沙水滴灌條件下灌水器抗堵塞試驗

在室內(nèi)將3種類型的灌水器置于自制水槽中,進(jìn)行了灌水器的淹沒出流試驗。試驗結(jié)果表明:灌水器在淹沒出流時的出流規(guī)律與自由出流相同,但淹沒時的流量略小于對應(yīng)壓力下自由出流的流量,其流量變化率多在10%以內(nèi);相比之下,低壓時流量變化率比高壓時大,即在灌水器額定工作壓力(10m)附近,淹沒出流對其影響較小。統(tǒng)計特征表明,灌水器淹沒后出流更加均勻。不同灌水器類型對淹沒與否的敏感程度有所差異,微管灌水器最為明顯,其次是內(nèi)鑲式,補(bǔ)償式變化很小。升降壓過程中,降壓過程的淹沒出流對灌水器的流量變化率均小于升壓過程。

針對再生水水質(zhì)復(fù)雜,污染物眾多,其在農(nóng)業(yè)滴灌上的應(yīng)用對滴灌系統(tǒng)的抗堵塞能力要求更高的特點(diǎn),采用6種滴頭進(jìn)行約360h的再生水滴灌試驗,測定了再生水滴灌條件下滴頭堵塞規(guī)律,探討了滴頭流道尺寸參數(shù)對于堵塞規(guī)律的影響,并采用環(huán)境掃描電子顯微鏡技術(shù)分析了滴頭堵塞物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明:不同流道結(jié)構(gòu)的滴頭抗堵塞能力明顯不同,各類滴頭流量下降的幅度范圍為14.4%～72.2%;流道水力直徑、流道長度、鋸齒高度和鋸齒間距等參數(shù)都影響著堵塞的發(fā)生,其中以水力直徑代表性最好,分區(qū)域地呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;微生物、胞外多聚物以及顆粒物質(zhì)混合形成的絮狀結(jié)構(gòu),構(gòu)成了滴頭流道內(nèi)的主要沉積物;堵塞過程的發(fā)生往往是以微生物富集開始的。試驗結(jié)果有助于進(jìn)一步提高再生水滴灌的應(yīng)用水平。

以運(yùn)行2年的日光溫室番茄地下滴灌系統(tǒng)為對象,通過對灌水器流量進(jìn)行測試,分析了滴灌帶埋深、施肥次數(shù)、施肥量和土壤層狀結(jié)構(gòu)等對灌水器堵塞程度及灌水均勻性的影響。滴灌系統(tǒng)包括滴灌帶埋深為0、15和30cm的33個小區(qū),2年累計施肥次數(shù)的變化范圍為0~19,累計施尿素量變化范圍為0~1023kg/hm2。結(jié)果表明,運(yùn)行2年后地表和地下滴灌灌水器發(fā)生了輕微堵塞,其中流量降低超過25%的灌水器占2.7%,完全堵塞的灌水器占2.1%;施肥次數(shù)、施肥量和土壤層狀結(jié)構(gòu)對堵塞的發(fā)生沒有明顯影響,地表滴灌比地下滴灌堵塞略為嚴(yán)重;未發(fā)現(xiàn)根系入侵造成的灌水器堵塞。對發(fā)生堵塞灌水器在系統(tǒng)中的位置進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn),大部分堵塞灌水器位于毛管的最末端。為了定量評價灌水器堵塞程度對灌水均勻性的影響,建立了灌水器流量變差系數(shù)與流量降低百分?jǐn)?shù)之間的回歸關(guān)系,結(jié)果表明灌水器流量均勻系數(shù)隨堵塞引起的流量降低百分?jǐn)?shù)的增大而線性增大。

為了得到再生水灌溉對滴灌流量的影響規(guī)律及滴頭抗堵塞性能,該文通過試驗對再生水灌溉條件下11種不同滴頭流道的流量變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:再生水灌溉條件下滴頭流量的降幅與流道長度、流道截面積呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,具有反沖洗功能的滴頭可以有效防止堵塞。田間試驗表明,再生水處理滴頭流量與地下水處理相比明顯下降,流道沉積物富集是導(dǎo)致滴頭流量衰減的主要原因。建議再生水滴灌系統(tǒng)選擇具有反沖洗功能的滴頭或者滴頭流道較短、流道截面積較小的滴頭,可有效降低堵塞的發(fā)生,為再生水灌溉系統(tǒng)科學(xué)選型與配套提供依據(jù)。

地下滴灌與地表滴灌的最大差異在于地下滴灌的灌水器出水口被土壤包圍,其出流受到土壤的限制。在室內(nèi)將灌水器埋入土槽中,模擬研究了灌水器類型、自由出流時的流量、工作壓力、土壤初始含水率等因素,對地下滴灌條件下灌水器水力性能的影響。試驗結(jié)果表明:灌水器埋入土壤后,流量是其自由出流時流量的1/2～1/4。方差分析表明,影響地下滴灌灌水器水力性能的主要因素是自由出流時的水力特性和土壤特性。針對測試土壤,建立了地下滴灌灌水器流量計算的修正關(guān)系式。

