水肥一體化對側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

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，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水分和養分，精確高效、省時省力。側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投資，在新疆和甘肅應用推廣面積迅速增加。目前田間大量應用的回收再利用生產出的滴灌帶，其堵塞問題隨著應用面積的增加而越來越突出，尤其在水肥一體化時容易發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，已影響到滴灌系統的田間設計、運行及灌溉施肥均勻性，急需對目前大面積使用的側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，為微灌系統推廣應用提供參考。

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翼滴灌帶鋪設長度、壓力水頭、地形坡度3個因素對滴灌帶灌水均勻系數影響規律的試驗研究，得出了隨著滴灌帶長度的增加，影響滴灌帶灌水均勻系數的主要原因從制造偏差變為滴灌帶流量大??；杜立鵬[2]對不同規格的側翼迷宮滴灌帶進行清水和加肥灌水試驗，發現加肥灌水時滴頭流量及灌水均勻系數較清水減小。馬寧和祁新萍[3]通過農戶調查，發現利用再生料制造的側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的堵塞問題。本文針對國內市場上普遍應用的不同流道的側翼迷宮滴灌帶，通過水力性能和抗堵塞性能測試，結合數值模擬的結果，分析滴灌帶結構參數對性能的影響，為推廣應用側翼迷宮流道滴灌帶提供參考。

1 試驗內容及方法

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、側翼滴灌帶等設備構成。其中，水箱為半徑0.39 m，高0.8 m的圓柱形箱體，箱體底部設有排水閥以便試驗結束后清洗水箱；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業科技工程有限公司生產，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構的側翼滴灌帶，滴灌帶流道結構參數如表1所示，流道結構圖見圖1。

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

圖1 三種側翼迷宮流道結構圖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。試驗用水為水質良好且經過完善過濾之后的自來水，而根據前期試驗發現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，部分滴頭出現噴水或出口破裂的情況，所以管首壓力設置為0.02～0.1 MPa范圍內，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，鋪設間距為1 m、鋪設長度7.5 m計算，單根滴灌管單次隨水施肥量應為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 結果與分析

2.1 水力特性曲線和灌水均勻度

根據對3種側翼迷宮滴灌帶滴頭進行的水力特性試驗結果，分析在一定壓力范圍內滴頭流量-壓力關系，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指數x為0.475 9，1號幾字形滴頭的流態指數x為0.485 2，2號幾字形滴頭的流態指數x為0.453，2號幾字形滴頭流量最大，制紊效果最優，歐姆鏈式和1號幾字形流態指數接近，雖略大于2號幾字形但是按目前規范標準，均屬于較優的流態指數。

圖3 灌水均勻系數與灌水壓力關系曲線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的變化過程，由圖4可以看出，歐姆鏈式側翼滴灌帶的灌水均勻系數大于其他兩種且一直維持在97%以上，抗堵塞能力最優；1號幾字形的灌水均勻系數從第6次灌水開始下降，在第7次暫時穩定于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從第4次灌水開始下降，到第5次突降為0，而第6次出現回升，穩定于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，其中出現的灌水均勻系數回升問題，分析是由于發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暢通，因此灌水均勻系數也隨之上升。

圖4 滴灌帶灌水均勻系數變化過程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；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。

當滴頭流量小于75%時，認為已發生堵塞，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完全堵塞滴頭分布圖。從完全堵塞滴頭的數量考慮，歐姆鏈式流道結構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次灌水開始出現堵塞，隨灌水次數的增加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是由于其流道的獨特轉角方式，使得每次在大轉角可以達到更好的消能效果，從而其灌水均勻系數相對較高，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，因此出現了前段先發生堵塞的情況。

圖5 3種滴灌帶滴頭相對流量隨灌水次數變化曲線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 滴頭流道內流場分布數值模擬

由于迷宮尺寸微小且流道彎曲，流道內部流場、壓力分布等規律很難直接進行觀測，利用FLUENT軟件進行滴灌帶迷宮流道內流場數值模擬，可以深入了解流道內部流場分布狀況和流體的運動規律[7-9]，分析流道結構與抗堵塞性能的關系。本文對三種迷宮流道運用CFD方法進行了模擬，通過內流場分布分析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。網格大小為0.15 mm，網格單元總量約為100 萬個。流道進水口設為壓力進口，根據試驗工況設為0.08 MPa,出口為壓力出口，設為大氣壓。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與分布在流道拐角處和邊壁處的旋渦區[10]；主流區位于流道的中心部分，此區域流速較大不易發生堵塞，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，因此此處最易發生不溶物沉積而導致堵塞物積累，使流道隨灌水次數的增加而越來越窄，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很明顯的旋渦和二次流動區，旋渦的運動可以持續沖刷拐角壁面，可以有效地減緩堵塞，而主流區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 語

(1)3種流道的流態指數都屬于較優范圍，灌溉均勻度在壓力0.02～0.1 MPa的范圍內均維持在94%以上，其中2號幾字形滴頭流量最大，制紊效果最優，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；

(3)隨灌水次數的增加，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)通過數值模擬，歐姆鏈形流道內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試驗研究[J].灌溉排水學報, 2010,29(4):6-10.

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[3] 馬 寧, 祁新萍. 新疆地區單翼迷宮式滴灌帶產品質量狀況淺析[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均勻度影響試驗研究[J].中國農村水利水電, 2015,397(11):1-5,10.

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