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    高灌水均勻度防堵塞內鑲貼片式地下灌水器設計研制及試驗研究

    編輯:  更新于:2008年10月27日  閱讀量:

    文章編號:1007—4929(2007)02—0054—04 

    高灌水均勻度防堵塞內鑲貼片式

    地下灌水器設計研制及試驗研究

    王 棟

    (甘肅大禹節水股份有限公司,甘肅酒泉735000)

    摘要:從制約地下滴灌技術發展的地下灌水器(滴頭)灌水均勻度差、滴頭容易堵塞等問題出發,立足于地下滴灌急需解決的理論和技術問題,以減小滴頭堵塞率為目標,以滿足灌水均勻度為前提,以確定滴頭設計工作壓力為突破口,以滴頭優化設計為手段,從地下灌水器灌水均勻度設計指標、滴頭設計工作壓力取值和結構優化設計3個方面進行了深入細致的研究試驗,最終達到完善地下滴灌灌水器設計理論、實現結構設計優化、提高地下滴灌適用性的目標。

    關鍵詞:地下滴灌;灌水器;流道

    中圖分類號:S277.9+5 文獻標識碼:A

    0 引 言

    地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation,簡稱SDI技術)是微灌技術的典型應用形式之一,它是指水通過地埋毛管上的灌水器緩慢出流,滲入附近土壤,再借助毛細管作用或重力作用將水分擴散到整個根層供作物吸收利用。由于灌水過程中對土壤結構擾動較小,有利于保持作物根層疏松通透的環境條件,并可減少土面蒸發損失,故地下滴灌技術具有明顯的節水增產效益。此外,田間輸水系統地埋后便于農田耕作和作物栽培管

    理,且地埋后管材抗老化性能增強,不易丟失或人為損壞。1920年,美國加利福尼亞州的Charle申請了一個多孔灌溉瓦罐的技術專利,被認為是世界上最早的SDI技術。這種地下滴灌系統運行于低水頭下,對水質和過濾設備要求較低,應用中面臨的主要問題是供水均勻性差,滴孔易堵塞。進入20世紀70年代后,伴隨著科技進步與發展,地面滴灌設備無論是在滴頭類型還是毛管性能方面均得到較大改善,但對地下滴灌系統,灌水均勻性差、出水孔易堵塞等問題依舊存在,地下滴灌技術的發展速度遠遠落后于地面滴灌技術。從20世紀80年代至今,有關地下滴灌技術及其應用的研究主要集中在改進灌水器質量、優化系統設計參數、研制過濾器和施肥裝置等方面。與此相關的大量研究成果陸續涌現,意味著地下滴灌技術開始步入成熟階段。我國自1974年從墨西哥引入滴灌設備至今,地下滴灌技術應用和設備開發已取得長足的進展。2002年,耐特菲姆公司首次在新疆兵團進行了333.3 hm2試驗示范,至今示范推廣的面積已近0.47萬hm2,這對推動我國節水灌溉的發展有著十分重要的意義。

    目前,國內外使用的地下滴灌設備均來自地面滴灌系統,滴頭常采用內鑲式或帶有補償性能的滴頭直接地埋后用于灌溉。但世界各地通過大規模的田間試驗發現地下滴灌存在諸多問題,如灌水均勻性差,滴頭容易堵塞,作物根系有可能穿破毛管,系統維護困難等問題依然存在,也因此導致了地下滴灌技術的發展速度遠遠落后于地面灌溉。由于停止供水時常在地下滴灌系統的管網中產生負壓,造成毛管出水孔周圍的土壤細顆粒被吸入滴頭,引起滴頭堵塞。這已成為地下滴灌系統發展和推廣應用中的一個瓶頸問題。為解決滴頭負壓堵塞問題,國外最先采用的方法是在系統主干管的最高點處安裝真空破壞裝置,借此消除管網內負壓帶來的不利影響。這種技術可以消除管網內的負壓,減少負壓現象的堵塞,但不能防止固體微小顆粒的進入和植物根部的進入,滴頭還是會發生堵塞現象,這種技術在推廣應用中的抗堵塞性能不太明顯。此后,在我國國內又有人發明了通過對內鑲式滴頭采用外包無紡布處理地埋,在供水停止后,由于無紡布的微孔具有良好的透氣透水功能及過濾功能,防止了固體微小顆粒進入滴頭,同時又可以防止由于植物根系的向水性堵塞滴頭,從而具有很好的防負壓抗堵塞功能,防負壓堵塞及提高均勻度方面都取得一定效果。但是外包濾料的成形工藝復雜和成本較高等問題,加大了系統投資成本。這種設計結構又不能很好的解決管道灌水系統內部固體顆粒物的沉積堵塞,因此這種結構的設計在推廣應用中受到一定的局限。

