文章編號：1007—4929(2007)02—0054—04 

高灌水均勻度防堵塞內(nèi)鑲貼片式

地下灌水器設(shè)計研制及試驗研究

王 棟

(甘肅大禹節(jié)水股份有限公司，甘肅酒泉735000)

摘要：從制約地下滴灌技術(shù)發(fā)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(fā)，立足于地下滴灌急需解決的理論和技術(shù)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(shè)計工作壓力為突破口，以滴頭優(yōu)化設(shè)計為手段，從地下灌水器灌水均勻度設(shè)計指標、滴頭設(shè)計工作壓力取值和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shè)計理論、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、提高地下滴灌適用性的目標。

關(guān)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(shù))是微灌技術(shù)的典型應(yīng)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(jié)構(gòu)擾動較小，有利于保持作物根層疏松通透的環(huán)境條件，并可減少土面蒸發(fā)損失，故地下滴灌技術(shù)具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效益。此外，田間輸水系統(tǒng)地埋后便于農(nóng)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(shù)專利，被認為是世界上最早的SDI技術(shù)。這種地下滴灌系統(tǒng)運行于低水頭下，對水質(zhì)和過濾設(shè)備要求較低，應(yīng)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(fā)展，地面滴灌設(shè)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(tǒng)，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(shù)的發(fā)展速度遠遠落后于地面滴灌技術(shù)。從20世紀80年代至今，有關(guān)地下滴灌技術(shù)及其應(yīng)用的研究主要集中在改進灌水器質(zhì)量、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)、研制過濾器和施肥裝置等方面。與此相關(guān)的大量研究成果陸續(xù)涌現(xiàn)，意味著地下滴灌技術(shù)開始步入成熟階段。我國自1974年從墨西哥引入滴灌設(shè)備至今，地下滴灌技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備開發(fā)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(jié)水灌溉的發(fā)展有著十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外使用的地下滴灌設(shè)備均來自地面滴灌系統(tǒng)，滴頭常采用內(nèi)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(guī)模的田間試驗發(fā)現(xiàn)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(tǒng)維護困難等問題依然存在，也因此導(dǎo)致了地下滴灌技術(shù)的發(fā)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(tǒng)的管網(wǎng)中產(chǎn)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(tǒng)發(fā)展和推廣應(yīng)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(tǒng)主干管的最高點處安裝真空破壞裝置，借此消除管網(wǎng)內(nèi)負壓帶來的不利影響。這種技術(shù)可以消除管網(wǎng)內(nèi)的負壓，減少負壓現(xiàn)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(fā)生堵塞現(xiàn)象，這種技術(shù)在推廣應(yīng)用中的抗堵塞性能不太明顯。此后，在我國國內(nèi)又有人發(fā)明了通過對內(nèi)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(fù)雜和成本較高等問題，加大了系統(tǒng)投資成本。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)又不能很好的解決管道灌水系統(tǒng)內(nèi)部固體顆粒物的沉積堵塞，因此這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計在推廣應(yīng)用中受到一定的局限。

本文從制約地下滴灌發(fā)展的灌水均勻性差，滴頭容易堵塞等主要問題出發(fā)，立足于地下滴灌急需解決的理論和技術(shù)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(shè)計工作壓力為突破口，以地下灌水器流道優(yōu)化設(shè)計為手段，從地下灌水器灌水均勻度設(shè)計指標、設(shè)計工作壓力取值和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shè)計理論，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(nèi)鑲貼片式地下灌水器，以推動地下滴灌技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)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(tǒng)埋設(shè)于地下，不能直接觀測每個灌水器的出流狀況，因此對系統(tǒng)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(zhì)地、密實度、導(dǎo)水性能)的影響較大。

(1)地下灌水器埋設(shè)于地下，出水口被土壤包圍，當(dāng)灌溉管道停水后，毛管中產(chǎn)生的負壓能夠?qū)⑼寥乐凶杂晌⑿☆w粒吸入灌水器的微孔，發(fā)生負壓吸泥現(xiàn)象而堵塞滴頭。

