李云開(kāi)，周 博，2，楊培嶺

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院，威斯康辛 WI53706，美國(guó)）

1 研究背景

灌水器是滴灌系統(tǒng)的心臟，其主要作用是通過(guò)內(nèi)部復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)對(duì)有壓水流進(jìn)行消能，保證水源通過(guò)后可以均勻、穩(wěn)定地供給作物。但因其消能流道尺寸狹?。▋H0.5～1.2 mm），極易被滴灌水源中的固體顆粒物、微生物、化學(xué)沉淀、有機(jī)質(zhì)、氮磷等雜質(zhì)附著，導(dǎo)致灌水器堵塞［1-2］，輕則影響灌水均勻性和滴灌系統(tǒng)使用壽命，重則直接導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)廢。例如，新疆建設(shè)兵團(tuán)地下滴灌技術(shù)應(yīng)用面積就因灌水器堵塞問(wèn)題被迫從2005年的12萬(wàn)畝銳減至2014年的1000畝。灌水器堵塞問(wèn)題已經(jīng)成為滴灌領(lǐng)域的國(guó)際難題［2-4］。

尤其目前水資源緊缺與水環(huán)境污染問(wèn)題并存，迫使滴灌水源多元化，不僅地下水以及江河、湖泊、坑塘等地表水，再生水、微咸水、黃河水等劣質(zhì)水也常常作為滴灌水源［2-5］，這些水源水質(zhì)復(fù)雜，其中的固體顆粒物、鹽分離子、藻類(lèi)、有機(jī)質(zhì)以及微生物等物質(zhì)會(huì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)、生物動(dòng)力學(xué)過(guò)程，使得滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)更大、堵塞機(jī)理更復(fù)雜。與此同時(shí)，滴灌系統(tǒng)從單一灌溉需求逐步向灌溉、施肥、補(bǔ)氣、加藥等多功能轉(zhuǎn)變，水肥氣藥多物質(zhì)共存體系易于進(jìn)一步發(fā)生耦合作用，這顯著增加了灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)［6-7］。雖然在新疆地區(qū)大面積成功推廣的大田作物一次性薄壁滴灌帶產(chǎn)品在單生育期緩解了滴灌系統(tǒng)短期應(yīng)用條件下的灌水器堵塞問(wèn)題、且大大降低了生產(chǎn)成本，但同時(shí)存在滴灌帶質(zhì)量一般、灌水均勻性較差、回收成本較高、環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列問(wèn)題，更是無(wú)法滿(mǎn)足滴灌技術(shù)在高附加值的多年生經(jīng)濟(jì)作物上應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題。此外，地下滴灌系統(tǒng)除了上述問(wèn)題，負(fù)壓吸泥作用和根系入侵效應(yīng)更是加劇了灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。其中，負(fù)壓吸泥是一種“過(guò)程性”堵塞，土壤顆粒因?yàn)橄到y(tǒng)關(guān)閉時(shí)的負(fù)壓作用吸入灌水器，聚集在灌水器出口甚至進(jìn)入流道內(nèi)部，導(dǎo)致灌水器出流減?。欢等肭质且环N相對(duì)更不穩(wěn)定的“觸發(fā)式”堵塞，一旦根系從出口進(jìn)入灌水器，灌水器流量往往迅速下降［8］。

基于此，本文通過(guò)梳理滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生特征、誘發(fā)機(jī)理與控制方法領(lǐng)域的研究成果，挖掘該研究領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問(wèn)題，提出了急需進(jìn)一步研究的問(wèn)題和方向，旨在為解決灌水器堵塞問(wèn)題，保障滴灌系統(tǒng)長(zhǎng)期、高效運(yùn)行，進(jìn)而推動(dòng)滴灌技術(shù)規(guī)模化發(fā)展提供支撐。

2 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生特征

2.1 灌水器堵塞發(fā)生類(lèi)型滴灌水源水質(zhì)特征是導(dǎo)致灌水器堵塞最主要、最直接的原因，根據(jù)水質(zhì)誘發(fā)因素可將灌水器堵塞分為物理、化學(xué)和生物堵塞3種類(lèi)型［9］。物理堵塞主要由過(guò)濾后進(jìn)入滴灌系統(tǒng)的水源中的小粒徑有機(jī)懸浮物和固體顆粒物引起的，主要受顆粒物粒徑和濃度影響，一般來(lái)說(shuō)粒徑越大、濃度越高，物理堵塞越嚴(yán)重［10-11］；化學(xué)堵塞通常是由水源中可溶解的化學(xué)物質(zhì)在一定條件下形成的不溶性沉淀導(dǎo)致的，一般來(lái)說(shuō)，水質(zhì)越硬、離子含量越高越容易誘發(fā)化學(xué)堵塞［3，12］；生物堵塞相對(duì)比較復(fù)雜，既包括水源中的細(xì)菌等微生物、藻類(lèi)、動(dòng)植物及其產(chǎn)出物（蟲(chóng)卵、代謝物）等生物質(zhì)進(jìn)入滴灌系統(tǒng)后附著在灌水器流道而導(dǎo)致的堵塞，廣義上也包括地下滴灌系統(tǒng)中植物根系入侵灌水器引起的堵塞［13-14］，一般來(lái)說(shuō)，水源中微生物數(shù)量越多、群落組成越復(fù)雜，越容易發(fā)生生物堵塞［14-15］。綜合來(lái)看，適宜滴灌系統(tǒng)的水源關(guān)鍵水質(zhì)要素及控制閾值見(jiàn)表1。

