滴灌灌水器研究進展綜述

郭一航，趙 敬，諸幼暉，李 雙，單東日，何青海

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)，山東 濟南 250353；2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，山東 濟南 250100；3.山東斯馬特農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

水資源短缺問題歷來是制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重大問題，據(jù)統(tǒng)計，全國每年的農(nóng)業(yè)灌溉用水約占全國用水的56%[1]，在中國農(nóng)村地區(qū)，傳統(tǒng)灌溉方式效率較差，灌溉用水浪費現(xiàn)象嚴重，這也加劇了水資源緊缺的現(xiàn)狀，因此大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)是緩解我國水資源不足和農(nóng)業(yè)灌溉用水短缺的迫切需要[2]。

滴灌是灌水器的點滴形式灌溉，在滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)和出口管的共同作用下，將水緩慢輸送到植物根部附近的土壤中，是一項水資源利用率較高的節(jié)水澆灌方法。與傳統(tǒng)的漫灌方法相比，滴灌是最有效的灌溉技術(shù)之一，能夠精確控制灌溉位置，合理利用灌溉水量，從而為農(nóng)作物提供良好的土壤條件，同時滴灌可以有效地實現(xiàn)水肥一體化，因而得到廣泛的應(yīng)用。

灌水器作為滴灌網(wǎng)絡(luò)的樞紐部分，通過在毛管處產(chǎn)生水頭損失，使水流在灌水器內(nèi)部經(jīng)流道變化以平穩(wěn)、均勻的較小流速滴入作物的根系周圍土壤。滴灌灌水器是滴灌技術(shù)的關(guān)鍵末端部件，其特性的好壞對滴灌系統(tǒng)的節(jié)水性、出水均勻度以及系統(tǒng)使用時長影響較大，但同時也因為其設(shè)計規(guī)格較小，內(nèi)部流道狹窄等特點在灌溉操作過程中容易產(chǎn)生阻塞，從而限制了滴灌技術(shù)的發(fā)展進程[3]。因此，眾多學(xué)者通過對灌水器性能的不斷研究，進而實現(xiàn)整個滴灌系統(tǒng)運行效果的改善。

1 滴灌灌水器的主要類型

滴灌灌水器能將毛管中的壓力水流均勻、穩(wěn)定地分配給農(nóng)作物根系，需要兼具出水量均勻、成本低、易于加工和安裝、防堵塞性能好等特點[4]。國內(nèi)外目前滴灌灌水器繁多，根據(jù)灌水器結(jié)構(gòu)與出流形式，通?？煞譃榈晤^和滴灌管（帶）2 種類型。其中滴頭型可根據(jù)不同的標準分類，如圖 1 所示。

微管長流道式滴頭是最早研發(fā)的滴灌灌水器，之后滴灌技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，孔口式[5]、重力式[6]、渦流式[7]、可調(diào)式[8]、管間式[9]等一系列性能出色并適用較多領(lǐng)域的灌水器也相繼研制使用。當前應(yīng)用普遍的灌水器主要是迷宮式、壓力補償式[10]以及將滴頭和毛管結(jié)合一體的灌水管（帶）。

圖1 按不同標準分類的灌水器

圖2 4 種迷宮式灌水器的常見流道三維模型結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 長流道型灌水器

長流道型灌水器是借助水流與流道壁及拐角處的摩擦和沖撞來實現(xiàn)消能，并通過較長的流道形成沿程損失來調(diào)節(jié)出水量的大小。長流道型灌水器自發(fā)明以來，起初為微管型，其功能簡單，便于灌溉，但不能實現(xiàn)較好的灌水均勻度。后經(jīng)優(yōu)化后研發(fā)出螺紋型，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，灌水質(zhì)量有待提高。隨著對其灌水性能優(yōu)良、節(jié)約成本和小體積等要求越來越高，通過改善灌水器的流道結(jié)構(gòu)，進而發(fā)展出具有較好的水利消能效果的迷宮型長流道灌水器[11]。然而長流道滴頭因其狹長流道的結(jié)構(gòu)缺陷，容易發(fā)生堵塞。

1.2 孔口式灌水器

孔口式灌水器是通過灌水器孔口出流形成的局部水頭損失來實現(xiàn)水流的能量損耗。其水流流態(tài)為完全紊流，價格低廉且結(jié)構(gòu)簡單，但其灌溉均勻度不高，又無法實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，抗堵塞性能不佳。

