2023年 3月 灌溉排水學(xué)報(bào) 第 42卷 第 3期 Mar 2023 Journal of Irrigation and Drainage No 3 Vol 42 74 灌溉技術(shù)與裝備 文章編號(hào) 1672 3317 2023 03 0074 08 溫度與壓力對(duì)水肥一體化滴灌灌水器堵塞影響研究 何 坤 1 2 魏正英 1 2 陳雪麗 1 2 賈維兵 1 2 魏才翔 1 2 1 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2 陜西鵬運(yùn)機(jī)械自動(dòng)化科技有限公司 西安 710038 摘 要 目的 探究在水肥一體化灌溉過(guò)程中 溫度對(duì)灌水器堵塞的影響 方法 以市場(chǎng)常用的內(nèi)鑲貼片式齒形 流道灌水器為研究對(duì)象 采用 4 個(gè)溫度梯度 15 20 25 30 2 個(gè)工作壓力 低壓 50 kPa 常壓 100 kPa 進(jìn)行短周期間歇灌溉堵塞試驗(yàn) 并在試驗(yàn)后用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)堵塞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成成分進(jìn)行分析 結(jié)果 磷 酸二銨加速堵塞效果明顯 灌溉結(jié)束后灌水器平均相對(duì)流量下降到 15 03 34 02 溫度從 15 升高到 30 平 均相對(duì)流量的下降速率減小 灌水結(jié)束后低壓下平均相對(duì)流量提高 18 55 常壓下平均相對(duì)流量提高 14 88 溫 度并不影響堵塞物質(zhì)的主要組成成分 其主要為磷酸鹽沉淀 但溫度提高 絮凝現(xiàn)象減弱 堵塞物質(zhì)表面的復(fù)雜程 度減小 灌水器中堵塞位置主要集中在過(guò)渡區(qū) 流道首部和流道尾部 占比分別為 29 75 22 31 22 31 改 變溫度并不影響其堵塞位置的分布 結(jié)論 提高肥液溫度可在一定程度上緩解灌水器的堵塞 關(guān) 鍵 詞 溫度 施肥 灌溉 灌水器 堵塞 中圖分類號(hào) S275 6 文獻(xiàn)標(biāo) 志 碼 A doi 10 13522 ki ggps 2022169 OSID 何坤 魏正英 陳雪麗 等 溫度與壓力對(duì)水肥一體化滴灌灌水器堵塞影響研究 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 2023 42 3 74 81 HE Kun WEI Zhengying CHEN Xueli et al The Combined Effect of Temperature and Pressure on Emitter Clogging in Integrated Drip Fertigation System J Journal of Irrigation and Drainage 2023 42 3 74 81 0 引 言 1 研究意義 與傳統(tǒng)灌溉方式中大田漫灌 肥 料撒施等粗放的栽培方式相比 水肥一體化技術(shù)有 效地解決了水資源利用不科學(xué) 不合理 化肥盲目 施用 利用率低等問(wèn)題 灌水器作為水肥一體化系 統(tǒng)的終端 其堵塞問(wèn)題一直影響著水肥一體化技術(shù) 的發(fā)展 因此國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展了影響灌水器堵 塞因素的相關(guān)研究 研究進(jìn)展 Taylor 等 1 認(rèn)為決 定灌水器堵塞程度最重要的因素是灌水器的結(jié)構(gòu) 而不是水質(zhì) Sefer 等 2 發(fā)現(xiàn)肥料中同時(shí)包含鈣離子 和硫酸根離子更容易形成難溶性沉淀 造成灌水器 堵塞 李康勇等 3 研究不同泥沙級(jí)配和不同施肥濃 度條件下對(duì)灌水器堵塞的影響 提出 施肥濃度越大 粒徑為 0 034 0 067 mm 顆粒量越大 灌水器越容易 發(fā)生堵塞 劉璐等 4 通過(guò)不同泥沙粒徑條件下 的細(xì) 小泥沙顆粒渾水滴灌試驗(yàn)分析造成灌水器堵塞泥沙 顆粒的敏感粒徑范圍在 0 03 0 04 mm 之間 劉燕芳 收稿日期 2022 03 30 基金項(xiàng)目 陜西省 重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2022ZDLNY03 