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高灌水均匀度防堵塞内镶贴片式地下灌水器设计研制及试验研究

编辑:  更新于:2008年10月27日  阅读量:

文章编号:10074929(2007)02005404

 

高灌水均匀度防堵塞内镶贴片式

地下灌水器设计研制及试验研究

王 栋

(甘肃大禹节水股份有限公司,甘肃酒泉735000)

 

摘要:从制约地下滴灌技术发展的地下灌水器(滴头)灌水均匀度差、滴头容易堵塞等问题出发,立足于地下滴灌急需解决的理论和技术问题,以减小滴头堵塞率为目标,以满足灌水均匀度为前提,以确定滴头设计工作压力为突破口,以滴头优化设计为手段,从地下灌水器灌水均匀度设计指标、滴头设计工作压力取值和结构优化设计3个方面进行了深入细致的研究试验,最终达到完善地下滴灌灌水器设计理论、实现结构设计优化、提高地下滴灌适用性的目标。

关键词:地下滴灌;灌水器;流道

中图分类号:S277.9+5 文献标识码:A

 

 

0 引 言

地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation,简称SDI技术)是微灌技术的典型应用形式之一,它是指水通过地埋毛管上的灌水器缓慢出流,渗入附近土壤,再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到整个根层供作物吸收利用。由于灌水过程中对土壤结构扰动较小,有利于保持作物根层疏松通透的环境条件,并可减少土面蒸发损失,故地下滴灌技术具有明显的节水增产效益。此外,田间输水系统地埋后便于农田耕作和作物栽培管

理,且地埋后管材抗老化性能增强,不易丢失或人为损坏。1920年,美国加利福尼亚州的Charle申请了一个多孔灌溉瓦罐的技术专利,被认为是世界上最早的SDI技术。这种地下滴灌系统运行于低水头下,对水质和过滤设备要求较低,应用中面临的主要问题是供水均匀性差,滴孔易堵塞。进入20世纪70年代后,伴随着科技进步与发展,地面滴灌设备无论是在滴头类型还是毛管性能方面均得到较大改善,但对地下滴灌系统,灌水均匀性差、出水孔易堵塞等问题依旧存在,地下滴灌技术的发展速度远远落后于地面滴灌技术。从20世纪80年代至今,有关地下滴灌技术及其应用的研究主要集中在改进灌水器质量、优化系统设计参数、研制过滤器和施肥装置等方面。与此相关的大量研究成果陆续涌现,意味着地下滴灌技术开始步入成熟阶段。我国自1974年从墨西哥引入滴灌设备至今,地下滴灌技术应用和设备开发已取得长足的进展。2002年,耐特菲姆公司首次在新疆兵团进行了333.3 hm2试验示范,至今示范推广的面积已近0.47hm2,这对推动我国节水灌溉的发展有着十分重要的意义。

目前,国内外使用的地下滴灌设备均来自地面滴灌系统,滴头常采用内镶式或带有补偿性能的滴头直接地埋后用于灌溉。但世界各地通过大规模的田间试验发现地下滴灌存在诸多问题,如灌水均匀性差,滴头容易堵塞,作物根系有可能穿破毛管,系统维护困难等问题依然存在,也因此导致了地下滴灌技术的发展速度远远落后于地面灌溉。由于停止供水时常在地下滴灌系统的管网中产生负压,造成毛管出水孔周围的土壤细颗粒被吸入滴头,引起滴头堵塞。这已成为地下滴灌系统发展和推广应用中的一个瓶颈问题。为解决滴头负压堵塞问题,国外最先采用的方法是在系统主干管的最高点处安装真空破坏装置,借此消除管网内负压带来的不利影响。这种技术可以消除管网内的负压,减少负压现象的堵塞,但不能防止固体微小颗粒的进入和植物根部的进入,滴头还是会发生堵塞现象,这种技术在推广应用中的抗堵塞性能不太明显。此后,在我国国内又有人发明了通过对内镶式滴头采用外包无纺布处理地埋,在供水停止后,由于无纺布的微孔具有良好的透气透水功能及过滤功能,防止了固体微小颗粒进入滴头,同时又可以防止由于植物根系的向水性堵塞滴头,从而具有很好的防负压抗堵塞功能,防负压堵塞及提高均匀度方面都取得一定效果。但是外包滤料的成形工艺复杂和成本较高等问题,加大了系统投资成本。这种设计结构又不能很好的解决管道灌水系统内部固体颗粒物的沉积堵塞,因此这种结构的设计在推广应用中受到一定的局限。

