文章編號：1007—4929(2007)02—0054—04 

高灌水均勻度防堵塞內(nèi)鑲貼片式

地下灌水器設(shè)計研制及試驗研究

王 棟

(甘肅大禹節(jié)水股份有限公司，甘肅酒泉735000)

摘要：從制約地下滴灌技術(shù)發(fā)展的地下灌水器(滴頭)灌水均勻度差、滴頭容易堵塞等問題出發(fā)，立足于地下滴灌急需解決的理論和技術(shù)問題，以減小滴頭堵塞率為目標(biāo)，以滿足灌水均勻度為前提，以確定滴頭設(shè)計工作壓力為突破口，以滴頭優(yōu)化設(shè)計為手段，從地下灌水器灌水均勻度設(shè)計指標(biāo)、滴頭設(shè)計工作壓力取值和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計3個方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究試驗，最終達(dá)到完善地下滴灌灌水器設(shè)計理論、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、提高地下滴灌適用性的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：地下滴灌；灌水器；流道

中圖分類號：S277.9+5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引 言

地下滴灌(Subsurface Drip Irrigation，簡稱SDI技術(shù))是微灌技術(shù)的典型應(yīng)用形式之一，它是指水通過地埋毛管上的灌水器緩慢出流，滲入附近土壤，再借助毛細(xì)管作用或重力作用將水分?jǐn)U散到整個根層供作物吸收利用。由于灌水過程中對土壤結(jié)構(gòu)擾動較小，有利于保持作物根層疏松通透的環(huán)境條件，并可減少土面蒸發(fā)損失，故地下滴灌技術(shù)具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效益。此外，田間輸水系統(tǒng)地埋后便于農(nóng)田耕作和作物栽培管

理，且地埋后管材抗老化性能增強，不易丟失或人為損壞。1920年，美國加利福尼亞州的Charle申請了一個多孔灌溉瓦罐的技術(shù)專利，被認(rèn)為是世界上最早的SDI技術(shù)。這種地下滴灌系統(tǒng)運行于低水頭下，對水質(zhì)和過濾設(shè)備要求較低，應(yīng)用中面臨的主要問題是供水均勻性差，滴孔易堵塞。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，伴隨著科技進(jìn)步與發(fā)展，地面滴灌設(shè)備無論是在滴頭類型還是毛管性能方面均得到較大改善，但對地下滴灌系統(tǒng)，灌水均勻性差、出水孔易堵塞等問題依舊存在，地下滴灌技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地面滴灌技術(shù)。從20世紀(jì)80年代至今，有關(guān)地下滴灌技術(shù)及其應(yīng)用的研究主要集中在改進(jìn)灌水器質(zhì)量、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)、研制過濾器和施肥裝置等方面。與此相關(guān)的大量研究成果陸續(xù)涌現(xiàn)，意味著地下滴灌技術(shù)開始步入成熟階段。我國自1974年從墨西哥引入滴灌設(shè)備至今，地下滴灌技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備開發(fā)已取得長足的進(jìn)展。2002年，耐特菲姆公司首次在新疆兵團(tuán)進(jìn)行了333.3 hm2試驗示范，至今示范推廣的面積已近0.47萬hm2，這對推動我國節(jié)水灌溉的發(fā)展有著十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外使用的地下滴灌設(shè)備均來自地面滴灌系統(tǒng)，滴頭常采用內(nèi)鑲式或帶有補償性能的滴頭直接地埋后用于灌溉。但世界各地通過大規(guī)模的田間試驗發(fā)現(xiàn)地下滴灌存在諸多問題，如灌水均勻性差，滴頭容易堵塞，作物根系有可能穿破毛管，系統(tǒng)維護(hù)困難等問題依然存在，也因此導(dǎo)致了地下滴灌技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地面灌溉。由于停止供水時常在地下滴灌系統(tǒng)的管網(wǎng)中產(chǎn)生負(fù)壓，造成毛管出水孔周圍的土壤細(xì)顆粒被吸入滴頭，引起滴頭堵塞。這已成為地下滴灌系統(tǒng)發(fā)展和推廣應(yīng)用中的一個瓶頸問題。為解決滴頭負(fù)壓堵塞問題，國外最先采用的方法是在系統(tǒng)主干管的最高點處安裝真空破壞裝置，借此消除管網(wǎng)內(nèi)負(fù)壓帶來的不利影響。這種技術(shù)可以消除管網(wǎng)內(nèi)的負(fù)壓，減少負(fù)壓現(xiàn)象的堵塞，但不能防止固體微小顆粒的進(jìn)入和植物根部的進(jìn)入，滴頭還是會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，這種技術(shù)在推廣應(yīng)用中的抗堵塞性能不太明顯。此后，在我國國內(nèi)又有人發(fā)明了通過對內(nèi)鑲式滴頭采用外包無紡布處理地埋，在供水停止后，由于無紡布的微孔具有良好的透氣透水功能及過濾功能，防止了固體微小顆粒進(jìn)入滴頭，同時又可以防止由于植物根系的向水性堵塞滴頭，從而具有很好的防負(fù)壓抗堵塞功能，防負(fù)壓堵塞及提高均勻度方面都取得一定效果。但是外包濾料的成形工藝復(fù)雜和成本較高等問題，加大了系統(tǒng)投資成本。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)又不能很好的解決管道灌水系統(tǒng)內(nèi)部固體顆粒物的沉積堵塞，因此這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計在推廣應(yīng)用中受到一定的局限。

