物理规格对PVFM负压渗水性能的影响

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　　【题目】PVFM负压渗水材料的研制探究
　　【第一章】PVFM负压渗水材料制备与性能分析绪论
　　【第二章】PVFM材料与方法
　　【第三章】原料配比对PVFM负压渗水性能的影响
　　【第四章】不同反应条件对PVFM负压渗水性能的影响
　　【第五章】不同助剂对PVFM负压渗水性能的影响
　　【第六章】物理规格对PVFM负压渗水性能的影响
　　【总结/参考文献】制备PVFM负压渗水材料的可行性研究总结与参考文献

　　第六章 物理规格对 PVFM 负压渗水性能的影响

　　负压灌水器是负压灌溉系统的关键部分，其能否高效利用不仅与材料种类有关，也与其设计规格有关。现如今对于负压渗水器的研究主要集中在陶土、陶瓷类无机材料渗水器。邹朝望等（2007）总结指出，陶土类材料应用于负压灌溉渗透性太小，渗水量不能满足作物需水要求，当水质差时易被堵塞，在此基础上他又研究出不同规格的中空圆盘式供水盘和中空弧形陶瓷供水器，且证实可在负压灌溉装置中应用。赵亚楠等（2011）也利用多孔陶土板作为负压灌水器进行研究。无论是盘状渗水器还是板状渗水器，都有易碎、韧性差、渗水速率慢的缺点，因此我们考虑本文中提出的，用有机材料 PVA 与甲醛缩合而成的有机高分子化合物 PVFM 为基体，设计制备成不同规格的新型的 PVFM 渗水器，希望能利用该材料较好的亲水性、优良的吸水能力、有小孔为主大孔为辅的泡孔结构、较好的化学稳定性（王光钊等，2007）及抗磨损性能，实现其在负压灌溉中的高效运行。下文通过观测不同形状规格的 PVFM 渗水器在不同负压条件下的累积入渗量、土壤含水量、湿润峰运移状况等，以筛选出一种可行的 PVFM 负压渗水器规格，为 PVFM负压灌水器的规模化使用奠定基础。

　　6.1 试验设计

　　6.1.1 参与实验的渗水器规格

　　实验时首先按照第三章中讨论出的配比制备出 PVFM 渗水器，测得所制 PVFM 的发泡点值为 50.5kPa。参与对照的陶瓷头渗水器是由专业厂家批量生产，测得发泡点值为 35.3kPa。制备出的材料规格如表 6.1。

表 6.1 不同负压渗水材料的规格

　　6.1.2 观测项目

　　1、土壤水分一维运移的观测

　　首先在-0kPa 与-5kPa 下测定六种渗水器单位面积的累积入渗量，并描绘湿润峰，再将单位面积累积入渗量较大的 PVFM 灌水器与陶瓷头进一步进行-10kPa、-20kPa 下单位面积累积入渗量、土壤含水量的测定。

　　2、土壤水分三维运移的观测

　　由于三维土柱实验能更加直观地观察水分在土体空间中的运移状况，因此在一维水分运移的基础上，针对单位面积累计入渗量较大的 PVFM 渗水器和陶瓷头，进一步观察二者在负压供水条件下水分在三维空间中的湿润峰运移 。

　　6.2 结果分析

　　6.2.1 一维条件下 PVFM 渗水器与陶瓷头渗水性能的比较

　　1、不同规格 PVFM 渗水器与陶瓷头单位面积累积入渗量的变化

　　由图 6.1 可以看出，在小于 40h 的相同时间内，-0kPa 下陶瓷头与 5 种不同规格的 PVFM 渗水器单位面积累积入渗量由高到低依次为：15×3cm 空心 PVFM、陶瓷头、15×3cm 实心 PVFM、15×1.8cm 实心 PVFM、10×1.8cm 实心 PVFM、20×1.8cm 实心 PVFM；-5kPa 下单位面积的累积入渗量由高到低依次为：15×3cm 空心 PVFM、陶瓷头、15×3cm 实心 PVFM、10×1.8cm 实心 PVFM、15×1.8cm 实心 PVFM、20×1.8cm 实心 PVFM。且同一负压下入渗相同时间，15×3cm 空心 PVFM与陶瓷头二者的累积入渗量远大于其它 4 种规格的 PVFM 灌水器，并且此二者在-0kPa 或-5kPa下的累积入渗量表现相近。