表1 適宜滴灌系統(tǒng)的水源關(guān)鍵水質(zhì)要素控制閾值

根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織顧問(wèn)統(tǒng)計(jì)，灌水器堵塞過(guò)程中物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞發(fā)生概率分別為31%、22%和37%，其它類(lèi)型占10%。Gilbert等［18］的研究結(jié)果則表明55%的灌水器堵塞是由物理因素引起的，而物理和生物因素共同作用導(dǎo)致的灌水器堵塞占87%。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，水質(zhì)特征更加復(fù)雜，灌水器堵塞往往表現(xiàn)為物理、化學(xué)、生物要素中兩者或三者協(xié)同作用、耦合互促導(dǎo)致的復(fù)合型堵塞［4］。

2.2 灌水器性能測(cè)試與評(píng)價(jià)方法常用的灌水器性能測(cè)試方法分為間接測(cè)試和直接測(cè)試，且以間接測(cè)試為主。間接測(cè)試主要通過(guò)室內(nèi)短周期和長(zhǎng)周期測(cè)試進(jìn)行，雖然試驗(yàn)條件相對(duì)精細(xì)、可控，但試驗(yàn)周期較短、測(cè)試次數(shù)較少，說(shuō)服力相對(duì)有限［19-20］；直接測(cè)試即通過(guò)在田間鋪設(shè)滴灌管直接進(jìn)行測(cè)試，雖然能夠高度還原工況，使得試驗(yàn)結(jié)果更貼近田間真實(shí)情況，但無(wú)法保證水質(zhì)特征恒定，且成本相對(duì)較高［2-4］。另一方面，灌水器實(shí)時(shí)出流受到水溫、工作壓力、灌水頻率、地形高差以及相鄰灌水器堵塞狀況等多因素的共同影響，在室外條件下影響效果更加顯著，因此需要對(duì)灌水器即時(shí)流量進(jìn)行校正，這也是之前大多數(shù)研究中并未考慮的問(wèn)題。實(shí)際上，根據(jù)不同水源滴灌條件下的測(cè)試結(jié)果，校正前后的灌水器流量相差3%～8%［2，4］，必須予以重視。校正后的流量用于計(jì)算灌水器堵塞評(píng)估參數(shù)，才可以準(zhǔn)確評(píng)估灌水器堵塞程度。

美國(guó)農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會(huì)（ASAE）2003年發(fā)布的“微灌系統(tǒng)田間評(píng)價(jià)方法”仍是目前最權(quán)威的滴灌系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［21］，其中總結(jié)了常用的評(píng)估參數(shù)，包括評(píng)價(jià)灌水器生產(chǎn)質(zhì)量的制造偏差（manufacturing variation coefficient，Cv），評(píng)價(jià)單個(gè)灌水器堵塞的相對(duì)流量（relative outflow，Qr）和多個(gè)灌水器整體堵塞程度的平均相對(duì)流量（discharge ratio variation，Dra）和差異程度的流量偏差（qvar），評(píng)價(jià)灌水均勻性的克里斯琴森均勻系數(shù)（Christiansen coefficient of uniformity，CU）、設(shè)計(jì)均勻度（design emission unifor?mity，EU）和統(tǒng)計(jì)均勻度（statistical uniformity coefficient，Us）以及灌水器堵塞程度分布特征等。然而，目前大部分相關(guān)研究成果中只考慮了其中一部分，從灌水器堵塞發(fā)生特征的某方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，馮吉［4］從灌水器個(gè)體和滴灌管（帶）多個(gè)灌水器兩個(gè)層面，初步建立了全面描述灌水器堵塞特征的方法。其中，灌水器個(gè)體主要通過(guò)Qr、隨機(jī)性指數(shù)和可恢復(fù)性指數(shù)來(lái)表現(xiàn)單個(gè)灌水器在某段時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)出流的波動(dòng)征及存在的隨機(jī)性，但同時(shí)具有一定的可恢復(fù)能力；而整條滴灌管（帶）所有灌水器堵塞發(fā)生的整體性和隨機(jī)性則分別通過(guò)Dra和CU進(jìn)行表征，這兩個(gè)參數(shù)均表現(xiàn)出持續(xù)變化的特征（圖1）。

2.3 灌水器堵塞特征與預(yù)報(bào)方法摸清滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生特征是揭示灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理進(jìn)而建立堵塞控制方法的前提和基礎(chǔ)。已有學(xué)者從物理、化學(xué)、生物水質(zhì)要素成因角度對(duì)灌水器堵塞特性開(kāi)展研究工作，整體來(lái)看，不同誘因的灌水器堵塞均表現(xiàn)出相似的發(fā)生特性［2-4，22］：?jiǎn)蝹€(gè)灌水器流量變化的波動(dòng)性和隨機(jī)性顯著，且不同堵塞程度下表現(xiàn)出的可恢復(fù)性持續(xù)降低，但是由于堵塞物質(zhì)與壁面的黏附作用不斷加強(qiáng)，使得灌水器的堵塞處于不斷加深狀態(tài)，單個(gè)灌水器堵塞發(fā)生的波動(dòng)性、隨機(jī)性和可恢復(fù)性并不會(huì)改變滴灌系統(tǒng)所有灌水器整體堵塞持續(xù)加重的特性（圖1）。整體來(lái)看，灌水器整體堵塞特征表現(xiàn)出隨系統(tǒng)累積運(yùn)行先平緩波動(dòng)-后線(xiàn)性下降的趨勢(shì)。

