沙水滴灌条件下灌水器抗堵塞试验

在室内将3种类型的灌水器置于自制水槽中,进行了灌水器的淹没出流试验。试验结果表明:灌水器在淹没出流时的出流规律与自由出流相同,但淹没时的流量略小于对应压力下自由出流的流量,其流量变化率多在10%以内;相比之下,低压时流量变化率比高压时大,即在灌水器额定工作压力(10m)附近,淹没出流对其影响较小。统计特征表明,灌水器淹没后出流更加均匀。不同灌水器类型对淹没与否的敏感程度有所差异,微管灌水器最为明显,其次是内镶式,补偿式变化很小。升降压过程中,降压过程的淹没出流对灌水器的流量变化率均小于升压过程。

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明:不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。

以运行2年的日光温室番茄地下滴灌系统为对象,通过对灌水器流量进行测试,分析了滴灌带埋深、施肥次数、施肥量和土壤层状结构等对灌水器堵塞程度及灌水均匀性的影响。滴灌系统包括滴灌带埋深为0、15和30cm的33个小区,2年累计施肥次数的变化范围为0~19,累计施尿素量变化范围为0~1023kg/hm2。结果表明,运行2年后地表和地下滴灌灌水器发生了轻微堵塞,其中流量降低超过25%的灌水器占2.7%,完全堵塞的灌水器占2.1%;施肥次数、施肥量和土壤层状结构对堵塞的发生没有明显影响,地表滴灌比地下滴灌堵塞略为严重;未发现根系入侵造成的灌水器堵塞。对发生堵塞灌水器在系统中的位置进行调查后发现,大部分堵塞灌水器位于毛管的最末端。为了定量评价灌水器堵塞程度对灌水均匀性的影响,建立了灌水器流量变差系数与流量降低百分数之间的回归关系,结果表明灌水器流量均匀系数随堵塞引起的流量降低百分数的增大而线性增大。

为了得到再生水灌溉对滴灌流量的影响规律及滴头抗堵塞性能,该文通过试验对再生水灌溉条件下11种不同滴头流道的流量变化进行了研究。结果表明:再生水灌溉条件下滴头流量的降幅与流道长度、流道截面积呈现正相关关系,具有反冲洗功能的滴头可以有效防止堵塞。田间试验表明,再生水处理滴头流量与地下水处理相比明显下降,流道沉积物富集是导致滴头流量衰减的主要原因。建议再生水滴灌系统选择具有反冲洗功能的滴头或者滴头流道较短、流道截面积较小的滴头,可有效降低堵塞的发生,为再生水灌溉系统科学选型与配套提供依据。

地下滴灌与地表滴灌的最大差异在于地下滴灌的灌水器出水口被土壤包围,其出流受到土壤的限制。在室内将灌水器埋入土槽中,模拟研究了灌水器类型、自由出流时的流量、工作压力、土壤初始含水率等因素,对地下滴灌条件下灌水器水力性能的影响。试验结果表明:灌水器埋入土壤后,流量是其自由出流时流量的1/2～1/4。方差分析表明,影响地下滴灌灌水器水力性能的主要因素是自由出流时的水力特性和土壤特性。针对测试土壤,建立了地下滴灌灌水器流量计算的修正关系式。

为了研究灌水器流量变化规律,该文以灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为试验因素,用混合水平均匀设计安排试验方案。应用研制的地下滴灌灌水器流量测试系统,用称重法来获得不同试验方案灌水器流量。根据试验数据,建立了地下滴灌灌水器流量计算经验公式。分析表明:在工作压力不变时,灌水器流量在灌水初期略大,而后减小并趋于恒定,这个变化过程仅1～2min左右,可认为灌水器流量是不变的;在同一压力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌减小5%～20%,压力越大,二者值越接近;影响地下滴灌灌水器流量的主要因素是灌水器工作压力,而土壤容重和土壤初始含水率对灌水器流量影响较小。

通过对现有滴灌灌水器类型的分析及试验筛选,结果表明,内镶式滴灌管最适宜应用于地下滴灌,在低压运行时,孔口式滴头在土壤中稳定出流量为空气中的3/5,基本可以满足地下滴灌的要求;在较高供水压力时,所选取的几种滴头基本上都可以用于地下滴灌。通过对湿润锋的观测,发现出流量较大的滴头,其湿润锋向上运移速度较快。因此,为防止地下滴灌产生深层渗漏,应选取出流量较大的滴头