032 作者簡(jiǎn)介 何坤 1998 男 碩士研究生 主要從事灌水器流道結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)研究 E mail hekunhk 通信作者 魏正英 1967 女 教授 主要從事微流體器件設(shè)計(jì)與制 造研究 E mail zywei 等 5 楊曉奇等 6 研究 分別 指出灌水器在硬水和微咸 水 2 種水質(zhì)條件下均會(huì)發(fā)生不同程度的堵塞 余楊 等 7 通過(guò) 地上滴灌和根區(qū)滲灌對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 8 孔流 量可調(diào)灌水器在根區(qū)滲灌 方式 下更容易發(fā)生堵塞 Avner 等 8 認(rèn)為水中懸浮物顆粒大小比顆粒密度對(duì)灌 水器堵塞的影響更大 切入點(diǎn) 在實(shí)際灌溉中 由于灌溉季節(jié) 灌 溉區(qū)域的不同 灌溉水溫常常會(huì)有比較大的差異 然而不同溫度條件下灌水器的堵塞情況也不同 目 前溫度在水肥一體化中對(duì)灌水器堵塞的影響研究較 少 需要進(jìn)一步探究 徐明金等 9 通過(guò)對(duì)比低壓與 常壓滴灌系統(tǒng) 發(fā)現(xiàn)在低壓條件下灌水器流量受溫 度變化影響顯著 牛文全等 10 對(duì)比粒徑小于 0 1 mm 的泥沙顆粒分別在夏季和冬季條件下的渾水滴灌試 驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)水溫越高 灌水器抗堵塞性能越好 劉璐 等 11 研究發(fā)現(xiàn)灌溉水溫對(duì)灌水器堵塞的影響小于泥 沙級(jí)配濃度和施肥質(zhì)量濃度 王浩翔等 12 通過(guò)不同 溫度條件下的低壓灌溉試驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)不同溫度下加肥 質(zhì)量濃度閾值不同 且升高溫度能夠提高加肥質(zhì)量 濃度閾值 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 為了 選擇合理的溫度區(qū) 間 進(jìn)一步細(xì)化溫度梯度 本試驗(yàn)以內(nèi)鑲貼片式灌 水器為研究對(duì)象 分別探究在低壓和常壓條件下不 何坤 等 溫度與壓力對(duì)水肥一體化滴灌灌水器堵塞影響研究 75 同灌溉水溫在水肥一體化過(guò)程中對(duì)灌水器堵塞的影 響 為不同地區(qū) 不同季節(jié)的灌溉施肥模式提供一 定的依據(jù) 1 材料與方法 1 1 材料與裝置 試驗(yàn)采用市面上常見的內(nèi)鑲貼片式 齒形迷宮流 道 滴灌帶 壁厚 0 4 mm 管徑為 16 mm 齒間長(zhǎng)度 1 mm 流道寬度 1 1 mm 齒高 0 6 mm 齒間夾角 40 齒根夾角 110 工作壓力在 100 kPa 下的流量 為 2 2 L h 經(jīng)過(guò)清水測(cè)試后得到流態(tài)指數(shù) x 0 54 灌水器制造偏差 2 65 試驗(yàn)用水采用水質(zhì)良好的居民自來(lái)水 符合我國(guó) 農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 13 另外 經(jīng)過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)相比于氮肥和鉀肥 磷肥更容易發(fā)生堵塞 故 試驗(yàn) 肥料 采用 大田 常 用的 磷酸二銨 總養(yǎng)分 N P2O5 64 N P 2O5 K2O 的質(zhì)量比為 18 46 0 常 溫下為黃褐色顆粒 溶于水呈乳白色渾濁溶液 試驗(yàn)平臺(tái)由溫控水箱 攪拌器 變頻水泵 壓 力表 供水管道和滴灌帶等組成 溫控水箱的溫度 控制范圍為 0 99 控制精度為 0 1 攪拌器功率 60 W 最高轉(zhuǎn)速 3 000 r min 變頻水泵最高揚(yáng)程 40 m 最大流量 3 5 m3 h 壓力表量程 0 25 MPa 精度 0 001 MPa 兩兩滴灌帶的間隔為 25 cm 其中每根 滴灌帶包含 5個(gè)灌水器 其間距為 30 cm 共有 4條 20個(gè)灌水器 平臺(tái)如圖 1所示 注 1 溫控水箱 2 攪拌器 3 灌水器 4 