為了評(píng)估灌水器堵塞發(fā)生特性，現(xiàn)有研究結(jié)果大多通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析獲取經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)灌水器流量［23-24］，或者通過(guò)基于威布爾分布和蒙特卡洛法的統(tǒng)計(jì)模型預(yù)估灌水器堵塞控制起始時(shí)間［25］。對(duì)于灌水器自身抗堵塞能力而言，可以使用灌水器抗堵塞性能評(píng)估指數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)灌水器額定流量以及流道長(zhǎng)、寬和深進(jìn)行估算，作為快速評(píng)價(jià)灌水器自身抗堵塞能力及篩選適宜灌水器產(chǎn)品的有效參考［26］。但是，目前相關(guān)的研究結(jié)果都是基于室內(nèi)條件下的研究和測(cè)試，并沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際滴灌工程后反饋評(píng)估效果準(zhǔn)確性的相關(guān)報(bào)道，需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證和探討。

圖1 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞動(dòng)態(tài)發(fā)生特征

3 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理

3.1 堵塞物質(zhì)測(cè)試與分析方法滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞與其內(nèi)部堵塞物質(zhì)的形成和生長(zhǎng)密切相關(guān)［14］，因此，摸清堵塞物質(zhì)來(lái)源與其特征組分是揭示灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理，進(jìn)而解決灌水器堵塞問(wèn)題的前提。從40年前開(kāi)始，相關(guān)學(xué)者陸續(xù)探索了地下水、河湖水、水庫(kù)水、雨水、再生水、高含沙水、微咸水等多水源滴灌條件下不同類(lèi)型灌水器堵塞物質(zhì)中各特征組分相對(duì)含量［3-4，10，14］，結(jié)果表明灌水器堵塞物質(zhì)為一種多物質(zhì)共存體系，是由微生物群體（細(xì)菌、原生動(dòng)物、真菌等）及其分泌的胞外多聚物以及固體顆粒物等多物質(zhì)構(gòu)成的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能整體［27］。但是由于測(cè)試技術(shù)的限制，上述研究結(jié)果多為定性研究，定量結(jié)果十分匱乏。

表2 不同堵塞類(lèi)型堵塞物質(zhì)各組分含量對(duì)比（%）

隨著現(xiàn)代精細(xì)測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)逐步探索出堵塞物質(zhì)表面形貌特征［28］、三維分布特征［29］及特征組分的測(cè)試方法［14］，建立了灌水器堵塞物質(zhì)堵塞測(cè)試體系。灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)特征組分主要包括物理態(tài)（泥沙顆粒，solid particle，SP）、化學(xué)態(tài)（鈣鎂沉淀，Ca-Mg precipitation，C-MP）以及生物態(tài)（磷脂脂肪酸，phospholipid fatty acids，PLFAs；胞外聚合物，extracellular polymeric substanc?es，EPS），但已有研究結(jié)果大多集中于其中一部分，全面測(cè)試各特征組分的研究報(bào)道非常罕見(jiàn)。綜合現(xiàn)有研究結(jié)果來(lái)看，發(fā)生復(fù)合堵塞的灌水器中各特征組分分別占堵塞物質(zhì)總重的44%～71%，28%～55%，0.08%～0.12%，0.44%～0.84%（表2）；以物理堵塞和化學(xué)堵塞為主的灌水器堵塞物質(zhì)分別主要為SP和C-MP，其含量分別占87.5%和88.1%以上；而以生物堵塞為主的灌水器堵塞物質(zhì)中的PLFAs和EPS所占比重相對(duì)較高，分別為0.73%～0.78%和1.24%～1.32%，但仍然以SP所占質(zhì)量比最高，達(dá)到97.9%～98.0%。

3.2 灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理影響滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞物質(zhì)的因素眾多，其形成和生長(zhǎng)過(guò)程是灌溉水質(zhì)等環(huán)境因素［5，9］，灌水器類(lèi)型、流道幾何參數(shù)等結(jié)構(gòu)特征［2，20］，毛管內(nèi)流速、流道近壁面水力剪切力等水力學(xué)特征［31］以及工作壓力、滴灌頻率等系統(tǒng)運(yùn)行模式［31-32］等多種因素共同影響下的綜合表現(xiàn)?；诙氯镔|(zhì)特征組分對(duì)上述影響因素的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，目前已經(jīng)建立了堵塞物質(zhì)特征組分生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，定量描述了堵塞物質(zhì)“生長(zhǎng)適應(yīng)期-快速增長(zhǎng)期-動(dòng)態(tài)穩(wěn)定期”三段式生長(zhǎng)過(guò)程［4，33-34］：在系統(tǒng)運(yùn)行前期，由于水源中的固體顆粒物、微生物、有機(jī)質(zhì)等多種物質(zhì)處于初始吸附階段，堵塞物質(zhì)中微生物及其分泌的胞外聚合物含量整體較少、吸附能力較弱，集中在流速較低的流動(dòng)滯止區(qū)生長(zhǎng)，該階段堵塞物質(zhì)組分增長(zhǎng)較慢。此后，隨著堵塞物質(zhì)中微生物基數(shù)增加，在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給充足的條件下，微生物數(shù)量和種類(lèi)迅速增多，由于堵塞物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)疏松多孔的特征，內(nèi)層的微生物群落也能獲得較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，新陳代謝活躍、分泌的黏性胞外聚合物也迅速增加。然而，當(dāng)堵塞物質(zhì)不斷生長(zhǎng)直至趨于環(huán)境最大容納量時(shí)，堵塞物質(zhì)在水力剪切力等外力作用下脫落后再生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程逐漸趨于平衡，堵塞物質(zhì)特征組分含量也趨于恒定。

