低壓地面滴灌水力特性研究進展

孫永勝,張新燕

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100)

在國民經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的同時,水資源短缺問題越來越引起人們的關(guān)注。我國是世界上13個貧水國之一,水資源的嚴重不足,嚴重制約著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,因此,發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù),提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,已成為保證糧食安全,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)持續(xù)、快速、健康發(fā)展的關(guān)鍵所在。微灌技術(shù)作為目前用水效率較高的一種新型節(jié)水灌溉技術(shù),它包括滴灌、微噴灌和涌泉灌等幾種形式,由于其節(jié)水效果顯著,適應(yīng)性強等優(yōu)點,在果樹、蔬菜、花卉、苗圃灌溉中廣泛應(yīng)用[1],得到了快速發(fā)展,尤其是滴灌技術(shù)發(fā)展更為迅速。眾多學(xué)者對其進行了不斷深入的研究,也取得了一系列的豐碩成果,但是在更加注重節(jié)能、節(jié)水的理念不斷深化的同時,低壓或自壓滴灌系統(tǒng)由于所需能量較小,投資較少而成為一種發(fā)展趨勢,開展在低水頭下的滴灌系統(tǒng)研究將成為今后一段時期研究的重點,而系統(tǒng)水力特性的研究則又是其中研究的難點和重點。因此,進行低壓地面滴灌水力特性研究,不僅可以為滴灌系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計提供一定的理論支撐,并將會對滴灌技術(shù)的進一步發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 低壓滴灌技術(shù)發(fā)展

微灌是根據(jù)作物需水量,通過低壓管道系統(tǒng)與安裝在管道末端的灌水器連接,將作物生長所需的水分和養(yǎng)分以較小的流量均勻、準確地直接輸送到作物根部附近的土壤表面或土層中,因此,與常規(guī)灌水技術(shù)相比,屬于局部灌溉,實現(xiàn)了節(jié)水目的,由于其所需工作壓力低,因而更節(jié)能。滴灌是其中最典型也是研究最多的灌水技術(shù)。滴灌的最初發(fā)展階段是地下灌溉,1860年在德國首次試驗[2],20世紀20年代,德國首次應(yīng)用穿孔管灌溉,被視為孔口式滴頭的雛形,20世紀30年代出現(xiàn)利用帆布管的滲水灌溉[3];對滴灌技術(shù)的研究應(yīng)用,以色列、韓國、美國、澳大利亞等國家的研究水平一直處于世界前列[4],1935年荷蘭、英國首次將滴灌技術(shù)應(yīng)用于溫室中的花卉和蔬菜,20世紀50年代中期以色列研制成功長流道滴頭,顯著促進了滴灌技術(shù)的發(fā)展。我國自1974年從墨西哥引進滴灌技術(shù),20世紀90年代初又從以色列引進滴灌關(guān)鍵工藝設(shè)備和技術(shù),使我國滴灌技術(shù)整體發(fā)展水平上升至新的高度。近20年來滴灌技術(shù)在全世界范圍內(nèi)以平均每年33%的速度增長[5],在積極引進、消化吸收的同時,我國科研人員不斷深化對滴灌系統(tǒng)理論和技術(shù)的研究。馮素珍[6]介紹了低水頭滴灌系統(tǒng)及特點,通過試驗和計算機數(shù)值模擬對其進行可行性分析,但僅考慮了低壓下對灌水均勻度的影響;王偉等[7]提出一種低水頭滴灌系統(tǒng),并對系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備—首部控制塔、管材和灌水器進行了選型和研制,并與常規(guī)滴灌系統(tǒng)進行了靜態(tài)投資的比較,節(jié)省投資效果明顯;牛文全等[8]定義了低壓滴灌系統(tǒng)的概念和原理,認為這是一種能量優(yōu)化利用的經(jīng)濟型節(jié)能灌溉系統(tǒng);此外,小型重力滴灌(或稱低壓滴灌、低水頭滴灌)的提出很大程度上適應(yīng)了溫室大棚、山地果園、庭院作物、蔬菜等的發(fā)展[9-19],具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

1.2 低壓滴灌水力特性研究

第二次世界大戰(zhàn)后,隨著塑料工業(yè)的發(fā)展,塑料管由于其打孔容易,輸水性能好等優(yōu)點,開始廣泛應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)中。對其水力特性的研究,主要反映在以下幾方面:

1.2.1 灌水器水力性能研究

滴頭是滴灌系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一,被稱為滴灌系統(tǒng)的心臟,滴頭結(jié)構(gòu)及其水力性能的優(yōu)劣對滴灌系統(tǒng)的均勻性、抗堵性能、系統(tǒng)壽命影響很大,質(zhì)量的好壞直接影響到灌水均勻度和整個系統(tǒng)運行的可靠性。在灌水器水力性能研究方面,王尚錦等[20-21]采用有限元法對滴頭流道內(nèi)部的流動進行了數(shù)值模擬,并根據(jù)數(shù)值計算得到了滴頭流場分布,且研究了雷諾數(shù)對流場的影響;魏青松等[22-23]利用ANSYS軟件對滴頭流道內(nèi)部的流速和壓力分布進行了數(shù)值模擬;Zhang等[24]利用計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)模擬和模型放大進行實驗觀測相結(jié)合的方法對弧形迷宮流道滴頭進行了研究;王文娥等[25]、李永欣等[26]利用CFD技術(shù)分別對一種新型微壓滴管帶和迷宮流道滴頭的水力特性進行了數(shù)值模擬,這些結(jié)果精度雖好,但都缺乏足夠的實驗驗證;仵峰等[16]對內(nèi)鑲式、微管和補償式三種灌水器的自由出流試驗表明,在2～10 m壓力范圍內(nèi)的出流規(guī)律與常規(guī)不盡相同,這與李云開等[27]、Li等[28]的研究結(jié)果較為一致,而且在升壓和降壓過程中,同一工作壓力下對應(yīng)的流量有所差異,但并沒有指出引起這種差異的原因;劉煥芳等[29]對自壓軟管進行水力分析后提出了確定軟管合理鋪設(shè)長度的計算方法,與實踐相比具有較好的一致性,可供規(guī)劃設(shè)計時參考,但并沒有提出最佳組合要素方案;洪明等[30]對內(nèi)徑20 mm,出水孔徑0.6 mm的PE管進行低壓水力性能試驗后指出,不考慮滴灌管出水孔水流擾動影響,測試滴灌管內(nèi)水流分為層流和紊流兩種流態(tài),但主要以層流為主,這與微灌工程技術(shù)規(guī)范[31]中光滑紊流的適用條件是不同的;洪明等[32]在0.25～5 m水頭下對孔口式滴灌管出流規(guī)律試驗研究指出滴灌管的出流均為紊流式出流,孔口流量隨孔徑增大而增大,增幅隨管徑增大而增大,但受制造偏差較大影響使得灌水均勻度變幅較大;Wei等[33]建立固液兩相紊動模型,利用CFD模擬和實驗驗證方法進行滴頭堵塞問題研究,發(fā)現(xiàn)二者吻合程度較好;Liu等[34]利用清水和處理過的污水對滴灌灌水器的堵塞問題進行實驗,表明與水質(zhì)、灌水器類型和運行時間、沖洗頻率[35]關(guān)系密切,這與Ahmed等[36]的研究相一致,但都沒有進行田間驗證;馬曉鵬等[37]對常用的6種單翼迷宮和內(nèi)鑲式滴管帶在低壓下水力性能試驗指出,在2～8 m水頭壓力范圍內(nèi)流態(tài)指數(shù)明顯高于6～14 m時的值,制造偏差在低壓下也表現(xiàn)得更明顯,但沒有對其進行定性分析。這些對于灌水器水力特性的研究多采用模擬方法,缺少一定的檢驗手段和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn),使得理論研究滯后于生產(chǎn)實踐的需求。