滴灌帶 5 壓力表 6 過(guò)濾器 7 變頻水泵 8 排水口 圖 1 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖 Fig 1 Schematic of experimental layout of drip irrigation system 1 2 試驗(yàn)方案 試驗(yàn) 設(shè)置低壓 50 kPa 和常壓 100 kPa 這 2 個(gè)灌 溉壓力 試驗(yàn)中肥液的溫度參照一般作物適宜的灌 溉溫度范圍 13 14 故選擇 15 20 25 30 這 4 個(gè)溫度梯度 根據(jù)施肥經(jīng)驗(yàn) 施肥濃度一般不超過(guò) 0 5 15 為獲得明顯的試驗(yàn)效果 加快堵塞進(jìn)程 設(shè)定施肥灌溉濃度 5 g L 參照國(guó)際滴頭抗堵塞研究 標(biāo)準(zhǔn)草案 16 并考慮實(shí)際的施肥灌溉時(shí)長(zhǎng) 灌水時(shí) 間為 08 00 10 00 14 00 16 00 灌溉 2 h 間隔 4 h 連續(xù) 5 d 共計(jì)灌溉 10 次 為了消除在每組的 灌溉過(guò)程中 環(huán)境溫度對(duì)肥液溫度造成的影響 故 將環(huán)境室溫設(shè)置為與肥液溫度相同的溫度 另外每 次灌溉開始 前需 重新配制肥液 用電導(dǎo)率儀測(cè)量并 記錄肥液 EC值 每次灌溉結(jié)束時(shí) 重復(fù) 測(cè)量并記錄 灌水器流量 3 次 進(jìn)行完全試驗(yàn) 共設(shè)置 8 個(gè)處理 每個(gè)處理重復(fù) 3 次 每組試驗(yàn)結(jié)束后 取下滴灌帶 置于遮陰通風(fēng)處風(fēng)干 沖洗試驗(yàn)平臺(tái) 確保無(wú)上組 試驗(yàn)肥料殘留 并更換新的滴灌帶進(jìn)行下一組試驗(yàn) 1 3 評(píng)估指標(biāo) 試驗(yàn)采用平均相對(duì)流量 Dra 來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)堵塞 其計(jì)算式為 Dra qi t qi0 ni 1 n 100 1 式中 0iq 為每個(gè)灌水器的初始流量 q it為每個(gè)灌水 器每次施肥灌溉后的實(shí)測(cè)流量 n為參與試驗(yàn)的灌水 器總數(shù) 1 4 堵塞位置 待灌水器內(nèi)水分完全風(fēng)干之后 剝開滴灌帶 記錄堵塞物在灌水器內(nèi)的堵塞位置 堵塞位置劃分 如圖 2 所示 堵塞物質(zhì)在柵格處聚集稱之為柵格入 口堵塞 在介于柵格處與流道第 1 個(gè)單元擋板處之 間聚集稱之為過(guò)渡區(qū)堵塞 在流道前 3 個(gè)單元中聚 集稱之為流道首部堵塞 在流道第 4個(gè)單元轉(zhuǎn)到第 5 個(gè)單元之間聚集稱之為流道中部堵塞 在剩下單元 之間聚集稱之為流道尾部堵塞 圖 2 流道分區(qū)示意圖 Fig 2 Schematic diagram of the flow path partition 1 5 堵塞物質(zhì)結(jié)構(gòu)和主要成分分析方法 將剝開滴灌帶所得到的灌水器用高精度天平 0 001 g 稱質(zhì)量 后將其放入自封袋中 加入去 離子水 放入超聲波清洗機(jī)中震蕩清洗 然后將清 洗干凈的灌水器烘干 稱 質(zhì)量 灌水器原始質(zhì) 量和 烘干之后的 質(zhì)量 之差即為堵塞物質(zhì)的干 質(zhì)量 將自 封袋中的洗液烘干 采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察堵塞 灌溉排水學(xué)報(bào) 76 物質(zhì)表面形貌 并分析堵塞物質(zhì)的基本元素組成 2 結(jié)果與 分析 2 1 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)灌水器堵塞的影響程度 以肥液溫度 壓力為自變量 平均相對(duì)流量為 因變量進(jìn)行主體間效應(yīng)檢驗(yàn) 結(jié)果如表 1 所示 從 表 1 可以看出 灌溉水溫的 P0 05 未達(dá)到顯著 水平 說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下 壓力對(duì)灌水器堵塞的 影響并不明顯 表 1 顯著性檢驗(yàn) Table 1 Significance