何坤，魏正英*，陳雪麗，賈維兵，魏才翔

?灌溉技術(shù)與裝備?

溫度與壓力對(duì)水肥一體化滴灌灌水器堵塞影響研究

何坤1,2，魏正英1,2*，陳雪麗1,2，賈維兵1,2，魏才翔1,2

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.陜西鵬運(yùn)機(jī)械自動(dòng)化科技有限公司，西安 710038）

【目的】探究在水肥一體化灌溉過(guò)程中，溫度對(duì)灌水器堵塞的影響?！痉椒ā恳允袌?chǎng)常用的內(nèi)鑲貼片式齒形流道灌水器為研究對(duì)象，采用4個(gè)溫度梯度（15、20、25、30 ℃），2個(gè)工作壓力（低壓50 kPa、常壓100 kPa），進(jìn)行短周期間歇灌溉堵塞試驗(yàn)，并在試驗(yàn)后用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)堵塞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成成分進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】磷酸二銨加速堵塞效果明顯，灌溉結(jié)束后灌水器平均相對(duì)流量下降到15.03%～34.02%；溫度從15 ℃升高到30 ℃，平均相對(duì)流量的下降速率減小，灌水結(jié)束后低壓下平均相對(duì)流量提高18.55%，常壓下平均相對(duì)流量提高14.88%。溫度并不影響堵塞物質(zhì)的主要組成成分，其主要為磷酸鹽沉淀，但溫度提高，絮凝現(xiàn)象減弱，堵塞物質(zhì)表面的復(fù)雜程度減小。灌水器中堵塞位置主要集中在過(guò)渡區(qū)、流道首部和流道尾部，占比分別為29.75%、22.31%、22.31%，改變溫度并不影響其堵塞位置的分布?！窘Y(jié)論】提高肥液溫度可在一定程度上緩解灌水器的堵塞。

溫度；施肥；灌溉；灌水器；堵塞

0 引 言

【研究意義】與傳統(tǒng)灌溉方式中大田漫灌、肥料撒施等粗放的栽培方式相比，水肥一體化技術(shù)有效地解決了水資源利用不科學(xué)、不合理，化肥盲目施用、利用率低等問(wèn)題。灌水器作為水肥一體化系統(tǒng)的終端，其堵塞問(wèn)題一直影響著水肥一體化技術(shù)的發(fā)展。因此國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)展了影響灌水器堵塞因素的相關(guān)研究。【研究進(jìn)展】Taylor等[1]認(rèn)為決定灌水器堵塞程度最重要的因素是灌水器的結(jié)構(gòu)，而不是水質(zhì)。Sefer等[2]發(fā)現(xiàn)肥料中同時(shí)包含鈣離子和硫酸根離子更容易形成難溶性沉淀，造成灌水器堵塞。李康勇等[3]研究不同泥沙級(jí)配和不同施肥濃度條件下對(duì)灌水器堵塞的影響提出，施肥濃度越大，粒徑為0.034～0.067 mm顆粒量越大，灌水器越容易發(fā)生堵塞。劉璐等[4]通過(guò)不同泥沙粒徑條件下的細(xì)小泥沙顆粒渾水滴灌試驗(yàn)分析造成灌水器堵塞泥沙顆粒的敏感粒徑范圍在0.03～0.04 mm之間。劉燕芳等[5]、楊曉奇等[6]研究分別指出灌水器在硬水和微咸水2種水質(zhì)條件下均會(huì)發(fā)生不同程度的堵塞。余楊等[7]通過(guò)地上滴灌和根區(qū)滲灌對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，8孔流量可調(diào)灌水器在根區(qū)滲灌方式下更容易發(fā)生堵塞。Avner等[8]認(rèn)為水中懸浮物顆粒大小比顆粒密度對(duì)灌水器堵塞的影響更大。

