自壓吸氣增氧灌溉放水管的研制

李桂元，徐幸儀，李康勇，胡春艷

（湖南省水利水電科學研究院，長沙410007）

0 引 言

增氧灌溉是指在灌溉水中增加氧氣或溶氧量的一種新型灌溉技術。21世紀初，澳大利亞學者Surya P，Ninghu Su、Bhattarai等提出，增加灌溉水溶氧量可提高灌溉效率和作物產量，對提高作物品質也有幫助，并將其命名為氧灌（oxygation）。國內外學者廣泛開展了增氧灌溉理論及應用技術研究，取得了一些成果。

在旱作增氧灌溉方面，理論研究和實際應用都得到較好發展。朱艷、臧明、李元等研究表明，增氧地下滴灌對改善土壤通氣性、提高土壤酶活性與微生物數量有顯著作用，對促進番茄、甜瓜植株生長、提高產量和果實品質具有顯著效果[1-3]，饒曉娟、徐歡歡、姚幫松等研究表明增氧灌溉對秋黃瓜、棉花等作物育種及生長均具有明顯的促進作用[4，5]。目前，水氣耦合、水肥氣一體化等增氧灌溉設備相繼開發，增氧灌溉這一新技術已在大棚果蔬等高價值經濟作物灌溉方面得到了較好的應用。然而，現有增氧灌溉，需要具備動力條件及購置專用的灌溉水增氧設備，不僅一次性設備投入較大，還需設備維護及運行費用，一定程度上制約了增氧灌溉技術推廣應用。

水稻增氧灌溉方面，目前國內外實驗室條件下的增氧灌溉試驗研究成果較多：周曉來、姚幫松、廖健程等試驗研究表明，增氧灌溉對水稻的根系發育和水分利用具有明顯的促進作用[6-10]，才碩、熊元基、謝東等試驗研究表明增氧灌溉對水稻根際微生物轉化、提高水肥利用效率有顯著促進作用[11-14]，肖衛華等研究指出，根區通氣增氧處理的超級雜交水稻根總長、根總體積、根總表面積、根干重和根尖數等特征指標都明顯優于未增氧的對照組，增氧灌溉產量高于未增氧對照組的5.7%～29.7%[15，16]。Bhattarai 等人研究大穗型水稻表明，增氧處理可以促進作物地上部分生長，增加作物產量，提高作物的水分利用效率[17]。張立成、姚幫松等研究指出不同加氧處理能夠明顯提高超級稻產量，白天機械加氧、夜間機械加氧、化學加氧3種不同加氧處理方式中的單株理論產量分別高于不加氧處理18.9%、20.66%、16.98%[18]。

但上述這些水稻增氧灌溉試驗研究，都是采用機械增氧方式，因而必須具備增氧設備及動力條件才能實現增氧灌溉。而廣袤的野外大田環境下普遍缺乏增氧設備運行所需的能源動力條件，購置專用增氧設備所需成本也難以被農戶接受，因而，廣袤的野外水稻種植區尚未實現真正的增氧灌溉。

當前，我國正在大力推行高標準農田建設。管道輸水灌溉作為高效節水灌溉的一種方式，是高標準農田建設主要內容之一，已經建成和規劃建設的面積巨大。管灌的基本特征是輸水管道內灌溉水流具有一定壓力。本文研制成功了一款自壓吸氣增氧放水管[19]，利用灌溉供水管道內水流自有壓力實現灌溉水增氧。只需在管灌區的各個田間分水口接入一支自壓吸氣增氧放水管，水流經增氧放水管完成吸氣、摻氣、水氣融合流程后流入田間，即可提高灌溉水含氧量，使得廣袤的水稻大田區無能源（動力）條件下也可實現增氧灌溉。該增氧放水管結構簡單、造價低廉、使用方便，結合高標準農田建設，在管道輸水灌區推廣應用該自壓吸氣增氧放水管，可產生巨大的社會、經濟效益。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

自壓吸氣增氧放水管主要由連接螺口、進水段、收縮段、喉管段、吸氣腔、摻氣段、噴口、振動片和彎頭組成，材質為PVC 或者PE 塑料。其結構如圖1所示。連接螺口用于與供水管道出水口對接安裝；進水段L0用于與供水管道出口水流連接過渡；收縮段L1為變內徑的喇叭段，連接進水段與喉管，起改變管道內壓力及水流流速的關鍵作用；喉管段L2布置有進氣口、吸氣腔，用于吸進管外空氣。管內環形吸氣腔位于喉管段前端，吸氣腔與進氣口連通，出口在喉管內壁；吸氣腔出口至擴散噴口段為摻氣段L3，起摻氣及氣液混合作用；噴口連接彎頭；沿彎頭豎軸對稱布置兩塊振動片，振動片側面與水流方向一致。進水段外徑可根據田間低壓管道分水管口徑配套設計成通用型。實際應用中，只需將增氧放水管對接到田間的低壓管道分水口即可實現增氧灌溉。