為了研究灌水器流量變化規(guī)律,該文以灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為試驗因素,用混合水平均勻設(shè)計安排試驗方案。應(yīng)用研制的地下滴灌灌水器流量測試系統(tǒng),用稱重法來獲得不同試驗方案灌水器流量。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),建立了地下滴灌灌水器流量計算經(jīng)驗公式。分析表明:在工作壓力不變時,灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個變化過程僅1～2min左右,可認(rèn)為灌水器流量是不變的;在同一壓力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌減小5%～20%,壓力越大,二者值越接近;影響地下滴灌灌水器流量的主要因素是灌水器工作壓力,而土壤容重和土壤初始含水率對灌水器流量影響較小。

通過對現(xiàn)有滴灌灌水器類型的分析及試驗篩選,結(jié)果表明,內(nèi)鑲式滴灌管最適宜應(yīng)用于地下滴灌,在低壓運(yùn)行時,孔口式滴頭在土壤中穩(wěn)定出流量為空氣中的3/5,基本可以滿足地下滴灌的要求;在較高供水壓力時,所選取的幾種滴頭基本上都可以用于地下滴灌。通過對濕潤鋒的觀測,發(fā)現(xiàn)出流量較大的滴頭,其濕潤鋒向上運(yùn)移速度較快。因此,為防止地下滴灌產(chǎn)生深層滲漏,應(yīng)選取出流量較大的滴頭

通過試驗,研究了灌水器類型、流量、工作壓力和土壤初始含水量對地下滴灌灌水器出口正壓的影響規(guī)律。結(jié)果表明:灌水器埋入土壤后,其出流由于受土壤等因素的限制,在灌水器出口處產(chǎn)生了一定的正壓,該正壓隨著灌水歷時的延長而增大。影響地埋灌水器出口正壓的主要因素是灌水器的額定流量和土壤初始含水量

通過對現(xiàn)有滴頭、滴箭等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的研究、改進(jìn)與優(yōu)化,設(shè)計開發(fā)出一種抗堵塞功能較強(qiáng)的插入式地下灌水器產(chǎn)品,整體上具有快速裝拆、移動靈活、滴流量偏差小、水力性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。為檢驗其抗堵塞功能的優(yōu)劣,分別進(jìn)行了自由出流和插地出流條件的滴水試驗。結(jié)果表明:移動插入式灌水器出流均勻,具有較強(qiáng)的抗堵塞性能,自由出流時的平均滴水量與多次間歇式插地出流時的平均滴水量相當(dāng),其波動范圍在5%以內(nèi),較適合于在移動式地下滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用。

以齒形迷宮流道灌水器為研究對象,通過計算流體力學(xué)(cfd)數(shù)值模擬、piv觀測和樣品測試相結(jié)合的方法,研究了齒形結(jié)構(gòu)的不同齒底距、齒高下顆粒運(yùn)動軌跡與流道內(nèi)部速度場分布的關(guān)系,并初步探索了流道結(jié)構(gòu)參數(shù)與灌水器抗堵塞性能的關(guān)系。結(jié)果表明:當(dāng)流道內(nèi)固體粒子運(yùn)動速度小于0.5m/s時,易在齒底處旋轉(zhuǎn),而大于此速度時,則易進(jìn)入主流區(qū)被水流帶出流道;齒形迷宮流道齒底距與抗堵塞性能呈正相關(guān),齒高與抗堵塞性呈負(fù)相關(guān);流道設(shè)計時,單純增大齒底距或者減小齒高,可以有效降低粒子在流道中發(fā)生旋轉(zhuǎn)的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。

壓力和流量的關(guān)系是地下滴灌灌水器最重要的水力要素之一,通過地下滴灌灌水器試驗裝置,測量了流量和壓力關(guān)系。試驗結(jié)果表明:壓力不變情況下,地下滴灌灌水器流量是恒定的;地下滴灌灌水器流量對壓力變化的敏感程度高于地表滴灌。

通過開展沙地地下灌溉實驗研究,提出了在灌水器下方鋪設(shè)35cm×35cm不透水膜的灌溉方法,將地下灌溉技術(shù)應(yīng)用于沙地,研制開發(fā)的新型灌水器,具有所需水頭低、低成本的特點(diǎn),突破了灌水器孔徑小于0.7mm的堵塞敏感尺寸,有效減低了灌水器堵塞問題,為治理利用沙地資源提供了灌溉保證。