本文从制约地下滴灌发展的灌水均匀性差,滴头容易堵塞等主要问题出发,立足于地下滴灌急需解决的理论和技术问题,以提高地下灌水器(滴头)堵塞率满足灌水均匀度为前提目标,以确定滴灌设计工作压力为突破口,以地下灌水器流道优化设计为手段,从地下灌水器灌水均匀度设计指标、设计工作压力取值和结构优化设计3个方面进行了深入细致的研究试验,试图通过试验研究,进一步完善地下滴灌灌水器设计理论,实现结构设计优化,研制出一种既可防止负压堵塞、又具有较佳压力补偿性能、滴水均匀的内镶贴片式地下灌水器,以推动地下滴灌技术及其产业的快速发展。

 

1 影响地下灌水器抗堵塞率、灌水均匀度的因素分析

 

11 土壤及其作物根系对地下灌水器抗堵塞性能和灌水均匀度的影响

 

地下滴灌系统埋设于地下,不能直接观测每个灌水器的出流状况,因此对系统运行的评价和均匀度测定要求很高,地下滴灌的均匀性灌溉不仅受每个灌水器的工作压力均匀性、温度差异和滴头制造偏差的影响,而且由于灌水器出口直接与土壤接触,受土壤(质地、密实度、导水性能)的影响较大。

(1)地下灌水器埋设于地下,出水口被土壤包围,当灌溉管道停水后,毛管中产生的负压能够将土壤中自由微小颗粒吸入灌水器的微孔,发生负压吸泥现象而堵塞滴头。

(2)由于地下灌水器埋设于作物的根部,植物根的向水性生长,会使作物的毛根进入地下灌水器的滴水孔,造成堵塞。

 

12 灌水器流道对地下灌水器抗堵塞性能和灌水均匀度的影响

 

由于传统的紊流流道多设计为“锯齿形”或“梯形”结构,直线与直线的交点便构成了一个死角,当水流经过紊流流道后,水速减慢,水中还未滤净的固体小颗粒、细小毛状物(水中的线状纤维)及化学微粒(铁、锰离子)极易附着在流道壁及死角处,形成栓柱核,这些微小颗粒互相结合,发育成栓柱状的泥团,最后导致堵塞流道,使滴头失去紊流功能,导致堵塞。地下滴灌的灌水器易堵塞也是造成灌水不均匀的一个重要因素。

 

2 设计架构

 

21 设计依据

 

(1)地下灌水器的基本工作原理。水在土壤中多以液态形式密集流动或以气态形式进行扩散。控制土壤水运动的作用力主要是土壤的毛细管作用力,该作用力在各个方向上都相等。当土壤湿润后,毛细管作用力减小;在土壤干燥时,毛细管作用力远大于重力,所以水就在各个方向上均匀流动,包括向上流动。当土壤越来越湿润时,土壤的孔隙饱和,毛管力变弱,重力就超过了毛细管作用力,从而使水分向下流动。所以地下

