水肥一體化對側(cè)翼迷宮滴灌帶抗堵塞性能的影響

吳婉瑩，王文娥，胡笑濤，王 睿，吳錫凱

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

滴灌施肥可以適時適量地向作物根系供應(yīng)水分和養(yǎng)分，精確高效、省時省力。側(cè)翼迷宮滴灌帶制造工藝簡單，材料單一可回收再利用，大幅降低了微灌系統(tǒng)投資，在新疆和甘肅應(yīng)用推廣面積迅速增加。目前田間大量應(yīng)用的回收再利用生產(chǎn)出的滴灌帶，其堵塞問題隨著應(yīng)用面積的增加而越來越突出，尤其在水肥一體化時容易發(fā)生滴灌帶堵塞的問題。由于田間使用的各種滴灌帶水力性能與抗堵塞性能不盡相同，已影響到滴灌系統(tǒng)的田間設(shè)計、運行及灌溉施肥均勻性，急需對目前大面積使用的側(cè)翼迷宮滴灌帶的水力性能及抗堵塞性能進行研究，分析影響因素，為微灌系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供參考。

目前對迷宮滴灌帶的水力性能、抗堵塞性能的研究已有許多成果：馬曉鵬[1]在低壓條件下進行了側(cè)翼滴灌帶鋪設(shè)長度、壓力水頭、地形坡度3個因素對滴灌帶灌水均勻系數(shù)影響規(guī)律的試驗研究，得出了隨著滴灌帶長度的增加，影響滴灌帶灌水均勻系數(shù)的主要原因從制造偏差變?yōu)榈喂鄮Я髁看笮。欢帕Ⅸi[2]對不同規(guī)格的側(cè)翼迷宮滴灌帶進行清水和加肥灌水試驗，發(fā)現(xiàn)加肥灌水時滴頭流量及灌水均勻系數(shù)較清水減小。馬寧和祁新萍[3]通過農(nóng)戶調(diào)查，發(fā)現(xiàn)利用再生料制造的側(cè)翼滴灌帶主要的問題是拉伸性能、流量均勻度及施肥后期出現(xiàn)的堵塞問題。本文針對國內(nèi)市場上普遍應(yīng)用的不同流道的側(cè)翼迷宮滴灌帶，通過水力性能和抗堵塞性能測試，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，分析滴灌帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響，為推廣應(yīng)用側(cè)翼迷宮流道滴灌帶提供參考。

1 試驗內(nèi)容及方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗裝置主要由蓄水箱、電動機、變速機、攪拌葉片、排水管、水泵、精密壓力表、干管、支管、側(cè)翼滴灌帶等設(shè)備構(gòu)成。其中，水箱為半徑0.39 m，高0.8 m的圓柱形箱體，箱體底部設(shè)有排水閥以便試驗結(jié)束后清洗水箱；水泵額定揚程為35 m；精密壓力表的精度等級為 0.25級，量程為0～0.25 MPa；滴灌帶固定在水平試驗臺架上，每條滴灌帶長度為7.5 m。試驗采用了3種滴灌帶，均為陜西楊凌豐源農(nóng)業(yè)科技工程有限公司生產(chǎn)，分別是兩種“幾”字形迷宮流道和一種新型歐姆鏈式迷宮流道結(jié)構(gòu)的側(cè)翼滴灌帶，滴灌帶流道結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，流道結(jié)構(gòu)圖見圖1。

表1 三種滴灌帶流道技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of 3 kinds of channels of drip-tape

圖1 三種側(cè)翼迷宮流道結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3 kinds of structure plans of drip-tape with labyrinth channel

不同滴灌帶的滴頭間距不同，每種滴灌帶上的滴頭個數(shù)分別為：1號幾字形迷宮流道滴灌帶37個滴頭，2號幾字形迷宮流道滴灌帶25個滴頭，歐姆鏈式迷宮滴灌帶50個滴頭。整個試驗過程的水溫維持在25 ℃左右。試驗用水為水質(zhì)良好且經(jīng)過完善過濾之后的自來水，而根據(jù)前期試驗發(fā)現(xiàn)尿素和鉀肥對滴灌帶基本不造成滴灌帶堵塞，本次試驗選取大田常用的磷肥磷酸二胺(含P2O544%)。