test 來(lái)源 型平方和 自由度 均方 F值 P值 灌溉水溫 307 136 3 102 379 9 710 0 047 壓力 10 103 1 10 103 0 958 0 400 系統(tǒng)在 10 次滴灌期間灌水器的平均相對(duì)流量變 化如圖 3 所示 從整個(gè)過(guò)程中可以看出 10 次灌水 結(jié) 束 后 50 kPa 下 平 均 相 對(duì) 流 量 下 降 到 15 47 34 02 100 kPa 下平均相對(duì)流量下降到 15 03 29 91 說(shuō)明質(zhì)量濃度為 5g L 的磷酸二銨 對(duì)灌水器的堵塞作用比較明顯 比較圖 3 a 和圖 3 b 可以發(fā)現(xiàn) 10 次灌水后 50 kPa 下平均相對(duì) 流量表現(xiàn)為 25 30 20 15 溫度由 15 分別提高到 20 25 30 時(shí) 平均相對(duì)流量由 15 47 分別增加到 19 94 29 14 34 02 在 100 kPa 下 平 均 相 對(duì) 流 量 表 現(xiàn) 為 30 25 20 15 溫度由 15 分別提高到 20 25 30 時(shí) 平均相對(duì)流量由 15 03 分別增加 到 19 71 24 93 29 91 說(shuō)明升高溫度可以提 高平均相對(duì)流量 且在常壓 100 kPa下平均相對(duì)流量 的提高程度比在低壓 50 kPa 下要低 另外 由圖 3 可以看出 10 次灌水結(jié)束后 在 15 20 30 下 平均相對(duì)流量在常壓和低壓條件 下的差值分別為 0 44 0 23 0 77 并無(wú)顯著 差別 在 25 下 低壓條件的平均相對(duì)流量為 34 02 要明顯高于常壓條件下的平均相對(duì)流量 24 93 從整個(gè)滴灌過(guò)程來(lái)看 在 15 和 30 下 平均相對(duì)流量的下降速率在低壓和常壓條件下無(wú)顯 著差別 在 20 25 下 平均相對(duì)流量在常壓條 件下的下降速率顯著快于低壓條件下 因此 對(duì)于 5 g L 的磷酸二銨肥液來(lái)說(shuō) 常壓和低壓條件對(duì)灌水 器平均相對(duì)流量的影響并沒有明顯的規(guī)律 a 50 kPa b 100 kPa 圖 3 不同灌溉壓力下 灌溉水溫對(duì)平均相對(duì)流量的影響 Fig 3 Effect of irrigation temperature on average relative flow under different irrigation pressures 用線性關(guān)系擬合平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的變 化趨勢(shì) 結(jié)果如圖 4 所示 直線斜率絕對(duì)值 k 的大 小表示平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)下降速率的快慢 即 k 值越大 下降速率越快 由圖 4 可知 溫度從 15 分別提高到 20 25 30 時(shí) 低壓下 k 值從 9 165 變化到 6 549 6 696 7 061 常壓下 k 值從 8 398 變化到 7 521 8 544 7 594 說(shuō)明隨著溫度的 提高 平均相對(duì)流量的下降速率有所變慢 從 k 值 變化的幅度來(lái)看 在低壓條件下溫度對(duì)平均相對(duì)流 量的下降速率的影響比在常壓條件下要大 2 2 堵塞物質(zhì)組成成分分析 用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)不同溫度 壓力下堵塞物 質(zhì)進(jìn)行觀測(cè) 結(jié)果如圖 5 所示 由圖 5 可得 從整 體上來(lái)看 堵塞物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜 通過(guò)吸附不規(guī) 則的細(xì)小顆粒團(tuán)聚形成絮狀的堆積體 絮凝現(xiàn)象比 較明顯 且堆積體之間存在空隙 對(duì)于不同溫度條 件下的堵塞物質(zhì) 其表面形貌結(jié)構(gòu)有所不同 在 15 20 條件下顆粒間的絮凝作用較強(qiáng) 堆積體表面吸 附的不規(guī)則細(xì)小顆粒較多 表面結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 