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第六章 物理規格對 PVFM 負壓滲水性能的影響

負壓灌水器是負壓灌溉系統的關鍵部分，其能否高效利用不僅與材料種類有關，也與其設計規格有關?，F如今對于負壓滲水器的研究主要集中在陶土、陶瓷類無機材料滲水器。鄒朝望等（2007）總結指出，陶土類材料應用于負壓灌溉滲透性太小，滲水量不能滿足作物需水要求，當水質差時易被堵塞，在此基礎上他又研究出不同規格的中空圓盤式供水盤和中空弧形陶瓷供水器，且證實可在負壓灌溉裝置中應用。趙亞楠等（2011）也利用多孔陶土板作為負壓灌水器進行研究。無論是盤狀滲水器還是板狀滲水器，都有易碎、韌性差、滲水速率慢的缺點，因此我們考慮本文中提出的，用有機材料 PVA 與甲醛縮合而成的有機高分子化合物 PVFM 為基體，設計制備成不同規格的新型的 PVFM 滲水器，希望能利用該材料較好的親水性、優良的吸水能力、有小孔為主大孔為輔的泡孔結構、較好的化學穩定性（王光釗等，2007）及抗磨損性能，實現其在負壓灌溉中的高效運行。下文通過觀測不同形狀規格的 PVFM 滲水器在不同負壓條件下的累積入滲量、土壤含水量、濕潤峰運移狀況等，以篩選出一種可行的 PVFM 負壓滲水器規格，為 PVFM負壓灌水器的規?；褂玫於ɑA。

6.1 試驗設計

6.1.1 參與實驗的滲水器規格

實驗時首先按照第三章中討論出的配比制備出 PVFM 滲水器，測得所制 PVFM 的發泡點值為 50.5kPa。參與對照的陶瓷頭滲水器是由專業廠家批量生產，測得發泡點值為 35.3kPa。制備出的材料規格如表 6.1。

表 6.1 不同負壓滲水材料的規格

6.1.2 觀測項目

1、土壤水分一維運移的觀測

首先在-0kPa 與-5kPa 下測定六種滲水器單位面積的累積入滲量，并描繪濕潤峰，再將單位面積累積入滲量較大的 PVFM 灌水器與陶瓷頭進一步進行-10kPa、-20kPa 下單位面積累積入滲量、土壤含水量的測定。

2、土壤水分三維運移的觀測

由于三維土柱實驗能更加直觀地觀察水分在土體空間中的運移狀況，因此在一維水分運移的基礎上，針對單位面積累計入滲量較大的 PVFM 滲水器和陶瓷頭，進一步觀察二者在負壓供水條件下水分在三維空間中的濕潤峰運移 。

6.2 結果分析

6.2.1 一維條件下 PVFM 滲水器與陶瓷頭滲水性能的比較

1、不同規格 PVFM 滲水器與陶瓷頭單位面積累積入滲量的變化

由圖 6.1 可以看出，在小于 40h 的相同時間內，-0kPa 下陶瓷頭與 5 種不同規格的 PVFM 滲水器單位面積累積入滲量由高到低依次為：15×3cm 空心 PVFM、陶瓷頭、15×3cm 實心 PVFM、15×1.8cm 實心 PVFM、10×1.8cm 實心 PVFM、20×1.8cm 實心 PVFM；-5kPa 下單位面積的累積入滲量由高到低依次為：15×3cm 空心 PVFM、陶瓷頭、15×3cm 實心 PVFM、10×1.8cm 實心 PVFM、15×1.8cm 實心 PVFM、20×1.8cm 實心 PVFM。且同一負壓下入滲相同時間，15×3cm 空心 PVFM與陶瓷頭二者的累積入滲量遠大于其它 4 種規格的 PVFM 灌水器，并且此二者在-0kPa 或-5kPa下的累積入滲量表現相近。

將外徑均為 1.8cm、實心、長度不同的三種 PVFM 材料進行對比，-0kPa 時，長度為 10cm 與長度 15cm 的二者相同時間內單位面積的累積入滲量相當，都高于長為 20cm 的 PVFM；-5kPa 時，同一時間內單位面積累積入滲量隨著滲水器長度的增加而減小。將外徑均為3cm、長度均為15cm、實心空心兩種不同的 PVFM 材料對比，發現-0kPa 時，2h 內空心 PVFM 單位面積累積入滲量為5.10×10-3L，實心 PVFM 僅為 1.00×10-3L，前者是后者 5 倍；-5kPa 時，8h 內空心 PVFM 單位時間內累積入滲量為 2.50×10-3L，實心 PVFM 為 5.00×10-4L，前者仍為后者的 5 倍，可見相同時間內空心滲水器的入滲量明顯大于實心。