本文從制約地下滴灌發(fā)展的灌水均勻性差，滴頭容易堵塞等主要問題出發(fā)，立足于地下滴灌急需解決的理論和技術(shù)問題，以提高地下灌水器(滴頭)堵塞率滿足灌水均勻度為前提目標(biāo)，以確定滴灌設(shè)計工作壓力為突破口，以地下灌水器流道優(yōu)化設(shè)計為手段，從地下灌水器灌水均勻度設(shè)計指標(biāo)、設(shè)計工作壓力取值和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計3個方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究試驗，試圖通過試驗研究，進(jìn)一步完善地下滴灌灌水器設(shè)計理論，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，研制出一種既可防止負(fù)壓堵塞、又具有較佳壓力補償性能、滴水均勻的內(nèi)鑲貼片式地下灌水器，以推動地下滴灌技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

 

1 影響地下灌水器抗堵塞率、灌水均勻度的因素分析

 

1．1 土壤及其作物根系對地下灌水器抗堵塞性能和灌水均勻度的影響

 

地下滴灌系統(tǒng)埋設(shè)于地下，不能直接觀測每個灌水器的出流狀況，因此對系統(tǒng)運行的評價和均勻度測定要求很高，地下滴灌的均勻性灌溉不僅受每個灌水器的工作壓力均勻性、溫度差異和滴頭制造偏差的影響，而且由于灌水器出口直接與土壤接觸，受土壤(質(zhì)地、密實度、導(dǎo)水性能)的影響較大。

(1)地下灌水器埋設(shè)于地下，出水口被土壤包圍，當(dāng)灌溉管道停水后，毛管中產(chǎn)生的負(fù)壓能夠?qū)⑼寥乐凶杂晌⑿☆w粒吸入灌水器的微孔，發(fā)生負(fù)壓吸泥現(xiàn)象而堵塞滴頭。

(2)由于地下灌水器埋設(shè)于作物的根部，植物根的向水性生長，會使作物的毛根進(jìn)入地下灌水器的滴水孔，造成堵塞。

 

1．2 灌水器流道對地下灌水器抗堵塞性能和灌水均勻度的影響

 