而 在 25 30 條件下絮狀物質(zhì)明顯減少 堆積體表面 吸附的細(xì)小顆粒變少 表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度明顯減 少 對(duì)不同壓力條件下堵塞物質(zhì)進(jìn)行觀察分析發(fā)現(xiàn) 在常壓和低壓條件下兩者的表面形貌并沒有顯著差 別 說(shuō)明工作壓力并不影響堵塞物質(zhì)的微觀形貌 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相對(duì)流量 灌水次數(shù) 次 15 20 25 30 溫度 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相對(duì)流量 灌水次數(shù) 次 15 20 25 30 溫度 何坤 等 溫度與壓力對(duì)水肥一體化滴灌灌水器堵塞影響研究 77 a 50 kPa b 100 kPa 圖 4 平均相對(duì)流量和灌水次數(shù)的擬合關(guān)系 Fig 4 Fitting relationship between average relative flow rate and irrigation times a 50 kPa 15 b 50 kPa 20 c 50 kPa 25 d 50 kPa 30 e 100 kPa 15 f 100 kPa 20 g 100 kPa 25 h 100 kPa 30 圖 5 不同溫度 壓力條件下堵塞物質(zhì)電鏡掃描結(jié)構(gòu) Fig 5 Blockage structure under different temperature and pressure observed by SEM 不同溫度 壓力條件下堵塞物質(zhì)中各元素的質(zhì) 量百分比見表 2 從表 2中可知不同溫度 壓力條件 下堵塞物質(zhì)中元素種類基本一致 主要元素為 O 和 P 元素 說(shuō)明不同處理下灌水器堵塞物質(zhì)的主要組 成成分基本不變 為磷酸鹽 比較不同溫度下 P 元 素以及 Ca Mg 等元素量可知 隨著溫度的增加 P 元素量下降 低壓下 Ca Mg 等元素量波動(dòng)范圍小 基本不變 常壓下 Ca Mg 等元素量從整體上看 有 所減少 這可能是由于溫度增加 磷酸鹽和鈣鎂沉 淀的溶解度增加 使得沉淀中 P Ca Mg 等元素量 下降 而此時(shí)灌水器的平均相對(duì)流量隨溫度的增加 而增加 進(jìn)一步說(shuō)明減輕灌水器堵塞的原因主要是 由于磷酸鹽量減少引起的 另外在低壓下的 P Ca Mg 等元素量小于常壓條件下 說(shuō)明壓力變大 灌水 器中滯留的堵塞物質(zhì)增加 其磷酸鹽和鈣鎂沉淀的 比例增加 2 3 堵塞位置分析 試驗(yàn)結(jié)束后將完全風(fēng)干的滴灌帶刨開 觀察堵 塞物質(zhì)在灌水器中的沉積部位 在所有試驗(yàn)共 160 個(gè)灌水器中 堵塞 123 個(gè) 除去因人為拆壞的 2 個(gè) 灌水器 統(tǒng)計(jì)了 121 個(gè)堵塞的灌水器堵塞位置情況 結(jié)果如表 3 所示 圖 6 為 5 個(gè)不同灌水器堵塞物質(zhì) 沉積位置的情況 表 2 不同溫度 壓力下堵塞物質(zhì)各元素質(zhì)量百分比 Table 2 Mass percentage of blockage composition under different temperature and pressure 壓力 kPa 溫度 C O F Mg Al P Ca Fe 其他 50 15 11 80 29 84 5 13 3 94 6 07 24 20 7 53 11 14 0 35 20 15 14 21 47 4 17 3 53 5 39 23 63 8 46 16 63 1 58 25 10 95 33 74 7 33 4 13 6 88 23 17 5 10 7 37 1 33 30 12 26 27 81 8 75 4 84 8 32 19 98 7 50 10 07 0 47 100 15 11 87 20 89 3 07 3 59 6 24 30 04 18 09 5 01 1 20 20 15 41 20 35 2 84 3 25 5 75 27 97 16 30 6 85 1 28 25 14 93 21 75 3 24 2 62 4 16 29 02 16 53 6 42 1 33 30 13 93 27 57 3 