日光溫室多年生作物地下滴灌裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

張小艷，張 芮，延艷彬

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

地下滴灌是一種地下微灌形式，在低壓條件下，通過埋于作物根系活動(dòng)層的灌水器(微孔滲灌管)，根據(jù)作物的生長需水量定時(shí)定量地向土壤中滲水供給作物[1- 2]。具有降低室內(nèi)濕度，減少病蟲害，改善土壤環(huán)境加速作物生長，節(jié)約灌溉用水，減少肥料用量，降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)[3- 4]；能在一定程度上增加灌溉深度，從而形成較深的根系，這樣既能形成較深的根壓保證葡萄植株的旺盛生長，又能有效預(yù)防凍根現(xiàn)象的發(fā)生[5]；在設(shè)施延后栽培葡萄中合理調(diào)虧灌溉能顯著提高水分生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、高效用水和提高部分品質(zhì)指標(biāo)的目的[6]。它不僅在機(jī)理上、技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上，而且在生態(tài)環(huán)境、水資源保護(hù)上都被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的節(jié)水灌溉技術(shù)[7]。但滲灌易堵塞、灌水不均勻、檢修困難等問題嚴(yán)重制約了其推廣應(yīng)用[8]。

綜合上述滲灌技術(shù)在灌溉應(yīng)用中的特點(diǎn)，本文以溫室葡萄灌溉為例，提出了一種新型的日光溫室多年生作物滲灌裝置設(shè)計(jì)方案。該方案克服了傳統(tǒng)裝置在應(yīng)用中的弊端，使?jié)B灌優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步凸顯，對(duì)推進(jìn)我國滲灌技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用具有重要的意義。

1 灌水器整體結(jié)構(gòu)

灌水器分為地上、地下兩部分。如圖1所示。

1.1 地上部分結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)滲灌裝置堵塞常發(fā)生在埋于地下的狹窄消能流道內(nèi)，將流道獨(dú)立于管道置于地表，一方面使其擺脫了管道內(nèi)的空間限制，可進(jìn)行大尺寸流道設(shè)計(jì)，從而減低其堵塞可能性，另一方面也從根本上解決了堵塞后檢修困難的問題。

主體灌水器控制多個(gè)獨(dú)立滴頭的組合設(shè)計(jì)，能使每個(gè)灌水器控制更大的灌溉面積，節(jié)省了灌水器布置時(shí)的投入與灌水時(shí)間，進(jìn)而節(jié)約了成本。

1.2 地下部分結(jié)構(gòu)

地下部分為打孔滲灌管，在上部來水均勻的基礎(chǔ)上對(duì)作物根系以重力滲灌方式灌水。滲灌管數(shù)量與上部獨(dú)立出水口數(shù)量一致，并且全部服從于作物根系需水量。

圖1 灌水器結(jié)構(gòu)圖

2 灌水器細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 流道設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

流道設(shè)計(jì)應(yīng)短而寬，同時(shí)考慮必要的流速[9]；魏正英[10]等人證實(shí)流道中存在的流動(dòng)滯止區(qū)是引起灌水器堵塞的主要結(jié)構(gòu)因素，避免流道內(nèi)流動(dòng)滯止區(qū)的產(chǎn)生是降低堵塞的有效手段之一；灌水器流道在地表之上，不受空間尺寸限制，打破了傳統(tǒng)流道截面尺寸多小于1mm的局限；大尺寸流道設(shè)計(jì)應(yīng)避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜以限制其生產(chǎn)成本。綜合以上因素并借鑒已有小尺寸迷宮流道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定圖2設(shè)計(jì)方案，其中流道徑向總長80mm，深度1.5mm。

圖2 消能流道(單位:mm)

2.2 滲灌管設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

(1)材料確定

設(shè)計(jì)滲灌管材料優(yōu)選為直徑Φ=12mm的普通硬質(zhì)PVC管，在上部定量來水的情況下以重力方式灌水。

(2)結(jié)構(gòu)及出水口設(shè)計(jì)

利用模具成型技術(shù)在PVC管壁頂部設(shè)出水口，利于水分在滲灌管水平方向的運(yùn)移；出水口直徑Φ=1.2mm；單出水孔設(shè)計(jì)，孔間距10cm。

(3)滲灌管埋設(shè)方式

灌水器的埋設(shè)深度主要取決于作物吸水根系分布范圍[11]。葡萄根系主要分布在距表面1m范圍內(nèi)，水平分布常在3m直徑范圍內(nèi)[12]；其中距離樹干100cm范圍內(nèi)占到根系80%以上，垂直0～60cm范圍土層內(nèi)占根系的75%以上[13]；因每株葡萄根部都布設(shè)滲灌器，葡萄壟寬多不超過1.5m，本著滲灌管長度不大于二分之一壟寬的原則將滲灌管水平埋設(shè)距離定為70cm。考慮滲灌管埋置應(yīng)滿足不影響地面耕作的要求，將垂直埋深定為25cm。滲灌管長度較短，坡度按水平布置；埋設(shè)時(shí)出水口向上，在出水孔上方覆蓋2～3cm的粗砂或稻殼作為過濾層，防堵的同時(shí)釋放出水口處因水分飽和而產(chǎn)生的正壓力。如圖3所示。

圖3 滲灌管埋設(shè)布置圖(單位:cm)

滲灌管最佳工作壓力應(yīng)為1.57～2.35kPa變水頭[14]。本設(shè)計(jì)對(duì)滲灌管和滲灌體出水口進(jìn)行間隙連接，滲灌管工作壓力即為滲灌體出水口到滲灌管出水口間的重力水頭P(考慮損失10%水頭損失):