1.2 工作原理

自壓吸氣增氧放水管利用輸水管道內自身的壓力作為工作動能，吸入空氣，稱之為自壓吸氣。當有壓水流從自壓吸氣增氧放水管進水段進入，經過收縮段，過流斷面逐漸縮小、流速逐漸增大、管內壓力逐漸降低，至喉管段，流速增至最大值、壓力降至最低值，喉管段會較進水段產生相對負壓，空氣便會從進氣口經吸氣腔被吸入。為提高空氣吸入量，在喉管內壁設計了一個吸氣腔，與進氣管口連通，吸氣腔的縱截面為弧形，其橫截面積由外向內逐漸減小，進氣管與吸氣腔構成一個微型文丘里管，吸氣腔相當于文丘里管的收縮段，氣流通過進氣管經過吸氣腔時，在吸氣腔內形成負壓，從而進一步提高空氣的吸入效率。在喉管和吸氣腔雙重負壓的協同作用下，空氣被高效吸入增氧放水管中。沿管壁吸入的空氣迅即被拽進、滲入快速流動的水體中，經過摻氣段，空氣在水流剪切力作用下被分割成一個個的氣泡，在摻氣段完成氣液混合。摻氣段末端即為噴口，噴口連接消能彎頭，摻氣水流經噴口射出，高速射流沖擊彎頭內壁設置的振動片，使振動片產生高頻振蕩，進一步擊碎水體中的氣泡。水流剪切力和高速射流沖擊振動片的共同作用，使被吸入的空氣以更微小的氣泡形式融合于水中，從而提高了出口水流的含氧量。

自壓吸氣增氧放水管的工作原理可用文丘里效應解析如下：自壓吸氣增氧放水管自主吸入空氣的能量來自于P1與P2的壓力差值（Δp=P1-P2）。設收縮段進口截面處和喉管段的水流平均速度、平均壓力及截面積分別為V1、P1、S1，和V2、P2、S2；水流密度為ρ。根據水流連續方程及伯努利原理，視管體倆端高程相等、管內平均運動的流線是等高的，可得出：

設收縮比：

式（7）表明：當供水管道流量恒定，收縮比d變小，喉管部位產生的負壓Δp成指數級增大，有利于吸氣增氧，但據水力學原理，當d小到一定程度，即D2縮小到一定程度會影響管道過流能力。綜合這兩點，說明V1、P1、S1和V2、P2、S2存在一個最優動態平衡的問題。因此，收縮比d的改變亦即D2的改變將會引起V2、P2、S2隨之改變，進而引起負壓Δp改變，最終影響吸氣效果。因此，收縮比d是自壓吸氣增氧放水管d最關鍵結構參數，與此同時，收縮段的長度、喉管（摻氣段）長度在一定程度影響自壓吸氣增氧放水管摻氣效果。

2 關鍵結構參數優化與試驗測試

自壓吸氣增氧放水管的發明為廣袤的水稻大田增氧灌溉提供了一種有效方式。為將該發明轉化為水稻大田增氧灌溉實用技術，還需要對增氧灌溉放水管關鍵部位結構參數進一步優化，從中選定一種最優的結構參數組合方案，用于產品定型設計，實現增氧放水管的批量生產。

自壓吸氣增氧放水管的關鍵部位有收縮、吸氣、摻氣（氣液融合）三段，當管徑確定時，相應的關鍵結構參數有總體長度L、收縮比d及收縮段長度L1、摻氣段長度L3。每一個部位的構造參數變化都會對增氧放水管的摻氣增氧效果產生不同程度的影響。理論上，自壓吸氣增氧放水管有任意種可能的結構方案，但存在一種結構緊湊、摻氣增氧效果最好的方案。水力試驗測試是確定最優的收縮比d及收縮段長度L1、摻氣段長度L3的最好途徑。

