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2023年 3月 灌溉排水学报 第 42卷 第 3期 Mar 2023 Journal of Irrigation and Drainage No 3 Vol 42 74 灌溉技术与装备 文章编号 1672 3317 2023 03 0074 08 温度与压力对水肥一体化滴灌灌水器堵塞影响研究 何 坤 1 2 魏正英 1 2 陈雪丽 1 2 贾维兵 1 2 魏才翔 1 2 1 西安交通大学 机械工程学院 机械制造系统工程国家重点实验室 西安 710049 2 陕西鹏运机械自动化科技有限公司 西安 710038 摘 要 目的 探究在水肥一体化灌溉过程中 温度对灌水器堵塞的影响 方法 以市场常用的内镶贴片式齿形 流道灌水器为研究对象 采用 4 个温度梯度 15 20 25 30 2 个工作压力 低压 50 kPa 常压 100 kPa 进行短周期间歇灌溉堵塞试验 并在试验后用场发射扫描电镜对堵塞物质的结构和组成成分进行分析 结果 磷 酸二铵加速堵塞效果明显 灌溉结束后灌水器平均相对流量下降到 15 03 34 02 温度从 15 升高到 30 平 均相对流量的下降速率减小 灌水结束后低压下平均相对流量提高 18 55 常压下平均相对流量提高 14 88 温 度并不影响堵塞物质的主要组成成分 其主要为磷酸盐沉淀 但温度提高 絮凝现象减弱 堵塞物质表面的复杂程 度减小 灌水器中堵塞位置主要集中在过渡区 流道首部和流道尾部 占比分别为 29 75 22 31 22 31 改 变温度并不影响其堵塞位置的分布 结论 提高肥液温度可在一定程度上缓解灌水器的堵塞 关 键 词 温度 施肥 灌溉 灌水器 堵塞 中图分类号 S275 6 文献标 志 码 A doi 10 13522 ki ggps 2022169 OSID 何坤 魏正英 陈雪丽 等 温度与压力对水肥一体化滴灌灌水器堵塞影响研究 J 灌溉排水学报 2023 42 3 74 81 HE Kun WEI Zhengying CHEN Xueli et al The Combined Effect of Temperature and Pressure on Emitter Clogging in Integrated Drip Fertigation System J Journal of Irrigation and Drainage 2023 42 3 74 81 0 引 言 1 研究意义 与传统灌溉方式中大田漫灌 肥 料撒施等粗放的栽培方式相比 水肥一体化技术有 效地解决了水资源利用不科学 不合理 化肥盲目 施用 利用率低等问题 灌水器作为水肥一体化系 统的终端 其堵塞问题一直影响着水肥一体化技术 的发展 因此国内外专家学者开展了影响灌水器堵 塞因素的相关研究 研究进展 Taylor 等 1 认为决 定灌水器堵塞程度最重要的因素是灌水器的结构 而不是水质 Sefer 等 2 发现肥料中同时包含钙离子 和硫酸根离子更容易形成难溶性沉淀 造成灌水器 堵塞 李康勇等 3 研究不同泥沙级配和不同施肥浓 度条件下对灌水器堵塞的影响 提出 施肥浓度越大 粒径为 0 034 0 067 mm 颗粒量越大 灌水器越容易 发生堵塞 刘璐等 4 通过不同泥沙粒径条件下 的细 小泥沙颗粒浑水滴灌试验分析造成灌水器堵塞泥沙 颗粒的敏感粒径范围在 0 03 0 04 mm 之间 刘燕芳 收稿日期 2022 03 30 基金项目 陕西省 重点研发计划项目 2022ZDLNY03 032 作者简介 何坤 1998 男 硕士研究生 主要从事灌水器流道结构 设计研究 E mail hekunhk 通信作者 魏正英 1967 女 