寒区水稻秸秆灰水泥砂浆饰面晒水池的温度调控效应及农业设施应用研究

针对寒区井灌水稻灌溉水温不足问题，研究人员创新性地采用5%替代率的水稻秸秆灰(RSA)水泥砂浆作为晒水池饰面材料。通过控温试验与有限元模拟对比普通砂浆饰面晒水池，发现RSA饰面可使日均水温提升0.1-0.6°C，模拟数据证实其热传导系数降低4.7%至0.40 W/(m2·K)，RGB吸光值(142.01,141.76,141.47)显著优于普通砂浆(173.88,170.89,166.47)。该研究为农业废弃物高值化利用与寒区灌溉设施节能改造提供新思路。

　　

在东北寒区农业实践中，井灌水稻面临严峻的水温挑战。作为我国重要商品粮基地的三江平原，80%耕地采用井灌水稻种植，但4-7°C的井水直接灌溉会显著降低稻米品质与产量。研究表明，水温每提升1-2°C可有效缓解水稻冷害，促进分蘖和灌浆。传统晒水池通过普通水泥砂浆饰面虽能将水温提升至7-15°C，但在低温寡照的寒区气候条件下仍存在热效率不足、结构改造成本高等瓶颈问题。与此同时，我国每年产生2.3×10⁸吨水稻秸秆，露天焚烧不仅造成PM_2.5污染，更浪费了宝贵的生物质资源。

针对上述问题，Fu-cheng WANG团队在《Green Energy and Resources》发表研究，创新性地将水稻秸秆灰(Rice Straw Ash, RSA)应用于晒水池饰面材料。研究人员通过材料表征、控温试验和计算流体力学模拟三位一体的研究方法，系统评估了RSA水泥砂浆的热工性能及其对晒水池水温的调控机制。关键技术包括：采用500°C煅烧4小时制备RSA，通过X射线荧光光谱分析其化学组成（含76.88% SiO₂和11.05% K₂O）；建立1.5m×1m×0.3m的对比晒水池模型，采用Yidu高精度数字温度计（±0.1°C）监测水温；基于ANSYS Fluent构建三维热力学模型，采用K-epsilon湍流模型和DO辐射模型进行模拟；通过MATLAB图像处理工具箱量化饰面材料的RGB吸光特性。

3.1 晒水池热力学分析

通过建立热平衡方程，推导出水温变化ΔT与太阳辐射吸收量、热传导系数的数学关系。理论计算表明RSA饰面的热传导系数降低至0.40 W/(m²·K)，较普通砂浆降低4.7%，其较低的RGB值（142.01 vs 173.88）赋予更强的可见光吸收能力。

4.1 实验结果分析

在典型晴天条件下，RSA饰面晒水池的升温速率达1.98°C/h，较对照组快5.3%。日均水温差异为0.32°C，最大温差出现在14时达0.6°C。经济评估显示，每公顷RSA饰面可节约水泥8,025kg，结合热能转换效益，总成本降低5,724.15元。

4.2 有限元模拟结果

Fluent模拟显示RSA饰面晒水池的截面温度分布较均匀，最高水温达23.15°C（较对照组高0.5°C）。纵向温度梯度分析证实其热流分布更优，日均吸热量达6436.58 kJ，比普通砂浆高25%。

该研究证实RSA水泥砂浆通过双重机制提升晒水池性能：化学成分上，高硅含量（76.88% SiO₂）降低热传导系数；物理特性上，较深的色泽增强太阳辐射吸收。研究者建立的温度预测模型（晴天条件R²=0.988）为寒区农业设施设计提供量化工具。从农业循环经济视角，该技术既解决了秸秆焚烧污染问题，又将废弃物转化为增值建材，每公顷晒水池可减少PM_2.5排放10-15%。未来研究需在实际工程规模验证长期耐久性，并优化RSA掺量以获得最佳性价比。这项跨学科研究为寒区水稻种植的可持续发展提供了创新性的解决方案。