1.2.2 管道水力特性研究

管道水力特性的研究對于整個系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計、減少投資等都起著至關(guān)重要的作用。在管道水力特性研究方面,Bralts等[38]采用虛擬節(jié)點有限元法推導(dǎo)了描述微灌系統(tǒng)水力學(xué)特性的二階偏微分方程;Kang等[39]用有限元法分析了微灌毛管,并用Darcy-Weisbach公式計算沿程水頭損失;張志新等[40-42]利用有限元法解析毛管水力特性;Hathoot等[43]、Kang等[39,44]采用連續(xù)線性逼近法求解滴灌系統(tǒng)水力問題;Scaloppi等[45]、Kang等[46]、Jain等[47]、Ravikumar等[48]利用經(jīng)驗公式模擬毛管進口壓力及流量,以Darcy-Weisbach公式計算毛管水頭損失進行毛管水力解析;Vallesquino等[49]以Darcy-Weisbach公式計算毛管水頭損失,Taylor多項式描述水頭損失與流量的關(guān)系,進行了毛管的水力解析;王新坤和蔡煥杰[50]利用遺傳算法對毛管進行水力解析和優(yōu)化設(shè)計;王新坤[51]根據(jù)毛管水力學(xué)特性,采用二分法搜索原理,并與逆序遞推法結(jié)合,提出了微灌毛管水力解析與設(shè)計方法,有很好的通用性,求解效率和計算精度較高;Yildirim[52]利用逆推逼近法建立數(shù)學(xué)模型確定毛管水頭損失,以上這些計算結(jié)果比較符合實際,但過程較為繁瑣,計算量大,可借助計算機進行編程操作[53-55];Perold[56-57]用圖解的方法進行微灌田間管網(wǎng)的水力解析與設(shè)計,但應(yīng)用有一定局限性;Ahmed等[58]指出在滴頭連接處會產(chǎn)生顯著的能量損失,據(jù)此提出一個簡單通用的計算方法;白丹等[59]推導(dǎo)出一個新的沿程均勻泄流管水頭損失的簡化計算公式,精度較高,計算簡單,但僅做了理論分析;Shayya等[60]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行非迭代計算求解Darcy-Weisbach公式中的摩阻損失系數(shù),計算簡單精度高;白丹等[61]考慮了管徑、流量和水溫等因素影響,采用多元線性回歸法提出微灌塑料管沿程水頭損失的簡化計算公式,但在使用時對管徑、流量、溫度規(guī)定了范圍,且水溫越高,與現(xiàn)有水頭損失計算公式[62]相比相對誤差越大;Demir等[63]利用量綱分析法建立預(yù)測模型進行毛管水頭損失計算,與實測值相比,誤差在2%以內(nèi),精度較高;Pedro[64]提出一種可以模擬層流或紊流條件下毛管水力特性的方法,將出流量看作是離散變量,摩阻水頭損失采用帶等效摩擦因數(shù)的Darcy-Weisbach公式計算,局部水頭損失則是采用依賴于雷諾數(shù)的等效系數(shù)計算,可以獲得較好的精度,但建模過程繁瑣;Dogan等[65]研究了升高水溫和系統(tǒng)壓力對毛管水力性能的影響,但并未在實踐中檢驗;洪明等[66]指出低壓下使用Darcy-Weisbach公式及微灌工程技術(shù)規(guī)范推薦公式[31,67](也稱多口系數(shù)法)、能量坡度線法[68]計算的滴灌毛管總水頭損失與實測值有一定偏差,這些與柴付軍等[69]、洪明等[30]的研究結(jié)果是一致的,用以入口工作水頭為變量的參數(shù)修正即可取得較好的計算精度。這些研究多是采用模擬和解析的方法進行,所得結(jié)果令人滿意,但缺少一定的試驗和實踐檢驗,因此,將這幾者之間有機結(jié)合進行研究將會是進一步研究的重點。

1.2.3 壓力分布變化研究

壓力是決定整個滴灌系統(tǒng)造價的最主要的因素,灌水器價格、管網(wǎng)系統(tǒng)及水泵等都與壓力大小關(guān)系密切,而且系統(tǒng)運行費用與壓力呈正比關(guān)系[8],因此,降低系統(tǒng)壓力對減少系統(tǒng)投資關(guān)系重大。白丹[70]針對目前多孔管沿程水頭損失計算方法存在的問題,推導(dǎo)出一個近似公式,并分析了多孔管沿程壓力變化;白丹[71]分析了各種地形條件下多孔管末端壓力的變化規(guī)律,提出了不同地面坡度下多孔管允許最大長度的計算方法,計算簡單,有待進一步實踐驗證;Kang等[72]改進了毛管流量方程,利用后退法計算沿程壓力分布,用黃金分割法尋找最優(yōu)估計毛管管尾壓力水頭,并用前推法確定沿毛管壓力水頭和滴頭流量分布;蘇德榮等[73]指出低水頭下滴頭流量對壓力降低較為敏感,隨壓力減少流量顯著降低;Barragan等[74]利用壓力廓線法進行微灌系統(tǒng)設(shè)計和水力分析,并將有關(guān)參數(shù)制作成表方便選用;劉煥芳等[75]根據(jù)水力學(xué)原理建立了自壓軟管沿程水頭損失的一般方程,得出了軟管沿程壓力水頭分布的計算公式,給出了確定最大和最小壓力水頭位置及大小的方法,但與實測結(jié)果相比誤差較大;朱德蘭等[18]提出一種新的微灌滴頭設(shè)計工作壓力計算方法,即在加壓情況下,地面坡度為零時,用毛管年費用為目標函數(shù),用黃金分割法搜索求出滿足流量偏差率要求的滴頭設(shè)計工作壓力值,但沒有在實踐驗證;王宏等[76]指出低壓孔口式出流管沿程壓力分布符合以入口水頭為基本參數(shù)的指數(shù)函數(shù)形式,并給出相關(guān)修正系數(shù)的取值范圍,但缺乏一定的普遍適用性;Wu等[77]將允許壓力水頭變化在支管與毛管上進行壓力分區(qū),并進行獨立設(shè)計,這與Bhatnagar等[78]利用低壓灌水器研究壓力補償式滴灌系統(tǒng)在山地梯田中應(yīng)用是有所不同的,最后用兩階段法進行了優(yōu)化,精度較好,但計算有些繁瑣。對于這些研究所提出的方法的選擇和全面評價,還需要作進一步的實踐檢驗和理論探討。