　　将外径均为 1.8cm、实心、长度不同的三种 PVFM 材料进行对比，-0kPa 时，长度为 10cm 与长度 15cm 的二者相同时间内单位面积的累积入渗量相当，都高于长为 20cm 的 PVFM；-5kPa 时，同一时间内单位面积累积入渗量随着渗水器长度的增加而减小。将外径均为3cm、长度均为15cm、实心空心两种不同的 PVFM 材料对比，发现-0kPa 时，2h 内空心 PVFM 单位面积累积入渗量为5.10×10-3L，实心 PVFM 仅为 1.00×10-3L，前者是后者 5 倍；-5kPa 时，8h 内空心 PVFM 单位时间内累积入渗量为 2.50×10-3L，实心 PVFM 为 5.00×10-4L，前者仍为后者的 5 倍，可见相同时间内空心渗水器的入渗量明显大于实心。

图 6.1 不同规格 PVFM 渗水器与陶瓷头的累积入渗量

　　2、一维条件下将渗水器水平放置时的湿润峰运移状况

　　在一维土箱中每过一定时间对湿润峰运移位置进行描绘，如图 6.2 所示。可以看出相同时间内15×3cm空心PVFM的湿润峰运移速度最快，陶瓷头其次，15×3cm实心PVFM再次，而10×1.8cm实心 PVFM、15×1.8cm 实心 PVFM、20×1.8cm 实心 PVFM 的水分运移最慢，这种现象也与其累积入渗量的规律一致。

　　对于直径为 1.8cm、实心、但长度不同这组 PVFM 渗水器来说，同一 PVFM 渗水器的湿润峰上下运移幅度差别不大，-0kPa 时长度为 15cm 的 PVFM 表现为随着时间的推移湿润峰向下运移的幅度更广，这可能与填土不均匀造成。-0kPa 时，长度为 15cm 的 PVFM 渗水器在土壤中的湿润峰运移范围最广，长度为 10cm 的运移范围次之，长度为 20cm 的运移范围最小。但从水分从渗水器表面向外扩散的均匀度来看，长度为 10cm 的 PVFM 渗水器在土壤中渗水最为均匀，长度为 15cm 的 PVFM 渗水器次之，长度为 20cm 的 PVFM 渗水器最差，可见-0kPa 时，规律表现为随着 PVFM 渗水器长度的增长，水分从渗水器的扩散愈发不均匀，即 PVFM 与负压管相距较远的一端形成的湿润峰窄，渗水器长度越长，远端湿润峰就越窄。这是由于渗水器是实心，水分由渗水器的一端迁移到另一端的过程中就开始向土壤中扩散，因此流到渗水器远端的水分减少，而渗水器与负压管连接的一端与水源接触近，水分可以很快渗出，形成的湿润峰范围广。在-5kPa下，三种不同长度的 PVFM 渗水器的湿润峰运移范围均较窄，都要小于-0kPa 下的湿润范围，且三者的湿润峰运移范围相差较小，相比之下，长度为 10cm 的 PVFM 渗水器的湿润峰运移范围较大，15cm 与 20cm 的湿润范围最小并且相差不大。在-5kPa 下，随着 PVFM 渗水器长度的增长，其湿润峰在远端越窄的现象并不明显。这可能是负压降低，负压管内的水吸力增强，土体更难从渗水器表面吸水，使整个渗水过程变慢，相对而言水分在土体中再迁移的时间增加，所以近负压管端与远离负压管端的差异减小，并且由于 PVFM 的亲水性强，水分在其自身内部的扩散可能较其向土壤中的扩散快，使 PVFM 两端的水分相差不大，因此两端湿润峰的差异较-0kPa 小。

　　对陶瓷头、15×3cm 实心 PVFM、15×3cm 空心 PVFM 这三种渗水性能较好规格的渗水器进行比较，可以看出三者在不同负压下湿润峰向下运移的幅度要大于向上运移的幅度，这一现象在累积入渗量高的陶瓷头与 15×3cm 空心 PVFM 二者上尤为突出，表现为垂直向下运移的距离是垂直向上运移距离的 2 倍。相同外径与长度的实心与空心渗水器的湿润峰运移范围在不同压强下差别均较大，以向下运移距离进行比较，在-0kPa 下外径 3cm 的实心 PVFM 湿润峰运移至 20cm 处用时约6h，而对于相同外径但是空心的PVFM渗水器仅需要20min湿润峰即可达到相同位置，-10kPa下实心渗水器用时 9h 可运移至 12cm 处，而空心渗水器仅需 2h，由此可以看出，空心渗水器能够在更短时间内实现更大的水分运移范围。将两种不同材质的空心渗水器进行比较，可以看出-0kPa 时，湿润峰运移至相同位置时 PVFM 所需时间明显较陶瓷头短，湿润峰向下运移至 30cm时，陶瓷头用时 3h 而 PVFM 仅需 40min；-5kPa 时二者的差距减小，向下运移至 30cm 的位置时，二者用时相近，若将该空心 PVFM 的长度设计成与陶瓷头相同，那么可以推知 PVFM 的渗水量更大，水分运移范围也会更广。