目前來(lái)看，地下水、再生水、高含沙水、微咸水、河湖庫(kù)地表水等常見(jiàn)水源滴灌條件下，基本不存在單一堵塞類(lèi)型獨(dú)立存在的情況，不同水源、工況條件下灌水器堵塞特征的實(shí)質(zhì)差別在于哪種類(lèi)型的堵塞占據(jù)主導(dǎo)。這主要是因?yàn)楣嗨鲀?nèi)部堵塞物質(zhì)各組分間存在顯著的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，而灌水器堵塞參數(shù)與堵塞物質(zhì)特征組分含量間也存在顯著的正相關(guān)關(guān)系［14，33］。堵塞物質(zhì)各特征組分之間相互影響、耦合互促（圖2）：當(dāng)固體顆粒物攜帶微生物進(jìn)入灌水器流道并發(fā)生沉積后，在管道系統(tǒng)內(nèi)不斷附著-生長(zhǎng)-脫落-衰亡，微生物在顆粒物之間的空隙附著生長(zhǎng)并分泌出黏性的EPS，進(jìn)而繼續(xù)吸附顆粒物和微生物。隨著堵塞物質(zhì)的生長(zhǎng)其厚度不斷增加，堵塞物質(zhì)黏附力降低，在水流脈動(dòng)和水力剪切力作用下，堵塞物質(zhì)會(huì)脫落隨水流進(jìn)入灌水器流道內(nèi)，易于在流道內(nèi)水流剪切力較低的部位（主要為流道進(jìn)口、出口）沉積，導(dǎo)致流道尺寸不斷變?。?0］，導(dǎo)致灌水器堵塞不斷加深。由此可見(jiàn)，灌水器流道壁面附著的堵塞物質(zhì)——附生生物膜的形成是灌水器堵塞發(fā)生的誘因。

圖2 灌水器堵塞耦合互促機(jī)理

3.3 灌水器堵塞物質(zhì)形成的調(diào)控途徑從灌水器自身抗堵塞能力的角度來(lái)看，其流道設(shè)計(jì)參數(shù)及組合對(duì)灌水器堵塞影響顯著。已有學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法研究了灌水器流道內(nèi)部固-液兩相流特性，并根據(jù)水力學(xué)特征確定了灌水器流道各參數(shù)閾值及適宜組合模式［35］。為了量化灌水器流道特征參數(shù)作用于灌水器堵塞物質(zhì)形成和生長(zhǎng)的途徑，需要借助結(jié)構(gòu)方程模型中的路徑分析法。結(jié)果表明，灌水器內(nèi)部微域水力學(xué)特征參數(shù)——斷面平均流速（v）與堵塞物質(zhì)各特征組分間存在顯著的線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＞0.80**，p＜0.01），是直接影響堵塞物質(zhì)形成和生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素［34］。而斷面平均流速作為灌水器流道設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合表征，主要受到兩個(gè)無(wú)量綱參數(shù)——W/D和A1/2/L，（其中，L、W、D和A分別表示流道長(zhǎng)、寬、深和橫截面積）的影響（R2＞0.72**，p＜0.01）。對(duì)于灌水器堵塞物質(zhì)各特征組分而言，SP、C-MP對(duì)灌水器堵塞以直接作用為主，PLFAs與EPS主要通過(guò)影響堵塞物質(zhì)的理化成因間接引發(fā)灌水器堵塞，C-MP同時(shí)也在一定程度上通過(guò)影響SP間接影響堵塞發(fā)生過(guò)程。

4 灌水器堵塞物質(zhì)持續(xù)生長(zhǎng)機(jī)理

4.1 灌水器內(nèi)部流動(dòng)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌水器流道內(nèi)部流動(dòng)可視化是摸清灌水器內(nèi)部多物質(zhì)運(yùn)移過(guò)程的前提。但是灌水器復(fù)雜流道通常僅有0.25～1 mm，處于微觀（1～100 μm）和宏觀（＞1 mm）之間的介觀尺度，常規(guī)手段難以實(shí)現(xiàn)可視化。經(jīng)過(guò)多年探索，相關(guān)學(xué)者通過(guò)激光多普勒測(cè)速技術(shù)（laser dop?per velocimetry， LDV）［36］、微尺度流體粒子圖像測(cè)速技術(shù)（micro particle image velocimetry， mi?cro-PIV）［37］、數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)（digital particle image velocimetry，DPIV）結(jié)合平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)速技術(shù)（planar laser induced fluorescence，PLIF）［38］實(shí)現(xiàn)了灌水器內(nèi)部水流可視化；利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）［39］、粒子跟蹤測(cè)速技術(shù)（particle tracking velocimetry，PTV）［40］實(shí)現(xiàn)了灌水器內(nèi)部顆粒物運(yùn)移可視化。然而，流道內(nèi)部多物質(zhì)流動(dòng)的可視化過(guò)程面臨測(cè)試模型與熒光粒子等方面的技術(shù)瓶頸。由于灌水器流道狹窄且邊界復(fù)雜，滴灌管（帶）不透明，需要通過(guò)適宜的透明原型［38］、流道放大模型［41］、平面模型［42］或者單元段模型［43］等實(shí)現(xiàn)測(cè)試模型的簡(jiǎn)化和透明化；而示蹤粒子需要綜合考慮粒子的流動(dòng)跟隨性、成像可見(jiàn)性、散布均勻度、濃度以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)等條件。相關(guān)學(xué)者不斷突破創(chuàng)新，最終建立了一種將單元段模型、DPIV、PLIF等技術(shù)相結(jié)合的準(zhǔn)三維全場(chǎng)無(wú)擾測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了灌水器流道內(nèi)部多物質(zhì)流動(dòng)的可視化［38］。