1.2 試驗方案及方法

在進行滴灌帶抗堵塞試驗之前，首先進行了3種滴灌帶的壓力流量關(guān)系試驗，由于試驗使用滴灌帶管壁薄，壓力超過0.1 MPa時，部分滴頭出現(xiàn)噴水或出口破裂的情況，所以管首壓力設(shè)置為0.02～0.1 MPa范圍內(nèi)，每0.01 MPa為一種工況，共9種首部壓力條件。每次試驗時待壓力穩(wěn)定后每10 min測定一次滴頭流量，每個滴頭出流量由量杯接取5 min出流量并用精度為0.01 g的電子秤稱量，試驗持續(xù)2 h。

滴灌帶抗堵塞試驗中，為使試驗更接近實際田間灌溉模式，采用清水與肥水交替施加13次。隨水施肥前，先將磷酸二胺充分溶解后靜置，溶液底部仍存在大量綠色粉末狀沉淀，攪拌后溶液渾濁，進口壓力設(shè)置為工作壓力0.08 MPa，在滴灌帶前、中、后段選取 4 個采樣點(分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，距滴灌帶入口距離分別為 0.6、2.7、4.8、6.9 m，相對總管長為8%、36%、64%、92%位置處)，根據(jù)番茄推薦施肥量，全生育期共需施肥240 kg/hm2P2O5[4]，按每行滴灌管控制一行作物，鋪設(shè)間距為1 m、鋪設(shè)長度7.5 m計算，單根滴灌管單次隨水施肥量應(yīng)為13.84 g P2O5/次，計算單次施肥量為磷酸二胺31.46 g，每次施肥濃度為0.2%，施肥時間1 h，待壓力穩(wěn)定后測定4個采樣點出流量，計算流量并確定相對流量，并在施肥過程中觀測滴頭堵塞情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力特性曲線和灌水均勻度

根據(jù)對3種側(cè)翼迷宮滴灌帶滴頭進行的水力特性試驗結(jié)果，分析在一定壓力范圍內(nèi)滴頭流量-壓力關(guān)系，繪制滴灌帶水力特性曲線如圖2，通過回歸分析可得三種滴灌帶壓力流量關(guān)系式為：

1號幾字形迷宮式q= 1.256 9H0.453R2=0.998 3

2號幾字形迷宮式q=0.997 9H0.485 2R2=0.99

歐姆鏈式迷宮式q=0.788 1H0.475 9R2=0.995 9

圖2 三種滴頭的水力特性曲線Fig.2 Hydraulic characteristic curve of 3 kinds of emitters

由上式可以看出，歐姆鏈式滴頭的流態(tài)指數(shù)x為0.475 9，1號幾字形滴頭的流態(tài)指數(shù)x為0.485 2，2號幾字形滴頭的流態(tài)指數(shù)x為0.453，2號幾字形滴頭流量最大，制紊效果最優(yōu)，歐姆鏈式和1號幾字形流態(tài)指數(shù)接近，雖略大于2號幾字形但是按目前規(guī)范標準，均屬于較優(yōu)的流態(tài)指數(shù)。

圖3 灌水均勻系數(shù)與灌水壓力關(guān)系曲線Fig.3 Change of Cu with irrigation pressure

2.2 抗堵塞性能

圖4給出了3種滴灌帶在13次間歇性肥水灌溉過程中灌水均勻細數(shù)的變化過程，由圖4可以看出，歐姆鏈式側(cè)翼滴灌帶的灌水均勻系數(shù)大于其他兩種且一直維持在97%以上，抗堵塞能力最優(yōu)；1號幾字形的灌水均勻系數(shù)從第6次灌水開始下降，在第7次暫時穩(wěn)定于50%，在第9次再次下降，到第10次時降為0,其抗堵塞性能相對較差；2號幾字形的灌水均勻系數(shù)從第4次灌水開始下降，到第5次突降為0，而第6次出現(xiàn)回升，穩(wěn)定于50%直到第9次再次下降，同樣在第10次灌水時將為0不再回升，抗堵塞性能相較其他兩種最差，其中出現(xiàn)的灌水均勻系數(shù)回升問題，分析是由于發(fā)生堵塞的部分滴頭在下一次灌清水時，在沖刷作用下流道恢復(fù)暢通，因此灌水均勻系數(shù)也隨之上升。

