地埋式橡塑渗灌滴头的研制及其性能测试

2022-09-21HASSANNButera何家俊刘艳伟杨启良苗为伟

干旱地区农业研究 2022年5期

HASSANN Butera，何家俊，刘艳伟，杨启良，苗为伟

(昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650500)

高效的节水灌溉技术对提高水资源利用效率具有重要意义，不仅能为灌溉工程设计提供技术支撑，还可有效推动涉农产业的发展。常见的节水灌溉技术包括渗灌技术、滴灌技术、痕灌技术以及微润灌技术等[1-4]。其中渗灌技术是根据作物需水量通过埋入地下的渗灌管或微孔滴头，以定点定量的方式湿润作物根系层，具有控制杂草生长、提高灌溉水利用效率以及增加作物产量等优点[5-7]。

目前，常见的渗灌材料主要包括橡塑渗灌管[8-10]、微孔陶瓷[11-13]以及半透膜渗灌管[14-15]等。微孔陶瓷应用于节水灌溉已有两千年历史，近20 a来，为提高陶瓷孔隙率和力学性能，在渗灌设备上通常选用Si3N4、Al2O3等高性能陶瓷，其制造工艺复杂、成本较高，微孔直径为微米级[16-17]。半透膜渗灌管通常在低压状态下运行，管内水流在水势梯度差驱动下向功能性半透膜外迁移，从而使土壤湿润，流量为50～200 mL·m-1·h-1。这两种渗灌管流量小，难以满足高需水量植株生长需求。与之相比，橡塑渗灌管主要由胶粉和聚乙烯在高温下粘合而成，价格低廉、工艺相对简单，在2 m水头下流量可达到6～15 L·m-1·h-1，发生堵塞时，管上微孔在压力作用下会产生一定的扩张，有利于排出管壁中的杂质，恢复渗灌管流量。

在长期使用过程中，众多学者通过充气、二次搅拌等加工工艺，大大提升了橡塑渗灌管孔隙的均匀性系数和抗老化能力[9]。但在实际使用过程中，由于橡塑渗灌管流量较大，内壁相对粗糙，在线源式灌溉过程中依然存在较大的水头损失[10,18]。同时受到材料以及制作工艺影响，导致橡塑渗灌管具有一定的塑性，性能较为不稳定。例如，Vilela等[19]对橡塑渗灌管在不同工作压力下的直径变化进行分析,发现对于内径为12 mm和20 mm的渗灌管，当工作压力由50 kPa上升到400 kPa时，管道内径分别增加了3.9%和7.3%。国内学者高西宁等[20]在对橡塑渗灌管的水力性能测试中发现，在渗灌管长距离灌溉过程中有着较大的水头损失，且主要发生在靠近进水口一端的前半段。张书函等[21]在研究橡塑渗灌管渗水速率的变化规律时发现，渗灌管每一次的渗水速率相对于上一次渗水速率有不同程度的恢复，并且随着灌水次数的增加，恢复程度逐渐减小。综上所述，橡塑渗灌管虽然存在价格低廉、流量大以及可自动恢复流量等优点，但由于其材料性质及使用方法所限，在实际应用过程中容易出现水头损失大、灌水不均匀，工作压力范围小等问题。

因此，基于节水渗灌研究技术现状，本文提出了以橡塑渗灌管点源式灌溉取代传统线源式灌溉的方法来增加系统灌水均匀度，并设计了以迷宫流道和橡塑渗灌管为主体的地埋式橡塑渗灌滴头，通过试验对滴头水力性能、抗堵塞性能以及土壤湿润体特征进行研究，分析了橡塑渗灌管在地埋点源式灌溉应用中的可行性，以期为橡塑渗灌管在地下点源式灌溉方法上的使用提供参考依据。