4.2 灌水器內(nèi)部固-液-氣多相耦合運(yùn)動(dòng)的CFD分析方法計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法在滴灌領(lǐng)域成功應(yīng)用，通過(guò)灌水器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析為快速、直觀研究灌水器內(nèi)部流動(dòng)特征提供了一種新的手段。目前，相關(guān)分析軟件層出不窮，包括ANSYS FLUENT、NUMECA、CFX、STAR-CD等。其中FLUENT是目前應(yīng)用較多的軟件，有關(guān)學(xué)者結(jié)合有限元法［44］、壁面函數(shù)法［45］、非定常數(shù)值計(jì)算模型［46］等方法對(duì)灌水器內(nèi)部水流及顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。

模擬過(guò)程中使用的湍流模型可以分為直接數(shù)值模擬方法（DNS）和非直接數(shù)值模擬方法。直接數(shù)值模擬方法是指直接求解瞬時(shí)紊流控制方程，該方法對(duì)計(jì)算機(jī)的要求非常高，目前還未廣泛用于實(shí)際工程計(jì)算中。非直接數(shù)值模擬方法是設(shè)法簡(jiǎn)化紊流，根據(jù)采用的近似和簡(jiǎn)化方法不同，可分為大渦模擬（LES）和Reynolds平均法（RANS）。其中LES是介于DNS與RANS之間的湍流數(shù)值模擬方法，模型能夠捕捉到更小的湍流結(jié)構(gòu)，適用于灌水器微小流道內(nèi)部流體計(jì)算研究；RANS的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣、精度合理，但它是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，在計(jì)算例如強(qiáng)旋流、彎曲壁面流動(dòng)或彎曲流線(xiàn)等復(fù)雜流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定失真。因此學(xué)者們對(duì)它進(jìn)行改造，提出RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，廣泛應(yīng)用于灌水器內(nèi)部固-液-氣多相耦合運(yùn)動(dòng)的CFD分析［47］。

4.3 灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)持續(xù)生長(zhǎng)機(jī)理已有學(xué)者通過(guò)上述可視化測(cè)試與CFD模擬方法對(duì)灌水器流道內(nèi)部固液兩相流特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，流場(chǎng)中水流和顆粒物較為清晰地分為沿流動(dòng)方向的主流區(qū)和貼近邊壁處的漩渦區(qū)。主流區(qū)流速分布基本一致，且保持在3 m/s以上，當(dāng)主流繞過(guò)齒尖時(shí)，流束發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，使得主流在進(jìn)入下一單元流道空腔時(shí)偏轉(zhuǎn)到的一側(cè)的壁面，在邊界摩阻的作用下，與另一側(cè)的壁面之間形成回流漩渦，漩渦中心處流速在0.5 m/s以下，邊界處流速為1 m/s左右。懸浮顆粒等物質(zhì)在主流中的運(yùn)動(dòng)速度與主流流速基本相同，只是在鋸齒迎水面的根部及背水面處速度較低，部分顆粒出現(xiàn)漩渦，顆粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生滯后。在這種情況下，顆粒與邊壁碰撞后逐漸被吸附到壁面附著的附生生物膜表面并持續(xù)生長(zhǎng)。顆粒物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等多物質(zhì)隨滴灌水源進(jìn)入灌水器后的運(yùn)移-沉積-附著-脫落-再生長(zhǎng)過(guò)程是導(dǎo)致堵塞物質(zhì)持續(xù)生長(zhǎng)的主要原因［14，28，30］。但是，適宜不同條件的模擬模型目前并沒(méi)有定論，關(guān)于灌水器內(nèi)部固-液-氣多相耦合的相關(guān)報(bào)道也極為罕見(jiàn)。

5 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞控制方法

灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)的形成和持續(xù)生長(zhǎng)是誘發(fā)灌水器堵塞并持續(xù)加重原因，因此，以限制灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)生長(zhǎng)過(guò)程為靶向目標(biāo)，目前已經(jīng)形成了“前控”——控制堵塞物質(zhì)來(lái)源（包括水質(zhì)控制、沉淀及過(guò)濾設(shè)備選型配置、酸氯處理配合管道沖洗）、“中排”——提升自身抗堵塞能力（灌水器流道優(yōu)化設(shè)計(jì)與材料改性）、“后清”——有效清除堵塞物質(zhì)（微生物拮抗、電化學(xué)清除）相結(jié)合的灌水器堵塞控制方法：

5.1 “前控”——控制堵塞物質(zhì)來(lái)源

（1）水源水質(zhì)控制。水質(zhì)因素是影響灌水器堵塞最主要、最直接的原因。水質(zhì)越好，灌水器堵塞機(jī)率越低、堵塞程度越輕。因此，應(yīng)依據(jù)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》［48］和《微灌工程技術(shù)規(guī)范》［49］嚴(yán)格控制各水質(zhì)特征參數(shù)閾值。尤其是使用再生水、微咸水、高含沙水等劣質(zhì)水源進(jìn)行滴灌時(shí)，單獨(dú)使用某項(xiàng)水源前處理技術(shù)很難滿(mǎn)足水質(zhì)要求，通常需要采用反硝化生物濾池+超濾+臭氧接觸池+紫外線(xiàn)消毒等組合工藝以及混凝沉淀、介質(zhì)過(guò)濾（含生物過(guò)濾）、膜處理、氧化等深度處理技術(shù)［50］。除此之外，目前還出現(xiàn)了一些新型水處理技術(shù)，比如微納米氣泡殺菌技術(shù)，即利用微納米氣泡爆炸時(shí)的能量實(shí)現(xiàn)污染物的氧化降解和水質(zhì)凈化［51］；或者借助磁化處理技術(shù)改變?nèi)芤旱奈锢砘瘜W(xué)特性（溶解度、電導(dǎo)率、表面張力和pH等），磁化后軟化的水質(zhì)可以有效地防治灌水器化學(xué)堵塞，在使用微咸水進(jìn)行滴灌時(shí)效果顯著［52］。