　　3、较优 PVFM 渗水器与陶瓷头在不同负压下累积入渗量的变化

　　15×3cm 空心 PVFM 灌水器与陶瓷头单位面积累积入渗量最高，且二者入渗曲线近似，因此将二者在更多负压水平下进行对比研究。由图 6.3，-0kPa 下入渗 2h，单位面积 PVFM 入渗量为0.0064L，陶瓷头入渗量为 0.0039L，-5kPa 下入渗 4h，单位面积 PVFM 入渗量为 0.0020L，陶瓷头入渗量为 0.0016L，而-10kPa 下入渗 2d，单位面积 PVFM 入渗量为 0.0009L，陶瓷头入渗量为0.0008L，-20kPa 下入渗 2d，单位面积 PVFM 和陶瓷头入渗量均在 0.0002L 左右。可见，不同负压下相比较，PVFM 和陶瓷头单位面积累积入渗量均随着所控负压的降低而下降；两种不同质地的渗水器相比较，-0kPa 时 15×3cm 空心 PVFM 渗水器在入渗相同时间时的单位面积累积入渗量明显高于陶瓷头，随着负压的降低，二者累积入渗量的差异逐渐降低，但 PVFM 在相同时间内单位面积累积入渗量始终大于陶瓷头。

图 6.3 不同负压下 PVFM 与陶瓷头累积入渗量的变化趋势（a,b,c,d 分别代表-0kPa、-5kPa、-10kPa、-20kPa）

　　单位面积累积入渗量 Q 与时间 t 的关系可用幂函数 Q=atb拟合（a、b 为拟合参数），具有很高的相关性，相关系数均大于 0.98，具体拟合参数见表 6.2。由图 6.4 观察拟合参数 a、b 在不同负压下的变化，可以看出，参数 a 由-0kPa 到-5kPa 迅速降低，而-5kPa 到-20kPa 下降缓慢，且-5kPa到-20kPa 之间 PVFM 与陶瓷头的 a 曲线几乎重合，可见参数 a 在一定程度上受负压的影响。相同负压下 PVFM 的参数 a 较陶瓷头的稍高，表明同一负压下某一时间内 PVFM 的累积入渗量高于陶瓷头。b 参数曲线也随着负压的降低有一定程度的下降，但下降程度较 a 曲线更为缓慢，尤其是从-0kPa 到-5kPa 的变化也比较平缓，且 PVFM 与陶瓷头二者的 b 曲线不重合。同一材料的参数 b 在不同负压下无明显变化，说明参数 b 受负压的影响小，不同负压下两种不同渗水器累积入渗量随时间变化的趋势相近。参数 b 均小于 1，当时间趋近于无穷时，Q 对 t 的导数为 0，说明随着时间推移 Q 将趋向于稳定，即水分不再入渗。

表 6.2 累积入渗量(Q)随时间(t)的变化关系

图 6.4 拟合参数 a、b 随负压的变化趋势

　　4、较优 PVFM 渗水器与陶瓷头在不同负压下土壤含水量的变化

　　由图6.5，距离渗水器上下约10cm的范围内，-0kPa时，PVFM的土壤含水量在29.0%~30.8%，陶瓷头的土壤含水量范围在 25.8%~30.9%；-5kPa 时，PVFM 的土壤含水量范围在 15.7%~21.9%，陶瓷头的土壤含水量范围在 16.0%~22.1%；-10kPa 时，PVFM 的土壤含水量范围在 11.5%~15.3%，陶瓷头的土壤含水量范围在 8.1%~14.6%；-20kPa 时，PVFM 的土壤含水量范围在 4.6%~10.8%，陶瓷头的土壤含水量范围在 5.6%~10.3%。可见，相同负压下，PVFM 与陶瓷头的土壤含水量范围差别不大，但相同位置各点的土壤含水量有所不同，多数情况下 PVFM 较陶瓷头的土壤含水量高；同一负压 PVFM 与陶瓷头在 x 轴上土壤含水量表现几乎一致，说明了负压控制系统的稳定性，可以通过控制负压来维持渗水器内外稳定的土水势差；不同负压下的土壤含水量差别较大，以最大土壤含水量相比，PVFM-5kPa 较-0kPa 低 8.9%，-10kPa 较-5kPa 低 6.6%，-20kPa 较-10kPa 低4.5%，陶瓷头-5kPa 较-0kPa 低 8.8%，-10kPa 较-5kPa 低 7.5%，-20kPa 较-10kPa 低 4.3%。