1.3 迷宮式灌水器

迷宮式灌水器是目前常用的滴灌灌水器之一。其主要由3 部分組成：進水口、出水口以及迷宮式流道[12]。其中，迷宮式流道是發(fā)揮消能作用的核心，結(jié)構(gòu)型式由齒形、梯形、矩形和三角形等基本形狀經(jīng)過各種參數(shù)數(shù)值改變后生成[13]。圖 2 是4 種迷宮灌水器的常見流道三維模型結(jié)構(gòu)示意圖，在流道長度、縱向流道斷面面積和形狀相同的情況下,齒形迷宮灌水器比矩形、三角形、梯形迷宮灌水器具有更好的水力學(xué)性能[14]。

迷宮式滴頭因其流道具有擾動作用和紊流的流態(tài)，從而形成局部水頭損失來消除水流的能量和穩(wěn)定水壓[15]。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、灌溉均勻度高的特點，但因其迷宮流道狹小，容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

1.4 壓力補償式灌水器

壓力補償式灌水器是利用流道水壓使自身結(jié)構(gòu)的彈性部件（膜片）或流道大小發(fā)生變化，實現(xiàn)流量穩(wěn)定[16]。圖3 為一種常見的壓力補償式灌水器，主要由迷宮式流道、彈性膜片、蓋片和底座組成，其中關(guān)鍵零件彈性膜片起到調(diào)節(jié)流量和穩(wěn)定水壓的作用[17-18]。彈性膜片因水流壓力的變化改變出水口處截面積，以此穩(wěn)定出流量。當水壓力足夠小，彈性膜片與底座分離，滴頭流道內(nèi)流量變大，使在滴頭內(nèi)部殘余的細小微粒被沖洗掉[19]。

圖3 壓力補償式滴頭外形及結(jié)構(gòu)

壓力補償式灌水器作為當前灌水器里的研究熱點，能夠自動調(diào)節(jié)給水量、具有自清洗且出水均勻性好的優(yōu)勢,但生產(chǎn)工藝比較繁瑣，研發(fā)難度和費用均較高。

1.5 灌水管（帶）

將毛管和灌水器進行一體化設(shè)計的滴灌管(帶)也是當今滴灌灌水器發(fā)展的新趨勢，同時兼具配水和滴水的雙重功能。滴灌管（帶）是通過出流較小的孔口或滴頭將水滴到農(nóng)作物的根系附近，實現(xiàn)局部灌溉。將其按照結(jié)構(gòu)不同分為薄壁滴灌帶（管壁小于0.4 mm）和內(nèi)鑲式滴灌管（帶），其中內(nèi)鑲式滴灌管如圖 4 所示。灌水管（帶）具有體積小，便于運輸，鋪設(shè)距離長，出水均勻等優(yōu)點，但其容易堵塞和結(jié)垢，因此需要對灌溉進行預(yù)先的過濾處理。

1.6 新型灌水器

目前，許多學(xué)者針對灌水器裝置的水力性能和抗堵塞性能，不斷對已有灌水器進行改良優(yōu)化，設(shè)計出結(jié)構(gòu)新穎、水力性能優(yōu)良的灌水器。李俊紅等[20]研制的三角繞流灌水器，利用水力學(xué)中三角形繞流、突擴管及突縮管的流體運動機理，構(gòu)成突縮、突擴、三角柱體繞流的過流通道，讓灌水器水流中雜質(zhì)更易于流動，提高了灌水器的抗堵塞能力；牛文全等[21]提出一種一體化壓力補償式扁平灌水器，針對迷宮流道的主體部分與變形體使用不同材料并通過注塑成型于一體，該灌水器通過迷宮流道大小可變性實現(xiàn)壓力補償功能，并利用簡化加工工藝和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的扁平一體化設(shè)計，提高滴頭的整體性能并節(jié)省生產(chǎn)成本；新型分段插桿式灌水器[22]以插桿式灌水器為基礎(chǔ)，創(chuàng)造性的設(shè)置了螺旋分流道，能顯著增強灌水器內(nèi)部水流的紊動效應(yīng)從而改變灌水效果；徐增輝等[23]研制出一種成型簡單、價格低廉的免燒微孔陶瓷灌水器，利用硅藻土的多孔性和微孔的摩阻作用可對有壓灌溉水進行消能的特點，提高了灌水器的耐久性出流能力。