圖4 滴灌帶灌水均勻系數(shù)變化過程Fig.4 The process of Cu

圖5給出了3種滴灌帶沿程不同位置處滴頭相對流量隨灌水次數(shù)變化曲線，由圖5可以看出，按照75%額定流量判斷堵塞情況，在施肥濃度為2%下，歐姆鏈式滴灌帶整個施肥過程中滴頭流量沒有明顯變化，抗堵塞能力最優(yōu)；1號幾字形滴灌帶中后段(3號、4號采樣點)堵塞情況比較嚴重，分別在第6次灌水、第9次灌水開始堵塞；2號幾字形滴灌帶1號采樣點在第4次灌水開始出現(xiàn)堵塞后，于第6次灌水時沖開部分堵塞物，相對流量增大至90%又于第10次灌水時再次堵塞，而4號采樣點于第4次灌水時已開始堵塞，其后流量并未再增大。

當(dāng)?shù)晤^流量小于75%時，認為已發(fā)生堵塞，滴頭流量小于50%為完全堵塞，圖6給出了滴灌帶隨灌水次數(shù)完全堵塞滴頭分布圖。從完全堵塞滴頭的數(shù)量考慮，歐姆鏈式流道結(jié)構(gòu)的滴灌帶沒有完全堵塞的滴頭，兩種幾字形的完全堵塞滴頭情況見圖6。由圖可以看出，1號幾字形滴灌帶完全堵塞滴頭數(shù)量相較2號更多，堵塞滴頭基本集中在滴灌帶后部，2號幾字形滴灌帶則集中在中部和后部；兩種滴灌帶都從第4次灌水開始出現(xiàn)堵塞，隨灌水次數(shù)的增加1號幾字形滴灌帶從最開始堵塞的后段逐漸向上游延伸，而2號滴灌帶堵塞滴頭則是由前段和后端向中游延伸，其中有部分滴頭在堵塞后再次被沖開。分析歐姆鏈式流道抗堵塞性能最優(yōu)是由于其流道的獨特轉(zhuǎn)角方式，使得每次在大轉(zhuǎn)角可以達到更好的消能效果，從而其灌水均勻系數(shù)相對較高，同時水流對容易造成沉積物的部分進行沖刷，進而降低其堵塞率；而2號幾字形堵塞情況相對1號較輕，是因為1號的流道寬度是1mm,而2號的流道寬度是1.5 mm,后者流道寬度大于前者，因此沉積物不易堵塞流道；在滴灌帶與PVC支管相連接的部分容易造成帶體折疊，從而可能會發(fā)生流道入口被擠壓、流道變形，而2號滴灌帶由于流道較長，造成的水頭損失要更大，因此出現(xiàn)了前段先發(fā)生堵塞的情況。

圖5 3種滴灌帶滴頭相對流量隨灌水次數(shù)變化曲線Fig.5 Changes curve of relative flow rate of 3 kinds of drip-tape with different irrigation times

圖6 滴灌帶隨灌水次數(shù)完全堵塞滴頭分布圖Fig.6 The distribution plans of entirely clogged emitter with different irrigation times

3 滴頭流道內(nèi)流場分布數(shù)值模擬

由于迷宮尺寸微小且流道彎曲，流道內(nèi)部流場、壓力分布等規(guī)律很難直接進行觀測，利用FLUENT軟件進行滴灌帶迷宮流道內(nèi)流場數(shù)值模擬，可以深入了解流道內(nèi)部流場分布狀況和流體的運動規(guī)律[7-9]，分析流道結(jié)構(gòu)與抗堵塞性能的關(guān)系。本文對三種迷宮流道運用CFD方法進行了模擬，通過內(nèi)流場分布分析3種滴灌帶抗堵塞性能不同的原因。歐姆型流道長15 cm,1號幾字形流道長20 cm,2號幾字形流道長30 cm。網(wǎng)格大小為0.15 mm，網(wǎng)格單元總量約為100 萬個。流道進水口設(shè)為壓力進口，根據(jù)試驗工況設(shè)為0.08 MPa,出口為壓力出口，設(shè)為大氣壓。其他為壁面條件。

