秸稈復合管斷裂方式對其水力性能的影響

仵 峰，張夢瑤，宰松梅2,，羅 昕，馮雪芳，劉生東

(1.華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046;2.河南省節水農業重點實驗室，河南 鄭州 450046;3.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046)

近年來，全球氣候變化和環境污染加劇，干旱和強降雨等極端氣候頻發，我國水資源短缺日趨嚴重[1-5]。據2020年水資源公報統計[6]，全國用水總量5 819.2億m3，其中農業用水3 612.4億m3，占用水總量的62.1%。現階段，我國耕地面積1.28億hm2，有效灌溉面積0.69億hm2，節水灌溉面積僅0.38億hm2，農業灌溉水有效利用系數達到0.565，遠低于先進發達國家灌溉水有效利用系數0.8[7-9]。可見，農業作為用水大戶，其節水潛力巨大，研發和推廣適合我國國情的節水灌溉技術，對我國農業節水事業的發展具有重要意義[10]。

目前，在國家大力推行節水灌溉和出臺多項鼓勵政策下，各種新型高效節水灌溉技術相繼被研發，如微潤灌溉[11]、加氣灌溉[12]、痕量灌溉[13]、負壓灌溉[14]、膜下滴灌[15-17]等。仵峰等[18]為豐富秸稈的資源化利用途徑，研發了一種新型灌溉管材——秸稈復合管，利用該管材進行地下灌溉可實現節水和固碳雙重目的。目前，針對秸稈復合管的研究多從秸稈復合管的材料配比方面進行，分析不同材料對秸稈復合管的成型、耐久性、出流量、入滲速率、灌水均勻度等方面的影響[18-20]。

常規灌溉系統的管道有灰土管、素混凝土管、PE管、PVC管、UPVC雙壁波紋管等，多采用工廠化生產，其材質相對均勻，在使用過程中采用有壓供水，管道一旦出現斷裂將直接影響其使用性能[21]。由于秸稈復合管是以秸稈和土壤為主要原料，在田間直接經秸稈復合管成型機擠壓而成，在管材成型過程中受作物長勢、秸稈個體間差異等影響，再加上大田條件不一、拖拉機運行速度不穩定等，勢必會影響秸稈復合管成型時進料的均勻性，可能造成其斷裂。在秸稈復合管埋設的過程中，鋪設機具受田間微地形、土壤的變異性以及鋪設機械運行的不穩定等因素影響，也會造成秸稈復合管變形、斷裂等。在使用過程中，秸稈復合管斷裂對其水力性能的影響程度如何，能否達到預期的灌溉效果，將直接影響秸稈復合管地下灌溉技術的成敗。本文以斷裂方式、工作壓力、供水量為試驗因素，設計3因素3水平正交試驗，分析秸稈復合管不同斷裂方式下的過水能力和滲水速率，評測其滲水效果，以期為秸稈復合管走向生產實踐奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2020年11月—2021年4月在河南省節水農業重點實驗室華北水利水電大學的試驗場進行。供試秸稈復合管采用試驗田種植的玉米秸稈和土壤在現場制作而成。試驗分為自由出流試驗和地埋出流試驗兩部分。

1.1.1 自由出流試驗 自由出流試驗共設置3個處理，分別為完整秸稈復合管(D0) 、間距1 cm的斜切(45°) 斷裂(D1) 和間距1 cm的直切斷裂(D2) ，分析不同斷裂方式對秸稈復合管內壓力分布、滲水速率和出流速率的影響。

試驗通過馬氏瓶向秸稈復合管一端供水，工作壓力水頭50 cm，供水量30 L。秸稈復合管長90 cm，斷口位于距離進水口50 cm處。為控制秸稈復合管在亞克力管內的斷口間距不變，斷口處采用小木棍和細鐵絲固定，再用80目尼龍網紗包裹后放置于亞克力管內。以進水口為起點，沿秸稈復合管長度方向每隔10 cm設置一個觀測點，亞克力管正下方和側下方用5 mm的鉆頭開三排小孔，孔距2 cm，在每個觀測點的下方放置10 cm×20 cm×20 cm的長方體集水容器。試驗裝置如圖1所示(見 120頁)。