    本文從制約地下滴灌發展的灌水均勻性差,滴頭容易堵塞等主要問題出發,立足于地下滴灌急需解決的理論和技術問題,以提高地下灌水器(滴頭)堵塞率滿足灌水均勻度為前提目標,以確定滴灌設計工作壓力為突破口,以地下灌水器流道優化設計為手段,從地下灌水器灌水均勻度設計指標、設計工作壓力取值和結構優化設計3個方面進行了深入細致的研究試驗,試圖通過試驗研究,進一步完善地下滴灌灌水器設計理論,實現結構設計優化,研制出一種既可防止負壓堵塞、又具有較佳壓力補償性能、滴水均勻的內鑲貼片式地下灌水器,以推動地下滴灌技術及其產業的快速發展。

     

    1 影響地下灌水器抗堵塞率、灌水均勻度的因素分析

     

    1.1 土壤及其作物根系對地下灌水器抗堵塞性能和灌水均勻度的影響

     

    地下滴灌系統埋設于地下,不能直接觀測每個灌水器的出流狀況,因此對系統運行的評價和均勻度測定要求很高,地下滴灌的均勻性灌溉不僅受每個灌水器的工作壓力均勻性、溫度差異和滴頭制造偏差的影響,而且由于灌水器出口直接與土壤接觸,受土壤(質地、密實度、導水性能)的影響較大。

    (1)地下灌水器埋設于地下,出水口被土壤包圍,當灌溉管道停水后,毛管中產生的負壓能夠將土壤中自由微小顆粒吸入灌水器的微孔,發生負壓吸泥現象而堵塞滴頭。

    (2)由于地下灌水器埋設于作物的根部,植物根的向水性生長,會使作物的毛根進入地下灌水器的滴水孔,造成堵塞。

     

    1.2 灌水器流道對地下灌水器抗堵塞性能和灌水均勻度的影響

     

    由于傳統的紊流流道多設計為“鋸齒形”或“梯形”結構,直線與直線的交點便構成了一個死角,當水流經過紊流流道后,水速減慢,水中還未濾凈的固體小顆粒、細小毛狀物(水中的線狀纖維)及化學微粒(鐵、錳離子)極易附著在流道壁及死角處,形成栓柱核,這些微小顆;ハ嘟Y合,發育成栓柱狀的泥團,最后導致堵塞流道,使滴頭失去紊流功能,導致堵塞。地下滴灌的灌水器易堵塞也是造成灌水不均勻的一個重要因素。

     

    2 設計架構

     

    2.1 設計依據

     

    (1)地下灌水器的基本工作原理。水在土壤中多以液態形式密集流動或以氣態形式進行擴散?刂仆寥浪\動的作用力主要是土壤的毛細管作用力,該作用力在各個方向上都相等。當土壤濕潤后,毛細管作用力減;在土壤干燥時,毛細管作用力遠大于重力,所以水就在各個方向上均勻流動,包括向上流動。當土壤越來越濕潤時,土壤的孔隙飽和,毛管力變弱,重力就超過了毛細管作用力,從而使水分向下流動。所以地下

    灌水器工作的基本原理就是利用毛細管作用力來控制水分的運動,從而在作物根系區周圍形成一個很小范圍的水分空間,根據土壤的濕潤程度形成作物根區所需的水分和養分。

    (2)根據達西——魏斯巴赫沿程水頭損失公式。流體的二次流動以及軸向速度沿周向速度不均勻而導致流體機械能損失,流量指數下降,其局部水頭損失是該滴頭能量損失的主要形式?梢哉J為局部水頭損失是由較強的雷諾切應力、離心力、流體內外摩擦損失和收縮水流反彈損失等多種因素造成。收縮水流損失仍然是由渦流(二次流)和流速分布改組引起的。通過水頭流量的沿程損失,滴頭流量實現相對穩定,形成均勻