由于傳統(tǒng)的紊流流道多設(shè)計為“鋸齒形”或“梯形”結(jié)構(gòu)，直線與直線的交點便構(gòu)成了一個死角，當(dāng)水流經(jīng)過紊流流道后，水速減慢，水中還未濾凈的固體小顆粒、細(xì)小毛狀物(水中的線狀纖維)及化學(xué)微粒(鐵、錳離子)極易附著在流道壁及死角處，形成栓柱核，這些微小顆�；ハ嘟Y(jié)合，發(fā)育成栓柱狀的泥團(tuán)，最后導(dǎo)致堵塞流道，使滴頭失去紊流功能，導(dǎo)致堵塞。地下滴灌的灌水器易堵塞也是造成灌水不均勻的一個重要因素。

 

2 設(shè)計架構(gòu)

 

2．1 設(shè)計依據(jù)

 

(1)地下灌水器的基本工作原理。水在土壤中多以液態(tài)形式密集流動或以氣態(tài)形式進(jìn)行擴(kuò)散�？刂仆寥浪�運動的作用力主要是土壤的毛細(xì)管作用力，該作用力在各個方向上都相等。當(dāng)土壤濕潤后，毛細(xì)管作用力減小；在土壤干燥時，毛細(xì)管作用力遠(yuǎn)大于重力，所以水就在各個方向上均勻流動，包括向上流動。當(dāng)土壤越來越濕潤時，土壤的孔隙飽和，毛管力變?nèi)酰�重力就超過了毛細(xì)管作用力，從而使水分向下流動。所以地下

灌水器工作的基本原理就是利用毛細(xì)管作用力來控制水分的運動，從而在作物根系區(qū)周圍形成一個很小范圍的水分空間，根據(jù)土壤的濕潤程度形成作物根區(qū)所需的水分和養(yǎng)分。

(2)根據(jù)達(dá)西——魏斯巴赫沿程水頭損失公式。流體的二次流動以及軸向速度沿周向速度不均勻而導(dǎo)致流體機械能損失，流量指數(shù)下降，其局部水頭損失是該滴頭能量損失的主要形式�？梢哉J(rèn)為局部水頭損失是由較強的雷諾切應(yīng)力、離心力、流體內(nèi)外摩擦損失和收縮水流反彈損失等多種因素造成。收縮水流損失仍然是由渦流(二次流)和流速分布改組引起的。通過水頭流量的沿程損失，滴頭流量實現(xiàn)相對穩(wěn)定，形成均勻

的水滴。

(3)通過地下滴灌灌水器在不同工作壓力和對應(yīng)的流量分析，并與地表滴灌比較，得出地下滴灌條件下，灌水器的流量計算，可采用以下修正關(guān)系式：

 

qs=q/ksoil

 

式中：qs為地下滴灌灌水器的流量，L/h；q為灌水器自由出流時的流量，L/h；k 為地下滴灌灌水器的流量修正系數(shù)。地下滴灌灌水器的流量修正系數(shù)k 主要與土壤因素有關(guān)，試驗土壤的流量修正系數(shù)為2.O～4.0，對于微管灌水器，其流量修正系數(shù)為3.75～3.85。

 

2．2 流道結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

 

(1)增加滴頭進(jìn)水區(qū)過濾孔的數(shù)量和增大過濾孔的目數(shù)，在減少微小顆粒物、細(xì)小毛狀物進(jìn)入灌水器，提高滴頭內(nèi)部的抗堵塞性能的基礎(chǔ)上，制定滴水元件出水量與舌片大小的優(yōu)化組合，在地下滴灌管及灌水器上設(shè)計“舌臺與舌片相結(jié)合抗堵塞”結(jié)構(gòu)，提高滴頭外部的抗堵塞性能。①滴頭進(jìn)水口處的壓力為零或產(chǎn)生負(fù)壓時，流道能靈敏地自動關(guān)閉，舌片能及時自動貼附于舌臺上，流道關(guān)閉，處于非工作狀態(tài)，防止吸入土壤微小顆粒物，植物根系無法侵入；② 滴頭進(jìn)水口處的壓力大于某個固定值時，舌片自動彈開，流道自動打開，水流順利通過；③滴頭進(jìn)水口處的壓力處于變化時，流線型紊流流道能自動調(diào)節(jié)流量，保持滴水的均勻性。