1.1.2 地埋出流試驗 地埋出流試驗采用3因素3水平的正交設計，選取斷裂方式(A)、工作壓力(B)、供水量(C)為試驗因素，其中，斷裂方式分別為斜切(45°) 、直切和自由(折斷) ，其中自由(折斷) 模擬田間應用過程中秸稈復合管直接斷成兩段的狀態，試驗過程中將秸稈復合管直接用手折斷成兩段。供水量分別為30、40、50 L，工作壓力水頭分別為30、50、70 cm，另設完整秸稈復合管作為對照處理(CK1) ，共設置10個處理，每個處理3次重復，分析不同斷裂方式對秸稈復合管內壓力水頭分布和滲水速率的影響。試驗方案見表1。試驗前開挖管溝(長150 cm、寬20 cm、深20 cm) ，將不同處理的秸稈復合管放置于管溝內，斷口位于距離進水口75 cm處，斷口間距均為1 cm，連接進水口、測壓管并封堵管尾，然后按自然容重回填。

1.2 測量指標與方法

秸稈復合管的自由出流試驗測量指標為壓力水頭、滲水速率和出流速率。因地埋出流試驗無法收集到秸稈復合管的出流水量，故無法測得出流速率，因而地埋試驗的測量指標為壓力水頭和滲水速率。

1.2.1 壓力水頭 秸稈復合管內各測點的壓力水頭采用自制U型測壓裝置測量，該裝置主要包括框架和塑料軟管兩部分，具體見圖2(見 120頁)。試驗開始前在相鄰軟管內注入兩種顏色的水，水柱高度相同，以進水口為起點，沿秸稈復合管長度方向每隔10 cm設置一個觀測點，將軟管接入各測點，開始供水后，每2 min觀測并記錄U型測壓裝置的水柱高差。

表1 地埋試驗方案Table 1 Underground test plan

1.2.2 滲水速率 試驗采用馬氏瓶供水，用稱重法計量滲入水量，自由出流試驗每隔3 min觀測并記錄馬氏瓶的重量變化；地埋出流試驗每隔2 min觀測并記錄馬氏瓶的重量變化。滲水速率計算公式如下：

(1)

式中，v滲為試驗中秸稈復合管的滲水速率(L·h-1)；t為試驗過程中的記錄時間間隔(min)；m為馬氏瓶的重量(kg)。

1.2.3 出流速率 自由出流試驗時，每隔2 min用電子天平稱量測點下方集水容器，分別計量對應測點的出水量，用于計算出流速率，出流速率的計算公式如下：

(2)

式中，v出為試驗中秸稈復合管的出流速率(L·h-1)；t為試驗過程中的記錄時間間隔(min)；m′表示量杯中水的重量(kg)。

1.3 數據處理

利用Microsoft Excel 2010處理數據，用Origin作圖，試驗采用直觀分析法和方差分析法，對試驗結果進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 自由出流條件下斷裂方式對秸稈復合管過水性能的影響

2.1.1 秸稈復合管內壓力分布 自由出流條件下，不同處理在穩定滲水時秸稈復合管內的壓力水頭分布見圖3。從圖3A中可以看出，間距1 cm的斜切(45°) 斷裂(D1) 下斷口處的壓力水頭曲線與斷口前后兩條曲線大致重合，這表明D1處理斷口前后秸稈復合管內壓力連續，水流可從斷口處通過。另外，由于斷裂的秸稈復合管放置于亞克力管內，亞克力管在一定程度上起到了引導水流通過斷口的作用。D1處理在21～27 min時間段壓力水頭發生突變，原因是在21～24 min時間段，D1處理斷口前的測壓管與秸稈復合管連接松動，造成水流從測壓管周圍涌出，管內壓力水頭下降，隨即進行緊急處理，經過處理后壓力水頭恢復上升狀態。