【切入點(diǎn)】在實(shí)際灌溉中，由于灌溉季節(jié)、灌溉區(qū)域的不同，灌溉水溫常常會(huì)有比較大的差異，然而不同溫度條件下灌水器的堵塞情況也不同。目前溫度在水肥一體化中對(duì)灌水器堵塞的影響研究較少，需要進(jìn)一步探究。徐明金等[9]通過(guò)對(duì)比低壓與常壓滴灌系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在低壓條件下灌水器流量受溫度變化影響顯著。牛文全等[10]對(duì)比粒徑小于0.1 mm的泥沙顆粒分別在夏季和冬季條件下的渾水滴灌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水溫越高，灌水器抗堵塞性能越好。劉璐等[11]研究發(fā)現(xiàn)灌溉水溫對(duì)灌水器堵塞的影響小于泥沙級(jí)配濃度和施肥質(zhì)量濃度。王浩翔等[12]通過(guò)不同溫度條件下的低壓灌溉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同溫度下加肥質(zhì)量濃度閾值不同，且升高溫度能夠提高加肥質(zhì)量濃度閾值。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為了選擇合理的溫度區(qū)間，進(jìn)一步細(xì)化溫度梯度，本試驗(yàn)以內(nèi)鑲貼片式灌水器為研究對(duì)象，分別探究在低壓和常壓條件下不同灌溉水溫在水肥一體化過(guò)程中對(duì)灌水器堵塞的影響，為不同地區(qū)、不同季節(jié)的灌溉施肥模式提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

試驗(yàn)采用市面上常見(jiàn)的內(nèi)鑲貼片式齒形迷宮流道滴灌帶，壁厚0.4 mm，管徑為16 mm，齒間長(zhǎng)度1 mm，流道寬度1.1 mm，齒高0.6 mm，齒間夾角40°，齒根夾角110°，工作壓力在100 kPa下的流量為2.2 L/h，經(jīng)過(guò)清水測(cè)試后得到流態(tài)指數(shù)=0.54，灌水器制造偏差2.65%。

試驗(yàn)用水采用水質(zhì)良好的居民自來(lái)水，符合我國(guó)農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[13]；另外經(jīng)過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比于氮肥和鉀肥，磷肥更容易發(fā)生堵塞，故試驗(yàn)肥料采用大田常用的-磷酸二銨，總養(yǎng)分（N+P2O5）≥64%，N、P2O5、K2O的質(zhì)量比為18∶46∶0，常溫下為黃褐色顆粒，溶于水呈乳白色渾濁溶液。

試驗(yàn)平臺(tái)由溫控水箱、攪拌器、變頻水泵、壓力表、供水管道和滴灌帶等組成。溫控水箱的溫度控制范圍為0～99°，控制精度為±0.1°；攪拌器功率60 W，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min；變頻水泵最高揚(yáng)程40 m，最大流量3.5 m3/h；壓力表量程0.25 MPa，精度0.001 MPa；兩兩滴灌帶的間隔為25 cm，其中每根滴灌帶包含5個(gè)灌水器，其間距為30 cm，共有4條、20個(gè)灌水器。平臺(tái)如圖1所示。

注 1.溫控水箱；2.攪拌器；3.灌水器；4.滴灌帶；5.壓力表；6.過(guò)濾器；7.變頻水泵；8.排水口。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)置低壓50 kPa和常壓100 kPa這2個(gè)灌溉壓力；試驗(yàn)中肥液的溫度參照一般作物適宜的灌溉溫度范圍[13-14]，故選擇15、20、25、30 ℃這4個(gè)溫度梯度；根據(jù)施肥經(jīng)驗(yàn)，施肥濃度一般不超過(guò)0.5%[15]，為獲得明顯的試驗(yàn)效果，加快堵塞進(jìn)程，設(shè)定施肥灌溉濃度5 g/L；參照國(guó)際滴頭抗堵塞研究標(biāo)準(zhǔn)草案[16]，并考慮實(shí)際的施肥灌溉時(shí)長(zhǎng)，灌水時(shí)間為08:00—10:00，14:00—16:00，灌溉2 h，間隔4 h，連續(xù)5 d，共計(jì)灌溉10次。為了消除在每組的灌溉過(guò)程中，環(huán)境溫度對(duì)肥液溫度造成的影響，故將環(huán)境室溫設(shè)置為與肥液溫度相同的溫度。另外每次灌溉開(kāi)始前需重新配制肥液，用電導(dǎo)率儀測(cè)量并記錄肥液值；每次灌溉結(jié)束時(shí)，重復(fù)測(cè)量并記錄灌水器流量3次。進(jìn)行完全試驗(yàn)，共設(shè)置8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每組試驗(yàn)結(jié)束后，取下滴灌帶置于遮陰通風(fēng)處風(fēng)干，沖洗試驗(yàn)平臺(tái)，確保無(wú)上組試驗(yàn)肥料殘留，并更換新的滴灌帶進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

