土壤層狀質(zhì)地對(duì)小流量地下滴灌灌水器特性的影響

以運(yùn)行2年的日光溫室番茄地下滴灌系統(tǒng)為對(duì)象,通過(guò)對(duì)灌水器流量進(jìn)行測(cè)試,分析了滴灌帶埋深、施肥次數(shù)、施肥量和土壤層狀結(jié)構(gòu)等對(duì)灌水器堵塞程度及灌水均勻性的影響。滴灌系統(tǒng)包括滴灌帶埋深為0、15和30cm的33個(gè)小區(qū),2年累計(jì)施肥次數(shù)的變化范圍為0~19,累計(jì)施尿素量變化范圍為0~1023kg/hm2。結(jié)果表明,運(yùn)行2年后地表和地下滴灌灌水器發(fā)生了輕微堵塞,其中流量降低超過(guò)25%的灌水器占2.7%,完全堵塞的灌水器占2.1%;施肥次數(shù)、施肥量和土壤層狀結(jié)構(gòu)對(duì)堵塞的發(fā)生沒(méi)有明顯影響,地表滴灌比地下滴灌堵塞略為嚴(yán)重;未發(fā)現(xiàn)根系入侵造成的灌水器堵塞。對(duì)發(fā)生堵塞灌水器在系統(tǒng)中的位置進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn),大部分堵塞灌水器位于毛管的最末端。為了定量評(píng)價(jià)灌水器堵塞程度對(duì)灌水均勻性的影響,建立了灌水器流量變差系數(shù)與流量降低百分?jǐn)?shù)之間的回歸關(guān)系,結(jié)果表明灌水器流量均勻系數(shù)隨堵塞引起的流量降低百分?jǐn)?shù)的增大而線性增大。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有滴灌灌水器類(lèi)型的分析及試驗(yàn)篩選,結(jié)果表明,內(nèi)鑲式滴灌管最適宜應(yīng)用于地下滴灌,在低壓運(yùn)行時(shí),孔口式滴頭在土壤中穩(wěn)定出流量為空氣中的3/5,基本可以滿足地下滴灌的要求;在較高供水壓力時(shí),所選取的幾種滴頭基本上都可以用于地下滴灌。通過(guò)對(duì)濕潤(rùn)鋒的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)出流量較大的滴頭,其濕潤(rùn)鋒向上運(yùn)移速度較快。因此,為防止地下滴灌產(chǎn)生深層滲漏,應(yīng)選取出流量較大的滴頭

針對(duì)最為節(jié)水、高效用水的地下滴灌技術(shù),主要分析了目前地下灌水器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、使用特點(diǎn)和功能,并運(yùn)用土-水系統(tǒng)中土壤水分理論知識(shí),提出并設(shè)計(jì)了一種非電子控制的地下滴灌灌水器產(chǎn)品。該產(chǎn)品以土壤負(fù)壓為控制動(dòng)力,以土壤水分為控制條件,當(dāng)灌水器附近土壤發(fā)生干濕變化時(shí),土壤表現(xiàn)出不同大小的負(fù)壓,并作用于灌水器內(nèi)部的彈性膜囊,使之發(fā)生變形,從而改變灌水器內(nèi)部流道的通斷,使灌水器的出流狀況始終與土壤含水量自動(dòng)相適應(yīng),具有出流量自調(diào)節(jié)的功能。

地下滴灌與地表滴灌的最大差異在于地下滴灌的灌水器出水口被土壤包圍,其出流受到土壤的限制。在室內(nèi)將灌水器埋入土槽中,模擬研究了灌水器類(lèi)型、自由出流時(shí)的流量、工作壓力、土壤初始含水率等因素,對(duì)地下滴灌條件下灌水器水力性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:灌水器埋入土壤后,流量是其自由出流時(shí)流量的1/2～1/4。方差分析表明,影響地下滴灌灌水器水力性能的主要因素是自由出流時(shí)的水力特性和土壤特性。針對(duì)測(cè)試土壤,建立了地下滴灌灌水器流量計(jì)算的修正關(guān)系式。

通過(guò)試驗(yàn),研究了灌水器類(lèi)型、流量、工作壓力和土壤初始含水量對(duì)地下滴灌灌水器出口正壓的影響規(guī)律。結(jié)果表明:灌水器埋入土壤后,其出流由于受土壤等因素的限制,在灌水器出口處產(chǎn)生了一定的正壓,該正壓隨著灌水歷時(shí)的延長(zhǎng)而增大。影響地埋灌水器出口正壓的主要因素是灌水器的額定流量和土壤初始含水量