    的水滴。

    (3)通過地下滴灌灌水器在不同工作壓力和對應的流量分析,并與地表滴灌比較,得出地下滴灌條件下,灌水器的流量計算,可采用以下修正關系式:

     

    qs=q/ksoil

     

    式中:qs為地下滴灌灌水器的流量,L/h;q為灌水器自由出流時的流量,L/h;k 為地下滴灌灌水器的流量修正系數。地下滴灌灌水器的流量修正系數k 主要與土壤因素有關,試驗土壤的流量修正系數為2.O~4.0,對于微管灌水器,其流量修正系數為3.75~3.85。

     

    2.2 流道結構設計及原理

     

    (1)增加滴頭進水區過濾孔的數量和增大過濾孔的目數,在減少微小顆粒物、細小毛狀物進入灌水器,提高滴頭內部的抗堵塞性能的基礎上,制定滴水元件出水量與舌片大小的優化組合,在地下滴灌管及灌水器上設計“舌臺與舌片相結合抗堵塞”結構,提高滴頭外部的抗堵塞性能。①滴頭進水口處的壓力為零或產生負壓時,流道能靈敏地自動關閉,舌片能及時自動貼附于舌臺上,流道關閉,處于非工作狀態,防止吸入土壤微小顆粒物,植物根系無法侵入;② 滴頭進水口處的壓力大于某個固定值時,舌片自動彈開,流道自動打開,水流順利通過;③滴頭進水口處的壓力處于變化時,流線型紊流流道能自動調節流量,保持滴水的均勻性。

    (2)依據達西——魏斯巴赫沿程水頭損失理論和地下灌水器的工作原理,根據分級消能的紊流流道工作原理,開發與設計流線型紊流流道,修正生產制造內鑲貼片地下灌水器流線型紊流流道模具參數。通過在地下灌水器內部設計有流線型紊流流道的紊流消能作用,使水頭流量沿程損失,能量減少,流速平緩,實現滴頭流量相對穩定,形成均勻的水滴,以提高地下灌水器的滴水均勻度。并采用流線形流齒,消除滴頭內紊流流道的水流死角,減少栓柱核的成形機率,以提高滴頭內部的抗堵塞性能。

    (3)調整滴頭生產工藝配方中的材料組合。通過在滴頭材料普通聚乙烯中,選取加入適量的硬脂酸,起到潤滑和易于脫膜的作用,提高滴頭流道及流道內壁的光潔度、光滑性,減少微粒及毛狀物在滴頭內附著的機率,消除由于滴頭與模具在脫模過程中互相黏結而造成的滴頭不光滑,提高滴頭內部的抗堵塞性能。配套滴灌管由高密度線性聚乙烯、低密度線性聚乙烯和聚氯乙烯按一定的配方構成。

     

    3 產品的研制

     

    參照《中華人民共和國農業灌溉設備滴灌管技術規范和試驗方法》(GB/T17188—1997)和《微灌工程技術規范》的有關指標設計并制造。專用滴頭采用高溫下模具一次性注塑成型。模具生產的主要技術指標和參數達到:表面粗糙度Ra為0.8,滴頭制造偏差小于1 ,滴頭流量偏差系數小于4G,流線型紊流流道的結點處倒角R大于0.2 mm,加工精度達0.01mm,模具材料采用優質模具鋼NAK80。滴灌管上舌片的開設通過專用刀具的切人力度,完成舌片定點打孔的工藝要求,保證舌片的大小尺寸和形狀,在生產線上一次完成。

     

    4 試驗概況

     

    4.1 水力學性能實驗

     