图 6.5 不同负压下 PVFM 与陶瓷头所产生的土壤含水量变化 

　　6.2.2 三维条件下较优 PVFM 与陶瓷头在不同负压下的湿润峰运移状况

　　由图 6.6，从湿润体形状上看，PVFM 在土壤中形成的湿润体形状接近于椭球体，上下水分的渗透较为均匀，而陶瓷头更接近于“一头大，一头小”的纺锤体。从湿润距离来看，陶瓷头与 PVFM均表现为压强越低，水分运移越慢，入渗相同时间的水平湿润距离与垂直湿润距离均呈减小趋势。

　　相同负压下二者相比，PVFM 较陶瓷头稍快，-0kPa 下，PVFM 入渗 1h 的水平湿润距离约为 22cm，垂直湿润距离约为 25cm，而陶瓷头入渗 1h 的水平湿润距离约为 7cm，垂直湿润距离约为 9cm；-5kPa 下，PVFM 入渗 6h 的水平湿润距离约为 9cm，垂直湿润距离约为 9cm，而陶瓷头入渗 6h的水平湿润距离约为 7cm，垂直湿润距离约为 3cm；-10kPa 下，PVFM 入渗 0.5d 的水平湿润距离约为 7cm，垂直湿润距离为 6cm，而陶瓷头入渗 1d 的水平湿润距离为 2cm，垂直湿润距离为 2cm；-20kPa 下，入渗 6dPVFM 与陶瓷头的水平湿润距离均约为 4cm，垂直湿润距离均约为 2cm。可见当压强>-20kPa 时，15×3cm 空心 PVFM 的水平湿润距离与垂直湿润距离均大于陶瓷头，这也与上文中一维条件下相同时间累积入渗量的结果相符，说明 PVFM 的水分运移较陶瓷头快，可以在较短时间内形成更大的土壤湿润体。到-20kPa 时二者的水平湿润距离与垂直湿润距离几乎一致，可能是 PVFM 在过低负压发生形变有关。

图 6.6 不同负压下 PVFM（a）与陶瓷头（b）湿润峰的动态变化过程

　　6.3 讨论

　　（1）空心 PVFM 渗水器可以更好满足常见作物所需的负压条件

　　李邵等（2008；2010）运用陶瓷类渗水器测定了小麦苗期、黄瓜、菠菜、大豆、番茄、观赏辣椒的最适土壤水吸力范围为 8~10、3~5、2~4、5~7、4~7、5~7kPa。黄瓜在苗期时，3～13kPa土壤水吸力下生长速率高，初花期时，11kPa 与 13kPa 处理的土壤水分值已不能满足其生长对水分的需求，3～9kPa 的土壤水吸力下其生长速率都较高。万克江等（2005）也运用陶土类渗水器研究不同负压对小麦的影响，发现负压在-8～-10kPa，小麦的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率出现峰值。由此可见，负压主要控制在-5kPa~-10kPa，在陶瓷、陶土类渗水器控制下可以满足常见作物生长所需水量，在此负压范围内，空心 PVFM 渗水器在相同时间内单位面积累积入渗量较陶瓷头高，因此该空心 PVFM 渗水器能够更及时地补充作物所需的水分。

　　（2）空心 PVFM 可以替代陶瓷头用来测定低吸力阶段的土壤水分特征曲线

　　根据上文图 6.5 中不同负压下 x 轴位置的土壤含水量可以绘制出低吸力阶段的土壤水分特征曲线，如图 6.7。从图中可以看出，土壤水吸力越大，土壤含水量越低，并且 PVFM 与陶瓷头所测得的土壤水分特征曲线极为相似。通常土壤水分特征曲线用张力计法（Alessandro T et al.，2008）进行测定，其中张力计插入土壤的部分是一种多孔材料，现多用陶瓷头制得，由此可以推断，PVFM也可以作为一种多孔材料来测定土壤水分特征曲线。