（2）沉淀、過(guò)濾設(shè)備合理配置。合理配置沉淀、過(guò)濾設(shè)備可以有效去除水源中粒徑較大的雜質(zhì)，降低灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。尤其是使用高含沙水進(jìn)行滴灌時(shí)，成功的泥沙沉淀、過(guò)濾技術(shù)是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前常見(jiàn)的沉沙池類(lèi)型包括直線(xiàn)形沉沙池、曲線(xiàn)形沉沙池、沉沙條渠、混合形沉沙池等，也包括一些特殊形式的沉沙池。科研工作者圍繞沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流場(chǎng)分布、泥沙沉降規(guī)律和計(jì)算方法以及運(yùn)行設(shè)計(jì)、觀測(cè)等方面開(kāi)展了大量卓有成效的工作，得出了適宜不同工況條件下的沉砂池關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)閾值［53-54］。其中，重力沉沙過(guò)濾池通過(guò)沉沙池和過(guò)濾網(wǎng)結(jié)合的形式，集沉沙過(guò)濾功能為一體，具有體積小、占地少、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，泥沙去除率可以達(dá)到31%～60%，是目前比較熱門(mén)的發(fā)展方向之一。

不同的過(guò)濾器組合模式對(duì)滴灌水源的過(guò)濾效果也差異明顯。綜合目前研究結(jié)果，離心過(guò)濾器（一級(jí)過(guò)濾）+砂石過(guò)濾器（二級(jí)過(guò)濾）+網(wǎng)式/疊片過(guò)濾器（三級(jí)過(guò)濾）是常見(jiàn)的過(guò)濾器分級(jí)配置模式。當(dāng)使用高含沙水、微咸水等進(jìn)行滴灌時(shí)，需要同時(shí)配置三級(jí)過(guò)濾。如果高含沙水源中顆粒物較細(xì)，離心式過(guò)濾器效果不佳，可以直接省掉，同時(shí)配置暗渠結(jié)構(gòu)提升砂石過(guò)濾器的過(guò)濾性能，濾料前后濁度可以降低20%～45%，結(jié)合反沖洗過(guò)程可以達(dá)到50%～80%［17，23］。對(duì)于再生水以及河湖庫(kù)地表微污染水等，砂石過(guò)濾器+網(wǎng)式/疊片過(guò)濾器效果較好。當(dāng)?shù)喂嗨|(zhì)較好時(shí)，可以直接使用網(wǎng)式/疊片過(guò)濾器作為過(guò)濾系統(tǒng)。目前來(lái)看，具有自清洗功能的砂石過(guò)濾器和疊片過(guò)濾器產(chǎn)品是過(guò)濾器研發(fā)的重要趨勢(shì)［55］。

（3）酸氯處理+毛管沖洗。酸氯處理和毛管沖洗是目前最常用的堵塞控制方法之一。加氯處理是利用氯的強(qiáng)氧化作用殺死微生物（細(xì)菌）或抑制其增殖過(guò)程，進(jìn)而抑制堵塞物質(zhì)生長(zhǎng)。然而，目前不同學(xué)者在加氯濃度、注入頻率、注入方式等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的研究結(jié)果差異很大，例如加氯濃度范圍從1～20 mg/L到100～500 mg/L，加入方式也有連續(xù)注入、間歇注入和定期注入等，甚至出現(xiàn)了由于注入時(shí)機(jī)、控制濃度和保持時(shí)間不當(dāng)導(dǎo)致灌水器堵塞加劇的情況［56］，需要進(jìn)一步研究、驗(yàn)證。另一方面，毛管沖洗可以提高灌水器流量5%～8%，恢復(fù)效果主要受到滴灌方式、灌水器類(lèi)型和沖洗模式的影響。已有研究表明，加氯處理配合毛管沖洗可以有效控制不同水源滴灌條件下灌水器堵塞問(wèn)題［57］，例如再生水滴灌系統(tǒng)中，合理的氯處理+毛管沖洗模式可以分別提高灌水器Dra和CU 7.4%和10.3%以上。而對(duì)于以化學(xué)堵塞為主的微咸水滴灌系統(tǒng)，酸處理對(duì)化學(xué)沉淀有較好的清除效果，硫酸、鹽酸和磷酸等無(wú)機(jī)酸是比較常用的類(lèi)型。加酸量需要綜合考慮水源離子組分、pH等因素，一般可以通過(guò)滴定方法確定?？紤]到水質(zhì)的波動(dòng)變化，往往會(huì)進(jìn)行多次滴定試驗(yàn)。對(duì)于大部分pH在8.0左右的水源來(lái)說(shuō)，加入1 mel/L的無(wú)機(jī)酸通?？梢詫H值降至6.0～6.5，這也是比較適宜pH范圍［3］。

