利用毛细材料提升地下水用于植物生长的探索
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２０１３年第１０期 （第４１卷） 黑龙江水利科技 Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｎｏ．１Ｏ．２０ｌ３ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．４１）
文章编号：１００７—７５９６（２０１３）１０—０１０２—０３
利用毛细材料提升地下水用于植物生长的探索
方龙章，胡 桢，刘鸿宇，高 垄，唐 帮
（四川大学水利水电学院，成都６１００００）
摘要：基于中国水资源利用效率低的现状，本文提出了一种新的节水理念以提高水利用效
率，即通过毛细材料提升地下水用于植物生长，首先通过五种不同材料的对照试验粗
选材料为风积砂，然后通过粗砂、中砂、细砂、粉土和原样这五种粒径不同的风积砂吸
水能力的对照试验确定了最终毛细材料为粉土，最后通过模拟实验说明了该节水理念
的可行性。
关键词：毛细材料；节水灌溉；微润管；吸水能力；竖管法；毛细作用
中图分类号：Ｐ６４２ 文献标识码：Ｂ
Ｏ研究背景
目前，我国每年约５ ５００亿ｉｎ 的用水总量中，
７０％属农业用水，北方高达８０％，农业用水的９０％
是灌溉用水，利用率仅４５％左右。加快推进节水农
业，是缓解我国水资源供需状况１３趋恶化的希望所
在。于是提出了一种新的节水理念以提高水利用效
率从而达到节水的目的。
１ 准备试验
本研究采用了室内竖管试验法，寻找最佳毛细 材料，拥有较强毛细作用，将水位尽可能提升至较高
位置。
１．１试验原理
竖管法毛细水上升高度试验是将细小的玻璃管 插入水中，利用毛细作用将水提升到一定高度［１］。
毛细现象只有在狭小的管道中才能产生，竖管
砂砾中的细小空隙，连接成狭小的管道，液体在表面 张力的作用下，水分便沿着毛细管道上升，表现为毛 细水上升高度，从而达到竖管试验效果。
１．２试验方案
１．２．１ 测定不同材料的毛细吸水能力
采用了控制变量法，安排了５组对照实验，其实
验装置如图１所示。 实验过程包括以下４个方面：①将准备好的５
种烘干材料（泥炭土，棉毛线，细塑料屑，风积砂（筛
分称重得到不同粒径风积砂在所取样品中所占比
例，见表１），自然土壤）分别装入１，２，３，４，５号相同 玻璃管中（外径２ ｃｍ，高度为８５ ｃｍ）；②装样采用等
高控制法，将试样装至１００ ｃｍ处，下端塞上少许纱布
以防样品流漏，将装好样的玻璃管插入实验装置中
（注意玻璃管０刻度线与液面齐平）；③将连续流动
的蓝色水放入进水口（注意控制进水口水流速度，使
液面高度与带孔的有机玻璃板高度齐平 ；④每隔
一段时间观察一次玻璃管中液面高度，并测量上升
高度，直至所有玻璃管液面高度不在变化为止，并记
录数据。实验结果及分析实验数据，绘制出如下毛
［收稿日期】２０１３—０７—２９ ［作者简介］方龙章（１９９３一），男，安徽六安人；胡桢（１９９２一），男，四川眉山人，从事农业水利工程；刘鸿
宇（１９９３一），男，四川眉山人，从事农业水利工程；高望（１９９０一），男，四川雅安人，从事农业
水利工程；唐帮（１９９１一），男，重庆人，从事农业水利工程。
．－———１０２．－—
—— 方龙章，等：利用毛细材料提升地下水用于植物生长的探索 第１Ｏ期
细上升高度曲线，见图２。
４Ｓ 昌４０ 意３５ 挺３０ 束２．５ ２０ 葵１ｓ 蠢
０ １．泥炭土２．棉毛线 ３．细塑料屑 ４．风积砂５．自然土壤（简阳红壤） 图１实验装置图
Ｏ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５Ｏ
图２毛细上升高度曲线
由图２可得：①初始阶段，各试样的吸水速率均
较高；随着时间的增加，各组试样的吸水速率趋近平
稳；②在相同条件下，不同毛细材料的最终吸水高度
为３＜５＜２＜１＜４，即风积砂的毛细吸水作用最强。
考虑到风积砂是一种可以通过改变配比来改变
其性质的天然粉质细沙土，因此，通过下一组实验来
初步拟定用于实验的毛细材料。
表１不同粒径风积砂在样品中的分布
１．２．２测定不同粒径的风积砂的毛细吸水能力
１．２．２．１实验步骤及过程 将采回的风积砂分为粗砂、中砂、细砂、粉土，分
别采用单一砂和原样进行竖管法试验，仍采取控制
变量法，实验装置图见图３。
装样时应保证初始含水率相同。试验开始时，
将装好样品的玻璃管插入盛水玻璃缸中，玻璃管０
