負壓灌溉重液式負壓閥設計與試驗

龍懷玉，張懷志，岳現錄，張認連

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

0 引 言

負壓灌溉（negative pressure irrigation，NPI）是近十多年來在中國比較受關注的一種灌溉技術。它通過土壤水分吸力和植物蒸騰耗水實現了植物對水分的精準、連續和自動獲取，能可靠地根據作物自身需水要求進行土壤水分補充，極大地提高了灌溉效率和水分生產率[1]。負壓灌溉系統中負壓的形成與持續存在是負壓灌溉的基礎。盡管負壓灌溉系統有多種形式，但在整個系統中一定有一個維持系統負壓的裝置，從文獻來看，現有的負壓維持方法與裝置大體上有5種。1）懸掛水柱法，即將水源置于一個比灌水器低的位置，兩者的高度差即為所需要的負壓，不存在獨立的負壓維持器，由灌水器和儲水器構成一個虛擬的負壓發生器。在早期的負壓灌溉研究以及在實驗室土柱模擬研究中，基本上都是采用懸掛水柱法[2-10]，該法的最大優點就是簡單，但其缺點也是顯著的，因為要將水源置于灌水器的下方，在實際生產中需要將灌溉水儲藏到生長作物的地面以下，很不方便。更為不利的是，在負壓狀態下，溶解在水中的空氣會溢出，積累到一定量了，會形成氣泡滯留在輸水管的上部，阻斷連續的水流，致使灌水停止。2）負壓泵持續抽氣法，Lipiec等[11]、Iwama等[12]為了排除空氣溢出、導致負壓灌溉水流中斷的情況，采用負壓泵持續抽氣、并保持灌溉水循環的方法維持負壓，這種方法需要額外的動力，而且負壓值容易受循環泵的影響，在實際生產中是難以運用的，很少看到采用這種方法的研究文獻，僅看到Moniruzzaman等[13-14]運用這種方法研究了負壓灌溉下的土壤水分平衡，建立了不同負壓下土壤水分儲量、蒸發量的經驗模型。3）水柱調壓法，耿偉等[15-16]設計了水柱調壓法，并被許高平等[17]、冀榮華等[18]所采用。4）爬升水柱調壓法，鄒朝望等[19]、李邵等[20]設計了“爬升水柱負壓控制裝置”，這種方法不同于水柱法的地方在于，水柱不僅用來控壓，而且也用來供水，這種方法被不少研究者所采用[21-24]。水柱法、爬升水柱法簡單可靠，但是體積龐大，不利于在田間實際使用。5）電磁閥開關法，劉學勇等[25]利用數字壓力開關與電磁閥的組合來控制負壓，此后不少研究者[26-30]也采用了電磁開關法，該法的優點是精準度高、能夠動態監測、體積小、質量輕，但是需要電源，需要價格昂貴的數字壓力開關和電池閥，而且特別容易發生故障，特別是在雷雨天氣下。

從以上闡述中，可以看出：目前負壓灌溉的負壓維持器，各有優點，也均有比較明顯的缺點。懸掛水柱法需要將水源置于灌水器的下方，而且容易被從灌溉水中溢出的空氣阻斷灌溉水流。負壓泵循環法需要額外的動力，而且負壓值容易受循環泵的影響。水柱調壓法、爬升水柱法的設備體積龐大。電磁閥法需要電源和價格昂貴的數字壓力開關和電池閥，并且容易出故障。為了促進負壓灌溉技術實用化，使其能夠得到大面積使用，就必須要克服現有負壓維持方法存在的以上缺點，研制出操作簡單、精確度可靠、成本低、體積小巧的負壓維持器。因此，本文在分析負壓灌溉的負壓過程的基礎上，介紹了課題組近年來研制的重液式負壓閥，該負壓閥在科研和實際中運用了近4 a，能克服現有方法缺點、體積小、質量輕、無能耗、易于動態監測。