(2)由于地下灌水器埋設(shè)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(tǒng)的紊流流道多設(shè)計為“鋸齒形”或“梯形”結(jié)構(gòu)，直線與直線的交點便構(gòu)成了一個死角，當(dāng)水流經(jīng)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(xué)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(jié)合，發(fā)育成栓柱狀的泥團，最后導(dǎo)致堵塞流道，使滴頭失去紊流功能，導(dǎo)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(shè)計架構(gòu)

 

2．1 設(shè)計依據(jù)

 

(1)地下灌水器的基本工作原理。水在土壤中多以液態(tài)形式密集流動或以氣態(tài)形式進行擴散。控制土壤水運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(dāng)土壤濕潤后，毛細管作用力減小；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(dāng)土壤越來越濕潤時，土壤的孔隙飽和，毛管力變?nèi)�，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(qū)周圍形成一個很小范圍的水分空間，根據(jù)土壤的濕潤程度形成作物根區(qū)所需的水分和養(yǎng)分。

(2)根據(jù)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(dǎo)致流體機械能損失，流量指數(shù)下降，其局部水頭損失是該滴頭能量損失的主要形式。可以認為局部水頭損失是由較強的雷諾切應(yīng)力、離心力、流體內(nèi)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(xiàn)相對穩(wěn)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(yīng)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(guān)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(shù)。地下滴灌灌水器的流量修正系數(shù)k 主要與土壤因素有關(guān)，試驗土壤的流量修正系數(shù)為2.O～4.0，對于微管灌水器，其流量修正系數(shù)為3.75～3.85。

 

2．2 流道結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

 

(1)增加滴頭進水區(qū)過濾孔的數(shù)量和增大過濾孔的目數(shù)，在減少微小顆粒物、細小毛狀物進入灌水器，提高滴頭內(nèi)部的抗堵塞性能的基礎(chǔ)上，制定滴水元件出水量與舌片大小的優(yōu)化組合，在地下滴灌管及灌水器上設(shè)計“舌臺與舌片相結(jié)合抗堵塞”結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生負壓時，流道能靈敏地自動關(guān)閉，舌片能及時自動貼附于舌臺上，流道關(guān)閉，處于非工作狀態(tài)，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(diào)節(jié)流量，保持滴水的均勻性。

(2)依據(jù)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(jù)分級消能的紊流流道工作原理，開發(fā)與設(shè)計流線型紊流流道，修正生產(chǎn)制造內(nèi)鑲貼片地下灌水器流線型紊流流道模具參數(shù)。通過在地下灌水器內(nèi)部設(shè)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(xiàn)滴頭流量相對穩(wěn)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(nèi)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(nèi)部的抗堵塞性能。

(3)調(diào)整滴頭生產(chǎn)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(nèi)壁的光潔度、光滑性，減少微粒及毛狀物在滴頭內(nèi)附著的機率，消除由于滴頭與模具在脫模過程中互相黏結(jié)而造成的滴頭不光滑，提高滴頭內(nèi)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(gòu)成。

 

3 產(chǎn)品的研制

 

參照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗方法》(GB／T17188—1997)和《微灌工程技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)指標設(shè)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(chǎn)的主要技術(shù)指標和參數(shù)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(shù)小于4G，流線型紊流流道的結(jié)點處倒角R大于0.2 mm，加工精度達0.01mm，模具材料采用優(yōu)質(zhì)模具鋼NAK80。滴灌管上舌片的開設(shè)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(chǎn)線上一次完成。

 

4 試驗概況

 

4.1 水力學(xué)性能實驗

 

