日光溫室多年生作物地下滴灌裝置結構設計及性能分析

張小艷，張 芮，延艷彬

(甘肅農業大學水利水電工程學院，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層的灌水器(微孔滲灌管)，根據作物的生長需水量定時定量地向土壤中滲水供給作物[1- 2]。具有降低室內濕度，減少病蟲害，改善土壤環境加速作物生長，節約灌溉用水，減少肥料用量，降低生產成本等優點[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，又能有效預防凍根現象的發生[5]；在設施延后栽培葡萄中合理調虧灌溉能顯著提高水分生產效率，實現節水、高效用水和提高部分品質指標的目的[6]。它不僅在機理上、技術上、經濟上，而且在生態環境、水資源保護上都被認為是最有發展前途的節水灌溉技術[7]。但滲灌易堵塞、灌水不均勻、檢修困難等問題嚴重制約了其推廣應用[8]。

綜合上述滲灌技術在灌溉應用中的特點，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計方案。該方案克服了傳統裝置在應用中的弊端，使滲灌優勢得到進一步凸顯，對推進我國滲灌技術的發展與推廣應用具有重要的意義。

1 灌水器整體結構

灌水器分為地上、地下兩部分。如圖1所示。

1.1 地上部分結構

傳統滲灌裝置堵塞常發生在埋于地下的狹窄消能流道內，將流道獨立于管道置于地表，一方面使其擺脫了管道內的空間限制，可進行大尺寸流道設計，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獨立滴頭的組合設計，能使每個灌水器控制更大的灌溉面積，節省了灌水器布置時的投入與灌水時間，進而節約了成本。

1.2 地下部分結構

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

圖1 灌水器結構圖

2 灌水器細部結構設計及參數確定

2.1 流道設計及參數確定

流道設計應短而寬，同時考慮必要的流速[9]；魏正英[10]等人證實流道中存在的流動滯止區是引起灌水器堵塞的主要結構因素，避免流道內流動滯止區的產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，打破了傳統流道截面尺寸多小于1mm的局限；大尺寸流道設計應避免結構復雜以限制其生產成本。綜合以上因素并借鑒已有小尺寸迷宮流道設計經驗，確定圖2設計方案，其中流道徑向總長80mm，深度1.5mm。

圖2 消能流道(單位:mm)

2.2 滲灌管設計及參數確定

(1)材料確定

設計滲灌管材料優選為直徑Φ=12mm的普通硬質PVC管，在上部定量來水的情況下以重力方式灌水。

(2)結構及出水口設計

利用模具成型技術在PVC管壁頂部設出水口，利于水分在滲灌管水平方向的運移；出水口直徑Φ=1.2mm；單出水孔設計，孔間距10cm。

(3)滲灌管埋設方式

灌水器的埋設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，水平分布常在3m直徑范圍內[12]；其中距離樹干100cm范圍內占到根系80%以上，垂直0～60cm范圍土層內占根系的75%以上[13]；因每株葡萄根部都布設滲灌器，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距離定為70cm。考慮滲灌管埋置應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；埋設時出水口向上，在出水孔上方覆蓋2～3cm的粗砂或稻殼作為過濾層，防堵的同時釋放出水口處因水分飽和而產生的正壓力。如圖3所示。

圖3 滲灌管埋設布置圖(單位:cm)

滲灌管最佳工作壓力應為1.57～2.35kPa變水頭[14]。本設計對滲灌管和滲灌體出水口進行間隙連接，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 消能流道與進水管、滲灌管連接設計

(1)消能流道與進水口間的連接設計

單個滲灌器中各消能體與分水腔體進行整體連接設計，保證流道入口處的相同壓力，提高作物灌水均勻度的同時增加灌水器的結構強度。

(2)流道出口與滲灌管間的連接設計

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生負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轉正常，一旦堵塞立即更換，不存在傳統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

溫室內受空間限制，無長距離鋪設管道的需要，且微灌系統正朝著低壓、小流量方向發展[15]，優選主管道內部設計工作壓力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維紊流模型對流道內部水流變化情況進行模擬。為方便查看，用等效消能流道代替實際流道，得到流道內部水流流速矢量圖。如圖4、圖5所示。

圖4 流速矢量圖(單位：m/s)(設計情況)

圖5 流速矢量圖(校核情況)

流道中存在的流動滯止區和流道內流速小于雜質顆粒的起動流速是引起流道內泥沙沉積而導致堵塞的兩個最主要的因素。從設計、校核情況下流道內部流速矢量圖可以看出，該流道內水流方向基本一致且過渡平緩，不存在明顯流動滯止區；流道內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，均大于微灌系統篩網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流速0.32m/s[16]。綜上，該流道結構設計和擬定尺寸參數能明顯避免造成流道堵塞的兩個主要因素，降低泥沙在流道沉積而導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

設計、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(設計情況)

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，在種植葡萄時多選用中、輕壤土和砂壤土，因此對應的滲灌管每延米出流量應以0.012～0.020m3/h為宜。

由設計、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—時間；l—控制滲灌長度。

設計情況：v設=1.77m/s，s=1.5×10-6m2，l=0.7m；

q設=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的最優出流量范圍內，滿足溫室葡萄等多年生作物灌溉要求。

3 結論與討論

(1)滲灌器獨特滴、滲灌相結合的結構設計將大尺寸流道設計變得可能，提高了作物灌水均勻度的同時降低了堵塞檢修的困難，為優化滲灌結構設計提供參考。

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

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

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