P=ρgh(1-10%)=1.0×103×9.8×0.25×90%=2.205kPa

符合最佳工作壓力。

2.3 消能流道與進(jìn)水管、滲灌管連接設(shè)計(jì)

(1)消能流道與進(jìn)水口間的連接設(shè)計(jì)

單個(gè)滲灌器中各消能體與分水腔體進(jìn)行整體連接設(shè)計(jì)，保證流道入口處的相同壓力，提高作物灌水均勻度的同時(shí)增加灌水器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)流道出口與滲灌管間的連接設(shè)計(jì)

流道出口與滲灌管間采用不緊密連接方式，即將尺寸消能體伸入到大孔徑滲灌管中，滲灌管與外界大氣相通，水分依靠自身重力完成在兩者間的運(yùn)移。

滲灌管與大氣相通，從根本上解決了在突然回水或斷電情況下滲灌管產(chǎn)生負(fù)壓吸泥從而堵塞滲水口的問題。另外在長期灌溉過程中，通過檢查流道出口的出流情況就能輕易判別灌水裝置是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，一旦堵塞立即更換，不存在傳統(tǒng)滲灌裝置檢修難的問題，增加了灌水器的使用壽命。

2.4 流道性能分析

溫室內(nèi)受空間限制，無長距離鋪設(shè)管道的需要，且微灌系統(tǒng)正朝著低壓、小流量方向發(fā)展[15]，優(yōu)選主管道內(nèi)部設(shè)計(jì)工作壓力0.04MPa，校核工作壓力0.05MPa。

2.4.1 抗堵性能分析

利用FLUENT軟件基于恒定入口壓力的3維紊流模型對(duì)流道內(nèi)部水流變化情況進(jìn)行模擬。為方便查看，用等效消能流道代替實(shí)際流道，得到流道內(nèi)部水流流速矢量圖。如圖4、圖5所示。

圖4 流速矢量圖(單位：m/s)(設(shè)計(jì)情況)

圖5 流速矢量圖(校核情況)

流道中存在的流動(dòng)滯止區(qū)和流道內(nèi)流速小于雜質(zhì)顆粒的起動(dòng)流速是引起流道內(nèi)泥沙沉積而導(dǎo)致堵塞的兩個(gè)最主要的因素。從設(shè)計(jì)、校核情況下流道內(nèi)部流速矢量圖可以看出，該流道內(nèi)水流方向基本一致且過渡平緩，不存在明顯流動(dòng)滯止區(qū)；流道內(nèi)部主體水流最小流速(流道最大截面處可分辨最小流速)分別為0.379m/s和0.429m/s，均大于微灌系統(tǒng)篩網(wǎng)式過濾器過濾后水體攜帶的0.06～0.6mm粒徑泥沙顆粒的最大臨界起動(dòng)流速0.32m/s[16]。綜上，該流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和擬定尺寸參數(shù)能明顯避免造成流道堵塞的兩個(gè)主要因素，降低泥沙在流道沉積而導(dǎo)致流道堵塞的可能性，大大延長灌水器的使用壽命。

2.4.2 出流量分析

設(shè)計(jì)、校核情況下流道出口處速度輪廓線如圖6、圖7所示。

圖6 出口速度輪廓圖(設(shè)計(jì)情況)

圖7 出口速度輪廓圖(校核情況)

研究證明重壤土每延長米滲灌管的出流量以0.009～0.010m3/h為宜；中、輕壤土每延長米滲灌管的出流量以0.012～0.016m3/h為宜；砂壤土每延長米滲灌管的出流量以0.016～0.020m3/h為宜[17]。葡萄喜歡排水通氣良好的土壤條件，在種植葡萄時(shí)多選用中、輕壤土和砂壤土，因此對(duì)應(yīng)的滲灌管每延米出流量應(yīng)以0.012～0.020m3/h為宜。

由設(shè)計(jì)、校核情況下出口速度輪廓圖得出口平均出流速度分別為1.77m/s和2.01m/s，滲灌管每延米出流量按下式計(jì)算：

q=v|·s·t/l

(1)

式中，q—每延米出流量；v—出口斷面平均流速；s—出口斷面面積；t—時(shí)間；l—控制滲灌長度。

設(shè)計(jì)情況：v設(shè)=1.77m/s，s=1.5×10-6m2，l=0.7m；

q設(shè)=v·s·t/l=1.77×1.5×10-6×3600/0.7=0.0136m3/h。

校核情況：v校=2.04m/s，s=1.5×10-6m2，l=0.7m；

q校=v·s·t/l=2.04×1.5×10-6×3600/0.7=0.0157m3/h。

兩種情況下的出流量均在0.012～0.020m3/h的最優(yōu)出流量范圍內(nèi)，滿足溫室葡萄等多年生作物灌溉要求。

3 結(jié)論與討論

(1)滲灌器獨(dú)特滴、滲灌相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將大尺寸流道設(shè)計(jì)變得可能，提高了作物灌水均勻度的同時(shí)降低了堵塞檢修的困難，為優(yōu)化滲灌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

(2)大尺寸、簡易流道設(shè)計(jì)方案顯示了其優(yōu)越的水流特性及抗堵性能，保證了灌水器在長期運(yùn)行過程中的可靠性。

(3)通過對(duì)消能流道模擬分析，從理論上證實(shí)了該灌水裝置能夠滿足不同土質(zhì)對(duì)滲灌器出流量的要求。

(4)本文僅從理論上證實(shí)了該灌水裝置的可行性，需進(jìn)行田間配套實(shí)驗(yàn)，找出問題、解決問題，并盡早的將之推廣應(yīng)用。