1.3 評(píng)估指標(biāo)

試驗(yàn)采用平均相對(duì)流量（）來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)堵塞，其計(jì)算式為：

1.4 堵塞位置

待灌水器內(nèi)水分完全風(fēng)干之后，剝開(kāi)滴灌帶，記錄堵塞物在灌水器內(nèi)的堵塞位置。堵塞位置劃分如圖2所示，堵塞物質(zhì)在柵格處聚集稱之為柵格入口堵塞；在介于柵格處與流道第1個(gè)單元擋板處之間聚集稱之為過(guò)渡區(qū)堵塞；在流道前3個(gè)單元中聚集稱之為流道首部堵塞；在流道第4個(gè)單元轉(zhuǎn)到第5個(gè)單元之間聚集稱之為流道中部堵塞；在剩下單元之間聚集稱之為流道尾部堵塞。

圖2 流道分區(qū)示意圖

1.5 堵塞物質(zhì)結(jié)構(gòu)和主要成分分析方法

將剝開(kāi)滴灌帶所得到的灌水器用高精度天平（0.001 g）稱質(zhì)量，后將其放入自封袋中，加入去離子水，放入超聲波清洗機(jī)中震蕩清洗，然后將清洗干凈的灌水器烘干、稱質(zhì)量，灌水器原始質(zhì)量和烘干之后的質(zhì)量之差即為堵塞物質(zhì)的干質(zhì)量；將自封袋中的洗液烘干，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察堵塞物質(zhì)表面形貌，并分析堵塞物質(zhì)的基本元素組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)灌水器堵塞的影響程度

以肥液溫度、壓力為自變量，平均相對(duì)流量為因變量進(jìn)行主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，灌溉水溫的<0.05，說(shuō)明灌溉水溫對(duì)平均相對(duì)流量的影響達(dá)到顯著水平，是影響灌水器堵塞的重要因素；而壓力的>0.05，未達(dá)到顯著水平，說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，壓力對(duì)灌水器堵塞的影響并不明顯。

表1 顯著性檢驗(yàn)

系統(tǒng)在10次滴灌期間灌水器的平均相對(duì)流量變化如圖3所示。從整個(gè)過(guò)程中可以看出，10次灌水結(jié)束后，50 kPa下平均相對(duì)流量下降到15.47%～34.02%，100 kPa下平均相對(duì)流量下降到15.03%～29.91%，說(shuō)明質(zhì)量濃度為5g/L的磷酸二銨對(duì)灌水器的堵塞作用比較明顯；比較圖3（a）和圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，10次灌水后，50 kPa下平均相對(duì)流量表現(xiàn)為25 ℃>30 ℃>20 ℃>15 ℃，溫度由15 ℃分別提高到20、25、30 ℃時(shí)，平均相對(duì)流量由15.47%分別增加到19.94%、29.14%、34.02%，在100 kPa下平均相對(duì)流量表現(xiàn)為30 ℃>25 ℃>20 ℃>15 ℃，溫度由15 ℃分別提高到20、25、30 ℃時(shí)，平均相對(duì)流量由15.03%分別增加到19.71%、24.93%、29.91%，說(shuō)明升高溫度可以提高平均相對(duì)流量，且在常壓100 kPa下平均相對(duì)流量的提高程度比在低壓50 kPa下要低。

另外，由圖3可以看出，10次灌水結(jié)束后，在15、20、30 ℃下，平均相對(duì)流量在常壓和低壓條件下的差值分別為0.44%、0.23%、0.77%，并無(wú)顯著差別；在25 ℃下，低壓條件的平均相對(duì)流量為34.02%，要明顯高于常壓條件下的平均相對(duì)流量24.93%。從整個(gè)滴灌過(guò)程來(lái)看，在15 ℃和30 ℃下，平均相對(duì)流量的下降速率在低壓和常壓條件下無(wú)顯著差別；在20、25 ℃下，平均相對(duì)流量在常壓條件下的下降速率顯著快于低壓條件下。因此，對(duì)于5 g/L的磷酸二銨肥液來(lái)說(shuō)，常壓和低壓條件對(duì)灌水器平均相對(duì)流量的影響并沒(méi)有明顯的規(guī)律。