從圖3B可以看出，水流入滲至穩定滲水階段，各處理沿管長方向的壓力水頭分布均接近水平線。完整秸稈復合管(D0) 的穩定壓力水頭基本接近工作壓力水頭，平均為47.9 cm。斷裂狀態下秸稈復合管內壓力水頭均有所下降，D1、D2處理較D0的壓力水頭分別降低了11.6、14.4 cm，兩個處理大小關系依次為D2

2.1.2 秸稈復合管滲水情況 自由出流條件下各處理的滲水速率隨時間變化情況如圖4所示。由圖可知，在入滲穩定階段，D0、D1、D2的平均滲水速率分別為4.20、53.19、54.90 L·h-1，各處理的秸稈復合管滲水速率大小關系依次為D2>D1>D0；相同斷口間距下，D2處理的秸稈復合管滲水速率大于D1處理。

間距1 cm的直切斷裂(D2) 沿管長方向出流速率如圖5所示。從圖中可以看出，在秸稈復合管斷口(50 cm) 處的出流速率達到最大值24.5 L·h-1，出流速率沿斷口向兩端遞減。產生該現象的主要原因是，秸稈復合管完整時，水流從秸稈復合管的一端進入，其后在管內邊入滲邊向管段尾部流動，亞克力管各測點的出流量僅為從秸稈復合管中正常滲出的水量，而秸稈復合管存在斷裂時，亞克力管各測點的出流量由兩部分組成，一部分為水流通過秸稈復合管滲出的水量，另一部分為水流通過斷口進入亞克力管內的水量，距離斷口越近，出流量越大，距離斷口越遠，出流量越小。

2.2 埋入土壤后斷裂方式對秸稈復合管過水性能的影響

2.2.1 秸稈復合管內壓力分布 不同處理的秸稈復合管埋入土壤后，其管內穩定壓力水頭分布情況見圖6。從圖中可以看出，埋入土壤后，完整秸稈復合管(CK1) 的穩定壓力水頭高于斷裂秸稈復合管。在工作壓力50 cm水頭時，完整秸稈復合管內的壓力水頭由自由出流時的47.9 cm下降到33 cm左右，斷口間距1 cm的斜切(45°) 秸稈復合管內壓力水頭由自由出流時的36.3 cm下降到20 cm左右，斷口間距1 cm的直切斷裂秸稈復合管內壓力水頭由自由出流時的33.5 cm下降到13 cm左右。相比較來說，直切更不利于水流通過斷口。壓力水頭的下降是由于斷口處滲水較快，甚至有水流滲出地面，形成了出流通道，造成各測點的壓力下降。而斷口前后秸稈復合管內的壓力連續，說明在地埋條件下斷裂的秸稈復合管具備過水能力。分析其原因認為，秸稈復合管是以土壤為主要原材料制作而成的，在埋入土壤后，其密度大于埋管溝內的回填土壤及周圍的原狀土壤，從而形成了不同結構的土壤分層。當入滲水流到達這些土壤分界面時，由于秸稈復合管本身為相對密實的土壤，土壤毛管細小而土水勢較低，溝內回填土相對疏松而土水勢較高，從而阻礙了水流從管內向外運動，水流在管-土界面層會做短暫的停留后再繼續向外運動；當入滲水流到達溝內回填土與溝外原狀土界面時，由于溝內回填土壤相對疏松，其飽和導水率大于溝外原狀土，從而形成了相對的隔水層，水流在回填土與原狀土界面也將做短暫的停留。因此，在管-溝-土的共同作用下，使得秸稈復合管具備輸水功能。在秸稈復合管斷裂狀態下，當斷口間距較小時，在水流的作用下，可以形成新的通道，使得水流沿著斷裂的秸稈復合管繼續向前流動。

圖3 自由出流條件下秸稈復合管壓力水頭Fig.3 Pressure head in SCP under the condition of free discharge