刻度线和液面平齐，记下时间和相应的毛细水上升 高度，直至毛细水上升高度平稳后方可停止 。试
验停止后，迅速将玻璃管取下并水平放置，读取玻璃
管读数。
１．粗砂２．中砂 ３．细砂４．一粉土５．原状土 图３风积沙分类图
１．２．２．２试验结果与整理 试验数据经整理分析后，绘制出不同粒径砂样
毛细上升高度曲线，如图４、图５。
Ｅ １∞ ８０ 罐 要６０ ＊ 景” ２０ Ｏ ０ ｓｏ Ⅲ ｍ № ｍ ｍ ３∞
图４单一砂样毛细水上升高度曲线图
鼻
妻
：
图５原砂毛细水上升高度曲线图
１．２．２．３结果分析 由图３可以看出，在单一砂样中粗砂最大毛细
水上升高度最小，为７．５ ｃｍ，其次是中砂１６．０ ｃｍ，细
砂３Ｏ．５ ｃｍ，粉土最大，为９８ ｃｍ，由图４可以看出，原
砂的最大毛细水上升高度为４５．０ ｃｍ。试验证明，风
积砂粒径越小，最大毛细水上升高度越大。
１．３最终实验结论
通过以上系列实验最终选择在实验室条件下从 风积砂中筛出粉土用于后续实验。在最终的模拟实
验中，决定使用的作物为向日葵，原因如下：
１）考虑到其根层深度仅为５０—１０ｏ ｃｍ，在可控
一
】Ｏ３一 ２０１３年第１０期 （第４１卷） 黑龙江水利科技 Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｎｏ．１０．２０１３ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．４１）
范围内。 ２）向Ｅｔ葵属于抗旱作物，需水量较小，满足实验
条件。 ３）直根系植物，人土较深，侧根在土壤中的延伸
范围较广，吸水范围较广，符合试验要求 ｊ。
４）生育周期较短，便于缩短试验周期，加快实验
进度。 ５）向１３葵生命力旺盛，存活率较高。
２模拟实验
２．１实验思路
在上述实验的基础上，加上横管装置微润管，以
实现节水作用的最大化。在该装置中向日葵吸水的
原理是：利用作为毛细材料的竖管中的粉土将水位
提升至某一高度，让水分进入预埋好的微润管中，水
分透过微润管的小孔沁出，便于湿润该区一定范围
内的土壤，以便于向日葵吸收水分 Ｊ。实验装置图
如图６所示。
图６实验装置图 对于该实验装置中各高度数值的取值思路
如下： １）取根系长度均为５０ ｃｍ的向日葵成体植株４棵。
２）根系以下土层厚度取９０ ｃｍ的原因：根据第一
个实验，在自然土壤毛细作用下，可将水位提升至
３０ ｃｍ处，但是，由于向日葵的根系最长可生长至
１００ ｃｍ，为保证向日葵植株是利用毛细材料提升上来
的水分生长而不是依靠自然土壤作用的毛细作用提
升上来的水分，需设置土层最小厚度为（１００＋３０）ｅｍ，
因此，在根系５０ ｃｍ以下可填充土壤厚度为９０ ｃｍ。
２．２实验步骤
一１０４一 １）按上图所示布置实验装置。 ２）通过进水口向底部的供水槽中注入用０ 标
记的水，根据准备实验的数据可得，需在１０ ｄ之后检 测向Ｅｔ葵植株体内０埔的存在情况。
３）分别在移栽后的第１０、ｌ２、１４、１６、１８、２０ ｄ取
向日葵叶片，检测其叶片内是否含有。
２．３实验结果及分析
实验结果见表２。
表２实验结果表
时间 取样中是否含有０ × Ｘ × 、／ 、／ 、／ 第１０ｄ 第１２ｄ 第１４ｄ 第１６ｄ 第１８ｄ 第２０ｄ
分析：在向日葵植株体内检测到了０ 说明，底
部供水槽中的水通过竖管中的粉土被提升至一定高
度并被向日葵所利用。
３试验结论
由以上系列实验可得，可以利用毛细材料提升
地下水用于植物生长。
４结果推广和可行性探索
模拟实验装置中所用的竖管和微润管均可用于
植物的灌溉，因实验装置造价较高，故该设备一般只
用于名贵花卉的灌溉，因装置安装比较困难，故适用
于土壤比较疏松的地区便于管道的安装。该装置是
利用毛细材料提升地下水的装置，故该地区地下水 资源必须丰富。因毛细材料提升的最高高度为
９０ ｃｍ，故地下水埋深还不宜太大。
参考文献：
［１］李瑞峰．竖管法和负水头法毛细水上升高度的比较研究 ［Ｊ］．山西建筑，２００８，３４（２５）：１５０—１５１． ［２］膝显华，刘安奢．小尺度水力学模型中的测压管毛细现 象［Ｊ］．吉林水利，２００１（０３）：３—５． ［３］雷志栋，杨诗秀，谢生传．土壤水动力学［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，１９８８． ［４］王大纯，张人权，史毅虹，等．水文地质学基础［Ｍ］．北 京：地质出版社，２００６．