5.2 “中排”——提升自身抗堵塞能力

（1）灌水器流道優(yōu)化設(shè)計(jì)。提高灌水器自身抗堵塞能力是緩解灌水器堵塞問(wèn)題的根本，而提高灌水器自身抗堵塞能力的核心是流道邊界優(yōu)化。目前流道邊界優(yōu)化主要有兩種核心思想：一種是傳統(tǒng)的主航道抗堵塞設(shè)計(jì)方法，該方法認(rèn)為應(yīng)該消除流道內(nèi)流動(dòng)滯止區(qū)和低速區(qū)，即消除泥沙容易淤積的漩渦區(qū)域，僅保留灌水器主流區(qū)來(lái)增強(qiáng)灌水器流道內(nèi)顆粒物的輸移能力，讓顆粒物盡快排出灌水器外，從而降低灌水器堵塞［36］；另一種是流道漩渦洗壁抗堵塞設(shè)計(jì)方法，該方法認(rèn)為應(yīng)該保留流道內(nèi)流速滯止或低速的漩渦區(qū)，對(duì)壁面夾角進(jìn)行圓弧優(yōu)化以使漩渦充分發(fā)展、水流旋轉(zhuǎn)起來(lái)，提升水流對(duì)流道壁面的自清洗能力，進(jìn)而降低堵塞物質(zhì)的附著、促進(jìn)堵塞物質(zhì)的脫落，以此提高灌水器抗堵塞能力［58］。

（2）灌水器材料改性。材料改性是提高灌水器自身抗堵塞能力的領(lǐng)一種有效方法，主要是通過(guò)添加特殊抗菌類(lèi)材料降低微生物的活性、抑制堵塞物質(zhì)附著能力，從而減少堵塞物質(zhì)的形成和生長(zhǎng)。NETAFIM公司最早曾探索性地在滴灌灌水器中加入有機(jī)砷10-oxybisphenoxyarsine，取得了一定的抗堵效果，但有機(jī)砷化合物具有潛在毒性，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此并未長(zhǎng)期投入。此后該公司推出的Bioline壓力補(bǔ)償型系列產(chǎn)品，該系列將灌水器浸入抗菌劑一段時(shí)間后再用于滴灌管生產(chǎn)，以抵制微生物積聚和生長(zhǎng)，但由于成本較高，也并未大面積打入市場(chǎng)。目前該方面急需系統(tǒng)研究，取得重大突破。

5.3 “后清”——有效清除堵塞物質(zhì)

（1）微生物拮抗。微生物拮抗關(guān)系是指微生物在其生命活動(dòng)中，通過(guò)產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件抑制其它微生物的生長(zhǎng)繁殖，甚至將其殺死其它的現(xiàn)象。已有學(xué)者探索性地將3種農(nóng)業(yè)常用的拮抗細(xì)菌添加到使用再生水滴灌系統(tǒng)后已發(fā)生堵塞的灌水器中，在14天內(nèi)流量近乎為0的灌水器流量幾乎完全恢復(fù)［59］。微生物拮抗技術(shù)為清除堵塞物質(zhì)提供了一種新的思路與方法。后續(xù)學(xué)者通過(guò)培養(yǎng)、分離、篩選灌水器堵塞物質(zhì)中的優(yōu)勢(shì)菌，進(jìn)而選用抗病性能強(qiáng)的廣譜型農(nóng)用芽孢桿菌，篩選出了與灌水器堵塞物質(zhì)優(yōu)勢(shì)菌拮抗作用較強(qiáng)的枯草芽孢桿菌和內(nèi)生芽孢桿菌［60］，但如何構(gòu)建合理、長(zhǎng)效、安全的微生物拮抗控堵模式，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；茝V仍需進(jìn)一步研究。

（2）電化學(xué)清除。電化學(xué)方法主要是利用水在電壓作用下被電解成的活性氯、活性自由基等物質(zhì)，破壞菌類(lèi)及藻類(lèi)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、核酸、蛋白質(zhì)及其他大分子物質(zhì)，使細(xì)胞失活，進(jìn)而清除堵塞物質(zhì)。目前已有公司推出了基于該原理的除垢棒產(chǎn)品，通過(guò)引入高電壓、低電流，使微生物和顆粒物帶有相同電荷而互相排斥［61］，從而清除壁面附著的堵塞物質(zhì)，但目前該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。

5.4 根系入侵與負(fù)壓吸泥堵塞控制方法針對(duì)地下滴灌系統(tǒng)負(fù)壓吸泥作用，已有學(xué)者提出無(wú)紡布包裹滴頭［62］、在毛管末端增加沖洗管［63］等方法。以色列NETAFIM公司開(kāi)發(fā)了出口處帶“舌片”的地下滴灌系統(tǒng)專(zhuān)用灌水器系列，PLASTRO公司也發(fā)明了一種灌水器出口可以在系統(tǒng)停止灌水時(shí)自動(dòng)鎖閉的內(nèi)鑲式壓力補(bǔ)償式滴頭。王榮蓮等［64］比較了不同灌水器類(lèi)型對(duì)抗負(fù)壓堵塞的影響，發(fā)現(xiàn)小流量灌水器在防止負(fù)壓堵塞方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)地下滴灌系統(tǒng)根系入侵效應(yīng)，于穎多等［65］和美國(guó)GEOFLOW公司Rootguard系列灌水器都曾在灌水器材料中拌入氟樂(lè)靈進(jìn)行探索，但是通過(guò)摻入材料的方式改良的灌水器產(chǎn)品釋放有效成分的過(guò)程并不穩(wěn)定，同時(shí)可能給土壤、環(huán)境和人類(lèi)健康帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，未能大面積推廣應(yīng)用。近幾年，抗菌材料以及微膠囊技術(shù)的發(fā)展為灌水器材料改良提供了一個(gè)全新、有效、安全的方法。微膠囊化產(chǎn)品“有效緩釋”的特點(diǎn)克服了傳統(tǒng)材料高毒性、易揮發(fā)、易氧化的缺點(diǎn)，“靶向滅殺”的特性可以有效針對(duì)堵塞物質(zhì)組分進(jìn)行定向控制，應(yīng)用前景巨大。但是，目前該技術(shù)與滴灌系統(tǒng)相結(jié)合仍處于探索階段，理論與技術(shù)都急需突破。

