微孔陶瓷渗灌系统的材料学基础和水力性能研究

The economic, social and ecological benefits of sub-surface irrigation have been proved. Plastic sub-surface irrigation products possess shortcomings hardly overcome, which decreases the benefit of sub-surface irrigation and cannot meet the needs of the development of sub-surface irrigation. The potential and prospect of porous ceramic on sub-surface irrigation have been proved. Due to the lack of material science research of porous ceramic pipes used in sub-surface irrigation, the porous ceramic pipe sub-surface irrigation system was failed to build, little sub-surface irrigation theory was put forward, and irrigation mechanism and water movement law of the system are unable to explored, which impact the technology development and benefit appearance of porous ceramic pipe sub-surface irrigation. In the present work, based on the material science research, the preparation technology of porous ceramic pipes using in sub-surface irrigation is investigated, the corresponding relation between physical properties and seepage chracteristic of porous ceramic pipes is founded, the seepage characteristic and mechanism of the porous ceramic pipes are studied, the hydraulic performance and irrigation mechnism of the porous ceramic pipe sub-surface irrigation system are studied, the irrigation uniformity evaluation model of the system are founded,the scientific establishment principle of porous ceramic pipe sub-surface irrigation system is put forward. The present work provides basis for developing the porous ceramic pipe sub-surface irrigation technology.

渗灌的经济、社会和生态效益已被认可。塑料的渗灌产品有其难以克服的缺点，影响了渗灌的整体效益，无法满足渗灌技术的进一步发展。微孔陶瓷在渗灌上的应用潜力和前景已被证实，但缺乏渗灌用微孔陶瓷管的材料学研究基础，微孔陶瓷渗灌系统未能构建，相关的渗灌理论难以建立，微孔陶瓷渗灌系统的水力性能和渗灌机理无法探知，影响了微孔陶瓷渗灌技术的发展和效益显现。本课题从材料学基础研究入手，研究渗灌用微孔陶瓷管的规范化制备工艺，建立微孔陶瓷管的物理力学性能和渗流特性的对应关系，研究微孔陶瓷管的渗流特性和渗流机理，研究微孔陶瓷渗灌系统的水力性能和灌溉机理，建立微孔陶瓷渗灌系统的灌水均匀度评价模型，提出微孔陶瓷渗灌系统的科学构建法则，为微孔陶瓷渗灌技术的发展提供依据。

微孔陶瓷渗灌的可行性已被证实。由于渗灌用微孔陶瓷的材料学研究极度缺乏，微孔陶瓷渗灌系统难以构建，相关的渗灌理论无法探知，因此本项目包括材料学和灌溉水力学两方面研究内容。首先从材料学研究入手，以粘土和炉渣为原料，以硅藻土、硫酸钙、硅溶胶为性能改良剂，探索了多套渗灌用微孔陶瓷的规范化制备工艺，研究了原料配比对微孔陶瓷灌水器的微观结构、物理和力学性能的影响；以砂子和水泥为原料，采用雾化加湿法制备了成本更低的微孔混凝土灌水器，研究了微孔混凝土灌水器的抗折强度、开口孔隙率、平均孔径和水力性能。材料学研究部分为微孔陶瓷灌水器的低成本规范化制备提供了依据。在灌溉水力学方面，以微孔陶瓷灌水器为对象，研究了微孔陶瓷的厚度、孔隙率和孔径对灌水器渗透系数和水力性能的影响，揭示灌水器的渗流特性和渗流机理，拟合了灌水器的出流量、微孔陶瓷的厚度、孔隙率和渗水面积以及灌溉水头之间的关系函数；以微孔混凝土灌水器为对象，研究了灌水器的形状及参数对其流量的影响。灌溉水力学研究部分为微孔陶瓷灌水器的科学使用奠定了基础。以上述研究为基础，提出了一种渗输水一体化的渗灌方式，将微孔混凝土圆管首位相接构建成渗水管道，通过研究灌溉水头对渗水管道沿程水头的影响，拟合出渗水管道的沿程水头计算公式，为一体化渗水管道的构建和使用提供了依据。基于微孔混凝土灌水器，研究了水肥灌溉时灌水器的流量变化，分析了导致灌水器流量下降的原因，由于化肥中的难溶物质会严重堵塞灌水器，因此必须将化肥配成溶液进行充分过滤后再加入灌溉水中使用。基于微孔陶瓷灌水器，通过研究灌水器的累计入渗量、流量、湿润体特征和土壤含水率的变化，阐明了微孔陶瓷渗灌的土壤水分运移规律，分析了灌水器入渗流量和周围土壤含水率随时间的变化规律，基于土壤水动力学建立了灌水器出流量与土壤含水率的关系函数。该研究进一步为微孔陶瓷渗灌的科学使用提供了依据。