(2)依據(jù)達(dá)西——魏斯巴赫沿程水頭損失理論和地下灌水器的工作原理，根據(jù)分級消能的紊流流道工作原理，開發(fā)與設(shè)計流線型紊流流道，修正生產(chǎn)制造內(nèi)鑲貼片地下灌水器流線型紊流流道模具參數(shù)。通過在地下灌水器內(nèi)部設(shè)計有流線型紊流流道的紊流消能作用，使水頭流量沿程損失，能量減少，流速平緩，實現(xiàn)滴頭流量相對穩(wěn)定，形成均勻的水滴，以提高地下灌水器的滴水均勻度。并采用流線形流齒，消除滴頭內(nèi)紊流流道的水流死角，減少栓柱核的成形機率，以提高滴頭內(nèi)部的抗堵塞性能。

(3)調(diào)整滴頭生產(chǎn)工藝配方中的材料組合。通過在滴頭材料普通聚乙烯中，選取加入適量的硬脂酸，起到潤滑和易于脫膜的作用，提高滴頭流道及流道內(nèi)壁的光潔度、光滑性，減少微粒及毛狀物在滴頭內(nèi)附著的機率，消除由于滴頭與模具在脫模過程中互相黏結(jié)而造成的滴頭不光滑，提高滴頭內(nèi)部的抗堵塞性能。配套滴灌管由高密度線性聚乙烯、低密度線性聚乙烯和聚氯乙烯按一定的配方構(gòu)成。

 

3 產(chǎn)品的研制

 

參照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗方法》(GB／T17188—1997)和《微灌工程技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)指標(biāo)設(shè)計并制造。專用滴頭采用高溫下模具一次性注塑成型。模具生產(chǎn)的主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)達(dá)到：表面粗糙度Ra為0．8，滴頭制造偏差小于1 ，滴頭流量偏差系數(shù)小于4G，流線型紊流流道的結(jié)點處倒角R大于0.2 mm，加工精度達(dá)0.01mm，模具材料采用優(yōu)質(zhì)模具鋼NAK80。滴灌管上舌片的開設(shè)通過專用刀具的切人力度，完成舌片定點打孔的工藝要求，保證舌片的大小尺寸和形狀，在生產(chǎn)線上一次完成。

 

4 試驗概況

 

4.1 水力學(xué)性能實驗

 

(1)流量關(guān)系檢測。隨機抽取25個供試樣品，完成滴頭流量的均勻性測試。測定中，首先調(diào)節(jié)滴頭人口處的水壓至150kPa，然后每保壓3min卸壓1min，如此反復(fù)3次；隨后再調(diào)節(jié)滴頭人口的壓力至50kPa，保壓3min后卸壓1min，反復(fù)3次；最后調(diào)節(jié)水壓至100kPa，保壓60min，分別測量25個滴頭在2min內(nèi)的出水量。重復(fù)以上測定過程，使兩次測得的水量之差不大于2%，取其平均值計算各試樣的流量，使滴頭的平均流量q=3.93L/h，流量偏差系數(shù)Cv=4.4%，流量均勻度符合國標(biāo)規(guī)定[3．4]，其中在100 kPa壓力下測定的滴頭出流情況參見圖1。