圖 6.1 不同規格 PVFM 滲水器與陶瓷頭的累積入滲量

2、一維條件下將滲水器水平放置時的濕潤峰運移狀況

在一維土箱中每過一定時間對濕潤峰運移位置進行描繪，如圖 6.2 所示?？梢钥闯鱿嗤瑫r間內15×3cm空心PVFM的濕潤峰運移速度最快，陶瓷頭其次，15×3cm實心PVFM再次，而10×1.8cm實心 PVFM、15×1.8cm 實心 PVFM、20×1.8cm 實心 PVFM 的水分運移最慢，這種現象也與其累積入滲量的規律一致。

對于直徑為 1.8cm、實心、但長度不同這組 PVFM 滲水器來說，同一 PVFM 滲水器的濕潤峰上下運移幅度差別不大，-0kPa 時長度為 15cm 的 PVFM 表現為隨著時間的推移濕潤峰向下運移的幅度更廣，這可能與填土不均勻造成。-0kPa 時，長度為 15cm 的 PVFM 滲水器在土壤中的濕潤峰運移范圍最廣，長度為 10cm 的運移范圍次之，長度為 20cm 的運移范圍最小。但從水分從滲水器表面向外擴散的均勻度來看，長度為 10cm 的 PVFM 滲水器在土壤中滲水最為均勻，長度為 15cm 的 PVFM 滲水器次之，長度為 20cm 的 PVFM 滲水器最差，可見-0kPa 時，規律表現為隨著 PVFM 滲水器長度的增長，水分從滲水器的擴散愈發不均勻，即 PVFM 與負壓管相距較遠的一端形成的濕潤峰窄，滲水器長度越長，遠端濕潤峰就越窄。這是由于滲水器是實心，水分由滲水器的一端遷移到另一端的過程中就開始向土壤中擴散，因此流到滲水器遠端的水分減少，而滲水器與負壓管連接的一端與水源接觸近，水分可以很快滲出，形成的濕潤峰范圍廣。在-5kPa下，三種不同長度的 PVFM 滲水器的濕潤峰運移范圍均較窄，都要小于-0kPa 下的濕潤范圍，且三者的濕潤峰運移范圍相差較小，相比之下，長度為 10cm 的 PVFM 滲水器的濕潤峰運移范圍較大，15cm 與 20cm 的濕潤范圍最小并且相差不大。在-5kPa 下，隨著 PVFM 滲水器長度的增長，其濕潤峰在遠端越窄的現象并不明顯。這可能是負壓降低，負壓管內的水吸力增強，土體更難從滲水器表面吸水，使整個滲水過程變慢，相對而言水分在土體中再遷移的時間增加，所以近負壓管端與遠離負壓管端的差異減小，并且由于 PVFM 的親水性強，水分在其自身內部的擴散可能較其向土壤中的擴散快，使 PVFM 兩端的水分相差不大，因此兩端濕潤峰的差異較-0kPa 小。

對陶瓷頭、15×3cm 實心 PVFM、15×3cm 空心 PVFM 這三種滲水性能較好規格的滲水器進行比較，可以看出三者在不同負壓下濕潤峰向下運移的幅度要大于向上運移的幅度，這一現象在累積入滲量高的陶瓷頭與 15×3cm 空心 PVFM 二者上尤為突出，表現為垂直向下運移的距離是垂直向上運移距離的 2 倍。相同外徑與長度的實心與空心滲水器的濕潤峰運移范圍在不同壓強下差別均較大，以向下運移距離進行比較，在-0kPa 下外徑 3cm 的實心 PVFM 濕潤峰運移至 20cm 處用時約6h，而對于相同外徑但是空心的PVFM滲水器僅需要20min濕潤峰即可達到相同位置，-10kPa下實心滲水器用時 9h 可運移至 12cm 處，而空心滲水器僅需 2h，由此可以看出，空心滲水器能夠在更短時間內實現更大的水分運移范圍。將兩種不同材質的空心滲水器進行比較，可以看出-0kPa 時，濕潤峰運移至相同位置時 PVFM 所需時間明顯較陶瓷頭短，濕潤峰向下運移至 30cm時，陶瓷頭用時 3h 而 PVFM 僅需 40min；-5kPa 時二者的差距減小，向下運移至 30cm 的位置時，二者用時相近，若將該空心 PVFM 的長度設計成與陶瓷頭相同，那么可以推知 PVFM 的滲水量更大，水分運移范圍也會更廣。