2 存在問題與討論

眾多學(xué)者對滴灌系統(tǒng)多是基于常壓下對灌水器、管道等特性進行的有效探索,對低壓滴灌系統(tǒng)的研究還相對較少,而對低壓滴灌系統(tǒng)來說又有其自身的特點,它本身就是要強調(diào)更加高效節(jié)能和節(jié)水。因此,針對目前的研究現(xiàn)狀,主要存在以下幾方面的問題:

(1)對于常規(guī)滴灌系統(tǒng)的研究尤其是滴灌管的研究,所用管材一般為塑料管,管徑多在12 mm～25 mm之間,目前對低壓滴灌部分的研究所用管徑也在這一范圍之內(nèi),因此,如何開展大管徑下(比如管徑大于25 mm)低壓滴灌系統(tǒng)的研究目前來說還很少,另一方面,對大管徑也沒有明確的定義,這也就成為制約低壓大管徑滴灌理論以及技術(shù)發(fā)展的一個重要因素。

(2)目前對低壓滴灌系統(tǒng)的研究所用的灌水器則基本上是使用常壓下(10 m工作水頭)使用的灌水器,對于這些灌水器能否適應(yīng)在低壓下(5 m以下)的設(shè)計、運行情況,都需要進一步的研究,此外,努力開發(fā)與低壓滴灌系統(tǒng)相適應(yīng)的低成本、出流穩(wěn)定、抗堵性強的灌水器、滴灌管(帶)等一系列產(chǎn)品也應(yīng)是今后一段時期的一項重要任務(wù)。

(3)對低壓滴灌系統(tǒng)水力特性的研究還不夠深入,尤其是大管徑下,現(xiàn)有的微灌工程設(shè)計規(guī)范能否符合其水力特性的變化,尤其是水頭損失的計算、管道壓力分布情況等,也是需要進一步研究的問題。

(4)此外,對于田間管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計,主要采用費用最小法[79-81]、遺傳算法[40,82-85]、0.618法與線性規(guī)劃法相結(jié)合的方法[86-88]、經(jīng)驗系數(shù)法[89]、Newton-Raphson法[90]、MSGOA模型法[91],而兩階段最優(yōu)化法[77]與陳渠昌和鄭耀泉[92]、Alandi等[93]的研究有些類似等。這些方法都有各自的特點和適用條件,實踐中可以有選擇地應(yīng)用。但這些算法僅是針對系統(tǒng)局部進行的優(yōu)化,對于滴灌系統(tǒng)整體的優(yōu)化還有待進一步的改進與提高。

3 結(jié) 語

在能源與資源不斷緊缺的情況下,運用現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù),發(fā)展一系列更高效節(jié)能節(jié)水的灌溉技術(shù),將會為實現(xiàn)社會和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。低壓滴灌系統(tǒng)的發(fā)展代表著目前節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的一種趨勢,開發(fā)一系列適應(yīng)我國國情需要的溫室大棚、山地、苗圃等低壓滴灌系統(tǒng),必然會對我國節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展起到極大的推動作用。從環(huán)保和節(jié)能的角度,發(fā)展低壓滴灌技術(shù)以及研究對相關(guān)產(chǎn)品的回收技術(shù),對我國乃至世界的滴灌產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也是一項有益的探索和很好的示范及推動。

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