孫永勝,張新燕

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,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,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)展的關鍵所在。微灌技術作為目前用水效率較高的一種新型節(jié)水灌溉技術,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,適應性強等優(yōu)點,在果樹、蔬菜、花卉、苗圃灌溉中廣泛應用[1],得到了快速發(fā)展,尤其是滴灌技術發(fā)展更為迅速。眾多學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、設計提供一定的理論支撐,并將會對滴灌技術的進一步發(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。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];對滴灌技術的研究應用,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應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的發(fā)展。我國自1974年從墨西哥引進滴灌技術,20世紀90年代初又從以色列引進滴灌關鍵工藝設備和技術,使我國滴灌技術整體發(fā)展水平上升至新的高度。近20年來滴灌技術在全世界范圍內(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)的關鍵設備—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)最關鍵的部件之一,被稱為滴灌系統(tǒng)的心臟,滴頭結構及其水力性能的優(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(CFD)技術模擬和模型放大進行實驗觀測相結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)的科學規(guī)劃、設計、減少投資等都起著至關重要的作用。在管道水力特性研究方面,Bralts等[38]采用虛擬節(jié)點有限元法推導了描述微灌系統(tǒng)水力學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)化設計;王新坤[51]根據(jù)毛管水力學特性,采用二分法搜索原理,并與逆序遞推法結合,提出了微灌毛管水力解析與設計方法,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)學模型確定毛管水頭損失,以上這些計算結果比較符合實際,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)的水力解析與設計,但應用有一定局限性;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系密切,而且系統(tǒng)運行費用與壓力呈正比關系[8],因此,降低系統(tǒng)壓力對減少系統(tǒng)投資關系重大。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)設計和水力分析,并將有關參數(shù)制作成表方便選用;劉煥芳等[75]根據(jù)水力學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,但與實測結果相比誤差較大;朱德蘭等[18]提出一種新的微灌滴頭設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在低壓下(5 m以下)的設計、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)品也應是今后一段時期的一項重要任務。

(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 語

在能源與資源不斷緊缺的情況下,運用現(xiàn)代高新科學技術,發(fā)展一系列更高效節(jié)能節(jié)水的灌溉技術,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)水灌溉技術發(fā)展的一種趨勢,開發(fā)一系列適應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)展低壓滴灌技術以及研究對相關產(chǎn)品的回收技術,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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