1 滴头结构设计

1.1 滴头基本结构

本滴头主要由齿形迷宫流道、滴头管体和橡塑渗灌管3个部分组成，整体结构如图1所示。滴头主体和迷宫流道采用3d光固化打印技术(深圳市金石三维打印科技有限公司，JS-1700)塑造成形，材料为光敏树脂(深圳市金石三维打印科技有限公司，JS-UV-HP-02A)，打印精度为0.1 mm。迷宫流道位于滴头管体上方，与毛管相连接，结构如图2所示，齿形迷宫流道长16.5 mm，其中齿宽度a为1.5 mm，齿间距离b为1.8 mm，齿高度h为1.2 mm，流道宽w为1.4 mm，齿角度θ为64°。滴头管体下方有4个长为24 mm、宽为3 mm的方形对称出水口。

1.进水口;2.迷宫流道;3.内管道;4.出水口；5.橡塑渗灌管；6.破土锥1. Water inlet； 2. Labyrinth channel； 3. Internal piping;4. Water outlet;5. Rubber-plastic porous pipe； 6. Earth breaking cone

选用聚乙烯橡塑渗灌管(广东顺绿喷灌设备有限公司，内径12 mm，外径16 mm)进行试验，该渗灌管在100 kPa工作压力下流量为25 L·m-1·h-1，其主要分为内、中、外三层结构，外层为光滑保护层，厚度0.1～0.2 mm，可有效减少负压吸泥以及植物根系入侵；中间为多孔渗水层，具有大量不规则微孔，便于水分传输；内层为粗糙颗粒层，可吸附水中杂质[22]。制备滴头时，从3个批次橡塑渗灌管中随机截取5 cm进行组装，将橡塑渗灌管紧密包覆出水口，以3/5毛管(内径3 mm、外径5 mm)连接滴头与聚乙烯支管，使滴头以点源式地下渗灌方式进行灌溉。

1.2 工作原理

橡塑渗灌管由于流量大、内壁粗糙，在铺设相同管道长度下，与点源式灌溉方式(管上滴头，内镶贴片式滴头)相比，水头损失较大。对于流体在圆管中的沿程水头损失，通常采用达西公式[23]计算：

(1)

式中，hf为沿程水头损失,m；λ为沿程摩阻系数；l为毛管长度，m；d为毛管直径，m；V为管内水流速度，m·s-1；g为重力加速度，m·s-2。

当毛管满流时，雷诺数计算公式为：

(2)

式中,Re为雷诺数；ν为运动粘度，m2·s-1。

本试验所使用的橡塑渗灌管，内径为12 mm，流量为25 L·m-1·h-1，当管长10 m,水温为20℃时，Re=7324>3000，属于紊流范围。在紊流粗糙区内λ=f(K/d)，取橡塑渗灌管当量糙粒高度K=0.5 mm，根据莫迪图[24]选定沿程摩阻损失系数为0.0692，通过公式(1)计算沿程水头损失为1.087 m。采用点源式灌溉方法时，假设各滴头出水均匀，滴头流量为5 L·h-1,间距0.5 m，PE管内径14 mm,管长10 m，计算得出Re=2510.54。在2000

(3)

式中，hj为局部水头损失，m；N为灌水器个数；i为灌水器编号；ξ为局部水头损失系数；Vi为第i段毛管内水流速度，m·s-1。

其中对于局部水头损失系数ξ的计算还没有统一标准，根据以往研究的计算方法[27-30]，当毛管连接件断面面积为33.6 mm2时，紊流状态下毛管的局部水头损失为0.06～0.12 m，即总水头损失范围在0.107～0.167 m之间，与橡塑渗灌管的线源式灌溉方式相比，水头损失大大减少。因此以点源式灌溉方式取代橡塑渗灌管传统线源式灌溉方式，在节约水资源的同时，还有利于减少水头损失，提高灌溉系统灌水均匀度。

橡塑渗灌管主要由橡胶粉和聚乙烯颗粒高温粘合而成，无法精确控制孔隙均匀度，导致流量变异系数较高，CV值在10%～50%之间。此外由于橡塑渗灌管具有一定塑性，对工作压力变化较为敏感，当工作压力过高时，会导致管体永久变形以及出现管壁滋水等现象。当以橡塑渗灌管作为渗灌材料进行点源式灌溉时，在橡塑渗灌管滴头进水口增加迷宫流道可有效扩大滴头工作范围，降低滴头对工作压力的敏感度。