(1)流量關(guān)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(diào)節(jié)滴頭人口處的水壓至150kPa，然后每保壓3min卸壓1min，如此反復(fù)3次；隨后再調(diào)節(jié)滴頭人口的壓力至50kPa，保壓3min后卸壓1min，反復(fù)3次；最后調(diào)節(jié)水壓至100kPa，保壓60min，分別測量25個滴頭在2min內(nèi)的出水量。重復(fù)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(shù)Cv=4.4%，流量均勻度符合國標規(guī)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(nèi)測試工作。該設(shè)備可對供試滴頭施加0～-80 kPa范圍內(nèi)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(chǎn)生-20、-40、-60和-80 kPa的測試壓力，相應(yīng)完成不同壓力下的滴頭抗負壓測定工作。當(dāng)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(shù)的變化情況，持續(xù)時間40min。測試結(jié)果表明，所有滴頭試樣在規(guī)定的測試時間范圍內(nèi)，真空表的讀數(shù)均保持在穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3(b)。開發(fā)的內(nèi)鑲貼片地下灌水器的獨特結(jié)構(gòu)舌片及舌臺結(jié)構(gòu)，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(shè)計單行毛管直線布置和單行毛管環(huán)形布置2種情況。田問灌水均勻度通過對植物生長期內(nèi)的3次灌水過程后的土壤含水率進行監(jiān)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(nèi)，按均勻分布的采樣原則隨機布設(shè)測點2O個，獲得的土壤含水率值用來計算該范圍內(nèi)的灌水均勻度。對每種毛管滴頭布設(shè)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(nèi)的灌水均勻度，并根據(jù)這6個數(shù)據(jù)的均值給出該毛管的灌水均勻度，用來評價每種埋設(shè)形式下的田間灌水均勻度。表1說明整個地下滴灌系統(tǒng)的工作性能是穩(wěn)定的，具備較高的系統(tǒng)灌水均勻性。表2給出根據(jù)實測的田間土壤含水率計算的地下滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度。對任一毛管滴頭的埋設(shè)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(xù)，灌水均勻度仍能繼續(xù)得到改善。

 

表1 田間實測的地下滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度

 

灌水時間/ （月-日）	單行直線毛管布置		單行環(huán)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(nèi)測試地下滴灌專用滴頭的流量時，在一定工作壓力范圍內(nèi)滴頭的出流量是個定值。而當(dāng)?shù)晤^埋人地下時，受管壁周圍土壤壓力作用和土壤導(dǎo)水性能的制約，滴頭出流量有可能發(fā)生變化。在葡萄生長期內(nèi)的3次灌水過程中，對每種毛管滴頭的埋設(shè)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(shù)，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(yīng)的供水

時間，h；n為測試毛管上的滴頭數(shù)量(f線毛管和環(huán)狀毛管上的

滴頭數(shù)目分別為15個和63個)。

表2給出的田間實測結(jié)果說明，每種毛管滴頭埋設(shè)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(nèi)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(qū)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(guān)。

 

表2 田間實地測定的滴頭平均流量

 

 

 

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(shè)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(shè)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(chǎn)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(xiàn)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(nèi)。

(5)滴水元件的流量和入口壓力的關(guān)系：4個滴水元件在增壓過程中，每個滴水元件壓力值對應(yīng)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(shù)：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(shè)計參數(shù)的偏差小于5%，完全達到生產(chǎn)制造工藝的要求。

 

4.3 應(yīng)用性能試驗

 

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

值，而灌溉用水量則顯著小于后者，農(nóng)作物產(chǎn)量提高了2O%～3O%，省肥3O%～4O%，節(jié)水65%。產(chǎn)品具有較高的經(jīng)濟可行性：以棉花地下滴灌系統(tǒng)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(jié)水、擴灌、增產(chǎn)效果非常明顯。同時，地下滴灌技

術(shù)不僅節(jié)水增產(chǎn)效果明顯，還可減少每年鋪設(shè)和回收等人工費用，具有節(jié)省勞力、能源等諸多優(yōu)點，此外還能有效地抑制雜草生長。對應(yīng)用地下滴灌的地塊在不使用除草劑條件下，田內(nèi)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(zhì)表現(xiàn)出良好的作用。

 

5 結(jié) 語

 

目前，該技術(shù)已形成現(xiàn)實生產(chǎn)力，技術(shù)成果經(jīng)甘肅省科技

廳鑒定，其綜合技術(shù)及性能指標均居國內(nèi)領(lǐng)先，填補國內(nèi)空白，

獲得了國家專利，基本達到國外同類型產(chǎn)品的技術(shù)水平，具有

生產(chǎn)線速高、成本低的顯著特點，可替代同類進口產(chǎn)品。本技

術(shù)產(chǎn)品的研制開發(fā)，對推動國內(nèi)地下滴灌技術(shù)的創(chuàng)新性革命，

實現(xiàn)地下灌水器生產(chǎn)的國產(chǎn)化，對全面發(fā)展節(jié)水灌溉有著重要

的意義。

 

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