低压地面滴灌水力特性研究进展

孙永胜,张新燕

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)

在国民经济和社会快速发展的同时,水资源短缺问题越来越引起人们的关注。我国是世界上13个贫水国之一,水资源的严重不足,严重制约着我国农业的可持续发展,因此,发展节水灌溉技术,提高农业生产力,已成为保证粮食安全,实现农业持续、快速、健康发展的关键所在。微灌技术作为目前用水效率较高的一种新型节水灌溉技术,它包括滴灌、微喷灌和涌泉灌等几种形式,由于其节水效果显著,适应性强等优点,在果树、蔬菜、花卉、苗圃灌溉中广泛应用[1],得到了快速发展,尤其是滴灌技术发展更为迅速。众多学者对其进行了不断深入的研究,也取得了一系列的丰硕成果,但是在更加注重节能、节水的理念不断深化的同时,低压或自压滴灌系统由于所需能量较小,投资较少而成为一种发展趋势,开展在低水头下的滴灌系统研究将成为今后一段时期研究的重点,而系统水力特性的研究则又是其中研究的难点和重点。因此,进行低压地面滴灌水力特性研究,不仅可以为滴灌系统的规划、设计提供一定的理论支撑,并将会对滴灌技术的进一步发展产生重要影响。

1 研究现状

1.1 低压滴灌技术发展

微灌是根据作物需水量,通过低压管道系统与安装在管道末端的灌水器连接,将作物生长所需的水分和养分以较小的流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中,因此,与常规灌水技术相比,属于局部灌溉,实现了节水目的,由于其所需工作压力低,因而更节能。滴灌是其中最典型也是研究最多的灌水技术。滴灌的最初发展阶段是地下灌溉,1860年在德国首次试验[2],20世纪20年代,德国首次应用穿孔管灌溉,被视为孔口式滴头的雏形,20世纪30年代出现利用帆布管的渗水灌溉[3];对滴灌技术的研究应用,以色列、韩国、美国、澳大利亚等国家的研究水平一直处于世界前列[4],1935年荷兰、英国首次将滴灌技术应用于温室中的花卉和蔬菜,20世纪50年代中期以色列研制成功长流道滴头,显著促进了滴灌技术的发展。我国自1974年从墨西哥引进滴灌技术,20世纪90年代初又从以色列引进滴灌关键工艺设备和技术,使我国滴灌技术整体发展水平上升至新的高度。近20年来滴灌技术在全世界范围内以平均每年33%的速度增长[5],在积极引进、消化吸收的同时,我国科研人员不断深化对滴灌系统理论和技术的研究。冯素珍[6]介绍了低水头滴灌系统及特点,通过试验和计算机数值模拟对其进行可行性分析,但仅考虑了低压下对灌水均匀度的影响;王伟等[7]提出一种低水头滴灌系统,并对系统的关键设备—首部控制塔、管材和灌水器进行了选型和研制,并与常规滴灌系统进行了静态投资的比较,节省投资效果明显;牛文全等[8]定义了低压滴灌系统的概念和原理,认为这是一种能量优化利用的经济型节能灌溉系统;此外,小型重力滴灌(或称低压滴灌、低水头滴灌)的提出很大程度上适应了温室大棚、山地果园、庭院作物、蔬菜等的发展[9-19],具有广阔的发展应用前景。

1.2 低压滴灌水力特性研究

第二次世界大战后,随着塑料工业的发展,塑料管由于其打孔容易,输水性能好等优点,开始广泛应用于灌溉系统中。对其水力特性的研究,主要反映在以下几方面:

1.2.1 灌水器水力性能研究

滴头是滴灌系统最关键的部件之一,被称为滴灌系统的心脏,滴头结构及其水力性能的优劣对滴灌系统的均匀性、抗堵性能、系统寿命影响很大,质量的好坏直接影响到灌水均匀度和整个系统运行的可靠性。在灌水器水力性能研究方面,王尚锦等[20-21]采用有限元法对滴头流道内部的流动进行了数值模拟,并根据数值计算得到了滴头流场分布,且研究了雷诺数对流场的影响;魏青松等[22-23]利用ANSYS软件对滴头流道内部的流速和压力分布进行了数值模拟;Zhang等[24]利用计算流体动力学(CFD)技术模拟和模型放大进行实验观测相结合的方法对弧形迷宫流道滴头进行了研究;王文娥等[25]、李永欣等[26]利用CFD技术分别对一种新型微压滴管带和迷宫流道滴头的水力特性进行了数值模拟,这些结果精度虽好,但都缺乏足够的实验验证;仵峰等[16]对内镶式、微管和补偿式三种灌水器的自由出流试验表明,在2～10 m压力范围内的出流规律与常规不尽相同,这与李云开等[27]、Li等[28]的研究结果较为一致,而且在升压和降压过程中,同一工作压力下对应的流量有所差异,但并没有指出引起这种差异的原因;刘焕芳等[29]对自压软管进行水力分析后提出了确定软管合理铺设长度的计算方法,与实践相比具有较好的一致性,可供规划设计时参考,但并没有提出最佳组合要素方案;洪明等[30]对内径20 mm,出水孔径0.6 mm的PE管进行低压水力性能试验后指出,不考虑滴灌管出水孔水流扰动影响,测试滴灌管内水流分为层流和紊流两种流态,但主要以层流为主,这与微灌工程技术规范[31]中光滑紊流的适用条件是不同的;洪明等[32]在0.25～5 m水头下对孔口式滴灌管出流规律试验研究指出滴灌管的出流均为紊流式出流,孔口流量随孔径增大而增大,增幅随管径增大而增大,但受制造偏差较大影响使得灌水均匀度变幅较大;Wei等[33]建立固液两相紊动模型,利用CFD模拟和实验验证方法进行滴头堵塞问题研究,发现二者吻合程度较好;Liu等[34]利用清水和处理过的污水对滴灌灌水器的堵塞问题进行实验,表明与水质、灌水器类型和运行时间、冲洗频率[35]关系密切,这与Ahmed等[36]的研究相一致,但都没有进行田间验证;马晓鹏等[37]对常用的6种单翼迷宫和内镶式滴管带在低压下水力性能试验指出,在2～8 m水头压力范围内流态指数明显高于6～14 m时的值,制造偏差在低压下也表现得更明显,但没有对其进行定性分析。这些对于灌水器水力特性的研究多采用模拟方法,缺少一定的检验手段和相关产品的开发生产,使得理论研究滞后于生产实践的需求。

1.2.2 管道水力特性研究

管道水力特性的研究对于整个系统的科学规划、设计、减少投资等都起着至关重要的作用。在管道水力特性研究方面,Bralts等[38]采用虚拟节点有限元法推导了描述微灌系统水力学特性的二阶偏微分方程;Kang等[39]用有限元法分析了微灌毛管,并用Darcy-Weisbach公式计算沿程水头损失;张志新等[40-42]利用有限元法解析毛管水力特性;Hathoot等[43]、Kang等[39,44]采用连续线性逼近法求解滴灌系统水力问题;Scaloppi等[45]、Kang等[46]、Jain等[47]、Ravikumar等[48]利用经验公式模拟毛管进口压力及流量,以Darcy-Weisbach公式计算毛管水头损失进行毛管水力解析;Vallesquino等[49]以Darcy-Weisbach公式计算毛管水头损失,Taylor多项式描述水头损失与流量的关系,进行了毛管的水力解析;王新坤和蔡焕杰[50]利用遗传算法对毛管进行水力解析和优化设计;王新坤[51]根据毛管水力学特性,采用二分法搜索原理,并与逆序递推法结合,提出了微灌毛管水力解析与设计方法,有很好的通用性,求解效率和计算精度较高;Yildirim[52]利用逆推逼近法建立数学模型确定毛管水头损失,以上这些计算结果比较符合实际,但过程较为繁琐,计算量大,可借助计算机进行编程操作[53-55];Perold[56-57]用图解的方法进行微灌田间管网的水力解析与设计,但应用有一定局限性;Ahmed等[58]指出在滴头连接处会产生显著的能量损失,据此提出一个简单通用的计算方法;白丹等[59]推导出一个新的沿程均匀泄流管水头损失的简化计算公式,精度较高,计算简单,但仅做了理论分析;Shayya等[60]利用人工神经网络模型进行非迭代计算求解Darcy-Weisbach公式中的摩阻损失系数,计算简单精度高;白丹等[61]考虑了管径、流量和水温等因素影响,采用多元线性回归法提出微灌塑料管沿程水头损失的简化计算公式,但在使用时对管径、流量、温度规定了范围,且水温越高,与现有水头损失计算公式[62]相比相对误差越大;Demir等[63]利用量纲分析法建立预测模型进行毛管水头损失计算,与实测值相比,误差在2%以内,精度较高;Pedro[64]提出一种可以模拟层流或紊流条件下毛管水力特性的方法,将出流量看作是离散变量,摩阻水头损失采用带等效摩擦因数的Darcy-Weisbach公式计算,局部水头损失则是采用依赖于雷诺数的等效系数计算,可以获得较好的精度,但建模过程繁琐;Dogan等[65]研究了升高水温和系统压力对毛管水力性能的影响,但并未在实践中检验;洪明等[66]指出低压下使用Darcy-Weisbach公式及微灌工程技术规范推荐公式[31,67](也称多口系数法)、能量坡度线法[68]计算的滴灌毛管总水头损失与实测值有一定偏差,这些与柴付军等[69]、洪明等[30]的研究结果是一致的,用以入口工作水头为变量的参数修正即可取得较好的计算精度。这些研究多是采用模拟和解析的方法进行,所得结果令人满意,但缺少一定的试验和实践检验,因此,将这几者之间有机结合进行研究将会是进一步研究的重点。