(2)抗負(fù)壓防堵塞性能測試。滴頭抗負(fù)壓堵塞性能利用如圖3(a)所示的負(fù)壓吸引器，完成對滴頭抗負(fù)壓堵塞性能的室內(nèi)測試工作。該設(shè)備可對供試滴頭施加0～-80 kPa范圍內(nèi)的任何負(fù)壓。實測中隨機抽取25個滴頭的樣品，并逐一與負(fù)壓吸引器的測試口連接，通過真空泵分級產(chǎn)生-20、-40、-60和-80 kPa的測試壓力，相應(yīng)完成不同壓力下的滴頭抗負(fù)壓測定工作。當(dāng)達(dá)到每個測試負(fù)壓值后，進(jìn)行保壓試驗，每隔5min觀測一次真空表讀數(shù)的變化情況，持續(xù)時間40min。測試結(jié)果表明，所有滴頭試樣在規(guī)定的測試時間范圍內(nèi)，真空表的讀數(shù)均保持在穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3(b)。開發(fā)的內(nèi)鑲貼片地下灌水器的獨特結(jié)構(gòu)舌片及舌臺結(jié)構(gòu)，保證了其在負(fù)壓條件下工作時，沒有空氣能夠從滴頭的出水孔處進(jìn)人流道，這就意味著滴頭四周的土壤細(xì)顆粒無法被吸人流道，滴頭具備了良好的防負(fù)壓堵塞性能。

(3)滴頭實際流出量。在試驗田中，分別設(shè)計單行毛管直線布置和單行毛管環(huán)形布置2種情況。田問灌水均勻度通過對植物生長期內(nèi)的3次灌水過程后的土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測，在兩種毛管滴頭布置形式下分別觀測灌后12 h和24 h后的土壤含水率分布情況。在以植株為中心的1 m半徑范圍內(nèi)，按均勻分布的采樣原則隨機布設(shè)測點2O個，獲得的土壤含水率值用來計算該范圍內(nèi)的灌水均勻度。對每種毛管滴頭布設(shè)形式而言，各次灌水時，沿隨機選擇的某單支毛管上前后均勻地確定出6個出水點，分別計算每個點范圍內(nèi)的灌水均勻度，并根據(jù)這6個數(shù)據(jù)的均值給出該毛管的灌水均勻度，用來評價每種埋設(shè)形式下的田間灌水均勻度。表1說明整個地下滴灌系統(tǒng)的工作性能是穩(wěn)定的，具備較高的系統(tǒng)灌水均勻性。表2給出根據(jù)實測的田間土壤含水率計算的地下滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度。對任一毛管滴頭的埋設(shè)類型來說，都能獲得較為滿意的灌水均勻性，且隨著灌后時間的延續(xù)，灌水均勻度仍能繼續(xù)得到改善。

 

表1 田間實測的地下滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度

 

灌水時間/ （月-日）	單行直線毛管布置		單行環(huán)狀毛管布置
	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

 

室內(nèi)測試地下滴灌專用滴頭的流量時，在一定工作壓力范圍內(nèi)滴頭的出流量是個定值。而當(dāng)?shù)晤^埋人地下時，受管壁周圍土壤壓力作用和土壤導(dǎo)水性能的制約，滴頭出流量有可能發(fā)生變化。在葡萄生長期內(nèi)的3次灌水過程中，對每種毛管滴頭的埋設(shè)形式，分別單獨選擇一根固定的毛管測定滴頭流量，觀察滴頭出流量的變化范圍及趨勢。每次測定過程中，記錄灌水歷時和水表讀數(shù)，然后采用下式計算滴頭的平均流量：

 

q=Vnt                            (1)

 

式中：V為由水表計量的測試毛管的供水量，L；t為相應(yīng)的供水

時間，h；n為測試毛管上的滴頭數(shù)量(f線毛管和環(huán)狀毛管上的

滴頭數(shù)目分別為15個和63個)。

表2給出的田間實測結(jié)果說明，每種毛管滴頭埋設(shè)形式下測定的滴頭平均流量，在3次實測過程中都比較接近，且各自q值間的差距也較小。由于滴頭平均流量(3.81 L/h)與室內(nèi)測定的出流量(3.93 L/h)之間僅存在著很小的差異，因而滴頭地埋后并沒有對其出水量有明顯影響。考慮到示范園區(qū)的砂石土壤具有較強的透水性，入滲能力大于滴頭出水量，故在此類土壤條件下，滴頭流量的大小與其工作形式無關(guān)。

 

表2 田間實地測定的滴頭平均流量

 

 

 

4.2 性能檢測及指標(biāo)