2.1 初始結構參數擬定

本文介紹進水段管徑為63 mm 的自壓吸氣增氧放水管結構參數優選，這是管道灌區田間分水口一種常用的標準管徑。從便于安裝、使用及維護和減少對農耕活動影響考慮，增氧放水管總體長度應越短越好，故按盡量緊湊但不影響功能原則，擬定總體長度L為35～40 cm；將d、L1、L3分3 組，每個參數從大到小分4擋，從大到小的變幅區間基本涵蓋該參數所表征的物理狀況可能的變幅。每次改變1 個參數、另2 個參數固定，形成一個組合方案，如此共形成12 種方案，每種方案采用3D 打印技術制作2 根增氧放水管，采用專用測試臺測試其摻氣增氧效果。

2.2 專用測試臺

增氧放水管運行時，進氣口的吸氣量越大，說明增氧效果越好。因此，吸氣量是反映增氧放水管性能最直觀的指標。為測試不同構造參數自壓吸氣增氧放水管的增氧效果，建造了一個專用測試臺。該測試臺既可用于增氧放水管結構參數設計優選試驗，也可用于增氧放水管出廠產品的性能檢測。如圖2所示。潛水泵置于水塘中，用支架固定于水面以下0.5 m 深處。潛水泵設計揚程50 m，設計流量360 L/h，采用可控變頻電源向潛水泵供電，以便模擬灌溉管道系統實際工作壓力或者提供試驗測試壓力。供水總管上串聯安裝壓力表、流量表、控制閥門。試驗測試時，將被測試的增氧放水管對接到供水管出口，同時在增氧放水管吸氣口對接空氣流量計，以測試增氧放水管吸氣量。經增氧放水管彎頭出口放出的水仍然流入池塘。根據需要，可測試增氧放水管的吸氣流量、增氧放水管出口水體含氧量、增氧水體含氧量隨時間的衰減情況等。

2.3 收縮段長度L1優選

收縮段長度L1越長，水流形態變化越平緩，局部水頭損失越小，有利于吸氣增氧，但相應的會增加增氧放水管的總體長度及制造成本，也不利于現場安裝與應用。將L1/D1從0.8到2.0，分4 擋擬定L1、d、L3固定不變，制作了4 支不同收縮段長度的增氧放水管，采用專用測試臺測試吸氣量，試驗測試結果見表1。

表1 收縮段長度優化測試試驗結果Tab.1 Results of contraction length optimization test

由表1可知，4 支不同收縮段長度增氧放水管的過流能力及吸氣量總體無明顯差異，但L1/D1在1.0～1.5 間稍好。考慮到增氧放水管處于管道灌溉系統的末端，管道越長對農耕活動的干擾越大，機耕時越易被損壞。因此，將收縮段長度以管內徑的1.5倍（95 mm）為宜。

2.4 收縮比d優選

增氧放水管吸氣d需能量來自于喉管部位產生的負壓Δp，從公式（7）可以看出Δp由2項因子構成：

則Δp=Δp1Δp2。

Δp1為客觀因子項，它由供水管道實際過流量及管道內徑決定，屬于確定項，Δp2為可變項，由收縮比d決定。改變d可以顯著改變。即當供水管道及流量一定時，為定值，不同收縮比的增氧放水管喉管處會產生不同的Δp2，而且差異非常大，如表2所示。

d是決定增氧管吸氣能力的關鍵參數，一定程度上也會影響過流能力。為求證合適的d，制作了4 個收縮比不同、其他結構參數相同的增氧放水管，經專用測試臺測試，4種方案的增氧放水管吸氣量，見表3。

試驗測試表明，管道壓力相同（0.2 MPa），收縮比越小，其吸氣效果越好，但當收縮比小于0.4 時，會影響增氧放水管的過流能力，收縮比大于0.4 后，繼續增大收縮比，對過流能力影響很小，但吸氣能力會顯著減少。據此，收縮比d取0.4～0.45較合適。

2.5 摻氣段長度L3優選

喉管水流經摻氣口拽入空氣后，須經摻氣段完成氣液融合。如果摻氣段過短，氣液融合不充分，摻氣水流經噴口及彎頭流出后，摻入水體中的空氣泡大部分會迅即破裂，回歸大氣，影響增氧效果，但如果摻氣段過長，又會因喉管摻氣水流紊動、回流，影響摻氣口進氣量，甚至引起增氧管整體震蕩。制作了4支摻氣段長度不同、其他結構參數相同的增氧放水管，采用專用測試臺測試，以優選摻氣段長度參數。4支不同摻氣段增氧放水管吸氣量如表4所示。

表3 收縮比參數優化試驗測試結果Tab.3 Results of contraction ratio parameter optimization test

表4 摻氣段長度參數優化試驗測試結果Tab.4 Results of parameter optimization test of aeration section length