圖3 不同灌溉壓力下灌溉水溫對(duì)平均相對(duì)流量的影響

用線性關(guān)系擬合平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示。直線斜率絕對(duì)值的大小表示平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)下降速率的快慢，即值越大，下降速率越快。由圖4可知，溫度從15 ℃分別提高到20、25、30 ℃時(shí)，低壓下值從9.165變化到6.549、6.696、7.061，常壓下值從8.398變化到7.521、8.544、7.594，說(shuō)明隨著溫度的提高，平均相對(duì)流量的下降速率有所變慢；從值變化的幅度來(lái)看，在低壓條件下溫度對(duì)平均相對(duì)流量的下降速率的影響比在常壓條件下要大。

2.2 堵塞物質(zhì)組成成分分析

用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)不同溫度、壓力下堵塞物質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可得，從整體上來(lái)看，堵塞物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過(guò)吸附不規(guī)則的細(xì)小顆粒團(tuán)聚形成絮狀的堆積體，絮凝現(xiàn)象比較明顯，且堆積體之間存在空隙。對(duì)于不同溫度條件下的堵塞物質(zhì)，其表面形貌結(jié)構(gòu)有所不同，在15、20 ℃條件下顆粒間的絮凝作用較強(qiáng)，堆積體表面吸附的不規(guī)則細(xì)小顆粒較多，表面結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；而在25、30 ℃條件下絮狀物質(zhì)明顯減少，堆積體表面吸附的細(xì)小顆粒變少，表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度明顯減少。對(duì)不同壓力條件下堵塞物質(zhì)進(jìn)行觀察分析發(fā)現(xiàn)，在常壓和低壓條件下二者的表面形貌并沒(méi)有顯著差別。說(shuō)明工作壓力并不影響堵塞物質(zhì)的微觀形貌。

圖4 平均相對(duì)流量和灌水次數(shù)的擬合關(guān)系

圖5 不同溫度、壓力條件下堵塞物質(zhì)電鏡掃描結(jié)構(gòu)

不同溫度、壓力條件下堵塞物質(zhì)中各元素的質(zhì)量百分比見(jiàn)表2。從表2中可知不同溫度、壓力條件下堵塞物質(zhì)中元素種類基本一致，主要元素為O和P元素，說(shuō)明不同處理下灌水器堵塞物質(zhì)的主要組成成分基本不變，為磷酸鹽。比較不同溫度下P元素以及Ca、Mg等元素量可知，隨著溫度的增加，P元素量下降，低壓下Ca、Mg等元素量波動(dòng)范圍小，基本不變，常壓下Ca、Mg等元素量從整體上看有所減少，這可能是由于溫度增加，磷酸鹽和鈣鎂沉淀的溶解度增加，使得沉淀中P、Ca、Mg等元素量下降；而此時(shí)灌水器的平均相對(duì)流量隨溫度的增加而增加，進(jìn)一步說(shuō)明減輕灌水器堵塞的原因主要是由于磷酸鹽量減少引起的。另外在低壓下的P、Ca、Mg等元素量小于常壓條件下，說(shuō)明壓力變大，灌水器中滯留的堵塞物質(zhì)增加，其磷酸鹽和鈣鎂沉淀的比例增加。

2.3 堵塞位置分析

試驗(yàn)結(jié)束后將完全風(fēng)干的滴灌帶刨開(kāi)，觀察堵塞物質(zhì)在灌水器中的沉積部位，在所有試驗(yàn)共160個(gè)灌水器中，堵塞123個(gè)，除去因人為拆壞的2個(gè)灌水器，統(tǒng)計(jì)了121個(gè)堵塞的灌水器堵塞位置情況，結(jié)果如表3所示。圖6為5個(gè)不同灌水器堵塞物質(zhì)沉積位置的情況。