通过试验,研究了灌水器类型、流量、工作压力和土壤初始含水量对地下滴灌灌水器出口正压的影响规律。结果表明:灌水器埋入土壤后,其出流由于受土壤等因素的限制,在灌水器出口处产生了一定的正压,该正压随着灌水历时的延长而增大。影响地埋灌水器出口正压的主要因素是灌水器的额定流量和土壤初始含水量

通过对现有滴头、滴箭等产品结构的研究、改进与优化,设计开发出一种抗堵塞功能较强的插入式地下灌水器产品,整体上具有快速装拆、移动灵活、滴流量偏差小、水力性能稳定等特点。为检验其抗堵塞功能的优劣,分别进行了自由出流和插地出流条件的滴水试验。结果表明:移动插入式灌水器出流均匀,具有较强的抗堵塞性能,自由出流时的平均滴水量与多次间歇式插地出流时的平均滴水量相当,其波动范围在5%以内,较适合于在移动式地下滴灌系统中应用。

以齿形迷宫流道灌水器为研究对象,通过计算流体力学(cfd)数值模拟、piv观测和样品测试相结合的方法,研究了齿形结构的不同齿底距、齿高下颗粒运动轨迹与流道内部速度场分布的关系,并初步探索了流道结构参数与灌水器抗堵塞性能的关系。结果表明:当流道内固体粒子运动速度小于0.5m/s时,易在齿底处旋转,而大于此速度时,则易进入主流区被水流带出流道;齿形迷宫流道齿底距与抗堵塞性能呈正相关,齿高与抗堵塞性呈负相关;流道设计时,单纯增大齿底距或者减小齿高,可以有效降低粒子在流道中发生旋转的概率,有利于提高灌水器的抗堵塞性能。

压力和流量的关系是地下滴灌灌水器最重要的水力要素之一,通过地下滴灌灌水器试验装置,测量了流量和压力关系。试验结果表明:压力不变情况下,地下滴灌灌水器流量是恒定的;地下滴灌灌水器流量对压力变化的敏感程度高于地表滴灌。

通过开展沙地地下灌溉实验研究,提出了在灌水器下方铺设35cm×35cm不透水膜的灌溉方法,将地下灌溉技术应用于沙地,研制开发的新型灌水器,具有所需水头低、低成本的特点,突破了灌水器孔径小于0.7mm的堵塞敏感尺寸,有效减低了灌水器堵塞问题,为治理利用沙地资源提供了灌溉保证。

利用femlab软件可以用偏微分方程式描述各种数学、物理与工程问题或者是多重物理量问题,并可用有限元法对其进行分析。为此,重点介绍了该软件的基本原理与应用方法,包括图形绘制、网格生成、解答器等过程,以及它在滴灌设备研发中的应用。通过该软件的使用大大提高了产品设计质量和速度,降低了制造成本。

针对最为节水、高效用水的地下滴灌技术,主要分析了目前地下灌水器产品的结构、使用特点和功能,并运用土-水系统中土壤水分理论知识,提出并设计了一种非电子控制的地下滴灌灌水器产品。该产品以土壤负压为控制动力,以土壤水分为控制条件,当灌水器附近土壤发生干湿变化时,土壤表现出不同大小的负压,并作用于灌水器内部的弹性膜囊,使之发生变形,从而改变灌水器内部流道的通断,使灌水器的出流状况始终与土壤含水量自动相适应,具有出流量自调节的功能。

分别选取灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为因素,采取混合水平均匀设计安排试验,对各因素实测数据进行相关、回归和通径分析,利用通径系数直接评价和比较各试验因素对地下滴灌灌水器流量的影响程度。结果表明:工作压力对灌水器流量的直接通径系数最大,土壤初始含水率和土壤容重通过工作压力对灌水器流量的间接通径系数次之,其它直接或间接通径系数很小,剩余通径系数较小。这说明试验所选的三个因素可反映地下滴灌灌水器水力要素之间的关系,其中地下滴灌中工作压力是决定灌水器流量的主要因素,土壤初始含水率和土壤容重通过工作压力对灌水器流量的作用不可忽略。

降低滴灌系统灌水器工作压力有望成为减少滴灌系统能耗以及运行费用的一种有效途径,但目前低压灌水器还十分少见。基于此,选取了国内应用较为广泛的5种典型迷宫流道灌水器,分析了不同工作压力区间对灌水器水力性能及消能特征的影响。结果表明:5种灌水器在低压条件下运行对于灌水器流量系数kd和流态指数x具有一定影响,但对于流态指数x的影响未达显著水平。同一流道类型的灌水器流量系数kd与无量纲数a/l2呈显著的线性相关关系,不同流道类型之间差异显著。5种灌水器流道内流态为紊流,未发生流态转捩行为,采用常规管道流态转捩雷诺数2200去判断流道内流态是不合适的。