    (1)流量關系檢測。隨機抽取25個供試樣品,完成滴頭流量的均勻性測試。測定中,首先調節滴頭人口處的水壓至150kPa,然后每保壓3min卸壓1min,如此反復3次;隨后再調節滴頭人口的壓力至50kPa,保壓3min后卸壓1min,反復3次;最后調節水壓至100kPa,保壓60min,分別測量25個滴頭在2min內的出水量。重復以上測定過程,使兩次測得的水量之差不大于2%,取其平均值計算各試樣的流量,使滴頭的平均流量q=3.93L/h,流量偏差系數Cv=4.4%,流量均勻度符合國標規定[3.4],其中在100 kPa壓力下測定的滴頭出流情況參見圖1。

    (2)抗負壓防堵塞性能測試。滴頭抗負壓堵塞性能利用如圖3(a)所示的負壓吸引器,完成對滴頭抗負壓堵塞性能的室內測試工作。該設備可對供試滴頭施加0~-80 kPa范圍內的任何負壓。實測中隨機抽取25個滴頭的樣品,并逐一與負壓吸引器的測試口連接,通過真空泵分級產生-20、-40、-60和-80 kPa的測試壓力,相應完成不同壓力下的滴頭抗負壓測定工作。當達到每個測試負壓值后,進行保壓試驗,每隔5min觀測一次真空表讀數的變化情況,持續時間40min。測試結果表明,所有滴頭試樣在規定的測試時間范圍內,真空表的讀數均保持在穩定狀態,如圖3(b)。開發的內鑲貼片地下灌水器的獨特結構舌片及舌臺結構,保證了其在負壓條件下工作時,沒有空氣能夠從滴頭的出水孔處進人流道,這就意味著滴頭四周的土壤細顆粒無法被吸人流道,滴頭具備了良好的防負壓堵塞性能。

    (3)滴頭實際流出量。在試驗田中,分別設計單行毛管直線布置和單行毛管環形布置2種情況。田問灌水均勻度通過對植物生長期內的3次灌水過程后的土壤含水率進行監測,在兩種毛管滴頭布置形式下分別觀測灌后12 h和24 h后的土壤含水率分布情況。在以植株為中心的1 m半徑范圍內,按均勻分布的采樣原則隨機布設測點2O個,獲得的土壤含水率值用來計算該范圍內的灌水均勻度。對每種毛管滴頭布設形式而言,各次灌水時,沿隨機選擇的某單支毛管上前后均勻地確定出6個出水點,分別計算每個點范圍內的灌水均勻度,并根據這6個數據的均值給出該毛管的灌水均勻度,用來評價每種埋設形式下的田間灌水均勻度。表1說明整個地下滴灌系統的工作性能是穩定的,具備較高的系統灌水均勻性。表2給出根據實測的田間土壤含水率計算的地下滴灌系統的灌水均勻度。對任一毛管滴頭的埋設類型來說,都能獲得較為滿意的灌水均勻性,且隨著灌后時間的延續,灌水均勻度仍能繼續得到改善。

     

    表1 田間實測的地下滴灌系統的灌水均勻度

     

    灌水時間/

    (月-日)

    單行直線毛管布置

    單行環狀毛管布置

    灌后12h

    灌后24h

    灌后12h

    灌后24h

    05-12

    0.82

    0.90

    0.90

    0.95

    06-18

    0.84

    0.91

    0.91

    0.94

    08-28

    0.85

    0.93

    0.92

    0.96

    平均值

    0.84

    0.91

    0.91

    0.95

     

    室內測試地下滴灌專用滴頭的流量時,在一定工作壓力范圍內滴頭的出流量是個定值。而當滴頭埋人地下時,受管壁周圍土壤壓力作用和土壤導水性能的制約,滴頭出流量有可能發生變化。在葡萄生長期內的3次灌水過程中,對每種毛管滴頭的埋設形式,分別單獨選擇一根固定的毛管測定滴頭流量,觀察滴頭出流量的變化范圍及趨勢。每次測定過程中,記錄灌水歷時和水表讀數,然后采用下式計算滴頭的平均流量:

     

    q=Vnt                            (1)

     

    式中:V為由水表計量的測試毛管的供水量,L;t為相應的供水

    時間,h;n為測試毛管上的滴頭數量(f線毛管和環狀毛管上的

    滴頭數目分別為15個和63個)。

    表2給出的田間實測結果說明,每種毛管滴頭埋設形式下測定的滴頭平均流量,在3次實測過程中都比較接近,且各自q值間的差距也較小。由于滴頭平均流量(3.81 L/h)與室內測定的出流量(3.93 L/h)之間僅存在著很小的差異,因而滴頭地埋后并沒有對其出水量有明顯影響?紤]到示范園區的砂石土壤具有較強的透水性,入滲能力大于滴頭出水量,故在此類土壤條件下,滴頭流量的大小與其工作形式無關。