灌水器工作的基本原理就是利用毛细管作用力来控制水分的运动,从而在作物根系区周围形成一个很小范围的水分空间,根据土壤的湿润程度形成作物根区所需的水分和养分。

(2)根据达西——魏斯巴赫沿程水头损失公式。流体的二次流动以及轴向速度沿周向速度不均匀而导致流体机械能损失,流量指数下降,其局部水头损失是该滴头能量损失的主要形式。可以认为局部水头损失是由较强的雷诺切应力、离心力、流体内外摩擦损失和收缩水流反弹损失等多种因素造成。收缩水流损失仍然是由涡流(二次流)和流速分布改组引起的。通过水头流量的沿程损失,滴头流量实现相对稳定,形成均匀

的水滴。

(3)通过地下滴灌灌水器在不同工作压力和对应的流量分析,并与地表滴灌比较,得出地下滴灌条件下,灌水器的流量计算,可采用以下修正关系式:

 

qs=q/ksoil

 

式中:qs为地下滴灌灌水器的流量,L/hq为灌水器自由出流时的流量,L/hk 为地下滴灌灌水器的流量修正系数。地下滴灌灌水器的流量修正系数k 主要与土壤因素有关,试验土壤的流量修正系数为2.O4.0,对于微管灌水器,其流量修正系数为3.753.85

 

22 流道结构设计及原理

 

(1)增加滴头进水区过滤孔的数量和增大过滤孔的目数,在减少微小颗粒物、细小毛状物进入灌水器,提高滴头内部的抗堵塞性能的基础上,制定滴水元件出水量与舌片大小的优化组合,在地下滴灌管及灌水器上设计“舌台与舌片相结合抗堵塞”结构,提高滴头外部的抗堵塞性能。①滴头进水口处的压力为零或产生负压时,流道能灵敏地自动关闭,舌片能及时自动贴附于舌台上,流道关闭,处于非工作状态,防止吸入土壤微小颗粒物,植物根系无法侵入;② 滴头进水口处的压力大于某个固定值时,舌片自动弹开,流道自动打开,水流顺利通过;③滴头进水口处的压力处于变化时,流线型紊流流道能自动调节流量,保持滴水的均匀性。

(2)依据达西——魏斯巴赫沿程水头损失理论和地下灌水器的工作原理,根据分级消能的紊流流道工作原理,开发与设计流线型紊流流道,修正生产制造内镶贴片地下灌水器流线型紊流流道模具参数。通过在地下灌水器内部设计有流线型紊流流道的紊流消能作用,使水头流量沿程损失,能量减少,流速平缓,实现滴头流量相对稳定,形成均匀的水滴,以提高地下灌水器的滴水均匀度。并采用流线形流齿,消除滴头内紊流流道的水流死角,减少栓柱核的成形机率,以提高滴头内部的抗堵塞性能。

(3)调整滴头生产工艺配方中的材料组合。通过在滴头材料普通聚乙烯中,选取加入适量的硬脂酸,起到润滑和易于脱膜的作用,提高滴头流道及流道内壁的光洁度、光滑性,减少微粒及毛状物在滴头内附着的机率,消除由于滴头与模具在脱模过程中互相黏结而造成的滴头不光滑,提高滴头内部的抗堵塞性能。配套滴灌管由高密度线性聚乙烯、低密度线性聚乙烯和聚氯乙烯按一定的配方构成。

 

3 产品的研制

 

参照《中华人民共和国农业灌溉设备滴灌管技术规范和试验方法》(GBT171881997)和《微灌工程技术规范》的有关指标设计并制造。专用滴头采用高温下模具一次性注塑成型。模具生产的主要技术指标和参数达到:表面粗糙度Ra08,滴头制造偏差小于1 ,滴头流量偏差系数小于4G,流线型紊流流道的结点处倒角R大于0.2 mm,加工精度达0.01mm,模具材料采用优质模具钢NAK80。滴灌管上舌片的开设通过专用刀具的切人力度,完成舌片定点打孔的工艺要求,保证舌片的大小尺寸和形状,在生产线上一次完成。

 

4 试验概况

 

4.1 水力学性能实验

 