圖7為3種流道單元速度矢量局部放大圖?？梢钥闯?，3種流道水流流動可分為流速較大的主流區(qū)與分布在流道拐角處和邊壁處的旋渦區(qū)[10]；主流區(qū)位于流道的中心部分，此區(qū)域流速較大不易發(fā)生堵塞，3種流道水流在迎水面的拐角處均達到最大值，其中1號幾字形為2.26 m/s略高于2號幾字形2.11 m/s，歐姆鏈型最大為3.26 m/s明顯高于前兩者，并且歐姆鏈型的最高流速產(chǎn)生在流道最窄處，因此可以有效避免此處的堵塞；而沿水流方向上迷宮單元的背水面拐角處，流速都很小，因此此處最易發(fā)生不溶物沉積而導(dǎo)致堵塞物積累，使流道隨灌水次數(shù)的增加而越來越窄，造成灌水均勻度的下降和滴頭堵塞，而歐姆鏈型流道背水拐角處出現(xiàn)很明顯的旋渦和二次流動區(qū)，旋渦的運動可以持續(xù)沖刷拐角壁面，可以有效地減緩堵塞，而主流區(qū)和二次流動的水流匯合也可以很好的消能；因此。綜上，歐姆鏈形流道抗堵塞效果最佳。

4 結(jié) 語

(1)3種流道的流態(tài)指數(shù)都屬于較優(yōu)范圍，灌溉均勻度在壓力0.02～0.1 MPa的范圍內(nèi)均維持在94%以上，其中2號幾字形滴頭流量最大，制紊效果最優(yōu)，歐姆鏈式滴灌帶灌溉均勻度整體大于其他兩種，且隨著壓力的變化均勻度變化不大；

(2)歐姆鏈式流道側(cè)翼迷宮滴灌帶在整個施肥過程中滴頭流量沒有明顯變化，帶灌溉均勻度大于其他兩種且一直維持在97%以上，抗堵塞能力最優(yōu)；

(3)隨灌水次數(shù)的增加，1號幾字形滴灌帶從最開始堵塞的后段逐漸向上游延伸，而2號滴灌帶堵塞滴

圖7 三種迷宮流道內(nèi)速度矢量局部放大圖Fig.7 The vectorgraph of amplify part of the three kinds of labyrinth channels

頭則是由前段和后端向中游延伸；

(4)通過數(shù)值模擬，歐姆鏈形流道內(nèi)最大流速明顯大于幾字形流道，并且在普通流道最易堵塞的背水拐角處有明顯的旋渦，可以更好的消能和減緩堵塞。

參考文獻：

[1] 馬曉鵬, 龔時宏, 王建東,等.低壓條件下滴灌帶灌水均勻系數(shù)試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報, 2010,29(4):6-10.

[2] 杜立鵬, 張新燕.低壓下加肥對迷宮滴頭流量及灌水均勻度的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2015,33(1):142-145.

[3] 馬 寧, 祁新萍. 新疆地區(qū)單翼迷宮式滴灌帶產(chǎn)品質(zhì)量狀況淺析[J].廣州化工,2015,43(13):52-54.

[4] 王心陽,王文娥,胡笑濤.滴灌施肥對滴頭抗堵塞性能及系統(tǒng)均勻度影響試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電, 2015,397(11):1-5,10.

[5] 水利部國際合作與科技司．水利技術(shù)標準匯編2灌溉排水卷(節(jié)水設(shè)備與材料)[M]．北京：中國水利水電出社，2002.

[6] Drakts of ISO/TC 23/SC 18/WG5. Micro-irrigation emitter-Clogging procedure[S].2009.