利用femlab軟件可以用偏微分方程式描述各種數(shù)學(xué)、物理與工程問題或者是多重物理量問題,并可用有限元法對其進(jìn)行分析。為此,重點(diǎn)介紹了該軟件的基本原理與應(yīng)用方法,包括圖形繪制、網(wǎng)格生成、解答器等過程,以及它在滴灌設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用。通過該軟件的使用大大提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和速度,降低了制造成本。

針對最為節(jié)水、高效用水的地下滴灌技術(shù),主要分析了目前地下灌水器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、使用特點(diǎn)和功能,并運(yùn)用土-水系統(tǒng)中土壤水分理論知識,提出并設(shè)計了一種非電子控制的地下滴灌灌水器產(chǎn)品。該產(chǎn)品以土壤負(fù)壓為控制動力,以土壤水分為控制條件,當(dāng)灌水器附近土壤發(fā)生干濕變化時,土壤表現(xiàn)出不同大小的負(fù)壓,并作用于灌水器內(nèi)部的彈性膜囊,使之發(fā)生變形,從而改變灌水器內(nèi)部流道的通斷,使灌水器的出流狀況始終與土壤含水量自動相適應(yīng),具有出流量自調(diào)節(jié)的功能。

分別選取灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為因素,采取混合水平均勻設(shè)計安排試驗,對各因素實測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)、回歸和通徑分析,利用通徑系數(shù)直接評價和比較各試驗因素對地下滴灌灌水器流量的影響程度。結(jié)果表明:工作壓力對灌水器流量的直接通徑系數(shù)最大,土壤初始含水率和土壤容重通過工作壓力對灌水器流量的間接通徑系數(shù)次之,其它直接或間接通徑系數(shù)很小,剩余通徑系數(shù)較小。這說明試驗所選的三個因素可反映地下滴灌灌水器水力要素之間的關(guān)系,其中地下滴灌中工作壓力是決定灌水器流量的主要因素,土壤初始含水率和土壤容重通過工作壓力對灌水器流量的作用不可忽略。

降低滴灌系統(tǒng)灌水器工作壓力有望成為減少滴灌系統(tǒng)能耗以及運(yùn)行費(fèi)用的一種有效途徑,但目前低壓灌水器還十分少見?；诖?選取了國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的5種典型迷宮流道灌水器,分析了不同工作壓力區(qū)間對灌水器水力性能及消能特征的影響。結(jié)果表明:5種灌水器在低壓條件下運(yùn)行對于灌水器流量系數(shù)kd和流態(tài)指數(shù)x具有一定影響,但對于流態(tài)指數(shù)x的影響未達(dá)顯著水平。同一流道類型的灌水器流量系數(shù)kd與無量綱數(shù)a/l2呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系,不同流道類型之間差異顯著。5種灌水器流道內(nèi)流態(tài)為紊流,未發(fā)生流態(tài)轉(zhuǎn)捩行為,采用常規(guī)管道流態(tài)轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)2200去判斷流道內(nèi)流態(tài)是不合適的。

為了研究滴頭工作壓力和土壤物理特性對地下滴灌灌水器流量的影響,采用分形理論分析各種級配土壤的分形特征;以土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)、灌水器工作壓力、土壤容積密度、土壤初始含水率為試驗因素,運(yùn)用混合水平均勻設(shè)計方法進(jìn)行試驗。結(jié)果表明,粘粒含量大小是土壤分形維數(shù)的主要影響因素,土壤分形維數(shù)隨著粘粒含量的增加而增大;plassim公司地下滴灌灌水器流量隨土壤分形維數(shù)的增大而減小,即土壤質(zhì)地越細(xì)地下滴灌滴頭流量就越小;通過試驗所建立的包含有土壤分形維數(shù)因素的地下滴灌灌水器流量計算經(jīng)驗公式的普適性較高。

滴灌雙向流流道是一種新型滴灌灌水器流道。為了研究流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力特性的影響,分別以流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)為評價指標(biāo),取流道的9個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為因素,采用均勻試驗設(shè)計的方法,安排了12組試驗方案。根據(jù)試驗結(jié)果,應(yīng)用多元回歸計算方法,分別建立了流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)與9個結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的量化關(guān)系式,其相關(guān)系數(shù)分別為0.999和0.998,同時還用另外一組結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗方案驗證了建立的量化關(guān)系式。t檢驗結(jié)果顯示,9個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對流態(tài)指數(shù)的影響均較顯著,而v字形擋水件的張角α對其影響最大;出口寬度a、八字形分水件張角β對流量系數(shù)的影響較顯著,而出口寬度a對其影響最大,為雙向流流道的設(shè)計提供了參考。初步研究表明雙向流流道的流態(tài)指數(shù)在0.40~0.47之間,其水力性能優(yōu)良,結(jié)構(gòu)簡單,有一定應(yīng)用前景。