1.2.3 压力分布变化研究

压力是决定整个滴灌系统造价的最主要的因素,灌水器价格、管网系统及水泵等都与压力大小关系密切,而且系统运行费用与压力呈正比关系[8],因此,降低系统压力对减少系统投资关系重大。白丹[70]针对目前多孔管沿程水头损失计算方法存在的问题,推导出一个近似公式,并分析了多孔管沿程压力变化;白丹[71]分析了各种地形条件下多孔管末端压力的变化规律,提出了不同地面坡度下多孔管允许最大长度的计算方法,计算简单,有待进一步实践验证;Kang等[72]改进了毛管流量方程,利用后退法计算沿程压力分布,用黄金分割法寻找最优估计毛管管尾压力水头,并用前推法确定沿毛管压力水头和滴头流量分布;苏德荣等[73]指出低水头下滴头流量对压力降低较为敏感,随压力减少流量显著降低;Barragan等[74]利用压力廓线法进行微灌系统设计和水力分析,并将有关参数制作成表方便选用;刘焕芳等[75]根据水力学原理建立了自压软管沿程水头损失的一般方程,得出了软管沿程压力水头分布的计算公式,给出了确定最大和最小压力水头位置及大小的方法,但与实测结果相比误差较大;朱德兰等[18]提出一种新的微灌滴头设计工作压力计算方法,即在加压情况下,地面坡度为零时,用毛管年费用为目标函数,用黄金分割法搜索求出满足流量偏差率要求的滴头设计工作压力值,但没有在实践验证;王宏等[76]指出低压孔口式出流管沿程压力分布符合以入口水头为基本参数的指数函数形式,并给出相关修正系数的取值范围,但缺乏一定的普遍适用性;Wu等[77]将允许压力水头变化在支管与毛管上进行压力分区,并进行独立设计,这与Bhatnagar等[78]利用低压灌水器研究压力补偿式滴灌系统在山地梯田中应用是有所不同的,最后用两阶段法进行了优化,精度较好,但计算有些繁琐。对于这些研究所提出的方法的选择和全面评价,还需要作进一步的实践检验和理论探讨。

2 存在问题与讨论

众多学者对滴灌系统多是基于常压下对灌水器、管道等特性进行的有效探索,对低压滴灌系统的研究还相对较少,而对低压滴灌系统来说又有其自身的特点,它本身就是要强调更加高效节能和节水。因此,针对目前的研究现状,主要存在以下几方面的问题:

(1)对于常规滴灌系统的研究尤其是滴灌管的研究,所用管材一般为塑料管,管径多在12 mm～25 mm之间,目前对低压滴灌部分的研究所用管径也在这一范围之内,因此,如何开展大管径下(比如管径大于25 mm)低压滴灌系统的研究目前来说还很少,另一方面,对大管径也没有明确的定义,这也就成为制约低压大管径滴灌理论以及技术发展的一个重要因素。

(2)目前对低压滴灌系统的研究所用的灌水器则基本上是使用常压下(10 m工作水头)使用的灌水器,对于这些灌水器能否适应在低压下(5 m以下)的设计、运行情况,都需要进一步的研究,此外,努力开发与低压滴灌系统相适应的低成本、出流稳定、抗堵性强的灌水器、滴灌管(带)等一系列产品也应是今后一段时期的一项重要任务。

(3)对低压滴灌系统水力特性的研究还不够深入,尤其是大管径下,现有的微灌工程设计规范能否符合其水力特性的变化,尤其是水头损失的计算、管道压力分布情况等,也是需要进一步研究的问题。

(4)此外,对于田间管网的优化设计,主要采用费用最小法[79-81]、遗传算法[40,82-85]、0.618法与线性规划法相结合的方法[86-88]、经验系数法[89]、Newton-Raphson法[90]、MSGOA模型法[91],而两阶段最优化法[77]与陈渠昌和郑耀泉[92]、Alandi等[93]的研究有些类似等。这些方法都有各自的特点和适用条件,实践中可以有选择地应用。但这些算法仅是针对系统局部进行的优化,对于滴灌系统整体的优化还有待进一步的改进与提高。

3 结 语

在能源与资源不断紧缺的情况下,运用现代高新科学技术,发展一系列更高效节能节水的灌溉技术,将会为实现社会和农业的可持续发展做出重要贡献。低压滴灌系统的发展代表着目前节水灌溉技术发展的一种趋势,开发一系列适应我国国情需要的温室大棚、山地、苗圃等低压滴灌系统,必然会对我国节水灌溉技术的发展起到极大的推动作用。从环保和节能的角度,发展低压滴灌技术以及研究对相关产品的回收技术,对我国乃至世界的滴灌产业发展、农业的可持续发展也是一项有益的探索和很好的示范及推动。

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