迷宫流道作为目前灌水器流道形式中性能最优越的流道形式之一，通过复杂的边界条件引起紊流，从而形成局部压力损失，达到消能效果[31-33]。通过Workbench软件中的Fluent模块对该迷宫流道进行模拟分析，采用sweep方法进行网格划分，最大网格尺寸0.005 mm，网格总数48万。流道进口设定为压力进口，进口压力为100 kPa，出口设定为压力出口，出口压力0 kPa，运用Transition k-kl-omega湍流模型和Simple压力速度耦合算法进行模拟解析[34-36]，得出流道速度矢量图和总压云图如图3所示。通过图3a可以看出，迷宫流道内主要分为主流区和涡流区，主流区矢量箭头密集，其水流流速较快，以贴近出水口方向内壁的形式流动。涡流区为椭圆形，其矢量箭头由外向内逐渐稀疏，在涡流中心位置水流速度趋向于零。结合图3b可以发现，各流道单元涡流区对应压力云图呈现阶梯型下降，达到了消能效果，扩大了滴头的工作压力范围，并有利于提高灌溉系统灌水均匀度。

a：齿宽度;b：齿间距离;h：齿高度;w：流道宽度;θ：齿角度a：Tooth width; b:Tooth spacing; h:Tooth height;w:Runner width; θ:Tooth angle

图3 迷宫流道速度矢量图以及总压分布云图(局部)Fig.3 Velocity vector diagram and total pressure distribution cloud diagram of labyrinth channel (local)

2 材料与方法

2.1 试验材料与装置

水力性能测试和滴头抗堵塞试验装置如图4a所示,主要由恒压水箱、水沙搅拌机、PE管(广州顺绿喷灌设备有限公司)、阀门、减压阀(上海天川仪表厂，精密度1.6级)、花盆(直径30 cm，深度35 cm)等组成。如图4b所示，将滴头埋入花盆10 cm，选用电子秤(深圳市帝衡电子有限公司，量程15 kg，精度1 g)测量花盆灌溉前后质量差值，作为灌水量。选用昆明理工大学呈贡校区农业水土试验大棚红壤土填入花盆，土壤自然风干后，过2 mm筛网，其黏粒、粉粒、砂粒数分别为39.64%、33.48%、26.88%，田间持水率为34.9%，土壤容重为1.35 g·cm-3。每个花盆以5 cm土层分次装入，压实并保持表面粗糙，避免土壤分层。

1.搅拌机;2.水箱;3.止水阀;4.水泵;5.压力表;6.调压阀;7.支管;8.毛管;9.滴头;10.试验花盆1. Blender; 2. Water tank; 3. Water stop valve; 4. Water pump;5. Pressure gauge; 6. Pressure regulating valve; 7. Branch pipe；8. Capillary; 9. Dripper; 10. Flowerpot

土壤入渗试验在自制土箱(长×宽×高，60 cm×60 cm×70 cm)中进行，以恒压水箱供水，土箱侧壁每隔5 cm开直径2.5 cm的取土孔，底部设若干通气孔，试验土壤以容重1.35 g·cm-3分层(5 cm)填入土箱。

2.2 试验方法

根据《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》(GB/T 17187-2009/ISO 9261：2004)[37]测试滴头水力性能。试验前将出水口水压分别调整至最小、最大压强并保压3 min，重复3次，然后将压力调节到100 kPa，保持到调试过程(1 h)结束。调试结束后进行流量测量，每次待压力稳定3 min后进行测量，重复2次，2次误差小于2%并取平均值作为滴头的流量。