表2 不同溫度、壓力下堵塞物質(zhì)各元素質(zhì)量百分比

表3 不同溫度、壓力條件下灌水器堵塞位置統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，溫度由15 ℃提高到20、25、30 ℃，灌水器的堵塞個(gè)數(shù)在低壓條件下由17個(gè)降低到15、13、13個(gè)，常壓條件下由17個(gè)降低到16、15、15個(gè)，說(shuō)明灌水器堵塞的個(gè)數(shù)基本隨溫度的提高而減少。在所有堵塞的灌水器中，柵格入口、過(guò)渡區(qū)、流道首部、流道中部和流道尾部的比例分別為9.92%、29.75%、22.31%、15.7%和22.31%，說(shuō)明灌水器堵塞多發(fā)生于過(guò)渡區(qū)、流道首部和流道尾部。在不同溫度下比較各個(gè)堵塞位置的數(shù)目發(fā)現(xiàn)，在柵格入口和流道首部2個(gè)堵塞位置的數(shù)目基本不隨溫度的變化而變化；而在過(guò)渡區(qū)、流道中部和流道尾部3個(gè)堵塞位置的數(shù)目沒(méi)有明顯的隨溫度變化的規(guī)律，說(shuō)明灌水器的堵塞位置是一個(gè)隨機(jī)的現(xiàn)象，提高溫度并不影響其分布。

3 討 論

3.1 溫度、壓力對(duì)灌水器堵塞影響分析

灌溉水溫對(duì)灌水器流量的影響比較復(fù)雜。隨著溫度的升高，流體內(nèi)水分子的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使分子的內(nèi)能發(fā)生變化，進(jìn)而影響流體的黏度和擴(kuò)散：水的內(nèi)能隨著溫度的增加而增加，黏度系數(shù)隨著溫度的增加而減??；溫度越高，流體內(nèi)分子間無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)和碰撞越激烈，分子偏離其原始位置就越遠(yuǎn)，分子間的相互作用力就越弱，流體就越容易擴(kuò)散[17-18]，具體表現(xiàn)為灌水器流量隨溫度的提高而增加[9]。

另外，溫度升高，肥液中的顆粒之間在保持吸引力不變的同時(shí)排斥力增加[19]，使得形成的絮凝物更加脆弱，更容易被紊流和流體剪切力打破，形成更小的絮狀沉淀，到達(dá)流道高剪力區(qū)附近時(shí)更容易被打碎重新混入肥液中，最終導(dǎo)致溫度越高，形成的絮凝沉淀越少，且沉速隨著溫度的增加而減少[20]，正如圖4所示，曲線斜率隨著溫度的提高而降低，表明溫度越高，絮凝物沉淀的就越慢，灌水器的平均相對(duì)流量下降的就越慢。紊動(dòng)剪切對(duì)于粒徑不同的絮體影響也不同，對(duì)于粒徑較?。?～24 μm）的細(xì)顆粒絮體影響不明顯，對(duì)于粒徑較大（48～384 μm）顆粒絮體來(lái)說(shuō)具有較大的影響[21]，即溫度升高，流體的紊動(dòng)性增強(qiáng)，對(duì)試驗(yàn)中絮凝顆粒（5～100 μm）產(chǎn)生較大的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，如溫室水肥一體化滴灌時(shí)，建議適當(dāng)提高灌溉水溫以減少灌水器發(fā)生堵塞的概率。

一般來(lái)說(shuō)，壓力對(duì)于灌水器堵塞的影響主要是通過(guò)影響灌水器流道摩阻系數(shù)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)壓力≤40 kPa時(shí)，此時(shí)e<360，流體為層流，且壓力越大，值越??；當(dāng)壓力=45～50 kPa時(shí)，此時(shí)e=360～450，流態(tài)開(kāi)始從層流向湍流轉(zhuǎn)捩；當(dāng)工作壓力≥45 kPa時(shí)，此時(shí)e>450，流態(tài)變?yōu)橥牧鳎第呌诜€(wěn)定，不隨壓力的變化而變化[22]。在本試驗(yàn)中低壓50 kPa和常壓100 kPa下，灌水器內(nèi)流態(tài)均處于湍流狀態(tài)。壓力增大，流體的紊動(dòng)性增加，加大了肥液中顆粒間碰撞的概率，更容易形成絮凝物從而依附在灌水器流道壁面；但同時(shí)由于壓力增大，強(qiáng)水流體紊動(dòng)所導(dǎo)致的高剪切力會(huì)破壞生成的絮凝物，使其更容易隨著水流沖出流道[23]。所以工作壓力和灌水器堵塞并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，還與肥液濃度、肥液中顆粒粒徑等共同作用，影響灌水器的堵塞[24-25]。本試驗(yàn)在5 g/L的磷酸二銨下進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)灌水器堵塞并無(wú)明顯規(guī)律[26]。