3、較優 PVFM 滲水器與陶瓷頭在不同負壓下累積入滲量的變化

15×3cm 空心 PVFM 灌水器與陶瓷頭單位面積累積入滲量最高，且二者入滲曲線近似，因此將二者在更多負壓水平下進行對比研究。由圖 6.3，-0kPa 下入滲 2h，單位面積 PVFM 入滲量為0.0064L，陶瓷頭入滲量為 0.0039L，-5kPa 下入滲 4h，單位面積 PVFM 入滲量為 0.0020L，陶瓷頭入滲量為 0.0016L，而-10kPa 下入滲 2d，單位面積 PVFM 入滲量為 0.0009L，陶瓷頭入滲量為0.0008L，-20kPa 下入滲 2d，單位面積 PVFM 和陶瓷頭入滲量均在 0.0002L 左右?？梢?，不同負壓下相比較，PVFM 和陶瓷頭單位面積累積入滲量均隨著所控負壓的降低而下降；兩種不同質地的滲水器相比較，-0kPa 時 15×3cm 空心 PVFM 滲水器在入滲相同時間時的單位面積累積入滲量明顯高于陶瓷頭，隨著負壓的降低，二者累積入滲量的差異逐漸降低，但 PVFM 在相同時間內單位面積累積入滲量始終大于陶瓷頭。

圖 6.3 不同負壓下 PVFM 與陶瓷頭累積入滲量的變化趨勢（a,b,c,d 分別代表-0kPa、-5kPa、-10kPa、-20kPa）

單位面積累積入滲量 Q 與時間 t 的關系可用冪函數 Q=atb擬合（a、b 為擬合參數），具有很高的相關性，相關系數均大于 0.98，具體擬合參數見表 6.2。由圖 6.4 觀察擬合參數 a、b 在不同負壓下的變化，可以看出，參數 a 由-0kPa 到-5kPa 迅速降低，而-5kPa 到-20kPa 下降緩慢，且-5kPa到-20kPa 之間 PVFM 與陶瓷頭的 a 曲線幾乎重合，可見參數 a 在一定程度上受負壓的影響。相同負壓下 PVFM 的參數 a 較陶瓷頭的稍高，表明同一負壓下某一時間內 PVFM 的累積入滲量高于陶瓷頭。b 參數曲線也隨著負壓的降低有一定程度的下降，但下降程度較 a 曲線更為緩慢，尤其是從-0kPa 到-5kPa 的變化也比較平緩，且 PVFM 與陶瓷頭二者的 b 曲線不重合。同一材料的參數 b 在不同負壓下無明顯變化，說明參數 b 受負壓的影響小，不同負壓下兩種不同滲水器累積入滲量隨時間變化的趨勢相近。參數 b 均小于 1，當時間趨近于無窮時，Q 對 t 的導數為 0，說明隨著時間推移 Q 將趨向于穩定，即水分不再入滲。

表 6.2 累積入滲量\\(Q\\)隨時間\\(t\\)的變化關系

圖 6.4 擬合參數 a、b 隨負壓的變化趨勢

4、較優 PVFM 滲水器與陶瓷頭在不同負壓下土壤含水量的變化

由圖6.5，距離滲水器上下約10cm的范圍內，-0kPa時，PVFM的土壤含水量在29.0%~30.8%，陶瓷頭的土壤含水量范圍在 25.8%~30.9%；-5kPa 時，PVFM 的土壤含水量范圍在 15.7%~21.9%，陶瓷頭的土壤含水量范圍在 16.0%~22.1%；-10kPa 時，PVFM 的土壤含水量范圍在 11.5%~15.3%，陶瓷頭的土壤含水量范圍在 8.1%~14.6%；-20kPa 時，PVFM 的土壤含水量范圍在 4.6%~10.8%，陶瓷頭的土壤含水量范圍在 5.6%~10.3%?？梢?，相同負壓下，PVFM 與陶瓷頭的土壤含水量范圍差別不大，但相同位置各點的土壤含水量有所不同，多數情況下 PVFM 較陶瓷頭的土壤含水量高；同一負壓 PVFM 與陶瓷頭在 x 軸上土壤含水量表現幾乎一致，說明了負壓控制系統的穩定性，可以通過控制負壓來維持滲水器內外穩定的土水勢差；不同負壓下的土壤含水量差別較大，以最大土壤含水量相比，PVFM-5kPa 較-0kPa 低 8.9%，-10kPa 較-5kPa 低 6.6%，-20kPa 較-10kPa 低4.5%，陶瓷頭-5kPa 較-0kPa 低 8.8%，-10kPa 較-5kPa 低 7.5%，-20kPa 較-10kPa 低 4.3%。