采用间歇性浑水滴灌测试方法进行短周期抗堵塞试验，以农田灌溉水质标准[38]为基础，选取灌溉水中悬浮物(质量浓度≤0.1 g·L-1)5倍浓度以上进行灌水试验，配置4种泥沙质量浓度分别为W1(0.5 g·L-1)、W2(0.1 g·L-1)、W3(1.5 g·L-1)的水源作为灌溉水，工作压力为100 kPa，灌溉时长30 min。试验中通过水沙搅拌机保证水沙混合均匀，每组试验完成后更换滴头，并对灌溉系统进行冲洗，保证无泥沙残留。试验泥沙选自昆明理工大学呈贡校区农业水土试验大棚，将粗筛后的泥沙风干、碾磨后过200目筛网(孔径0.075 mm)，取直径小于0.075 mm的泥沙颗粒作为试验材料，泥沙级配区间为：(0,0.038](4.72%)、(0.038,0.045](8.68%)、(0.045,0.053](15.37%)、(0.53，0.63](22.56%)、(0.063,0.075] mm(48.67%)。试验水为昆明理工大学呈贡校区自来水，pH值为7.28，细菌总数为零，硬度为310 mg·L-1,悬浮颗粒为零，电导率为670 μS·cm-1，试验时平均水温为22℃。

通过土壤入渗试验确定土壤湿润体特征，在100 kPa工作压力下，将该滴头贴近箱角深埋30 cm进行持续灌水试验，定时记录湿润体轮廓线。通过烘干法测定土壤含水率，通过Surfer软件以最小曲率法绘制湿润锋轮廓和含水率等值线图。

2.3 评价方法

2.3.1 滴头流量的变异系数CV滴头流量的变异系数CV反映了同一批次不同滴头之间的流量偏差，同时也反映了其制造偏差。根据《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》(GB/T17187-2009)[37]规定，在额定工作压力下，式样滴头的变异系数应不大于7%。变异系数CV计算公式为：

(4)

2.3.2 滴头水力性能指标流态指数x是滴头重要水力性能指标之一，反映了滴头的流量对压力变化的敏感程度，x越趋向于0，滴头压力补偿性能越优秀，当x等于1时，滴头流量与工作压力成正比。滴头流量q与工作水头h之间关于流态指数的关系为q=k·hx，式中k为常数。流态指数x计算公式为：

x=log(q1/q2)/log(p1/p2)

(5)

式中，p1、p2为滴头工作压力，kPa;q1、q2为与p1、p2相对应的流量,L·h-1。

(6)

式中，n为滴头总数；qi为第i个滴头流量，L·h-1。

3 结果与分析

3.1 滴头变异系数及水力性能测试

滴头渗水速率与变异系数CV随压力变化曲线如图5所示。可以看出，变异系数随着工作压力的增加呈现先减小后增加的趋势，范围在3.59%～10.96%之间，当工作压力为60 kPa时，CV取得最小值3.59%。根据美国工程师协会(ASAE)2010年发布的“微管系统田间评价方法”[43]，以100 kPa为额定工作压力，该滴头对应CV值为4.17%(小于5%)，达到优秀评价，ASAE滴头评价表如表1所示。经回归计算，滴头压力-流量关系式为q=0.6435h0.4161，R2=0.996，该曲线拟合程度高，流态指数x为0.4161，表明滴头具备一定的压力补偿性能。

表1 ASAE滴头变异系数评价表

图5 滴头渗水速率和变异系数(CV)随压力变化曲线Fig.5 Seepage rate and coefficients of variation under different pressure

与传统橡塑渗灌管相比，该滴头CV值明显降低，一方面是由于该滴头属于管上滴头，其水头损失与传统橡塑渗灌管相比相对较小；另一方面认为是在滴头进水口处迷宫流道消能作用下，滴头上橡塑渗灌管各微孔所受压力均匀，微孔扩张程度更为接近，降低了滴头CV值。

当进口压力大于160 kPa时，滴头变异系数突增，从花盆中取出滴头进行灌水试验，发现部分滴头的橡塑渗灌管外壁有小孔滋水现象，横截面渗水严重。是因为工作压力过大时，橡塑渗灌管直径扩大并产生了刚性形变，无法紧密包覆滴头出水口，从而使不同滴头之间产生形态变化差异，导致滴头流量的变异系数增加。