為了研究灌水器流量變化規(guī)律,該文以灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為試驗(yàn)因素,用混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案。應(yīng)用研制的地下滴灌灌水器流量測(cè)試系統(tǒng),用稱(chēng)重法來(lái)獲得不同試驗(yàn)方案灌水器流量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了地下滴灌灌水器流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。分析表明:在工作壓力不變時(shí),灌水器流量在灌水初期略大,而后減小并趨于恒定,這個(gè)變化過(guò)程僅1～2min左右,可認(rèn)為灌水器流量是不變的;在同一壓力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌減小5%～20%,壓力越大,二者值越接近;影響地下滴灌灌水器流量的主要因素是灌水器工作壓力,而土壤容重和土壤初始含水率對(duì)灌水器流量影響較小。

壓力和流量的關(guān)系是地下滴灌灌水器最重要的水力要素之一,通過(guò)地下滴灌灌水器試驗(yàn)裝置,測(cè)量了流量和壓力關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:壓力不變情況下,地下滴灌灌水器流量是恒定的;地下滴灌灌水器流量對(duì)壓力變化的敏感程度高于地表滴灌。

利用femlab軟件可以用偏微分方程式描述各種數(shù)學(xué)、物理與工程問(wèn)題或者是多重物理量問(wèn)題,并可用有限元法對(duì)其進(jìn)行分析。為此,重點(diǎn)介紹了該軟件的基本原理與應(yīng)用方法,包括圖形繪制、網(wǎng)格生成、解答器等過(guò)程,以及它在滴灌設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用。通過(guò)該軟件的使用大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度,降低了制造成本。

為了研究滴頭工作壓力和土壤物理特性對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響,采用分形理論分析各種級(jí)配土壤的分形特征;以土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)、灌水器工作壓力、土壤容積密度、土壤初始含水率為試驗(yàn)因素,運(yùn)用混合水平均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明,粘粒含量大小是土壤分形維數(shù)的主要影響因素,土壤分形維數(shù)隨著粘粒含量的增加而增大;plassim公司地下滴灌灌水器流量隨土壤分形維數(shù)的增大而減小,即土壤質(zhì)地越細(xì)地下滴灌滴頭流量就越小;通過(guò)試驗(yàn)所建立的包含有土壤分形維數(shù)因素的地下滴灌灌水器流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的普適性較高。

分別選取灌水器工作壓力、土壤容重和土壤初始含水率為因素,采取混合水平均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn),對(duì)各因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)、回歸和通徑分析,利用通徑系數(shù)直接評(píng)價(jià)和比較各試驗(yàn)因素對(duì)地下滴灌灌水器流量的影響程度。結(jié)果表明:工作壓力對(duì)灌水器流量的直接通徑系數(shù)最大,土壤初始含水率和土壤容重通過(guò)工作壓力對(duì)灌水器流量的間接通徑系數(shù)次之,其它直接或間接通徑系數(shù)很小,剩余通徑系數(shù)較小。這說(shuō)明試驗(yàn)所選的三個(gè)因素可反映地下滴灌灌水器水力要素之間的關(guān)系,其中地下滴灌中工作壓力是決定灌水器流量的主要因素,土壤初始含水率和土壤容重通過(guò)工作壓力對(duì)灌水器流量的作用不可忽略。

在室內(nèi)將3種類(lèi)型的灌水器置于自制水槽中,進(jìn)行了灌水器的淹沒(méi)出流試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:灌水器在淹沒(méi)出流時(shí)的出流規(guī)律與自由出流相同,但淹沒(méi)時(shí)的流量略小于對(duì)應(yīng)壓力下自由出流的流量,其流量變化率多在10%以內(nèi);相比之下,低壓時(shí)流量變化率比高壓時(shí)大,即在灌水器額定工作壓力(10m)附近,淹沒(méi)出流對(duì)其影響較小。統(tǒng)計(jì)特征表明,灌水器淹沒(méi)后出流更加均勻。不同灌水器類(lèi)型對(duì)淹沒(méi)與否的敏感程度有所差異,微管灌水器最為明顯,其次是內(nèi)鑲式,補(bǔ)償式變化很小。升降壓過(guò)程中,降壓過(guò)程的淹沒(méi)出流對(duì)灌水器的流量變化率均小于升壓過(guò)程。

