再生水滴灌條件下灌水器抗堵塞試驗(yàn)研究

為了得到再生水灌溉對(duì)滴灌流量的影響規(guī)律及滴頭抗堵塞性能,該文通過試驗(yàn)對(duì)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(zhǎng)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(yàn)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)。

研究不同含沙水滴灌條件下,隨著灌水次數(shù)的增加滴灌管(帶)的堵塞情況;灌水器出流及淤積在滴灌管(帶)管腔內(nèi)的泥沙含量和粒徑組成。經(jīng)過多次灌水試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)過11次灌水試驗(yàn),d120水質(zhì)情況下滴灌管(帶)堵塞情況好于s120;s100和d75水質(zhì)情況下,經(jīng)過相同次數(shù)的灌水試驗(yàn),4條滴灌管(帶)堵塞灌水器個(gè)數(shù)及位置相同;s80和d75水質(zhì)情況下,雖然d75水質(zhì)下灌水次數(shù)多,但4種滴灌管(帶)抗堵塞性能明顯要好于s80水質(zhì)情況下;不同水質(zhì)情況下4條滴灌管(帶)的前60m,管腔內(nèi)泥沙淤積量很小,70~90m處泥沙淤積量則不同程度的增加,淤積在管腔內(nèi)的泥沙中值粒徑d50最大值出現(xiàn)在60~90m。

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(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:灌水器在淹沒出流時(shí)的出流規(guī)律與自由出流相同,但淹沒時(shí)的流量略小于對(duì)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(shí)流量變化率比高壓時(shí)大,即在灌水器額定工作壓力(10m)附近,淹沒出流對(duì)其影響較小。統(tǒng)計(jì)特征表明,灌水器淹沒后出流更加均勻。不同灌水器類型對(duì)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(duì)灌水器的流量變化率均小于升壓過程。

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(shí)的流量、工作壓力、土壤初始含水率等因素,對(duì)地下滴灌條件下灌水器水力性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:灌水器埋入土壤后,流量是其自由出流時(shí)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(shí)的水力特性和土壤特性。針對(duì)測(cè)試土壤,建立了地下滴灌灌水器流量計(jì)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(yàn)因素,用混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案。應(yīng)用研制的地下滴灌灌水器流量測(cè)試系統(tǒng),用稱重法來獲得不同試驗(yàn)方案灌水器流量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了地下滴灌灌水器流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。分析表明:在工作壓力不變時(shí),灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個(gè)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(duì)灌水器流量影響較小。

以運(yùn)行2年的日光溫室番茄地下滴灌系統(tǒng)為對(duì)象,通過對(duì)灌水器流量進(jìn)行測(cè)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(duì)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(gè)小區(qū),2年累計(jì)施肥次數(shù)的變化范圍為0~19,累計(jì)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)灌水器堵塞程度對(duì)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。

通過對(duì)現(xiàn)有滴灌灌水器類型的分析及試驗(yàn)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(shí),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(shí),所選取的幾種滴頭基本上都可以用于地下滴灌。通過對(duì)濕潤(rùn)鋒的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)出流量較大的滴頭,其濕潤(rùn)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(yàn),研究了灌水器類型、流量、工作壓力和土壤初始含水量對(duì)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(shí)的延長(zhǎng)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(duì)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(jì)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(dòng)靈活、滴流量偏差小、水力性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。為檢驗(yàn)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(yàn)。結(jié)果表明:移動(dòng)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(shí)的平均滴水量與多次間歇式插地出流時(shí)的平均滴水量相當(dāng),其波動(dòng)范圍在5%以內(nèi),較適合于在移動(dòng)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(duì)象,通過計(jì)算流體力學(xué)(cfd)數(shù)值模擬、piv觀測(cè)和樣品測(cè)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(dòng)軌跡與流道內(nèi)部速度場(chǎng)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(dòng)速度小于0.5m/s時(shí),易在齒底處旋轉(zhuǎn),而大于此速度時(shí),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(jì)時(shí),單純?cè)龃簖X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(yàn)裝置,測(cè)量了流量和壓力關(guān)系。試驗(yàn)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(duì)壓力變化的敏感程度高于地表滴灌。

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(duì)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(jì)質(zhì)量和速度,降低了制造成本。

針對(duì)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(shí),提出并設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí),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(dòng)相適應(yīng),具有出流量自調(diào)節(jié)的功能。

通過開展沙地地下灌溉實(shí)驗(yàn)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。

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(jì)安排試驗(yàn),對(duì)各因素實(shí)測(cè)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(píng)價(jià)和比較各試驗(yàn)因素對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度。結(jié)果表明:工作壓力對(duì)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(duì)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(yàn)所選的三個(gè)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(duì)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(duì)地下滴灌灌水器流量的影響,采用分形理論分析各種級(jí)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(yàn)因素,運(yùn)用混合水平均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。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(yàn)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(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的普適性較高。

對(duì)孔徑0.9、1.2mm,孔間距33cm,管徑為φ12、φ16pe滴灌毛管進(jìn)行了0.25~2.4m入口工作水頭條件下的水力性能試驗(yàn)和分析。結(jié)果表明,在試驗(yàn)的工作水頭下,使用達(dá)西-韋斯巴赫公式、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出管道總水頭損失值與實(shí)測(cè)值比較都有很大的偏差,通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析,對(duì)常用的水頭損失計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式用以入口工作水頭為變量的參數(shù)進(jìn)行了修正,取得較好的計(jì)算精度。

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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)安排試驗(yàn)。試驗(yàn)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(shí),灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個(gè)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(duì)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(duì)5種流道尺寸的模型中水流流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)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(duì)水流有很大的干擾,可以使其中水流在雷諾數(shù)為41.5時(shí)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(yàn)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(yàn)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。

地下滴灌灌水器流量由于受到土壤因素的制約而比地表滴灌流量有所減小,研究土壤物理特性對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度對(duì)地下滴灌水力計(jì)算與工程設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。文中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(jì)安排試驗(yàn)方案,將歸一化處理后的各因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,估算各試驗(yàn)因素對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度。結(jié)果表明:地下滴灌中工作壓力是決定灌水器流量的主要因素,土壤容重和土壤初始含水率對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響較弱,但在地下滴灌水力計(jì)算與工程設(shè)計(jì)中也不可忽略。

為了解決滴灌水直接輸送根際和滴頭堵塞的技術(shù)問題,開發(fā)研制了一種可埋于地下的多變量抗堵塞滴頭。經(jīng)山地紅棗不同灌溉試驗(yàn)證明,滴灌、滲灌、根際滴灌產(chǎn)量比不灌溉分別增產(chǎn)12075、15145和15150kg/hm2;wue分別提高66.94%、72.07%、72.07%,凈收入分別增加62536.0、73494.0、76086.0元/hm2。滴灌、滲灌、根際滴灌年使用折舊期分別為8、6、12年。