3.2 滴头的抗堵塞性能测试

3.2.1 滴头抗负压吸泥能力在3.1小节试验完成后，将滴头进行常温风干处理，部分滴头上的橡塑渗灌管如图6(见112页)所示。可以看出，随着工作压力的提升，渗灌管外表壁泥沙附着情况逐渐加重，且渗灌管两端面处出现明显泥沙累积现象。工作压力为40 kPa时，两端面上泥沙入侵范围最小，在0.1～0.3 mm范围内；工作压力为160 kPa时，泥沙入侵范围最大，在0.5～0.7 mm范围内。这是由于灌溉水在管壁内横向运输，使渗灌管两端成为出水口，当工作压力增加时，出水口负压吸泥情况加重所导致。

将橡塑渗灌管竖直剖开，从图6竖直剖面图可以看出，与渗灌管两端泥沙入侵情况对比，泥沙对渗灌管壁入侵程度较浅，在各压力下泥沙入侵厚度均保持在0.2 mm以内，说明该橡塑渗灌管的三层结构可有效阻止泥沙入侵，通过观察，渗灌管内壁及迷宫流道处均无泥沙痕迹，表明该滴头抗负压吸泥能力良好。

注：左、右两图为随机抽取的重复样本。Note: Left and right figures are randomly selected doplicate samples.

图7 不同泥沙浓度下滴头抗堵塞性能Fig.7 Anti-clogging performance of emitter under different sediment concentrations

由于受到负压吸泥影响，地下灌水器的抗堵塞性能与地上灌水器相比要求更高。余杨等[44]通过采用3个红壤粒径段和2种灌溉方式进行短周期抗堵塞试验，结果表明同种条件下，根区渗灌方式的有效灌水次数低于地上滴灌2～3次，在根区渗灌、2 m水头工作、1 g·L-1泥沙浓度条件下，当红壤粒径分别为D1(0～0.0385 mm)、D2(0.0385～0.074 mm)、D3(0.074～0.1 mm)时，内镶贴片式滴灌带有效灌溉次数分别为15、9、10次；8孔流量可调灌水器有效灌溉次数分别为8、6、3次。王新坤等[40]采用3种泥沙粒径配比对滴灌带进行地上短周期抗堵塞试验，在100 kPa工作压力条件下，当泥沙浓度分别为0.5、1.0、1.5 g·L-1时，有效灌溉次数分别为9～14、6～12、3～7次。吴泽广等[45]将泥沙(粒径小于0.01 mm)按粒径段分成6组，对迷宫流道滴灌带进行地上短周期抗堵塞试验，当工作压力为100 kPa，泥沙浓度分别为0.5、1.0、1.5 g·L-1时，有效灌溉次数分别为4～18、3～15、3～5次。通过对比可以看出，本滴头在100 kPa工作压力条件下，泥沙浓度分别为0.5、1.0、1.5 g·L-1时，有效灌溉次数分别为15、11、5次，达到同类迷宫流道灌水器抗堵塞性能平均程度。滴头实际使用寿命还需综合灌水周期、灌水量以及水质等因素进行长期灌水试验探究。

将3.2.2小节试验后的滴头室温风干后拆除观察，发现迷宫流量齿角处以及橡胶渗灌管内部均存在不同程度的泥沙堵塞，表明滴头内部堵塞程度受到迷宫流道和橡塑渗灌管的共同影响，其堵塞机制还需进一步研究。

3.2.3 不同压力下滴头的抗堵塞性能选取3个工作压力，即H1=60 kPa、H2=100 kPa、H3=140 kPa对滴头进行短周期抗堵塞试验，泥沙浓度为0.5 g·L-1。如图8所示，滴头在各工作压力下均表现出随着灌溉次数增加堵塞程度逐渐加重的趋势，当工作压力为140 kPa时，滴头测试数据波动较大，平均相对流量存在先增加后减小的现象。这可能是在高工作压力下，橡塑渗灌管微孔直径扩大，微孔中杂质反复经历排出堵塞过程所导致。

图8 不同压力下滴头抗堵塞性能Fig.8 Anti-clogging performance of emitter under different pressures