1 重液式負壓閥的設計

1.1 科學依據

在負壓灌溉中，灌溉水變成土壤水的基本過程是：生長在水分不飽和的土壤中的作物蒸散耗水導致土壤含水量減少、土壤水勢降低，使得土壤水分吸力大于滲水器內的負壓吸力，負壓灌水器中的灌溉水被土壤吸引到土壤中而變成土壤水，由于水分流向了土壤，負壓灌溉系統中空氣的體積變大、氣壓變小，使得負壓灌溉系統內部的總壓強小于外界大氣壓，這就是所謂的負壓。隨著土壤水吸收水分過程的持續進行，這個負壓值越來越大，直到達到所設置的負壓值，負壓維持器開始發生作用，讓外界空氣或者灌溉水進入負壓灌溉系統，阻止了負壓值進一步擴大。可見，負壓灌溉中的所謂負壓是由于土壤吸水而產生的，土壤吸水過程是個逐漸過程，因此負壓形成與變大也是逐漸過程。而且只要土壤蒸發、作物蒸騰作用存在，這個負壓發生過程就會持續進行下去。總之，負壓灌溉中的負壓是由于土壤吸水而產生的，是緩慢的持續的單向過程。因此所謂的負壓維持器，其實是負壓限制器，其作用是限制負壓不進一步擴大，使得系統的負壓度小于或等于某個值，在負壓灌溉系統運行的大部分時間里，負壓維持器處于非運動狀態或是緩慢運動狀態。因此理論上可以用液體的靜壓力來維持負壓灌溉系統中的負壓，根據基礎物理學可知，任何液體都有靜壓力，文獻中所采用的懸掛水柱法、水柱調壓法、爬升水柱調壓法，其實就利用水的靜壓力來維持負壓的。液體靜壓力可以通過其高度和密度準確計算，比如1 mm水銀柱的靜壓力是0.133 kPa，水銀柱的高度用肉眼觀測均能準確到毫米，同時在負壓灌溉中很少將壓力值設置到-30 kPa以下，30 kPa約合水銀柱22.5 cm。對于給定的靜壓力，液體密度越大，所需要液體高度就越小。顯然，如果利用密度最大的重液—水銀的靜壓力來為負壓灌溉系統維持負壓，設計出來的負壓維持裝置就有可能實現體積小、精度高、操作簡單的目標。

1.2 基本構造

如圖 1所示，重液式負壓閥（heavy liquid－type negative pressure valve, HLNPV）的主體由一個U型玻璃管、一個S型玻璃管、一個空心玻璃球以及水銀所構成。其中：玻璃球的上部是空腔，稱為負壓室，下部是水銀，可在水銀上部擱置一層揮發性極弱的、用以防止水銀揮發的保護液（在本文試驗中選用的是石蠟油或者水）；U型玻璃管的A端是連通大氣的進氣口（圖1中A端倒扣著的塑料試管以及與之相連的橡皮塞、毛細管構成了一個進氣限速裝置，詳見1.4），B端連接儲水器，是將重液式負壓閥所維持的負壓傳遞到灌溉水的通道。U型玻璃管底部與玻璃球內水銀液面之間的高度為 H，U型管 B邊也可以稱之為回流管；S型玻璃管，即控壓管，其最上端與最下端之間的高度為h，在任何情況下h要小于H。