圖 6.5 不同負壓下 PVFM 與陶瓷頭所產生的土壤含水量變化

6.2.2 三維條件下較優 PVFM 與陶瓷頭在不同負壓下的濕潤峰運移狀況

由圖 6.6，從濕潤體形狀上看，PVFM 在土壤中形成的濕潤體形狀接近于橢球體，上下水分的滲透較為均勻，而陶瓷頭更接近于“一頭大，一頭小”的紡錘體。從濕潤距離來看，陶瓷頭與 PVFM均表現為壓強越低，水分運移越慢，入滲相同時間的水平濕潤距離與垂直濕潤距離均呈減小趨勢。

相同負壓下二者相比，PVFM 較陶瓷頭稍快，-0kPa 下，PVFM 入滲 1h 的水平濕潤距離約為 22cm，垂直濕潤距離約為 25cm，而陶瓷頭入滲 1h 的水平濕潤距離約為 7cm，垂直濕潤距離約為 9cm；-5kPa 下，PVFM 入滲 6h 的水平濕潤距離約為 9cm，垂直濕潤距離約為 9cm，而陶瓷頭入滲 6h的水平濕潤距離約為 7cm，垂直濕潤距離約為 3cm；-10kPa 下，PVFM 入滲 0.5d 的水平濕潤距離約為 7cm，垂直濕潤距離為 6cm，而陶瓷頭入滲 1d 的水平濕潤距離為 2cm，垂直濕潤距離為 2cm；-20kPa 下，入滲 6dPVFM 與陶瓷頭的水平濕潤距離均約為 4cm，垂直濕潤距離均約為 2cm?？梢姰攭簭?-20kPa 時，15×3cm 空心 PVFM 的水平濕潤距離與垂直濕潤距離均大于陶瓷頭，這也與上文中一維條件下相同時間累積入滲量的結果相符，說明 PVFM 的水分運移較陶瓷頭快，可以在較短時間內形成更大的土壤濕潤體。到-20kPa 時二者的水平濕潤距離與垂直濕潤距離幾乎一致，可能是 PVFM 在過低負壓發生形變有關。

圖 6.6 不同負壓下 PVFM（a）與陶瓷頭（b）濕潤峰的動態變化過程

6.3 討論

（1）空心 PVFM 滲水器可以更好滿足常見作物所需的負壓條件

李邵等（2008；2010）運用陶瓷類滲水器測定了小麥苗期、黃瓜、菠菜、大豆、番茄、觀賞辣椒的最適土壤水吸力范圍為 8~10、3~5、2~4、5~7、4~7、5~7kPa。黃瓜在苗期時，3～13kPa土壤水吸力下生長速率高，初花期時，11kPa 與 13kPa 處理的土壤水分值已不能滿足其生長對水分的需求，3～9kPa 的土壤水吸力下其生長速率都較高。萬克江等（2005）也運用陶土類滲水器研究不同負壓對小麥的影響，發現負壓在-8～-10kPa，小麥的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率出現峰值。由此可見，負壓主要控制在-5kPa~-10kPa，在陶瓷、陶土類滲水器控制下可以滿足常見作物生長所需水量，在此負壓范圍內，空心 PVFM 滲水器在相同時間內單位面積累積入滲量較陶瓷頭高，因此該空心 PVFM 滲水器能夠更及時地補充作物所需的水分。

（2）空心 PVFM 可以替代陶瓷頭用來測定低吸力階段的土壤水分特征曲線

根據上文圖 6.5 中不同負壓下 x 軸位置的土壤含水量可以繪制出低吸力階段的土壤水分特征曲線，如圖 6.7。從圖中可以看出，土壤水吸力越大，土壤含水量越低，并且 PVFM 與陶瓷頭所測得的土壤水分特征曲線極為相似。通常土壤水分特征曲線用張力計法（Alessandro T et al.，2008）進行測定，其中張力計插入土壤的部分是一種多孔材料，現多用陶瓷頭制得，由此可以推斷，PVFM也可以作為一種多孔材料來測定土壤水分特征曲線。