 

(1)公稱直徑：滴灌管的外徑為16～20mm，壁厚為：0.4mm。滴灌管理論上設(shè)計使用壽命可以達(dá)到8～12年。

(2)額定壓力：滴水元件入口處的基準(zhǔn)壓力：最小工作壓力Pmin=100kPa，最大工作壓力Pmax=130 kPa，平地鋪設(shè)距離可達(dá)100 m。

(3)額定流量：在額定試驗壓力和水溫條件下，水的流量保持在1.2～4.0 L/h，達(dá)到國標(biāo)A類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

(4)高溫下耐撥拉實驗：在溫度為5O±2℃狀況下，滴灌管能承受180N的試驗壓力，沒有出現(xiàn)扯碎和拉裂，并且試驗后試樣的流量相對于試驗前測定的流量變化量在3.5 以內(nèi)。

(5)滴水元件的流量和入口壓力的關(guān)系：4個滴水元件在增壓過程中，每個滴水元件壓力值對應(yīng)的平均流量偏差沒有超過4.5%。

(6)滴水元件間距的范圍：滿足0.2～O.5 m，滴水元件的間距值偏差不大于5%。

(7)滴水元件紊流流道的參數(shù)：流線型紊流流道的長度偏差小于25±2 mm，截口面積偏差小于3%，流線型紊流流道實際尺寸與設(shè)計參數(shù)的偏差小于5%，完全達(dá)到生產(chǎn)制造工藝的要求。

 

4.3 應(yīng)用性能試驗

 

經(jīng)在甘肅、新疆地區(qū)6.67hm2的試驗推廣應(yīng)用(果樹、蔬菜和大田作物的比例分別占總數(shù)的78.3%、4.3% 和17.4%，大田作物是棉花和冬小麥)，大面積調(diào)查表明：產(chǎn)品具有良好的滴水均勻性，滴水元件基本沒有發(fā)生堵塞，與傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)相比，地下滴灌條件下的作物產(chǎn)量高于其他灌水方法下的相應(yīng)

值，而灌溉用水量則顯著小于后者，農(nóng)作物產(chǎn)量提高了2O%～3O%，省肥3O%～4O%，節(jié)水65%。產(chǎn)品具有較高的經(jīng)濟(jì)可行性：以棉花地下滴灌系統(tǒng)計算，每公頃投資約0.99～1.175萬元，投入強度低于采用固定式噴灌的投入，雖高于地面灌溉的投資，但其節(jié)水、擴(kuò)灌、增產(chǎn)效果非常明顯。同時，地下滴灌技

術(shù)不僅節(jié)水增產(chǎn)效果明顯，還可減少每年鋪設(shè)和回收等人工費用，具有節(jié)省勞力、能源等諸多優(yōu)點，此外還能有效地抑制雜草生長。對應(yīng)用地下滴灌的地塊在不使用除草劑條件下，田內(nèi)雜草生長程度明顯低于使用溝灌和噴灌方法并施用除草劑的地塊，對減少雜草生長，減少瓜果腐爛，提高作物品質(zhì)表現(xiàn)出良好的作用。

 

5 結(jié) 語

 

目前，該技術(shù)已形成現(xiàn)實生產(chǎn)力，技術(shù)成果經(jīng)甘肅省科技

廳鑒定，其綜合技術(shù)及性能指標(biāo)均居國內(nèi)領(lǐng)先，填補國內(nèi)空白，

獲得了國家專利，基本達(dá)到國外同類型產(chǎn)品的技術(shù)水平，具有

生產(chǎn)線速高、成本低的顯著特點，可替代同類進(jìn)口產(chǎn)品。本技

術(shù)產(chǎn)品的研制開發(fā)，對推動國內(nèi)地下滴灌技術(shù)的創(chuàng)新性革命，

實現(xiàn)地下灌水器生產(chǎn)的國產(chǎn)化，對全面發(fā)展節(jié)水灌溉有著重要

的意義。

 

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