3.3 滴头湿润锋分布

滴头在土壤中的出流受橡塑渗灌管出流面的影响，可以认为是柱状面源出流，其湿润体的形状等特征与普通点源式灌溉存在一定的差异，图9a显示了滴头在100 kPa下不同时刻的湿润锋轮廓。由图9可见，在滴头灌溉初期，湿润体1/2截面湿润锋形状接近以橡塑渗灌管右边为圆心的优弧，随着灌溉时间的增长，湿润锋向下运移距离逐渐大于水平距离和竖直向上距离；灌水结束后，入渗的湿润体轮廓为湿润体变成重心靠下的椭圆形。

湿润锋在不同方向上的运移距离随时间变化过程如图10所示，用幂函数(R=atb，式中，R为湿润锋运移距离，m;t为时间,h)进行拟合，拟合结果列于表2。可以看出在灌水前期，水平方向湿润锋运移距离大于竖直向下方向，160 min后，湿润锋竖直向下运移距离开始大于水平距离，灌水330 min后，滴头上方湿润锋位置为22.4 cm，水平方向湿润锋位置为34.6 cm，灌水器下方的运移位置38.2 cm。这主要是由于在灌水前期，滴头周围土壤含水率较低，水分运移趋向于非饱和入渗，在土壤基质势、压力势以及重力势的共同作下，湿润锋运移较快，受到滴头出流面的影响，水平方向运移速度稍大于竖直向下方向；灌水后期，随着湿润体体积的增加，土壤含水率趋向饱和，土壤基质势作用不断减小，在压力势和重力势的作用下，使得土壤含水率饱和区湿润锋更易向垂直向下方向运移。通过湿润锋在竖直向上方向运移的距离-时间拟合方程可以得出，湿润锋在580 min左右到达土壤表层，可有效减少水分蒸发，达到节约水资源目的。

表2 各方向上湿润锋运移(Y)与时间(t)的拟合关系

3.4 土壤湿润体水分分布

将100 kPa供水压力条件下土壤竖直剖面上的含水率等值线绘出(见图9b)。由图9b可知，灌水结束后，土壤剖面含水率均表现为离滴头距离越远含水率越低，在半径30 cm之内湿润体土壤含水率为27%，达到近80%的田间持水率，湿润体体积大，满足植物根系生长需求。

图9 湿润锋轮廓以及含水率分布图Fig.9 Profile of wetting front and water content distribution map

图10 湿润锋运移距离与时间的关系曲线Fig.10 Relation curve between wetting front migration distance and time

由图9b可看出，饱和含水率区域等值线偏向滴头下方，其中28%含水率等值线水平方向位移为19 cm，垂直向下方向位移为23 cm，垂直向上位移15 cm，饱和含水率区域各方向上水分运移速度表现为垂直向下>水平方向>垂直向上，这与湿润锋在各方向上运移速度相同，土壤水分高的区域在灌水器下方分布更广。这是由于水分在土壤竖直剖面内受到重力作用，更容易向下运动，因此造成灌水器下方渗水量大于上方，湿润锋推进较远，高含水率区域较大。湿润体下端轮廓清晰，未产生深层渗漏，有利于节水以及植物生长。

土壤水分分布的均匀度是评价滴头渗水性能的重要指标，可以通过克里斯琴森均匀度系数来进行评价，计算方法与公式(6)相同。

在30 cm水平距离内，土壤含水率分布特征及克里斯琴森均匀度系数如表3所示，可以看出滴头渗灌区域内土壤含水率的克里斯琴森均匀度系数区间为80～90%>70%，表明在该滴头地下渗灌条件下，土壤水分分布均匀，能较好地满足植物需水要求。

表3 含水率分布特征及灌水均匀性

3.5 管道铺设投资

假设本滴头和橡塑渗灌管单侧湿润距离均为0.5 m,在地下点源式渗灌系统中，设置100根长10 m的支管,各支管间距为1 m，每根支管上布置10个滴头，滴头间距1 m。在线源式灌溉系统中，设置100根长10 m橡塑渗灌管进行灌水，管间间距为1 m。以2021年市场价格为参照，在采用相同的动力设备以及灌溉水处理设备情况下，两种灌溉系统管道铺设投资概算如表4所示。