試驗測試結果表明，摻氣增氧段長度增加，會影響吸氣量，L3越長其吸氣量越少。試驗發現，摻氣增氧段長度為200 mm 時，增氧放水管工作時的振動很大，而且隨著管道工作壓力增加，增氧放水管振動的越厲害。但物理原理顯示，L3越長，從吸氣腔吸入的空氣與水流混合得會越好，有利于提高摻氣增氧效果。綜合權衡利弊，摻氣增氧段長度取100 mm為宜。

2.6 參數優選結果

綜合前述表1、表3和表4測試結果，確定Φ63 管徑增氧放水管結構參數見表5。

表5 自壓吸氣增氧放水管結構參數優選結果Tab.5 Optimization results of structural parameters for the drainage pipe of self-pressurized inspiratory oxygenated irrigation

2.7 管道工作壓力對吸氣增氧效果的影響

為驗證管道不同的工作壓力與吸氣增氧效果的關系，選定最優結構參數的增氧管（d=0.45、L1=95 mm、L3=100 mm）測試其在不同的工作壓。下流量及吸氣量，結果見表6。

試驗測試結果表明，管道工作壓力越大，增氧管流量及吸氣量越大，增氧效果越好。

表6 不同的工作壓力下流量及吸氣量的變化Tab.6 Flow rate and inspiratory capacity under different working pressure

3 實際應用及增氧效果檢驗

自壓吸氣增氧放水管研制成功后，2017年在湖南省灌溉試驗中心站春華試驗區開展大田實際應用驗證，于2018年推廣應用到湖南省長沙縣、湘潭縣等5縣高標準農田示范區，已推廣應用面積達1 333.3 hm2，真正實現了廣袤野外大田無能源動力條件水稻增氧灌溉，獲得應用農戶一致好評。

3.1 灌溉水增氧量現場檢測

在春華灌溉試驗區應用現場，任意選擇一支增氧放水管，通過控制其前端閥門開度，檢測其不同閥門開度下增氧放水管出口水流含氧量。采用哈西公司HQ40d 水質分析儀測得的閥門開度從30°（小開）到90°（全開）增氧放水管出口水流含氧量，結果如表7所示。

表7 自壓吸氣增氧放水管增氧效果實測結果Tab.7 Measured results for oxygenated effect of the self-pressurized inspiratory oxygenated drainage pipe

由表7可知，自壓吸氣增氧放水管具有明顯的增氧效果。當閥門開度少于60°時，增氧放水管管道內因流量受控而致壓力不足，未達到自壓吸氣條件，出口水流是未經摻氣的“原狀”水體，其含氧量為7.11 mg/L 左右，與現場同時檢測的“原狀”灌溉水含氧量相同。當閥門由60°開至90°，隨著閥門開度增加，流量增大，管道內自壓吸氣條件逐步形成，管內水流摻氣量也逐步增加，出口水體含氧量隨閥門開度增加而增加，至全開時達到最高8.16 mg/L，灌溉水含氧量較“原狀”水提高了14.7%左右。

3.2 灌溉水高含氧量持續時間檢測

為檢測增氧灌溉田間灌溉水高含氧量持續時間，灌水期間，在增氧灌溉田間每隔2 h 檢測田間灌溉水含氧量，并與同期未增氧的“原狀”水做對比。結果見表8。

表8 灌溉水增氧效果持續時間檢測結果 mg/LTab.8 Test results of duration of aerobic effect of irrigation water

結果表明自壓吸氣增氧放水管可使得田間灌溉水高含氧量維持20 h以上。

4 結 論

（1）自壓吸氣增氧放水管的研制成功及其性能測試平臺的開發應用，實現了增氧放水管的定型設計與批量生產，解決了廣袤的野外田間無能源動力條件灌溉水增氧的關鍵問題，真正實現了廣袤的野外田間水稻增氧灌溉。

（2）測試結果表明，增氧放水管3個主要結構參數d、L1、L3中，收縮比d對吸氣增氧效果影響最大。d越小，吸氣量越大，增氧效果越好，但小到一定程度會影響過流能力，其臨界值約0.4 左右；L1、L3在滿足基本結構尺寸后，其長短變化對吸氣量無明顯影響，但摻氣段長度L3應該對氣液融合有影響，但測試平臺受功能限制無法測得。

（3）本文基于工程實際應用的需要，用運行時增氧放水管的吸氣量作為評價其增氧性能的主要指標，并基于此開發了一套專用性能測試臺，結合應用便攜式快速水質分析儀，較好地滿足了增氧放水管定型設計和現場增氧性能測試的實際需要。