5.5 典型劣質(zhì)水源滴灌系統(tǒng)堵塞綜合控制方法針對(duì)黃河水滴灌系統(tǒng)細(xì)粒徑、黏性泥沙含量高的特點(diǎn)，以控制細(xì)顆粒泥沙在系統(tǒng)內(nèi)的輸移過(guò)程為目標(biāo)，構(gòu)建了“灌水器排沙-毛管沖沙-過(guò)濾器攔沙-沉沙池沉沙”的灌水器堵塞逐級(jí)調(diào)控技術(shù)：通過(guò)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升灌水器自排沙能力，使更多的細(xì)顆粒通過(guò)灌水器流道排出，適宜產(chǎn)品可通過(guò)灌水器抗堵塞能力評(píng)估方法篩選［26］；毛管內(nèi)淤積的泥沙可以通過(guò)周期性毛管沖洗沖出，系統(tǒng)每運(yùn)行64 h左右，以0.4 m/s的流速?zèng)_洗6 min左右為宜［66］；過(guò)濾系統(tǒng)可選用砂石過(guò)濾器＋篩網(wǎng)/疊片過(guò)濾器，其中砂石過(guò)濾器濾料粒徑宜選擇1.70～2.35 mm，過(guò)濾流速和反沖洗流速分別控制在0.014～0.021 m/s和0.007～0.022 m/s，配置的篩網(wǎng)過(guò)濾器適宜目數(shù)為100目，疊片過(guò)濾器則為120目［17，23］；最后確定沉沙池的處理標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)安裝斜管和調(diào)流板可保證泥沙去除效率提高 15%～20%［80］。

針對(duì)微咸水水源礦化度高，水中含有大量的鈣、鎂離子等極易形成化學(xué)沉淀的特點(diǎn)，采用“控制水質(zhì)（電導(dǎo)率閾值控制來(lái)減少關(guān)鍵組分來(lái)源）-調(diào)節(jié)運(yùn)行（調(diào)控輪灌制度、灌溉頻率等控制沉淀物附著過(guò)程）-配施酸肥（配施酸性肥料清除生成的堵塞物質(zhì)）”相結(jié)合可以有效控制灌水器堵塞［5］。目前確定了適宜的電導(dǎo)率閾值在4 dS/m以下，宜采用高頻滴灌，系統(tǒng)工作壓力應(yīng)不低于0.06MPa，采用淡水與微咸水交替滴灌或者配施酸性肥料均可以有效緩解灌水器堵塞［53］。

6 進(jìn)一步研究的問(wèn)題

6.1 適宜不同水源的水質(zhì)預(yù)處理方法及關(guān)鍵參數(shù)閾值系統(tǒng)研究適宜地下水、河湖庫(kù)地表水、再生水、微咸水、高含沙水源等常見(jiàn)滴灌水源的水質(zhì)深度處理工藝及配套的沉淀、過(guò)濾等水源前處理模式，探究不同水質(zhì)滴灌條件下灌水器堵塞發(fā)生特征及堵塞物質(zhì)時(shí)空分布特征，確定進(jìn)入滴灌系統(tǒng)時(shí)滴灌水源關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的有效控制閾值。

6.2 肥料-水質(zhì)耦合作用下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理及適配裝備互饋選擇研究肥料-水質(zhì)耦合作用下滴灌毛管及灌水器內(nèi)部多物質(zhì)運(yùn)移特征，系統(tǒng)揭示水肥耦合作用條件下灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理與作用路徑。研究肥料類(lèi)型-灌溉水質(zhì)-系統(tǒng)裝備的適配機(jī)理，提出面向滴灌系統(tǒng)灌水均勻度控制需求的三者互饋選擇技術(shù)參數(shù)閾值，實(shí)現(xiàn)肥料、水源與裝備的有機(jī)結(jié)合。

6.3 抗堵塞灌水器產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件研發(fā)耦合堵塞物質(zhì)三維重構(gòu)模型、顆粒-壁面碰撞動(dòng)力學(xué)模型及非穩(wěn)態(tài)湍流Lattice-Boltzmann大渦模型，建立灌水器內(nèi)部固-液-氣多相流動(dòng)耦合模型及求解方法。探究抗堵塞灌水器流道參數(shù)組合快速適配方法，開(kāi)發(fā)抗堵塞灌水器產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)灌水器流道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、快速化、程序化。

6.4 地下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞特征識(shí)別及控制方法研究地下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生規(guī)律、影響因素及其與地表滴灌系統(tǒng)堵塞發(fā)生的差異性，量化物理、化學(xué)、生物以及負(fù)壓吸泥、根系入侵因素對(duì)灌水器堵塞的貢獻(xiàn)程度及其耦合作用途徑，辨識(shí)其中關(guān)鍵誘因。建立多因素影響、多類(lèi)型耦合條件下堵塞物質(zhì)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，建立地下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞控制方法。

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