圖 6.7 PVFM 和陶瓷頭所測定的土壤水分特征曲線

（3）空心 PVFM 能夠控制更廣的土壤水分空間

從土壤含水量來看，-5kPa～-10kPa 時空心 PVFM 與陶瓷頭的土壤含水量隨與滲水器距離的增大而降低，相同位置的點 PVFM 的所產生的土壤含水量高于陶瓷頭，在土壤含水量最大值點二者幾乎一致，說明所控負壓與土水勢的相關性：負壓不變，土水勢達到平衡，當由于蒸散或作物吸水導致土水勢降低時，該平衡被打破，負壓降低，在裝置的自動調節下使負壓恢復至設定值，土水勢重新達到平衡。查閱相關文獻可知，作物適宜的土壤含水量占田間持水量的 60%～75%（方文松等，2010；李進平等，2007）為宜，根據供試土壤田間持水量為 36.5%，將本文-5kPa、-10kPa下 PVFM 及陶瓷頭的土壤含水量換算成相對土壤含水量，即-5kPa 下 PVFM 為 43.0%～60.0%，陶瓷頭為 43.8%～60.5%，-10kPa 下 PVFM 為 31.5%～41.9%，陶瓷頭為 22.2%～40.0%，在提高水分利用效率的基礎上基本能夠滿足作物生長需要。從一維角度的濕潤峰運移狀況看，陶瓷頭與空心 PVFM 差別并不大，但二者水分向下運移明顯，且作物通過根系吸收的水分中 40%是由根系最上 1/4 部分吸收的（Thomas F. Scherer et al.，2013），據此滲水器應布置在作物根系的上部；從三維角度的濕潤峰運移狀況看，-5kPa 時，PVFM 與陶瓷頭入滲 1h，最大水平濕潤距離前者為后者的 1.3 倍，最大垂直濕潤距離前者為后者的 3.7 倍，到 6h 時，最大水平濕潤距離前者為后者 1.3倍，最大垂直濕潤距離前者為后者 3 倍，到-10kPa 時，二者運移距離的差異非常明顯，PVFM 入滲 0.5d 的最大水平濕潤距離與最大垂直濕潤距離均超過陶瓷頭 6d 的最大水平濕潤距離與最大垂直濕潤距離，可見空心 PVFM 可以濕潤更大的土體，控制更廣的土壤水分空間，這就有利于作物根系擴展，更好地吸收養分。究其原因可能是 PVFM 與土壤結合較陶瓷頭更為緊密。

綜合以上三點，15×3cm 空心 PVFM 滲水器的滲水性能優于陶瓷頭，它能在相同時間內產生更高的累積入滲量，同一空間范圍內有更高的土壤含水量，同一時間內能夠控制更廣的水分空間范圍。除此之外，它自身還具有韌性大、親水性高、吸水能力強等優點，可見這種空心 PVFM 滲水器應用到負壓灌溉中具有相當的可行性。

6.4 小結

（1）物理規格對 PVFM 的負壓滲水性能影響明顯。相同長度和外徑，空心 PVFM 滲水器的入滲量遠大于實心，-0kPa 下入滲 2h 或-5kPa 下入滲 8h，空心滲水器的入滲量均是實心的 5 倍，且濕潤峰的運移范圍也更廣；實心 PVFM 滲水器其單位面積累積入滲量隨著長度的增加而降低。

（2）不同負壓下空心 PVFM 和陶瓷頭的累積入滲量隨時間的變化趨勢均可用冪函數 Q=atb來擬合，參數 a 受負壓變化的影響大，隨著負壓的降低而減??；參數 b 受負壓的影響較小。

（3）空心 PVFM 滲水器的負壓滲水能力優于陶瓷頭。不同負壓下，空心 PVFM 單位面積的累積入滲量高于陶瓷頭；空心 PVFM 較陶瓷頭能夠控制更廣的土壤水分空間，經過相同時間 PVFM產生的土壤濕潤體較陶瓷頭稍大。

（4）空心 PVFM 可以代替陶瓷頭進行土壤水分特征曲線的測定。相同負壓時，用二者所確定的土壤水分特征曲線極為近似。

（5）在常見作物生長適宜的-5kPa 和-10kPa 土壤水吸力下，15×3cm 空心 PVFM 滲水器可以以較大滲水量來滿足作物需要，進一步證實了它作為負壓滲水器的可行性。