图 6.7 PVFM 和陶瓷头所测定的土壤水分特征曲线

　　（3）空心 PVFM 能够控制更广的土壤水分空间

　　从土壤含水量来看，-5kPa～-10kPa 时空心 PVFM 与陶瓷头的土壤含水量随与渗水器距离的增大而降低，相同位置的点 PVFM 的所产生的土壤含水量高于陶瓷头，在土壤含水量最大值点二者几乎一致，说明所控负压与土水势的相关性：负压不变，土水势达到平衡，当由于蒸散或作物吸水导致土水势降低时，该平衡被打破，负压降低，在装置的自动调节下使负压恢复至设定值，土水势重新达到平衡。查阅相关文献可知，作物适宜的土壤含水量占田间持水量的 60%～75%（方文松等，2010；李进平等，2007）为宜，根据供试土壤田间持水量为 36.5%，将本文-5kPa、-10kPa下 PVFM 及陶瓷头的土壤含水量换算成相对土壤含水量，即-5kPa 下 PVFM 为 43.0%～60.0%，陶瓷头为 43.8%～60.5%，-10kPa 下 PVFM 为 31.5%～41.9%，陶瓷头为 22.2%～40.0%，在提高水分利用效率的基础上基本能够满足作物生长需要。从一维角度的湿润峰运移状况看，陶瓷头与空心 PVFM 差别并不大，但二者水分向下运移明显，且作物通过根系吸收的水分中 40%是由根系最上 1/4 部分吸收的（Thomas F. Scherer et al.，2013），据此渗水器应布置在作物根系的上部；从三维角度的湿润峰运移状况看，-5kPa 时，PVFM 与陶瓷头入渗 1h，最大水平湿润距离前者为后者的 1.3 倍，最大垂直湿润距离前者为后者的 3.7 倍，到 6h 时，最大水平湿润距离前者为后者 1.3倍，最大垂直湿润距离前者为后者 3 倍，到-10kPa 时，二者运移距离的差异非常明显，PVFM 入渗 0.5d 的最大水平湿润距离与最大垂直湿润距离均超过陶瓷头 6d 的最大水平湿润距离与最大垂直湿润距离，可见空心 PVFM 可以湿润更大的土体，控制更广的土壤水分空间，这就有利于作物根系扩展，更好地吸收养分。究其原因可能是 PVFM 与土壤结合较陶瓷头更为紧密。

　　综合以上三点，15×3cm 空心 PVFM 渗水器的渗水性能优于陶瓷头，它能在相同时间内产生更高的累积入渗量，同一空间范围内有更高的土壤含水量，同一时间内能够控制更广的水分空间范围。除此之外，它自身还具有韧性大、亲水性高、吸水能力强等优点，可见这种空心 PVFM 渗水器应用到负压灌溉中具有相当的可行性。

　　6.4 小结

　　（1）物理规格对 PVFM 的负压渗水性能影响明显。相同长度和外径，空心 PVFM 渗水器的入渗量远大于实心，-0kPa 下入渗 2h 或-5kPa 下入渗 8h，空心渗水器的入渗量均是实心的 5 倍，且湿润峰的运移范围也更广；实心 PVFM 渗水器其单位面积累积入渗量随着长度的增加而降低。

　　（2）不同负压下空心 PVFM 和陶瓷头的累积入渗量随时间的变化趋势均可用幂函数 Q=atb来拟合，参数 a 受负压变化的影响大，随着负压的降低而减小；参数 b 受负压的影响较小。

　　（3）空心 PVFM 渗水器的负压渗水能力优于陶瓷头。不同负压下，空心 PVFM 单位面积的累积入渗量高于陶瓷头；空心 PVFM 较陶瓷头能够控制更广的土壤水分空间，经过相同时间 PVFM产生的土壤湿润体较陶瓷头稍大。

　　（4）空心 PVFM 可以代替陶瓷头进行土壤水分特征曲线的测定。相同负压时，用二者所确定的土壤水分特征曲线极为近似。

　　（5）在常见作物生长适宜的-5kPa 和-10kPa 土壤水吸力下，15×3cm 空心 PVFM 渗水器可以以较大渗水量来满足作物需要，进一步证实了它作为负压渗水器的可行性。