圖1 重液式負壓閥的結構Fig.1 Structure of heavy liquid-type negative pressure valve

1.3 工作機制

負壓室所能得到的最大負壓是控壓管內水銀所能形成的最大靜壓力ρgh，ρ是水銀的密度，g是重力加速度。其工作過程大致如下：1）在負壓灌溉剛開始的時候，負壓室內的氣壓與外界大氣壓相等，U形管 A、B邊和 S形管內的水銀液面處于相同的高度；2）隨著灌溉的進行，由于土壤的吸水，負壓室內的部分空氣經 B口流出而進入儲水器，氣壓下降，U形管A邊水銀液面下降，U形管B邊水銀液面（一般也就是玻璃球內的水銀液面）和控壓管的水銀液面上升；3）隨著步驟2）過程持續進行，當U形管A邊液面下降至分岔點C時，控壓管中水銀和U形管中水銀獨立開來，因為H永遠大于h，所以控壓管中水銀柱所能形成的最大壓力ρgh永遠小于回流管所能形成的最大壓力ρgH；4）隨著步驟 3）繼續進行，負壓室中的負壓繼續減少，當其氣壓與外界大氣壓之差的絕對值＞ρgh時，控壓管中的水銀快速流進玻璃球，控壓管變成空氣通道，外界空氣進入負壓室，使得負壓室氣壓升高；5）負壓室的氣壓升高，使得水銀經過回流管回流，U形管A邊液面升高，當升高至C點，水銀再次進入控壓管，阻止空氣繼續進入負壓室。以上 2）～5）步驟循環進行，使得負壓室內的負壓度維持在ρgh左右。

1.4 進氣速率限制器的設計

在試制過程中發現，如圖1所示的HLNPV在A端沒有倒扣塑料試管的情況下實現不了控壓，因為一旦控壓管變成空氣通道，氣壓差的驅動力非常強，如果水銀從回流管回到分岔點C的速度不夠快、進入控壓管中的水銀量不夠多，控壓管中的水銀柱所產生的壓強就會總是小于氣壓差，水銀就會被強有力的空氣流攜帶著通過控壓管回到負壓室，結果水銀會在“回流管→控壓管→回流管”內發生氣爆式的劇烈回流，直至負壓室的氣壓與外界氣壓（即大氣壓）相同，而且這個過程非常短暫，往往不超過10 S。其原因是水銀的回流速度相對慢、而A端的進氣速率相對過快所致，水銀的回流速率是難以調控的，但是A端的進氣速率是可以調控的。通過試驗發現，如果A管上端的進氣速率受到一定程度的限制，氣爆現象明顯減弱，A端口的進氣速率對控壓效果有著明顯影響。于是設計了對A端的進氣速率進行限制的裝置（如圖1中虛線框所示），即：將容積25 ml、內徑25.5 mm的試管，用橡膠塞塞住，然后倒扣在A管上端（A管穿過橡膠塞），在橡膠塞上穿一根內徑0.3 mm、外徑0.6 mm的聚四氟乙烯毛細管，空氣需要經過這個毛細管進入塑料試管，然后才進入A端。

空氣流動是靠壓力梯度驅使的，根據常識，在相同的管材、相同的管道內徑下，壓力梯度越大空氣流速就越大，也就是毛細管的通氣速率隨著壓力差的增大而增大、隨著管長的增大而減小。在目前所見負壓灌溉研究文獻中[2-6,10-30]，負壓值基本上在-2.0～-30.0 kPa之間。為了確定在這個負壓范圍內的適宜毛細管長度，運用理論控壓為-30.0 kPa的HLNPV分別測試了5.0、10.0、25.0、50.0 cm毛細管長度的控壓效果。其測試方法是：將HLNPV的B連接到一個2 500 ml的抽濾瓶，用抽濾瓶的真空度模擬負壓灌溉中土壤吸水產生負壓的情況。首先，將HLNPV與抽濾瓶之間的硅膠管用夾子夾住、阻斷其氣體通道，用抽氣機將抽濾瓶抽到-35 kPa的負壓度；接著，將抽濾瓶與抽氣機之間的硅膠管用夾子夾住、阻斷其氣體通道，松開HLNPV與抽濾瓶之間的硅膠管，用高精度電子負壓計以秒為時間步長自動記錄抽氣瓶中的負壓度，以壓力值在30 s中沒有變化作為最終的穩定負壓，也就是HLNPV所維持的穩定負壓，同時目測HLNPV的運動情況。其結果如表1，從中可以看出，毛細管長度對控壓的影響是明顯的，隨著毛細管長度的增加，從-35 kPa達到穩定負壓的時間顯著變長，從5 cm的115 s增加到50 cm的690 s。毛細管長度似乎對實際穩定壓力與理論壓力之間的相對誤差沒有明顯影響，其誤差均在可以接受的范圍內，但是在10、25 cm時，相對誤差更小。根據這個測試結果，同時考慮節省材料、操作方便等，在實際使用中，一般選擇毛細管長度為5～15 cm。