为了研究滴头工作压力和土壤物理特性对地下滴灌灌水器流量的影响,采用分形理论分析各种级配土壤的分形特征;以土壤颗粒质量分形维数、灌水器工作压力、土壤容积密度、土壤初始含水率为试验因素,运用混合水平均匀设计方法进行试验。结果表明,粘粒含量大小是土壤分形维数的主要影响因素,土壤分形维数随着粘粒含量的增加而增大;plassim公司地下滴灌灌水器流量随土壤分形维数的增大而减小,即土壤质地越细地下滴灌滴头流量就越小;通过试验所建立的包含有土壤分形维数因素的地下滴灌灌水器流量计算经验公式的普适性较高。

滴灌双向流流道是一种新型滴灌灌水器流道。为了研究流道结构参数对水力特性的影响,分别以流态指数和流量系数为评价指标,取流道的9个主要结构参数为因素,采用均匀试验设计的方法,安排了12组试验方案。根据试验结果,应用多元回归计算方法,分别建立了流态指数和流量系数与9个结构参数之间的量化关系式,其相关系数分别为0.999和0.998,同时还用另外一组结构参数的试验方案验证了建立的量化关系式。t检验结果显示,9个主要结构参数对流态指数的影响均较显著,而v字形挡水件的张角α对其影响最大;出口宽度a、八字形分水件张角β对流量系数的影响较显著,而出口宽度a对其影响最大,为双向流流道的设计提供了参考。初步研究表明双向流流道的流态指数在0.40~0.47之间,其水力性能优良,结构简单,有一定应用前景。

为研究不同质地土壤中灌水器水力要素的变化规律及其差异,选取灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为因素,分别在粘土、壤土和砂土中采用混合水平均匀设计安排试验。试验结果表明,不同土壤中的灌水器出流规律一致:即当工作压力不变时,灌水器流量在灌水初期略大,而后减小并趋于恒定,这个变化过程仅1~2min;在相同压力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌小5%~20%,压力越大,二者越接近;灌水器流量随工作压力的增加而增大;土壤因素对灌水器流量有微弱的制约作用,使流量减小。相同条件下,土壤质地越轻,灌水器流量越大;但随着土壤容重和土壤初始含水率的增加,土壤质地越轻,流量减小程度越大。

在参照滴头水力特性检测方法的基础上,从流量变异系数、流量压力关系、水量分布均匀系数等角度研究了吸力式微润灌水器水力特性。结果表明,0.02mpa工作压力下微润灌水器流量变异系数均值为5%,流量变异系数随着压力的增大先减小后增大;流量随着工作压力的增加而明显增大,二者之间具有良好的幂函数关系;水量分布均匀系数在83%～93%之间变化,随工作压力的增加先增大后减小,为了尽可能保证灌水器出流量和灌水均匀,工作压力宜控制在0.018～0.025mpa之间。

为分析迷宫灌水器流道内水流流态及其相互转换的临界雷诺数,该文对5种流道尺寸的模型中水流流动现象进行观测与分析,并进一步分析了迷宫流道内水流水头损失与断面平均流速之间的关系以及相应断面尺寸直流道内水流沿程水头损失与断面平均流速之间的关系。结果表明:迷宫灌水器不断转折的流道对水流有很大的干扰,可以使其中水流在雷诺数为41.5时就失去稳定转变为过渡区;迷宫流道进口段单元中可能出现层流,出现层流的单元数占总单元数的10%～12%。从整体来看,可认为迷宫灌水器中水流流态为紊流或过渡区;与经典雷诺试验结果不同,迷宫流道中水流水头损失与断面平均流速的2.0～2.5次方成比例;迷宫灌水器的流态指数可达到0.4～0.5;该试验迷宫流道中水流过渡区与紊流区相互转换的临界雷诺数为87.5～125.0。

为探明细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器抗堵塞性能的影响,该文以内镶片式斜齿形迷宫流道灌水器为研究对象,应用类短周期堵塞测验方法对8种粒径小于0.1mm的泥沙颗粒进行浑水测试。在此基础上,分析了泥沙粒径和含沙量对灌水器堵塞的影响,探讨引起灌水器发生堵塞时的敏感粒径范围与含沙量水平。试验结果表明:对于粒径小于0.1mm的细小颗粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,当浑水含沙量水平大于1.25g/l时,影响尤其显著,呈正相关关系;粒径对堵塞的影响并不是单调的递增或递减,堵塞发生的敏感粒径范围在0.03～0.04mm之间。试验结果有助于进一步提高含沙水源滴灌的应用水平。