58 2 92 6 04 24 36 11 11 9 53 0 96 y 9 165 4x 103 99 R 0 986 5 y 6 549 5x 92 028 R 0 866 3 y 6 696 6x 94 947 R 0 930 3 y 7 061 5x 87 706 R 0 862 0 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相對(duì)流量 灌水次數(shù) 次 15 20 25 30 溫度 y 8 398x 96 982 R 0 926 1 y 7 521 5x 88 465 R 0 871 5 y 8 544 5x 95 934 R 0 880 4 y 7 594 5x 95 418 R 0 910 7 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相對(duì)流量 灌水次數(shù) 次 15 20 25 30 溫度 灌溉排水學(xué)報(bào) 78 表 3 不同溫度 壓力 條件下灌水器堵塞位置統(tǒng)計(jì) Table 3 Blockage location statistics of irrigation under different pressure and temperature 壓力 kPa 溫度 堵塞位置 總計(jì) 柵格 入口 過(guò)渡區(qū) 流道 首部 流道 中部 流道 尾部 50 15 2 3 3 7 2 17 20 1 2 4 3 5 15 25 0 4 4 0 5 13 30 1 7 3 2 0 13 100 15 3 6 3 2 3 17 20 2 6 2 2 4 16 25 2 6 5 1 1 15 30 1 2 3 2 7 15 總計(jì) 12 36 27 19 27 121 a 柵格入口 b 過(guò)渡區(qū) c 流道首部 d 流道中部 e 流道尾部 圖 6 灌水器不同堵塞位置 Fig 6 Blockage position of irrigation 從表 3可以看出 溫度由 15 提高到 20 25 30 灌水器的堵塞個(gè)數(shù)在低壓條件下由 17 個(gè)降低 到 15 13 13 個(gè) 常壓條件下由 17 個(gè)降低到 16 15 15 個(gè) 說(shuō)明灌水器堵塞的個(gè)數(shù)基本隨溫度的提 高而減少 在所有堵塞的灌水器中 柵格入口 過(guò) 渡區(qū) 流道首部 流道中部和流道尾部的比例分別 為 9 92 29 75 22 31 15 7 和 22 31 說(shuō) 明灌水器堵塞多發(fā)生于過(guò)渡區(qū) 流道首部和流 道尾 部 在不同溫度下比較各個(gè)堵塞位置的數(shù)目發(fā)現(xiàn) 在柵格入口和流道首部 2 個(gè)堵塞位置的數(shù)目基本不 隨溫度的變化而變化 而在過(guò)渡區(qū) 流道中部和流 道尾部 3 個(gè)堵塞位置的數(shù)目沒有明顯的隨溫度變化 的規(guī)律 說(shuō)明灌水器的堵塞位置是一個(gè)隨機(jī)的現(xiàn)象 提高溫度并不影響其分布 3 討 論 3 1 溫度 壓力對(duì)灌水器堵塞影響 分析 灌溉水溫對(duì)灌水器流量的影響比較復(fù)雜 隨著 溫度的升高 流體內(nèi)水分子的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 從而使分子的內(nèi)能發(fā)生變化 進(jìn)而影響流體的黏度 和擴(kuò)散 水的內(nèi)能隨著溫度的增加而增加 黏 度系 數(shù)隨著溫度的增加而減小 溫度越高 流體內(nèi)分子 間無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)和碰撞越激烈 分子偏離其原始位 置就越遠(yuǎn) 分子間的相互作用力就越弱 流體就越 容易擴(kuò)散 17 18 具體表現(xiàn)為灌水器流量隨溫度的提 高而增加 9 另外 溫度升高 肥液中的顆粒之間在保持吸 引力不變的同時(shí)排斥力增加 19 使得形成的絮凝物 更加脆弱 更容易被紊流和流體剪切力打破 形成 更小的絮狀沉淀 到達(dá)流道高剪力區(qū)附近時(shí)更容易 被打碎重新混入肥液中 最終導(dǎo)致溫度越高 形成 的絮凝沉淀越少 且沉速隨著溫度的增加而減少 20 正如圖 4 所示 曲線斜率隨著溫度的提高而降低 表明溫度越高 絮凝物沉淀的就越慢 灌水器的平 均相對(duì)流量下降的就越慢 