圖4 自由出流條件下各處理的秸稈復合管滲水速率隨時間變化情況Fig.4 Change of seepage rate with time of SCP in each treatment under the condition of free discharge

圖5 間距1 cm的直切斷裂沿管長方向的出流速率分布狀況Fig.5 Distribution of flow velocity along the pipe with the straight cut fracture with a spacing of 1 cm

圖2 自制簡易U型測壓裝置Fig.2 Self-made simple U-shaped pressure measuring device

圖6 地埋條件下秸稈復合管內壓力水頭分布Fig.6 Distribution of pressure head in buried SCP

試驗結束一周后，從側面將其挖開觀測過水之后秸稈復合管斷口處的狀況，以斜切(45°) 為例，過水后斷口處狀態見圖7。從圖中能明顯看到，秸稈復合管斷口處已與周圍泥土結合形成新的通道，將周邊泥土稍加清理，依舊可以看出當初的斜切(45°) 斷口。

圖7 過水后斜切(45°) 斷裂狀態Fig.7 State of inclined cut (45°) fracture after the flow

依據斷裂方式的不同，分析各個斷裂方式下秸稈復合管內穩定壓力水頭，如表2所示，3種斷裂方式中,直切最不利于水流通過斷口，斜切(45°) 和自由(折斷) 對水流通過斷口的影響次之。

工作壓力為30 cm水頭時，自由斷裂較其他兩種斷裂方式的穩定壓力水頭都高；工作壓力為70 cm水頭時，不同處理的穩定壓力水頭較工作壓力為50 cm水頭時相差不大，這表明工作壓力并不是越大越有利于水流通過斷口，當工作壓力超出一定范圍(試驗中的50 cm水頭) 時，大量的水將從斷口處涌出到地面，形成管涌，管內壓力大量流失，反而更不利于水流通過斷口。綜合分析，建議有斷裂狀況的秸稈復合管的工作壓力不超過50 cm水頭。

2.2.2 秸稈復合管滲水情況 不同處理的秸稈復合管埋入地下，其滲水速率隨時間變化情況見圖8。從圖8B中可以看出，開始供水時，各處理秸稈復合管的滲水速率最大，隨著時間的增加而逐漸減小并趨于穩定。秸稈復合管埋入土壤后，CK1處理的滲水速率穩定在14.42 L·h-1左右，遠小于其他處理，在斷裂狀態下，處理T2、T5、T8平均滲水速率分別為59.18、56.35、48.30 L·h-1，不同斷裂方式下的滲水速率大小關系依次為斜切(45°) >直切>自由(折斷) 。在工作壓力50 cm水頭時，地埋完整秸稈復合管的平均滲水速率較自由出流擴大了3.43倍，地埋間距1 cm的直切斷裂的平均滲水速率較自由出流擴大了1.03倍，地埋間距1 cm的斜切(45°) 斷裂的平均滲水速率較自由出流擴大了1.11倍，這說明秸稈復合管與周圍回填土、原狀土的共同作用提高了滲水速率。

由圖8A可以看出，工作壓力為30 cm水頭時，不同斷裂方式下的滲水速率大小關系依次為自由(折斷) >斜切(45°) >直切；由圖8C可以看出，工作壓力為70 cm水頭時，不同斷裂方式下的滲水速率大小關系依次為斜切(45°) >直切>自由(折斷) 。

2.3 斷裂狀態下秸稈復合管水力性能分析

出流狀態、斷裂方式、工作壓力、供水量等因素均影響秸稈復合管的水力性能，為了分析各因素對其滲水速率影響的顯著性，對埋入土壤后秸稈復合管的滲水速率進行極差和方差分析，結果見表3。其中滲水速率為3次重復試驗的平均值。

表2 不同處理下秸稈復合管內穩定壓力水頭/cmTable 2 Stable pressure head in SCP under different treatments