表1 進氣毛細管長度對30 kPa重液式負壓閥精度的影響Table 1 Effect of length air entering capillary of on the pressure of 30 kPa heavy liquid-type negative pressure valve

2 負壓維持試驗

為了考察HLNPV的壓力控制精度，從2017年制作的用于田間示范的200支HLNPV中隨機抽取了一批樣品在實驗室進行檢測，包括理論設計控壓為-10、-20、-30 kPa的HLNPV各5個，從表2中可以看出，除-10 kPa重液式負壓閥的 5號樣品的相對誤差比較大外，其他樣品的相對誤差均沒有超過5%，是可以接受的。推測這些誤差主要來自于控壓管的制作過程，控壓高度1 mm的誤差將帶來0.13 kPa的壓力誤差，控壓管在上下兩端均有彎曲部分，目前采用手工制作，很難將控壓管的高度制作的非常精確。

表2 3種設計負壓重液式負壓閥的抽樣檢測Table 2 Sampling inspection on heavy liquid－type negative pressure valves with 3 designed negative pressure

3 田間使用情況調查

2014、2015、2016年以及2017年上半年在山東濟南、湖南長沙、北京、黑龍江大慶、云南玉溪等地實際采用HLNPV研究了負壓灌溉對玉米、辣椒、黃瓜、油菜、甜菜、棉花、菠菜、萵苣、小白菜、甘藍、花生、西瓜、烤煙等作物生長發育、產量質量的影響，及其最佳土壤水分條件的篩選（相關研究數據另文發表）。從試驗中HLNPV運行的結果來看，大致可以分成3種類型（如圖2）：1）在整個試驗過程中具有很好的負壓維持能力，沒有氧化變黑現象，覆蓋液也沒有明顯減少（圖 2a）；2）當試驗進行到一定時期后產生了水銀氧化變黑現象，但能夠將負壓維持在設置值到試驗結束（圖 2b）；3）當試驗進行到一定時期后產生了較多的黑色水銀氧化沉淀物，堵塞管道而導致負壓維持能力喪失（圖2c）。從表3展示的部分作物使用結果來看，大多數HLNPV的效果是比較好的，而且以水作為覆蓋液的效果似乎要好于以石蠟油作為覆蓋液。在以水作覆蓋液的5次不同作物試驗、55個壓力不同的HLNPV中，即使長達4個多月的烤煙試驗中，HLNPV都能平穩運行，沒有發生水銀氧化現象，覆蓋液也沒有明顯減少，說明以水作為覆蓋液時能夠長期平穩運行。

表3 HLNPV在部分作物負壓灌溉上的使用情況調查Table 3 Application of HLNPV on some crops under (negative pressure irrigation)