紊動(dòng)剪切對(duì)于粒徑不同 的絮體影響也不同 對(duì)于粒徑較小 6 24 m 的細(xì) 顆粒絮體影響不明顯 對(duì)于粒徑較大 48 384 m 顆粒絮體來(lái)說(shuō)具有較大的影響 21 即溫度升高 流 體的紊動(dòng)性增強(qiáng) 對(duì)試驗(yàn)中絮凝顆粒 5 100 m 產(chǎn)生較大的影響 因此 在實(shí)際應(yīng)用中 如溫室水 肥一體化滴灌時(shí) 建議 適當(dāng)提高灌溉水溫以減少灌 水器發(fā)生堵塞的概率 一般來(lái)說(shuō) 壓力對(duì)于灌水器堵塞的影響主要是 通過(guò)影響灌水器流道摩阻系數(shù) f的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的 當(dāng) 壓力 P 40 kPa 時(shí) 此時(shí) Re450 流態(tài)變?yōu)橥牧?f 值趨于穩(wěn)定 不隨壓力的變化而變化 22 在本試驗(yàn) 中低壓 50 kPa 和常壓 100 kPa 下 灌水器內(nèi)流態(tài)均 處于湍流狀態(tài) 壓力增大 流體的紊動(dòng)性增加 加 大了肥液中顆粒間碰撞的概率 更容易形成絮凝物 從而依附在灌水器流道壁面 但同時(shí)由于壓力增大 強(qiáng)水流體紊動(dòng)所導(dǎo)致的高剪切力會(huì)破壞生成的絮凝 物 使其更容易隨著水流沖出流道 23 所以工作壓 力和灌水器堵塞并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系 還與肥液 濃度 肥液中顆粒粒徑等共同作用 影響灌水器的 堵塞 24 25 本 試 驗(yàn)在 5 g L的磷酸二銨下進(jìn)行 發(fā)現(xiàn) 壓力對(duì)灌水器堵塞并無(wú)明顯規(guī)律 26 何坤 等 溫度與壓力對(duì)水肥一體化滴灌灌水器堵塞影響研究 79 3 2 堵塞物質(zhì)分析 表 4 為試驗(yàn)選用的磷酸二銨肥料中各元素的質(zhì) 量百分比 由表可得 原狀肥料中除了含磷酸氫二 銨之外 還引入了少量的 Ca Mg Fe Al F 等元 素 當(dāng)水中加入磷酸二銨肥料時(shí) 一方面 磷酸氫 二銨離子化產(chǎn)生磷酸根離子 與溶液中的鈣 鎂 氟等離子結(jié)合產(chǎn)生磷酸鈣 磷酸鎂 氟磷酸鈣等難 溶于水的磷酸鹽沉淀 特別是在溶液環(huán)境處于 pH較 高的條件下 更容易產(chǎn)生堵塞物質(zhì) 因此可以采用 pH 較低的酸性磷肥緩解灌水器的堵塞 27 另一方面 溶液中細(xì)小不溶于水的不規(guī)則顆粒物質(zhì)也隨著肥料 加入溶液而增多 由于磷酸根離子的吸附作用 會(huì) 與溶液中的懸浮雜質(zhì)結(jié)合團(tuán)聚生成絮凝體 進(jìn)一步 增加了灌水器堵塞的可能 28 另外有學(xué)者研究指出 灌水器中堵塞物質(zhì)是以絲狀菌體及其胞外多聚物為 橋梁富 集成絮狀體為主形成的小顆粒沉積物 29 而 本試驗(yàn)中由于缺乏微生物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 試驗(yàn)時(shí)間較短等因素 并未觀察到此現(xiàn)象 因此本 試驗(yàn)中加入磷酸二銨使得灌水器堵塞的主要原因?yàn)?磷肥吸附雜質(zhì)形成絮凝物的物理堵塞以及溶液中離 子置換形成沉淀的化學(xué)堵塞的耦合 表 4 原狀肥料各元素質(zhì)量百分比 Table 4 Percentage of elements in undisturbed fertilizer 元素 N O F Mg Al P Ca Fe 其他 百分比 11 1 42 62 1 44 1 13 1 49 36 41 0 91 3 49 1 41 3 3 堵塞位置分析 灌水器內(nèi)部迷宮流道尺寸微小 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 用 常規(guī)的方法難以對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行分析 喻黎明 等 30 采用計(jì)算流體力學(xué) CFD 方法進(jìn)行仿真 并 對(duì)比 粒子圖像測(cè)速法 PIV 得到的結(jié)果 發(fā)現(xiàn) CFD 方法得出的固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性基本符合實(shí)際情 