圖8 地埋條件下不同工作壓力水頭秸稈復合管的滲水速率Fig.8 Water seepage rate of SCP with different working pressure heads under buried condition

表3 各因素的極差和方差分析表Table 3 Extreme difference and analysis of variance of each factor

從表3可知，各因素對平均滲水速率影響的主次順序為：工作壓力>供水量>斷裂方式。工作壓力水頭越小，平均滲水速率越小；從斷裂方式比較，斜切(45°) 的滲水速率要大于直切和自由(折斷) 。

由表3可知，3個因素的F值均小于F0.05，這表明斷裂方式、工作壓力和供水量對秸稈復合管的滲水速率均無顯著性影響。造成試驗因素不顯著可能有兩方面的原因，一方面可能是田間試驗周期較長，在指標測定和數據處理中存在自然因素和認為主觀因素的干擾，產生偶然誤差；另一方面可能是試驗中斷口間距(1 cm) 較小，由于秸稈復合管管材的特性，水流通過斷口時能夠和周圍土壤結合形成過水通道，向后方正常輸送水流，導致在入滲過程中其他因素對滲水速率的影響不顯著。

本研究中，秸稈復合管的滲水速率不受供水量的影響，作物在不同生育期的需水量差別較大，具體表現為前期需水量相對較少，中期達到最大，后期又減少，這意味著斷裂狀態下的秸稈復合管在不同灌溉季節下的灌水需求都可以滿足。

3 討 論

本文對秸稈復合管在不同斷裂方式下的水力性能進行了初步探索，地埋條件下，在管-溝-土的協同作用下，斷裂的秸稈復合管具備過水能力，在水流的作用下，秸稈復合管斷口處可與周圍泥土結合形成新的通道，水流可通過斷口繼續向后方輸送，表明秸稈復合管在斷裂狀態下可以滿足地下灌溉的要求。除文中3種斷裂方式外，為討論斷口間距對秸稈復合管水力性能的影響，還增加了間距6 cm的直切斷裂(D3) 試驗。在入滲穩定階段，D3的穩定壓力水頭為29.3 cm，較D0的壓力水頭降低了18.6 cm；D3的平均滲水速率為85.60 L·h-1。分析可得斷口間距對秸稈復合管內壓力分布、滲水速率的影響比斷裂方式更為明顯，斷口間距越大，水流經過斷口處的水頭損失越大，越不利于水流通過斷口向后輸水。由此可以推測，當斷口間距超過一定范圍后，水流將從斷口處直接流出，不再繼續流向斷口以后的管道。在生產應用時，應注意斷口間距大小，避免斷口間距過大影響整體灌水效果。另外，本文僅針對不同斷裂方式的秸稈復合管進行了3次灌水，作物生育期內多次灌水后斷裂方式對秸稈復合管水力性能的影響還有待進一步研究。

4 結 論

1) 自由出流條件下，斷裂秸稈復合管內壓力水頭均有所下降，D1、D2處理較D0的壓力水頭47.9 cm分別降低了11.6、14.4 cm，兩個處理大小關系為D2

2) 地埋條件下，完整秸稈復合管的穩定壓力水頭高于斷裂秸稈復合管；不同斷裂方式下秸稈復合管內壓力分布大小關系為直切<斜切(45°)<自由(折斷) ；不同斷裂方式下秸稈復合管滲水速率大小關系為斜切(45°)>直切>自由(折斷) ；與直切和斜切(45°) 相比，自由斷裂對水流通過斷口時的影響較小。

3) 地埋條件下，管內壓力隨工作壓力的增加呈倒U形分布，表明工作壓力增大到一定程度(試驗中大于50 cm水頭) 時，斷口處水流增大，甚至出現管涌，管內壓力不升反降，斷口前后的水流連續性變差。因此本研究中，斷裂秸稈復合管的工作壓力推薦采用50 cm水頭。在秸稈復合管應用過程中可能出現多種斷裂方式，只要間距不超過試驗中的1 cm范圍，對其灌水效果都沒有明顯影響。