降低滴灌系統(tǒng)灌水器工作壓力有望成為減少滴灌系統(tǒng)能耗以及運(yùn)行費(fèi)用的一種有效途徑,但目前低壓灌水器還十分少見(jiàn)?；诖?選取了國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的5種典型迷宮流道灌水器,分析了不同工作壓力區(qū)間對(duì)灌水器水力性能及消能特征的影響。結(jié)果表明:5種灌水器在低壓條件下運(yùn)行對(duì)于灌水器流量系數(shù)kd和流態(tài)指數(shù)x具有一定影響,但對(duì)于流態(tài)指數(shù)x的影響未達(dá)顯著水平。同一流道類(lèi)型的灌水器流量系數(shù)kd與無(wú)量綱數(shù)a/l2呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系,不同流道類(lèi)型之間差異顯著。5種灌水器流道內(nèi)流態(tài)為紊流,未發(fā)生流態(tài)轉(zhuǎn)捩行為,采用常規(guī)管道流態(tài)轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)2200去判斷流道內(nèi)流態(tài)是不合適的。

滴灌雙向流流道是一種新型滴灌灌水器流道。為了研究流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水力特性的影響,分別以流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),取流道的9個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為因素,采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,安排了12組試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)用多元回歸計(jì)算方法,分別建立了流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)與9個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的量化關(guān)系式,其相關(guān)系數(shù)分別為0.999和0.998,同時(shí)還用另外一組結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)方案驗(yàn)證了建立的量化關(guān)系式。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,9個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響均較顯著,而v字形擋水件的張角α對(duì)其影響最大;出口寬度a、八字形分水件張角β對(duì)流量系數(shù)的影響較顯著,而出口寬度a對(duì)其影響最大,為雙向流流道的設(shè)計(jì)提供了參考。初步研究表明雙向流流道的流態(tài)指數(shù)在0.40~0.47之間,其水力性能優(yōu)良,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有一定應(yīng)用前景。

微灌灌水器-微噴頭

針對(duì)涌泉根灌灌水原理,提出了一種新型的螺紋式涌泉根灌灌水器,并運(yùn)用pro/e三維造型、cfd數(shù)值模擬、快速成形及試驗(yàn)驗(yàn)證等方法對(duì)該新型灌水器的水力性能進(jìn)行了研究,得到了不同長(zhǎng)度流道的壓力流量關(guān)系曲線和內(nèi)部壓力、速度分布圖。結(jié)果表明,該流道水力性能良好,流態(tài)指數(shù)約為0.5,處于紊流狀態(tài),消能形式以局部水頭損失為主,試驗(yàn)驗(yàn)證得出的水力特征曲線與數(shù)值分析得出的水力特征曲線基本吻合,該研究結(jié)果為涌泉根灌產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。

微灌灌水器-噴頭SLT67.3-94

為探明細(xì)小泥沙粒徑對(duì)迷宮流道灌水器抗堵塞性能的影響,該文以內(nèi)鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器為研究對(duì)象,應(yīng)用類(lèi)短周期堵塞測(cè)驗(yàn)方法對(duì)8種粒徑小于0.1mm的泥沙顆粒進(jìn)行渾水測(cè)試。在此基礎(chǔ)上,分析了泥沙粒徑和含沙量對(duì)灌水器堵塞的影響,探討引起灌水器發(fā)生堵塞時(shí)的敏感粒徑范圍與含沙量水平。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于粒徑小于0.1mm的細(xì)小顆粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,當(dāng)渾水含沙量水平大于1.25g/l時(shí),影響尤其顯著,呈正相關(guān)關(guān)系;粒徑對(duì)堵塞的影響并不是單調(diào)的遞增或遞減,堵塞發(fā)生的敏感粒徑范圍在0.03～0.04mm之間。試驗(yàn)結(jié)果有助于進(jìn)一步提高含沙水源滴灌的應(yīng)用水平。

對(duì)4種不同滴灌管(帶)在含沙水滴灌條件下灌水器的出流量變化及淤積堵塞情況進(jìn)行了田間試驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)多次灌水試驗(yàn),結(jié)果表明,4種滴灌管(帶)灌水器出流量均隨灌水次數(shù)的增加和距離毛管進(jìn)水口長(zhǎng)度的增加呈減小趨勢(shì),最后完全堵塞的灌水器均發(fā)生在毛管的末端;在相同水質(zhì)和灌水壓力下,大流量灌水器抗堵塞性能較好,即大流道灌水器的抗堵塞性能優(yōu)于小流道灌水器;隨著灌水次數(shù)的增加在滴灌管(帶)的管腔內(nèi)有細(xì)小泥沙淤積,小流量滴灌管(帶)在70～80m處泥沙淤積量驟然增加,大流量滴灌管(帶)在80～90m處驟然增加,管內(nèi)泥沙的沉積大大增加了灌水器的堵塞幾率,因此定期對(duì)滴灌帶進(jìn)行沖洗可以有效減小堵塞。