況 故本文采用 CFD 的方法對(duì)灌水器流道進(jìn)行模擬 圖 7為在 100 kPa下灌水器內(nèi)部流道速度矢量圖和流 線圖 由圖 7 可知 在灌水器流道內(nèi)部流體呈一個(gè)復(fù) 雜的紊流狀 主流區(qū)在流道中間 基本沿迎水面齒 尖流動(dòng) 和低速區(qū)分界比較明顯 并存在一定數(shù)量 的漩渦 在柵格入口處 由于入口速度很低 幾乎 為零 存在低速區(qū)和滯止區(qū) 肥液中的細(xì)小顆粒有 一定概率在此處沉積造成灌水器堵塞 而在過(guò)渡區(qū) 由于水流流速較慢 肥液中顆粒碰撞 概率 較低 不 易彼此黏結(jié)絮凝形成較大顆粒 其與壁面間的黏附 能相對(duì)于其本身的動(dòng)能來(lái)說(shuō)較大 因而顆粒容易在 碰撞后失去其全部的動(dòng)能從而黏附在壁面上 31 造 成流道堵塞 另外在流道首部和流道尾部處 存在 有多個(gè)低速漩渦 顆粒在進(jìn)入到這些低速漩渦時(shí) 一方面由于漩渦內(nèi)速度低 一旦進(jìn)入很難被沖出 久而久之 就會(huì)因顆粒間的靠攏 碰撞結(jié)合形成大 的絮凝物而堵塞流道 32 另一方面 在灌溉結(jié)束后 間隙期間 在漩渦處滯留的細(xì)小顆粒在重力作用下 沉降 彼此結(jié)合形成較大的團(tuán)聚體依附在流道表面 形成堵塞 而在流道中部處 存在較多速度為零的 速度死區(qū) 使得肥液中的細(xì)小顆粒容易在此沉積造 成灌水器堵塞 a 速度矢量圖 b 流線圖 圖 7 灌水器流道內(nèi)速度矢量與流線圖 Fig 7 Velocity vector and flow field path lines in the flow passage of emitter 4 結(jié) 論 1 5 g L 的磷酸二銨肥料加速灌水器堵塞的效 果明顯 升高溫度可以提高平均相對(duì)流量 且在低 壓條件下提高的程度比在常壓條件下大 隨著溫度 的提高 平均相對(duì)流量的下降速率有所減慢 且在 低壓條件下下降速率減緩的幅度比在常壓條件下大 2 溫度對(duì)灌水器中堵塞物質(zhì)的組成成分影響不 明顯 其主要為磷酸鹽 堵塞機(jī)制為磷肥吸附作用 形成絮凝物的物理堵塞與離子置換形成沉淀的化學(xué) 堵塞的耦合 溫度升高 堵塞物質(zhì)中吸附的細(xì)小顆 粒減少 絮凝現(xiàn)象減弱 且磷酸鹽量有所減少 壓 力并不影響堵塞物質(zhì)的微觀形貌 但在常壓條件下 會(huì)使堵塞物質(zhì)中磷酸鹽量增加 3 提高溫度并不影響灌水器堵塞位置的分布 灌水器中堵塞物質(zhì)位于柵格入口 過(guò)渡區(qū) 流道首 部 流道中部和流道尾部的比例分別為 9 92 29 75 22 31 15 7 和 22 31 主要集中在過(guò) 渡區(qū) 流道首部和流道尾部 因此建議對(duì)過(guò)渡區(qū) 灌溉排水學(xué)報(bào) 80 流道首部和流道尾部 3 個(gè)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 緩解 灌水器堵塞 參考文獻(xiàn) 1 TAYLOR H D BASTOS R PEARSON H W et al Drip irrigation with waste stabilization pond effluents Solving the problem of emitter fouling J Water Science and Technology 1995 31 12 417 424 2 BOZKURT S OZEKICI B The effects of fertigation management in the different type of in line emitters on trickle irrigation system performance J Journal of Applied Sciences 2006 6 5 1 165 1 171 3 李康勇 牛文全 張若嬋 等 施肥對(duì)渾水灌溉滴頭堵塞的加速作用 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 17 81 90 LI Kangyong NIU Wenquan ZHANG Ruochan et 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