2 灌水器的重要研究方向

滴灌系統(tǒng)的水力性能和抗堵塞性能直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和運轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者對灌水器的水力學(xué)性能、防堵能力等問題進行了深入的探討。

2.1 灌水器的抗堵塞性能研究

明確灌水器的堵塞原因是研究其抗堵塞性能的關(guān)鍵。FS NAKAYAMA 研究表明灌水器堵塞可能有多種原因，而堵塞往往是由兩個或更多的因素耦合造成的[23]。灌水器堵塞的主要原因是灌溉水質(zhì)特性[25]，按其誘發(fā)成因主要可分為物理因素、化學(xué)因素和生物因素[26]。

2.1.1 物理因素

主要是由灌溉用水中所含有的固體懸浮物及小顆粒等堆積沉淀造成的[27]。同時也是灌水器堵塞最常見的一種堵塞類型。牛文全研究證明發(fā)現(xiàn)，含沙量和泥沙粒徑越大，越容易造成滴頭物理堵塞[28];當泥沙粒徑小于0.1 mm 時，堵塞程度是由灌溉水壓力、泥沙粒徑及含沙量共同耦合決定的[29]；當泥沙粒徑小于0.038 mm 時,灌水器流道容易沉積成較大的泥沙團聚體[30]。

2.1.2 化學(xué)因素

指灌溉水源中可溶性物質(zhì)在特定條件下，互相產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后生成不溶性物質(zhì)，聚集在灌水器內(nèi)部和出水口。劉燕芳等研究了多種灌水器在來自不同硬度下的水源進行滴灌堵塞試驗，研究表明，水質(zhì)越硬，因碳酸鈣沉淀而造成的滴頭化學(xué)因素堵塞問題越嚴重[31]。郝鋒珍等通過實驗，探究多種化學(xué)離子對基于不同水源下的滴灌灌水器堵塞所產(chǎn)生的作用，發(fā)現(xiàn)地下水中在加入二價鐵離子和二價鈣離子后,灌水器以化學(xué)堵塞為主；而再生水加入二價鈣離子，加劇了灌水器化學(xué)堵塞的可能[32]。

2.1.3 生物因素

主要是由藻類、細菌及微生物等進入滴灌系統(tǒng)后，粘附于灌水器內(nèi)，發(fā)生內(nèi)部阻塞[33]。閆大壯等[34]通過對再生水滴灌條件下灌水器的堵塞特性實驗研究，發(fā)生在灌水器內(nèi)的堵塞主要是由微生物聚集而形成的絮狀沉淀物造成的。周博探究微生物是否顯著影響滴灌堵塞過程，以8 種不同類型的滴灌器進行現(xiàn)場滴灌試驗，得出滴灌器的堵塞程度與微生物的數(shù)量成正相關(guān)[35]。

2.2 灌水器的水力性能研究

灌水器內(nèi)的流道水力性能一直是灌水器研究的關(guān)鍵問題，其研究為抗堵塞性能研究的深入提供幫助，也同時是灌水器流道設(shè)計中的重要依據(jù)。目前灌水器水力性能的研究主要采用理論分析，實驗探究、數(shù)值模擬等方式實現(xiàn)。

2.2.1 理論分析

為使灌水器能在多種工作條件下具有良好的水利特性，科研人員借助流體力學(xué)、工程水力學(xué)等理論方法對流道中的消能機理進行探討，為灌水器水力特性研究提供新的思路和角度。GILAAD 等[36]在1974 年提出流道的形式、尺寸、材料等因素共同決定著滴頭的水力性能，并指出流道結(jié)構(gòu)的影響效果較大。KARMELI D[37]對長流道灌水器在不同雷諾數(shù)Re 條件下的流態(tài)研究，得到流道中的三種流態(tài)及其分類條件，并利用達西公式建立相關(guān)的流量與壓力相關(guān)模型。ADIN A 等[38]研究得出，灌水器的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，可以改善迷宮結(jié)構(gòu)流道灌水器的堵塞情況。借助水力學(xué)理論，劉潔等[39]對三種不同灌水器流道進行壓力－流量試驗，并對其流道內(nèi)的局部水頭損失進行了近似計算，研究表明流道的局部阻力系數(shù)與流道單元數(shù)成正比例關(guān)系，為研發(fā)新型灌水器提供了理論依據(jù)。