3.2 堵塞物質(zhì)分析

表4為試驗(yàn)選用的磷酸二銨肥料中各元素的質(zhì)量百分比，由表可得，原狀肥料中除了含磷酸氫二銨之外，還引入了少量的Ca、Mg、Fe、Al、F等元素。當(dāng)水中加入磷酸二銨肥料時(shí)，一方面，磷酸氫二銨離子化產(chǎn)生磷酸根離子，與溶液中的鈣、鎂、氟等離子結(jié)合產(chǎn)生磷酸鈣、磷酸鎂、氟磷酸鈣等難溶于水的磷酸鹽沉淀，特別是在溶液環(huán)境處于pH較高的條件下，更容易產(chǎn)生堵塞物質(zhì)，因此可以采用pH較低的酸性磷肥緩解灌水器的堵塞[27]；另一方面，溶液中細(xì)小不溶于水的不規(guī)則顆粒物質(zhì)也隨著肥料加入溶液而增多，由于磷酸根離子的吸附作用，會(huì)與溶液中的懸浮雜質(zhì)結(jié)合團(tuán)聚生成絮凝體，進(jìn)一步增加了灌水器堵塞的可能[28]。另外有學(xué)者研究指出灌水器中堵塞物質(zhì)是以絲狀菌體及其胞外多聚物為橋梁富集成絮狀體為主形成的小顆粒沉積物[29]，而本試驗(yàn)中由于缺乏微生物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、試驗(yàn)時(shí)間較短等因素，并未觀察到此現(xiàn)象。因此本試驗(yàn)中加入磷酸二銨使得灌水器堵塞的主要原因?yàn)榱追饰诫s質(zhì)形成絮凝物的物理堵塞以及溶液中離子置換形成沉淀的化學(xué)堵塞的耦合。

3.3 堵塞位置分析

灌水器內(nèi)部迷宮流道尺寸微小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用常規(guī)的方法難以對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行分析，喻黎明等[30]采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法進(jìn)行仿真，并對(duì)比粒子圖像測(cè)速法（PIV）得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CFD方法得出的固體顆粒運(yùn)動(dòng)特性基本符合實(shí)際情況。故本文采用CFD的方法對(duì)灌水器流道進(jìn)行模擬，圖7為在100 kPa下灌水器內(nèi)部流道速度矢量圖和流線圖。

由圖7可知，在灌水器流道內(nèi)部流體呈一個(gè)復(fù)雜的紊流狀，主流區(qū)在流道中間，基本沿迎水面齒尖流動(dòng)，和低速區(qū)分界比較明顯，并存在一定數(shù)量的漩渦。在柵格入口處，由于入口速度很低，幾乎為零，存在低速區(qū)和滯止區(qū)，肥液中的細(xì)小顆粒有一定概率在此處沉積造成灌水器堵塞；而在過(guò)渡區(qū)，由于水流流速較慢，肥液中顆粒碰撞概率較低，不易彼此黏結(jié)絮凝形成較大顆粒，其與壁面間的黏附能相對(duì)于其本身的動(dòng)能來(lái)說(shuō)較大，因而顆粒容易在碰撞后失去其全部的動(dòng)能從而黏附在壁面上[31]，造成流道堵塞；另外在流道首部和流道尾部處，存在有多個(gè)低速漩渦，顆粒在進(jìn)入到這些低速漩渦時(shí)，一方面由于漩渦內(nèi)速度低，一旦進(jìn)入很難被沖出，久而久之，就會(huì)因顆粒間的靠攏、碰撞結(jié)合形成大的絮凝物而堵塞流道[32]，另一方面，在灌溉結(jié)束后間隙期間，在漩渦處滯留的細(xì)小顆粒在重力作用下沉降，彼此結(jié)合形成較大的團(tuán)聚體依附在流道表面形成堵塞；而在流道中部處，存在較多速度為零的速度死區(qū)，使得肥液中的細(xì)小顆粒容易在此沉積造成灌水器堵塞。