為研究不同質(zhì)地土壤中灌水器水力要素的變化規(guī)律及其差異,選取灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為因素,分別在粘土、壤土和砂土中采用混合水平均勻設(shè)計安排試驗。試驗結(jié)果表明,不同土壤中的灌水器出流規(guī)律一致:即當(dāng)工作壓力不變時,灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個變化過程僅1~2min;在相同壓力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌小5%~20%,壓力越大,二者越接近;灌水器流量隨工作壓力的增加而增大;土壤因素對灌水器流量有微弱的制約作用,使流量減小。相同條件下,土壤質(zhì)地越輕,灌水器流量越大;但隨著土壤容重和土壤初始含水率的增加,土壤質(zhì)地越輕,流量減小程度越大。

為分析迷宮灌水器流道內(nèi)水流流態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù),該文對5種流道尺寸的模型中水流流動現(xiàn)象進(jìn)行觀測與分析,并進(jìn)一步分析了迷宮流道內(nèi)水流水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系以及相應(yīng)斷面尺寸直流道內(nèi)水流沿程水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系。結(jié)果表明:迷宮灌水器不斷轉(zhuǎn)折的流道對水流有很大的干擾,可以使其中水流在雷諾數(shù)為41.5時就失去穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡區(qū);迷宮流道進(jìn)口段單元中可能出現(xiàn)層流,出現(xiàn)層流的單元數(shù)占總單元數(shù)的10%～12%。從整體來看,可認(rèn)為迷宮灌水器中水流流態(tài)為紊流或過渡區(qū);與經(jīng)典雷諾試驗結(jié)果不同,迷宮流道中水流水頭損失與斷面平均流速的2.0～2.5次方成比例;迷宮灌水器的流態(tài)指數(shù)可達(dá)到0.4～0.5;該試驗迷宮流道中水流過渡區(qū)與紊流區(qū)相互轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù)為87.5～125.0。

為探明細(xì)小泥沙粒徑對迷宮流道灌水器抗堵塞性能的影響,該文以內(nèi)鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器為研究對象,應(yīng)用類短周期堵塞測驗方法對8種粒徑小于0.1mm的泥沙顆粒進(jìn)行渾水測試。在此基礎(chǔ)上,分析了泥沙粒徑和含沙量對灌水器堵塞的影響,探討引起灌水器發(fā)生堵塞時的敏感粒徑范圍與含沙量水平。試驗結(jié)果表明:對于粒徑小于0.1mm的細(xì)小顆粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,當(dāng)渾水含沙量水平大于1.25g/l時,影響尤其顯著,呈正相關(guān)關(guān)系;粒徑對堵塞的影響并不是單調(diào)的遞增或遞減,堵塞發(fā)生的敏感粒徑范圍在0.03～0.04mm之間。試驗結(jié)果有助于進(jìn)一步提高含沙水源滴灌的應(yīng)用水平。

以均質(zhì)壤土(l)、均質(zhì)砂土(s)、上砂下壤(sl)和壤土中有砂土夾層(lsl)4種土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)為對象,利用室內(nèi)土箱試驗,研究了土壤質(zhì)地及其層狀結(jié)構(gòu)對灌水器流量的影響,估算了灌水器出口正壓值。試驗選用10m水頭壓力下額定流量為1.1l/h的地下滴灌專用灌水器。土壤為層狀結(jié)構(gòu)時,上層土壤厚度為20cm,砂土夾層的厚度為10cm。l、s、sl試驗的灌水器埋深為15cm;為了探討灌水器埋深與土壤質(zhì)地變化相對位置對灌水器性能的影響,lsl的灌水器埋深設(shè)計為15、25和35cm。試驗采用的工作壓力為2、3、6和10m水頭。結(jié)果表明:灌水開始后,出口正壓的迅速增大致使灌水器流量迅速減少,而后逐漸趨于穩(wěn)定。灌水器流量隨時間的變化可近似用冪函數(shù)表示。灌水器在土壤中的流量比在空氣中的自由出流流量有所減小,灌水器自由出流流量越小,減小幅度越大。土壤層狀質(zhì)地對灌水器流量影響明顯,一定壓力下,灌水器在層狀土壤中的流量小于在均質(zhì)土壤中的流量,尤其當(dāng)灌水器位于lsl的砂土夾層中時,流量比在均質(zhì)壤土中減少13%,比自由出流流量減少20%。利用試驗結(jié)果建立了地下滴灌灌水器流量與土壤飽和導(dǎo)水率、層狀土壤結(jié)構(gòu)、灌水器工作壓力的經(jīng)驗關(guān)系,對各影響因子的敏感性分析結(jié)果表明,對地下滴灌灌水器流量影響最明顯的是灌水器工作壓力,其次是層狀土壤結(jié)構(gòu),飽和導(dǎo)水率的影響較小。