     

    表2 田間實地測定的滴頭平均流量

     

    灌水時間/(月-日)

    單行直線毛管布置

    單行環狀毛管布置

    灌水量/L

    歷時/h

    q/(L.h-1)

    灌水量/L

    歷時/h

    q/(L.h-1)

    05-12

    1140

    20.0

    3.80

    1891

    8.0

    3.75

    06-18

    1178

    20.5

    3.83

    1815

    7.5

    3.84

    08-28

    1094

    19.0

    3.84

    1843

    7.7

    3.80

    平均值

    1137

    19.8

    3.82

    1850

    7.7

    3.80

     

     

    4.2 性能檢測及指標

     

    (1)公稱直徑:滴灌管的外徑為16~20mm,壁厚為:0.4mm。滴灌管理論上設計使用壽命可以達到8~12年。

    (2)額定壓力:滴水元件入口處的基準壓力:最小工作壓力Pmin=100kPa,最大工作壓力Pmax=130 kPa,平地鋪設距離可達100 m。

    (3)額定流量:在額定試驗壓力和水溫條件下,水的流量保持在1.2~4.0 L/h,達到國標A類產品的標準。

    (4)高溫下耐撥拉實驗:在溫度為5O±2℃狀況下,滴灌管能承受180N的試驗壓力,沒有出現扯碎和拉裂,并且試驗后試樣的流量相對于試驗前測定的流量變化量在3.5 以內。

    (5)滴水元件的流量和入口壓力的關系:4個滴水元件在增壓過程中,每個滴水元件壓力值對應的平均流量偏差沒有超過4.5%。

    (6)滴水元件間距的范圍:滿足0.2~O.5 m,滴水元件的間距值偏差不大于5%。

    (7)滴水元件紊流流道的參數:流線型紊流流道的長度偏差小于25±2 mm,截口面積偏差小于3%,流線型紊流流道實際尺寸與設計參數的偏差小于5%,完全達到生產制造工藝的要求。

     

    4.3 應用性能試驗

     

    經在甘肅、新疆地區6.67hm2的試驗推廣應用(果樹、蔬菜和大田作物的比例分別占總數的78.3%、4.3% 和17.4%,大田作物是棉花和冬小麥),大面積調查表明:產品具有良好的滴水均勻性,滴水元件基本沒有發生堵塞,與傳統滴灌系統相比,地下滴灌條件下的作物產量高于其他灌水方法下的相應

    值,而灌溉用水量則顯著小于后者,農作物產量提高了2O%~3O%,省肥3O%~4O%,節水65%。產品具有較高的經濟可行性:以棉花地下滴灌系統計算,每公頃投資約0.99~1.175萬元,投入強度低于采用固定式噴灌的投入,雖高于地面灌溉的投資,但其節水、擴灌、增產效果非常明顯。同時,地下滴灌技

    術不僅節水增產效果明顯,還可減少每年鋪設和回收等人工費用,具有節省勞力、能源等諸多優點,此外還能有效地抑制雜草生長。對應用地下滴灌的地塊在不使用除草劑條件下,田內雜草生長程度明顯低于使用溝灌和噴灌方法并施用除草劑的地塊,對減少雜草生長,減少瓜果腐爛,提高作物品質表現出良好的作用。

     

    5 結 語

     

    目前,該技術已形成現實生產力,技術成果經甘肅省科技

    廳鑒定,其綜合技術及性能指標均居國內領先,填補國內空白,

    獲得了國家專利,基本達到國外同類型產品的技術水平,具有

    生產線速高、成本低的顯著特點,可替代同類進口產品。本技

    術產品的研制開發,對推動國內地下滴灌技術的創新性革命,

    實現地下灌水器生產的國產化,對全面發展節水灌溉有著重要

    的意義。

     

    參考文獻:

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    排水,2004,(5).

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