以石蠟油作為覆蓋液的 HLNPV的使用效果要略差子以水作為覆蓋液的HLNPV，在9次不同作物試驗中，有3次試驗的部分HLNPV的水銀發生氧化變黑，甚至黑色沉淀堵塞玻璃管而使其喪失負壓維持能力。但是水銀變黑、HLNPV負壓維持能力喪失的時間不盡相同，而且可以發現發生氧化的是壓力比較高的-5 kPa和-10 kPa的HLNPV。2014年在北京進行的黃瓜試驗，-5 kPa的HLNPV在25-30天水銀變黑、45～50 d黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的HLNPV在45～50 d水銀變黑，但直到試驗結束，都還有負壓控制能力。2015年在北京進行的玉米試驗，-5、-10 kPa的HLNPV都在50～55 d水銀變黑，-5 kPa的HLNPV在60-65天黑色沉淀堵死玻璃管，-10 kPa的 HLNPV能夠保持負壓維持能力直到試驗結束。而2016年在濟南進行的棉花試驗，直到試驗進行了90天左右，才有-5 kPa的水銀開始變黑，而且能夠保持維持負壓維持能力直到試驗結束。水銀理論上是一種性能穩定的金屬，在常溫下是不會與空氣發生氧化反應的，HLNPV中水銀發生的氧化變黑現象，可能是水銀與石蠟油發生了氧化反應，也可能是由于有些試驗中沒有對HLNPV進行充分遮光，使其遭受陽光照射而產生了表面高溫的同時接觸了較多空氣所致。即便如此，以石蠟油為覆蓋液的LVPV仍然是可以實際使用的，在表3所展示的 9次不同作物試驗的、129個石蠟油為覆蓋液的LVPV中，只有20個、約為15.5%的HLNPV發生了水銀氧化現象，最終只有8個、約為6.2%的HLNPV因為水銀氧化而喪失了維持負壓能力。

圖2 田間試驗結束后重液式負壓閥的狀況Fig.2 Photographs of HLNPV when field experiments were over

4 討 論

4.1 重液式負壓閥與其他負壓維持方法的比較

本文設計的重液式負壓閥（HLNPV）是比較新穎的，不論是設計思路，還是具體產品，很難查到類似的文獻，雖然從能夠維持穩定負壓的廣義上來看，文獻中的水柱調壓法[19-24]也是一種重液式負壓閥，但是和本文設計的HLNPV有著本質的區別。在水柱調壓法中維持負壓的水柱是靜止不動的，空氣進入系統時需穿過水體本身，和水存在一個先混合、再分離的過程，而HLNPV是通過水銀循環的方式，為空氣直接提供了可以開關的通道，空氣進入系統時不需穿過水銀本身，空氣與重液的接觸面、接觸時間都要小的多。

從限制負壓不低于某個值的角度看，在工業上廣泛使用的負壓閥、真空閥等之類的機械器件似乎可以用來維持負壓灌溉中的負壓，然而工業上的負壓閥或真空閥的根本作用是破壞管道中的負壓，由膜瓣、彈性元件等固體機械元件組成，其真空破壞作用是靠氣壓差驅動下的彈性元件控制膜瓣的開關而實現，精度一般只能達到0.01 MPa（也就是10 kPa），而在絕大多數負壓灌溉的文獻中均將負壓值準確設置到kPa，即運用于負壓灌溉的負壓閥的精度需要達到0.1 kPa。筆者咨詢了數十家負壓閥或真空閥廠家，沒有一家能生產出精度小于1 kPa的負壓閥。另外，目前市場上的機械負壓閥沒有穩定負壓的作用。2013年筆者委托江西省航博科技開發有限公司制作了一批-0.01～-0.08 MPa的機械真空限壓閥，實驗室檢測結果表明這些真空限壓閥的開啟閾值很寬（一般為標示值±0.01 MPa，比如標示值為-0.02 MPa的真空限壓閥開啟的實際值是-0.01～-0.03 MPa），而且一旦真空閥開啟了，就會一直保持開啟，直到真空度上升到0.00 MPa為止，不具備穩定負壓的作用。因此，目前的機械式負壓閥是不能被運用到負壓灌溉的。

表4 不同負壓維持方法的簡要對比Table 4 Simple comparison about different methods maintaining negative pressure

從表 4中可以發現，雖然懸掛水柱法、負壓泵循環法、水柱調壓法、爬升水柱法、電磁閥法均比HLNPV具有更好的精度（分辨率），但HLNPV精度（分辨率）也已經達到了0.13 kPa，在負壓灌溉文獻中負壓值一般只是設置到kPa，因此比0.1 kPa再高的精度沒有實際意義。從外形尺度、質量看，HLNPV的高度遠遠小于懸掛水柱法、負壓泵循環法、水柱調壓法、爬升水柱法，大約只有它們的9.6%～17.2%，體積、質量也遠遠小于水柱調壓法、爬升水柱法。盡管電磁閥法的高度要小于HLNPV，但其體積、質量要明顯大于HLNPV。此外，HLNPV沒有能耗，顯著優于電磁閥法、負壓泵循環法。在穩定性方面，HLNPV顯著優于電磁閥法、負壓泵循環法、懸掛水柱法。