2.2.2 試驗探究

灌水器的水力性能實驗作為其研發(fā)的方法，既能對理論分析得到的計算結(jié)果進行驗證和評價，也為數(shù)值模擬提供現(xiàn)實依據(jù)。OZEKICI B 等[40]對齒形迷宮流道的水力特性進行了研究，并在研究中闡述主要的水頭損失均出現(xiàn)在灌水器內(nèi)的齒形結(jié)構(gòu)處。雷顯龍[41]將分形理論引入到迷宮型灌水器流道設(shè)計，并通過水力試驗測試得出其流態(tài)指數(shù)小于常規(guī)滴頭，具有更好的消能效果。魏正英等[42]在梯形迷宮流道滴灌滴頭的結(jié)構(gòu)及水力特性實驗后，提出了流量及其結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系公式，給迷宮型灌水器參數(shù)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造提供新的理論依據(jù)。張俊等[43]通過采用正交試驗設(shè)計方法，對三角形迷宮流道灌水器水力性能的試驗，指出流道轉(zhuǎn)角對流態(tài)指數(shù)的改變最明顯。這些研究結(jié)論對灌水器性能的提升具有重要的參考價值。

2.2.3 數(shù)值模擬

目前，眾多學(xué)者對灌水器流道內(nèi)水流進行數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部水力特性和消能特性，實現(xiàn)對灌水器流道水力性能和抗堵塞性能優(yōu)化，通常利用計算機流體力學(xué)（CFD）相關(guān)軟件的方法進行分析。魏青松等[44]利用ANSYS 軟件，對迷宮灌水器流道內(nèi)的流體進行數(shù)值建模，分析3 種不同形狀的流道壓力和流量之間的關(guān)系。實驗驗證得出：迷宮通道的模擬值與實驗室的實測值吻合度較高，證明CFD 在研究灌水器上的應(yīng)用潛力，對灌水器水力性能有更全面的了解。喻黎明等[45]采用Fluent 軟件進行數(shù)據(jù)模擬，分析了各種類型流道形狀灌水器其流道轉(zhuǎn)角變化對水力性能的影響，結(jié)果表明，灌水器流道轉(zhuǎn)角改變幅度越大，其流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)越小，為灌水器的開發(fā)提供了新的參考。張琴等[46]通過Fluent 軟件對滴灌灌水器流道內(nèi)流體流動進行了數(shù)值模擬，并通過仿真的結(jié)果調(diào)整了流道設(shè)計，結(jié)果表明,在選擇了圓弧形流道設(shè)計后，流道內(nèi)的渦旋區(qū)和速度滯止區(qū)均已去除，有效地改善了流道的抗堵塞能力。

3 存在的問題及展望

近年來，我國學(xué)者針對滴灌灌水器性能展開探索與研究，取得灌水器研發(fā)的諸多突出成果，但仍存在欠缺與不足。

1）灌水器之前往往是偏向研究一種堵塞因素對其堵塞規(guī)律的影響，但是在實際灌溉作業(yè)中是多重因素共同耦合作用造成的，造成研究結(jié)果會與實際有出入，從而無法從本質(zhì)上解決堵塞的問題。

2）灌水器的材料選擇是充分發(fā)揮好灌水器綜合性能的必要條件，目前灌水器的研究大多集中在其水力性能和抗堵塞性能的研究上，而在灌水器的材料上卻少有研究。特別是缺少針對不同材料的選型及成分對灌水器的水力特性、抗堵塞性能、抗老化性能和耐候性影響的相關(guān)研究，可能是灌水器材料在注塑完成后尺寸穩(wěn)定性容易受到影響，使得其在材料的選擇上要求較高；在實際應(yīng)用中，灌水器還會受外界氣候等因素影響出現(xiàn)開裂受損等現(xiàn)象。此外，西北農(nóng)林科技大學(xué)科研團隊嘗試利用陶瓷材料透水透氣性良好的特點，開發(fā)了微孔陶瓷灌水器。因此對灌水器的材料性能進行深入研究，或許是未來新型灌水器不斷突破的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

隨著高效農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，滴灌技術(shù)逐漸向智能化、節(jié)水化和標準化轉(zhuǎn)變，對滴灌配套設(shè)備的要求越來越高。灌水器的綜合性能好壞直接影響到整個滴灌系統(tǒng)工作是否可靠及灌水質(zhì)量的高低。因此，關(guān)注灌水器的水力特性和抗堵塞性能的同時，加大在灌水器材料選型上的研究，對灌水器綜合性能的提升將有更大的幫助。