(1)流量关系检测。随机抽取25个供试样品,完成滴头流量的均匀性测试。测定中,首先调节滴头人口处的水压至150kPa,然后每保压3min卸压1min,如此反复3次;随后再调节滴头人口的压力至50kPa,保压3min后卸压1min,反复3次;最后调节水压至100kPa,保压60min,分别测量25个滴头在2min内的出水量。重复以上测定过程,使两次测得的水量之差不大于2%,取其平均值计算各试样的流量,使滴头的平均流量q=3.93L/h,流量偏差系数Cv=4.4%,流量均匀度符合国标规定[34],其中在100 kPa压力下测定的滴头出流情况参见图1

(2)抗负压防堵塞性能测试。滴头抗负压堵塞性能利用如图3(a)所示的负压吸引器,完成对滴头抗负压堵塞性能的室内测试工作。该设备可对供试滴头施加0-80 kPa范围内的任何负压。实测中随机抽取25个滴头的样品,并逐一与负压吸引器的测试口连接,通过真空泵分级产生-20-40-60-80 kPa的测试压力,相应完成不同压力下的滴头抗负压测定工作。当达到每个测试负压值后,进行保压试验,每隔5min观测一次真空表读数的变化情况,持续时间40min。测试结果表明,所有滴头试样在规定的测试时间范围内,真空表的读数均保持在稳定状态,如图3(b)。开发的内镶贴片地下灌水器的独特结构舌片及舌台结构,保证了其在负压条件下工作时,没有空气能够从滴头的出水孔处进人流道,这就意味着滴头四周的土壤细颗粒无法被吸人流道,滴头具备了良好的防负压堵塞性能。

(3)滴头实际流出量。在试验田中,分别设计单行毛管直线布置和单行毛管环形布置2种情况。田问灌水均匀度通过对植物生长期内的3次灌水过程后的土壤含水率进行监测,在两种毛管滴头布置形式下分别观测灌后12 h24 h后的土壤含水率分布情况。在以植株为中心的1 m半径范围内,按均匀分布的采样原则随机布设测点2O个,获得的土壤含水率值用来计算该范围内的灌水均匀度。对每种毛管滴头布设形式而言,各次灌水时,沿随机选择的某单支毛管上前后均匀地确定出6个出水点,分别计算每个点范围内的灌水均匀度,并根据这6个数据的均值给出该毛管的灌水均匀度,用来评价每种埋设形式下的田间灌水均匀度。表1说明整个地下滴灌系统的工作性能是稳定的,具备较高的系统灌水均匀性。表2给出根据实测的田间土壤含水率计算的地下滴灌系统的灌水均匀度。对任一毛管滴头的埋设类型来说,都能获得较为满意的灌水均匀性,且随着灌后时间的延续,灌水均匀度仍能继续得到改善。

 

1 田间实测的地下滴灌系统的灌水均匀度

 

灌水时间/

(月-日)

单行直线毛管布置

单行环状毛管布置

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

 

室内测试地下滴灌专用滴头的流量时,在一定工作压力范围内滴头的出流量是个定值。而当滴头埋人地下时,受管壁周围土壤压力作用和土壤导水性能的制约,滴头出流量有可能发生变化。在葡萄生长期内的3次灌水过程中,对每种毛管滴头的埋设形式,分别单独选择一根固定的毛管测定滴头流量,观察滴头出流量的变化范围及趋势。每次测定过程中,记录灌水历时和水表读数,然后采用下式计算滴头的平均流量:

 

q=Vnt                            (1)

 

式中:V为由水表计量的测试毛管的供水量,Lt为相应的供水

时间,hn为测试毛管上的滴头数量(f线毛管和环状毛管上的

滴头数目分别为15个和63)

2给出的田间实测结果说明,每种毛管滴头埋设形式下测定的滴头平均流量,在3次实测过程中都比较接近,且各自q值间的差距也较小。由于滴头平均流量(3.81 L/h)与室内测定的出流量(3.93 L/h)之间仅存在着很小的差异,因而滴头地埋后并没有对其出水量有明显影响。考虑到示范园区的砂石土壤具有较强的透水性,入渗能力大于滴头出水量,故在此类土壤条件下,滴头流量的大小与其工作形式无关。