通過(guò)設(shè)置灌溉量和滴灌管埋深的二因素三水平田間小區(qū)試驗(yàn),研究灌溉量和滴灌管埋深對(duì)無(wú)膜地下滴灌棉花產(chǎn)量的影響,以明確在無(wú)膜條件下地下滴灌棉田灌溉量和滴灌管埋深的最優(yōu)指標(biāo)。結(jié)果表明,無(wú)膜灌溉量為4200m3/hm2,滴灌管埋深5cm時(shí),產(chǎn)量最高,為最佳無(wú)膜覆蓋滴灌量和滴灌管埋深設(shè)置,當(dāng)灌溉量較低時(shí),滴灌管要深埋,反之,則要淺埋。僅從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看棉花種植采用地膜覆蓋更好,但無(wú)膜覆蓋具有較好的社會(huì)效益和生態(tài)效益。

為提高圓柱灌水器流量設(shè)計(jì)精度及滴灌系統(tǒng)的均勻度,以7種圓柱灌水器和4種壁厚組成的25種滴灌管作為研究對(duì)象,利用精密微小物體三維掃描儀mcs-60型測(cè)量灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù),并采用自動(dòng)化程度較高的灌水器水力性能測(cè)試平臺(tái)測(cè)試此25種滴灌管,得出其流量壓力曲線關(guān)系、流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明,使用不同聚乙烯(pe)管厚度對(duì)同一灌水器的流量確實(shí)產(chǎn)生影響,其最大影響率能達(dá)到20%;不同的pe管壁厚對(duì)流量系數(shù)影響較大,但對(duì)流態(tài)指數(shù)影響較小;灌水器流道寬度也是造成不同pe管壁厚對(duì)灌水器出流的因素,流道越寬,對(duì)灌水器出流影響越大。

為分析迷宮灌水器流道內(nèi)水流流態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù),該文對(duì)5種流道尺寸的模型中水流流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)與分析,并進(jìn)一步分析了迷宮流道內(nèi)水流水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系以及相應(yīng)斷面尺寸直流道內(nèi)水流沿程水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系。結(jié)果表明:迷宮灌水器不斷轉(zhuǎn)折的流道對(duì)水流有很大的干擾,可以使其中水流在雷諾數(shù)為41.5時(shí)就失去穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡區(qū);迷宮流道進(jìn)口段單元中可能出現(xiàn)層流,出現(xiàn)層流的單元數(shù)占總單元數(shù)的10%～12%。從整體來(lái)看,可認(rèn)為迷宮灌水器中水流流態(tài)為紊流或過(guò)渡區(qū);與經(jīng)典雷諾試驗(yàn)結(jié)果不同,迷宮流道中水流水頭損失與斷面平均流速的2.0～2.5次方成比例;迷宮灌水器的流態(tài)指數(shù)可達(dá)到0.4～0.5;該試驗(yàn)迷宮流道中水流過(guò)渡區(qū)與紊流區(qū)相互轉(zhuǎn)換的臨界雷諾數(shù)為87.5～125.0。

足墑條件下冬小麥播種時(shí)200cm土體總貯水量為619.6mm,有效貯水量為329.5mm。冬小麥播種～拔節(jié)期主要消耗0～100cm土層內(nèi)土壤有效貯水;由于有效貯水能滿足作物需水,因此拔節(jié)期不出現(xiàn)土壤水分虧缺。拔節(jié)～開(kāi)花期對(duì)照(ck)耗水深度為200cm土層,起身期灌1水(ⅰ-1)處理為160cm,其他處理為130cm;至開(kāi)花期ck和ⅰ-1處理0～60cm土層內(nèi)已呈現(xiàn)一定程度的水分虧缺。開(kāi)花～成熟期各處理200cm土體內(nèi)土壤有效水含量均呈不同程度下降,但主要供水層為0～130cm土層;冬小麥成熟期除春后起身～孕穗～灌漿期(ⅲ-1)、拔節(jié)～開(kāi)花～灌漿期(ⅲ-2)灌3水和起身～拔節(jié)～開(kāi)花～灌漿期(ⅳ)灌4水處理外,大部分處理0～80cm或0～60cm土層內(nèi)均呈明顯的水分虧缺。隨灌水次數(shù)或灌水量的增加,土壤貯水利用率呈明顯下降趨勢(shì)。