087 mL/h。在已知微孔混凝土渗水管道某个位置的水头后，根据该线性函数可准确计算出渗水管道相应位置的流量。

(2)随着系统水头的增大，微孔混凝土渗水管道不同位置的水头均呈线性增大。系统水头变化只对渗水管道前段水头影响较大，对渗水管道后段水头影响较小。随着系统水头由0.5 m增至4.5 m，渗水管道进水口处水头增大了8倍，出水口处水头仅由0.13 m增至0.26 m。在系统水头不变的情况下，渗水管道前段沿程水头减小速度较快，中段沿程水头减小速度较慢，后段沿程水头减小速度缓慢。当系统水头为4.5 m时，渗水管道前段沿程水头由4.5 m快速减至1.1 m，中段沿程水头由0.71 m逐渐减至0.36 m，后段沿程水头由0.32 m缓慢减至0.26 m。

(3)当系统水头为4.5 m时，微孔混凝土渗水管道的沿程水头满足 的函数关系。由于系统水头较小时渗水管道沿程水头变化曲线，是系统水头较大时渗水管道沿程水头变化曲线的一部分，故该函数同样可用于计算系统水头小于4.5 m时渗水管道不同位置的水头。

[1] 康绍忠，李永杰. 21世纪我国节水农业发展趋势及其对策[J]. 农业工程学报，1997,13(4):1-7.

[2] 孙景生，康绍忠. 我国水资源利用现状与节水灌溉发展对策[J]. 农业工程学报，2000，16(2)：1-5.

[3] 何 华，康绍忠. 地下滴灌的经济与环境效益研究综述[J]. 西北农业大学学报，2000，28(1)：57-61.

[4] 张增志，王晓健，薛 梅. 渗灌材料制备及导水性能分析[J]. 农业工程学报，2014，30(24)：75-76.

[5] 仵 峰，李王成，李金山，等. 地下滴灌灌水器水力性能试验研究[J]. 农业工程学报，2003，19(2)：85-88.

[6] Niwas S, Celik M. Equation estimation of porosity and hydraulic conductivity of Ruhrtal aquifer in Germany using near surface geophysics[J]. Journal of Applied Geophysics, 2012,84:77-85.

[7] Xu P, Yu B. Developing a new form of permeability and Kozeny-Carman constant for homogeneous porous media by means of fractal geometry[J]. Advances in Water Resources, 2008,31(1):74-81.

[8] Fallico C, De Bartolo S, Troisi S, et al. Scaling analysis of hydraulic conductivity and porosity on a sandy medium of an unconfined aquifer reproduced in the laboratory[J]. Geoderma, 2010,160(1):3-12.

[9] Abu-Zreig M M, Abe Y, Isoda H. The auto-regulative capability of pitcher irrigation system[J]. Agricultural Water Management, 2006,85(3):272-278.

[10] Simonis J J, Basson A K. Evaluation of a low-cost ceramic micro-porous filter for elimination of common disease microorganisms[J]. Physics and Chemistry of the Earth Part A, 2011,36(14):1 129-1 134.

[11] Abu-Zreig M M, Atoum F M. Hydraulic characteristics of clay pitchers produced in Jordan[J]. Canadian Biosystems Engineering, 2004,46(1):15-20.

[12] Ashrafi S, Gupta A D, Babel M S, et al. Simulation of infiltration from porous clay pipe in subsurface irrigation[J]. Hydrological Sciences Journal, 2002,47(2):253-268.

[13] Bainbridge D A. Buried clay pot irrigation: a little known but very efficient traditional method of irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2001,48(2):79-88.

[14] Morin R H. Negative correlation between porosity and hydraulic conductivity in sand-and-gravel aquifers at Cape Cod, Massachusetts, USA[J]. Journal of Hydrology, 2006,316(1):43-52.

[15] Hajjaji M, Mezouari H. A calcareous clay from Tamesloht (Al Haouz, Morocco): Properties and thermal transformations[J]. Applied Clay Science, 2011,51(4):507-510.

[16] 蔡耀辉，吴普特，朱德兰，等. 黏土基微孔陶瓷渗灌灌水器制备与性能优化[J]. 农业机械学报，2015，46(4)：183-188.

[17] Li X, Gao M. A kaolinitic clay from Yantai (China): Improvement of properties and microstructure[J]. Applied Clay Science, 2016,132-133:161-166.

[18] 蔡耀辉，吴普特，朱德兰，等. 硅藻土微孔陶瓷灌水器制备工艺优化[J]. 农业工程学报，2015，31(22)：70-76.

[19] 李向明，杨建国. 微孔混凝土灌水器的制备与性能研究[J]. 农业机械学报，2016，47(7)：176-182.

[20] 李向明，杨建国. 微孔陶瓷灌水器的流量影响因素研究[J]. 农业机械学报，2016，47(4)：73-78，89.

[21] 李向明,杨建国. 微孔混凝土灌水器形状及其尺寸对流量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(10)：130-136.

[22] 蒲文辉，张新燕，朱德兰，等. 制备工艺对微孔陶瓷灌水器结构与水力性能的影响[J]. 水力发电学报，2015，36(6)：48-57.

[23] 任改萍. 微孔陶瓷渗灌土壤水分运移规律研究[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学，2016.

[24] 蔡耀辉，吴普特，张 林，等. 微孔陶瓷渗灌与地下滴灌土壤水分运移特性对比研究[J]. 农业机械学报，2017，48(4)：242-249.

[25] Lamm F R, Trooien T P. Subsurface drip irrigation for corn production: a review of 10 years of research in Kansas[J]. Irrigation Science, 2003,22(3-4):195-200.

[26] Siyal A A, Skaggs T H. Measured and simulated soil wetting patterns under porous clay pipe sub-surface irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2009,96(6):893-904.

[27] Siyal A A, van Genuchten M T, Skaggs T H. Solute transport in a loamy soil under subsurface porous clay pipe irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2013,121:73-80.