4.2 重液式負壓閥性能的可能改進

4年的實際使用表明，HLNPV有顯著的優點，但是也存在著不足，有必要進行進一步優化設計，在進一步的優化設計中，應該著重考慮以下3個方面：

1）減少玻璃管內徑，減少水銀消耗量和整體質量。在目前少批量手工生產條件下，玻璃儀器工廠選擇的玻璃管內徑最小為 3mm，-5～-30 kPa的理論控壓至少需要水銀16～52 g，如果將玻璃管直徑降低到1 mm，水銀用量將下降到2～6 g。

2）需篩選高效的覆蓋液。當覆蓋液為石蠟油時，在連續平穩運行大約20多天～3個月后，在部分 HLNPV中發生了水銀氧化反應，形成大量黑色沉淀，堵塞了管道，致使系統喪失功能。壓力越高，這種情況也就越嚴重。如果用水作為覆蓋液，雖然不會發生氧化現象，但理論上水有一定的揮發性，如果作物生長期比較長，可能需要多次添加作為覆蓋液的水，增加勞動。因此，需要需找一種揮發性極小，不與空氣、水銀發生反應的覆蓋液。

3）目前的HLNPV不能動態設置系統負壓值。HLNPV的控壓管是硬性的，其控壓值是固定的，如果需要在作物的不同生長階段設置不同的負壓值，就必須更換HLNPV，有些不方便。如果將控壓管設置成柔性的、其高度可調，必然大大地提高方便性，有利于動態設置系統負壓值。

5 結 論

本文利用彼此相連的U型玻璃管、S型玻璃管、空心玻璃球以及能在這三者之間進行循環流動的水銀，為負壓灌溉系統設計出了重液式負壓閥（HLNPV），利用水銀的靜壓力維持負壓，利用石蠟油或水覆蓋在水銀液面上防止其揮發。在試驗室中對HLNPV的控壓精度進行了檢測，在田間對HLNPV控壓效果進行了觀察，對比分析了 HLNPV與負壓灌溉系統中現有負壓維持器的性能指標，取得了以下結論：

1）HLNPV具有較高的壓力分辨率和負壓維持準確度，其分辨率為0.1 kPa，在-30 kPa以內的負壓下維持負壓的相對誤差小于5%。

2）大部分HLNPV在實際田間條件下能夠長期穩定地運行。在以水作覆蓋液的5種作物上的55個HLNPV，在2～4個月的試驗期間內均能平穩運行。在以石蠟油作為覆蓋液9種作物上的129個LVPV，在2～3個月的試驗期間內，有15.5%的發生了水銀氧化變黑現象，其中只有 6.2%的因為黑色氧化沉淀物堵塞管道而影響了負壓維持功能。

3）HLNPV相對于現有負壓維持方法具有顯著的比較優勢。在-5.0～-20.0 kPa下，其高度只有懸掛水柱法、負壓泵循環法、水柱調壓法、爬升水柱法的9.6～17.2%，體積、質量遠遠小于水柱調壓法、爬升水柱、電磁閥，不像負壓循環泵、電磁閥那樣需要電能，也不像懸掛水柱那樣只能在短時間下運行。

總體上，HLNPV能夠比較準確地長時間維持系統的負壓，動態地監測系統負壓，高度短、體積小、質量輕、安裝調試簡便，可以替代現有的負壓維持方法。

致謝：

感謝山東農業科學院農業資源與環境研究所譚德水研究員、湖南農業大學黃運湘教授、黑龍江八一農墾大學王鵬教授、云南省煙草農業科學院馬二登博士提供了重液式負壓閥部分作物田間試驗數據。

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