圖7 灌水器流道內(nèi)速度矢量與流線圖

4 結(jié) 論

1）5 g/L的磷酸二銨肥料加速灌水器堵塞的效果明顯。升高溫度可以提高平均相對(duì)流量，且在低壓條件下提高的程度比在常壓條件下大；隨著溫度的提高，平均相對(duì)流量的下降速率有所減慢，且在低壓條件下下降速率減緩的幅度比在常壓條件下大。

2）溫度對(duì)灌水器中堵塞物質(zhì)的組成成分影響不明顯，其主要為磷酸鹽，堵塞機(jī)制為磷肥吸附作用形成絮凝物的物理堵塞與離子置換形成沉淀的化學(xué)堵塞的耦合。溫度升高，堵塞物質(zhì)中吸附的細(xì)小顆粒減少，絮凝現(xiàn)象減弱，且磷酸鹽量有所減少。壓力并不影響堵塞物質(zhì)的微觀形貌，但在常壓條件下會(huì)使堵塞物質(zhì)中磷酸鹽量增加。

3）提高溫度并不影響灌水器堵塞位置的分布。灌水器中堵塞物質(zhì)位于柵格入口、過(guò)渡區(qū)、流道首部、流道中部和流道尾部的比例分別為9.92%、29.75%、22.31%、15.7%和22.31%，主要集中在過(guò)渡區(qū)、流道首部和流道尾部，因此建議對(duì)過(guò)渡區(qū)、流道首部和流道尾部3個(gè)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，緩解灌水器堵塞。

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The Combined Effect of Temperature and Pressure on Emitter Clogging in Integrated Drip Fertigation System

HE Kun1,2, WEI Zhengying1,2*, CHEN Xueli1,2, JIA Weibing1,2, WEI Caixiang1,2

(1.School of Mechanical Engineering, State Key Lab for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Shaanxi Pengyun Machinery Automation Technology Co. LTD, Xi’an 710038, China)

【Background and objective】Water-fertilizer integrated drip irrigation has advantages over traditional methods, including even fertilization, saving water and fertilizer, and precise control. However, emitter clogging is a problem limiting its widespread use. While emitter clogging is affected by various factors, the role of irrigation water temperature is poorly understood. This paper is to investigate the combined impact of temperature and working pressure on emitter blockage in a water-fertilizer integrated irrigation system.【Method】We used the plain channel emitter; the short-cycle intermittent irrigation clogging tests were conducted under temperature ranging from 15 to 30 ℃, and working pressures at 50 kPa (low) an 100 kPa (normal). Ammonium phosphates were used as the fertilizer and tap water as the irrigation water. Average water flow in the emitter was monitored; at the end of the experiment, the geometrical structure and composition of the clogging materials were analyzed using SEM; the blocking position in the emitter was also measured.【Result】Ammonium phosphate had a significant effect on clogging; irrigation reduced the average relative flow in the emitter by 15.03%～34.02%. Temperature rise increased the average relative flow, and the increase under the low pressure was greater than under the normal pressure. Irrigation increased the average relative flow by 18.55% under low pressure and 14.88% under normal pressure. The temperature did not affect the main components of the clogging material. The mechanisms underlying the blockage involve physical blockage by flocculation and replacement of ions in formation of the flocculation. However, increasing temperature weakened the flocculation and reduced surficial complexity of the blockage materials. In the emitter, the blockage was mainly located at the transition zone, the channel head, and the tail of the channel, which accounted for 29.75%, 22.31%, and 22.31% of the blockage, respectively. Changing temperature did not affect the blockage location. Therefore, it is recommended to optimize the structure of the transition zone, the channel head, and the tail of the channel to alleviate the blockage.【Conclusion】Increasing temperature can reduce flocculation thereby alleviating emitter blockage to some extent, regardless of working pressure.

temperature; fertilization; irrigation; emitter; blockage

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S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022169

1672 - 3317（2023）03 - 0074 - 08

2022-03-30

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022ZDLNY03-032）

何坤（1998-），男。碩士研究生，主要從事灌水器流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。E-mail: hekunhk@stu.xjtu.edu.cn

魏正英（1967-），女。教授，主要從事微流體器件設(shè)計(jì)與制造研究。E-mail: zywei@mail.xjtu.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