土壤物理特性對地下滴灌灌水器流量影響分析

以運行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)與流量降低百分數(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數(shù)的增大而線性增大。

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。

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。

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用于地下滴灌,在低壓運行時,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,其濕潤鋒向上運移速度較快。因此,為防止地下滴灌產(chǎn)生深層滲漏,應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

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)、使用特點和功能,并運用土-水系統(tǒng)中土壤水分理論知識,提出并設計了一種非電子控制的地下滴灌灌水器產(chǎn)品。該產(chǎn)品以土壤負壓為控制動力,以土壤水分為控制條件,當灌水器附近土壤發(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,具有出流量自調(diào)節(jié)的功能。

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,用混合水平均勻設計安排試驗方案。應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。

利用femlab軟件可以用偏微分方程式描述各種數(shù)學、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行分析。為此,重點介紹了該軟件的基本原理與應用方法,包括圖形繪制、網(wǎng)格生成、解答器等過程,以及它在滴灌設備研發(fā)中的應用。通過該軟件的使用大大提高了產(chǎn)品設計質(zhì)量和速度,降低了制造成本。

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計安排試驗,對各因素實測數(shù)據(jù)進行相關(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。

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,運用混合水平均勻設計方法進行試驗。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。

在室內(nèi)將3種類型的灌水器置于自制水槽中,進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。

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,取流道的9個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為因素,采用均勻試驗設計的方法,安排了12組試驗方案。根據(jù)試驗結(jié)果,應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,有一定應用前景。

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)能耗以及運行費用的一種有效途徑,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。

微灌灌水器-微噴頭

針對涌泉根灌灌水原理,提出了一種新型的螺紋式涌泉根灌灌水器,并運用pro/e三維造型、cfd數(shù)值模擬、快速成形及試驗驗證等方法對該新型灌水器的水力性能進行了研究,得到了不同長度流道的壓力流量關(guān)系曲線和內(nèi)部壓力、速度分布圖。結(jié)果表明,該流道水力性能良好,流態(tài)指數(shù)約為0.5,處于紊流狀態(tài),消能形式以局部水頭損失為主,試驗驗證得出的水力特征曲線與數(shù)值分析得出的水力特征曲線基本吻合,該研究結(jié)果為涌泉根灌產(chǎn)品開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

微灌灌水器-噴頭SLT67.3-94

隨著新農(nóng)村的建設,農(nóng)村污水處理系統(tǒng)建設逐漸完善,同時節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣,農(nóng)村再生水的利用成為農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的一種新方法。本試驗針對農(nóng)村污水處理系統(tǒng),進行再生水滴灌試驗。結(jié)果表明:市場常見的灌水器產(chǎn)品對農(nóng)村的再生水有一定的適用性,具有抗堵塞的功能,可在農(nóng)村推廣再生水滴灌技術(shù)。寬齒形灌水器具有自清洗功能,抗堵塞性能優(yōu)于其他3中灌水器,且大流量的灌水器的抗堵塞性能優(yōu)于低流量的灌水器。由微生物與固體顆粒團體等組成的生物膜易沉積于灌水器的格柵和出水口緩沖區(qū),引起灌水器堵塞,其是直接誘發(fā)灌水器堵塞的原因。灌水器流道內(nèi)沉積物質(zhì)的隨機生長與脫落,造成灌水器的堵塞是一種隨機的過程。滴灌系統(tǒng)運行大概350h,應對其進行清洗,以提高灌水器的抗堵塞性能。

對4種不同滴灌管(帶)在含沙水滴灌條件下灌水器的出流量變化及淤積堵塞情況進行了田間試驗研究。經(jīng)過多次灌水試驗,結(jié)果表明,4種滴灌管(帶)灌水器出流量均隨灌水次數(shù)的增加和距離毛管進水口長度的增加呈減小趨勢,最后完全堵塞的灌水器均發(fā)生在毛管的末端;在相同水質(zhì)和灌水壓力下,大流量灌水器抗堵塞性能較好,即大流道灌水器的抗堵塞性能優(yōu)于小流道灌水器;隨著灌水次數(shù)的增加在滴灌管(帶)的管腔內(nèi)有細小泥沙淤積,小流量滴灌管(帶)在70～80m處泥沙淤積量驟然增加,大流量滴灌管(帶)在80～90m處驟然增加,管內(nèi)泥沙的沉積大大增加了灌水器的堵塞幾率,因此定期對滴灌帶進行沖洗可以有效減小堵塞。

通過設置灌溉量和滴灌管埋深的二因素三水平田間小區(qū)試驗,研究灌溉量和滴灌管埋深對無膜地下滴灌棉花產(chǎn)量的影響,以明確在無膜條件下地下滴灌棉田灌溉量和滴灌管埋深的最優(yōu)指標。結(jié)果表明,無膜灌溉量為4200m3/hm2,滴灌管埋深5cm時,產(chǎn)量最高,為最佳無膜覆蓋滴灌量和滴灌管埋深設置,當灌溉量較低時,滴灌管要深埋,反之,則要淺埋。僅從經(jīng)濟效益來看棉花種植采用地膜覆蓋更好,但無膜覆蓋具有較好的社會效益和生態(tài)效益。

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)象進行觀測與分析,并進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的泥沙顆粒進行渾水測試。在此基礎上,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的細小顆粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,當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)果有助于進一步提高含沙水源滴灌的應用水平。

黃河三角洲是我國成土最快的河口三角洲之一,探索其土地利用過程中不同土地利用方式對土壤物理性質(zhì)的影響,對該區(qū)土壤肥力保持和土地資源的持續(xù)利用具有重要意義。選擇黃河三角洲棉田、麥田、葦?shù)亍A蓬地和裸地等5種不同的土地利用方式,通過野外調(diào)查與室內(nèi)分析,研究不同土地利用方式下土壤主要物理特性的變異特征及影響因素。結(jié)果顯示,與裸地土壤相比,有植被土地利用方式土壤容重降低,土壤孔隙度、團聚體水穩(wěn)性、飽和含水量與毛管含水量也有相應的提高;土壤有機碳和速效氮、有效磷含量均有顯著增加,土壤總鹽分含量呈顯著降低趨勢。在所研究土壤中,土壤物理性質(zhì)依麥田-棉田-葦?shù)?堿蓬地-裸地的次序從最佳向最差過渡。逐步回歸分析和相關(guān)分析表明土壤容重、團聚體平均重量直徑和毛管孔隙度是土壤毛管含水量的主要影響因子,團聚體水穩(wěn)性主要由大于0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量和毛管孔隙度決定,土壤總鹽分含量影響土壤飽和導水率;大于0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量分別與土壤有機碳含量(r=0.8323)、速效氮含量(r=0.7558)和有效磷含量(r=0.9049)具有正相關(guān)關(guān)系。因此,黃河三角洲地區(qū)土地利用應以增加有機質(zhì)的投入,提高土壤水穩(wěn)性團聚體形成為基礎,促進土壤良好結(jié)構(gòu)形成。這些結(jié)果為該區(qū)土壤肥力提高和土壤資源可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。