 

2 田间实地测定的滴头平均流量

 

灌水时间/(月-日)

单行直线毛管布置

单行环状毛管布置

灌水量/L

历时/h

q/(L.h-1)

灌水量/L

历时/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 性能检测及指标

 

(1)公称直径:滴灌管的外径为1620mm,壁厚为:0.4mm。滴灌管理论上设计使用寿命可以达到812年。

(2)额定压力:滴水元件入口处的基准压力:最小工作压力Pmin=100kPa,最大工作压力Pmax=130 kPa,平地铺设距离可达100 m

(3)额定流量:在额定试验压力和水温条件下,水的流量保持在1.24.0 L/h,达到国标A类产品的标准。

(4)高温下耐拨拉实验:在温度为5O±2状况下,滴灌管能承受180N的试验压力,没有出现扯碎和拉裂,并且试验后试样的流量相对于试验前测定的流量变化量在3.5 以内。

(5)滴水元件的流量和入口压力的关系:4个滴水元件在增压过程中,每个滴水元件压力值对应的平均流量偏差没有超过4.5%

(6)滴水元件间距的范围:满足0.2O.5 m,滴水元件的间距值偏差不大于5%

(7)滴水元件紊流流道的参数:流线型紊流流道的长度偏差小于25±2 mm,截口面积偏差小于3%,流线型紊流流道实际尺寸与设计参数的偏差小于5%,完全达到生产制造工艺的要求。

 

4.3 应用性能试验

 

经在甘肃、新疆地区6.67hm2的试验推广应用(果树、蔬菜和大田作物的比例分别占总数的78.3%4.3% 17.4%,大田作物是棉花和冬小麦),大面积调查表明:产品具有良好的滴水均匀性,滴水元件基本没有发生堵塞,与传统滴灌系统相比,地下滴灌条件下的作物产量高于其他灌水方法下的相应

值,而灌溉用水量则显著小于后者,农作物产量提高了2O%3O%,省肥3O%4O%,节水65%。产品具有较高的经济可行性:以棉花地下滴灌系统计算,每公顷投资约0.991.175万元,投入强度低于采用固定式喷灌的投入,虽高于地面灌溉的投资,但其节水、扩灌、增产效果非常明显。同时,地下滴灌技

术不仅节水增产效果明显,还可减少每年铺设和回收等人工费用,具有节省劳力、能源等诸多优点,此外还能有效地抑制杂草生长。对应用地下滴灌的地块在不使用除草剂条件下,田内杂草生长程度明显低于使用沟灌和喷灌方法并施用除草剂的地块,对减少杂草生长,减少瓜果腐烂,提高作物品质表现出良好的作用。

 

5 结 语

 

目前,该技术已形成现实生产力,技术成果经甘肃省科技

厅鉴定,其综合技术及性能指标均居国内领先,填补国内空白,

获得了国家专利,基本达到国外同类型产品的技术水平,具有

生产线速高、成本低的显著特点,可替代同类进口产品。本技

术产品的研制开发,对推动国内地下滴灌技术的创新性革命,

实现地下灌水器生产的国产化,对全面发展节水灌溉有着重要

的意义。

 

参考文献:

[1] 郑耀泉,陈渠昌.微灌均匀度参数之间的关系及其应用[J].灌溉

排水,2004(5)

[2] 张国祥,申亮.微灌毛管进口设流调器时水力设计应注意的问

[J].节水灌溉,2006(3)

[3] 蔡小超,刘焕芳,李强,等.微灌自压软管毛管灌水均匀度的试

验研究[J].节水灌溉,2005(6)

[41 杜茂林,张国祥.山丘区的高产值滴灌农业[J].水利水电技术,

1992(3)


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