教授 主要从事微流体器件设计与制 造研究 E mail zywei 等 5 杨晓奇等 6 研究 分别 指出灌水器在硬水和微咸 水 2 种水质条件下均会发生不同程度的堵塞 余杨 等 7 通过 地上滴灌和根区渗灌对比试验发现 8 孔流 量可调灌水器在根区渗灌 方式 下更容易发生堵塞 Avner 等 8 认为水中悬浮物颗粒大小比颗粒密度对灌 水器堵塞的影响更大 切入点 在实际灌溉中 由于灌溉季节 灌 溉区域的不同 灌溉水温常常会有比较大的差异 然而不同温度条件下灌水器的堵塞情况也不同 目 前温度在水肥一体化中对灌水器堵塞的影响研究较 少 需要进一步探究 徐明金等 9 通过对比低压与 常压滴灌系统 发现在低压条件下灌水器流量受温 度变化影响显著 牛文全等 10 对比粒径小于 0 1 mm 的泥沙颗粒分别在夏季和冬季条件下的浑水滴灌试 验 发现水温越高 灌水器抗堵塞性能越好 刘璐 等 11 研究发现灌溉水温对灌水器堵塞的影响小于泥 沙级配浓度和施肥质量浓度 王浩翔等 12 通过不同 温度条件下的低压灌溉试验 发现不同温度下加肥 质量浓度阈值不同 且升高温度能够提高加肥质量 浓度阈值 拟解决的关键问题 为了 选择合理的温度区 间 进一步细化温度梯度 本试验以内镶贴片式灌 水器为研究对象 分别探究在低压和常压条件下不 何坤 等 温度与压力对水肥一体化滴灌灌水器堵塞影响研究 75 同灌溉水温在水肥一体化过程中对灌水器堵塞的影 响 为不同地区 不同季节的灌溉施肥模式提供一 定的依据 1 材料与方法 1 1 材料与装置 试验采用市面上常见的内镶贴片式 齿形迷宫流 道 滴灌带 壁厚 0 4 mm 管径为 16 mm 齿间长度 1 mm 流道宽度 1 1 mm 齿高 0 6 mm 齿间夹角 40 齿根夹角 110 工作压力在 100 kPa 下的流量 为 2 2 L h 经过清水测试后得到流态指数 x 0 54 灌水器制造偏差 2 65 试验用水采用水质良好的居民自来水 符合我国 农田灌溉用水水质标准 13 另外 经过前期预试验发 现相比于氮肥和钾肥 磷肥更容易发生堵塞 故 试验 肥料 采用 大田 常 用的 磷酸二铵 总养分 N P2O5 64 N P 2O5 K2O 的质量比为 18 46 0 常 温下为黄褐色颗粒 溶于水呈乳白色浑浊溶液 试验平台由温控水箱 搅拌器 变频水泵 压 力表 供水管道和滴灌带等组成 温控水箱的温度 控制范围为 0 99 控制精度为 0 1 搅拌器功率 60 W 最高转速 3 000 r min 变频水泵最高扬程 40 m 最大流量 3 5 m3 h 压力表量程 0 25 MPa 精度 0 001 MPa 两两滴灌带的间隔为 25 cm 其中每根 滴灌带包含 5个灌水器 其间距为 30 cm 共有 4条 20个灌水器 平台如图 1所示 注 1 温控水箱 2 搅拌器 3 灌水器 4 滴灌带 5 压力表 6 过滤器 7 变频水泵 8 排水口 图 1 试验平台示意图 Fig 1 Schematic of experimental layout of drip irrigation system 1 2 试验方案 试验 设置低压 50 kPa 和常压 100 kPa 这 2 个灌 溉压力 试验中肥液的温度参照一般作物适宜的灌 溉温度范围 13 14 故选择 15 20 25 30 这 4 个温度梯度 根据施肥经验 施肥浓度一般不超过 0 5 15 为获得明显的试验效果 加快堵塞进程 设定施肥灌溉浓度 5 g L 参照国际滴头抗堵塞研究 标准草案 16 并考虑实际的施肥灌溉时长 灌水时 间为 08 00 10 00 14 00 16 00 灌溉 2 h 间隔 4 h 连续 5 d 共计灌溉 10 次 为了消除在每组的 灌溉过程中 环境温度对肥液温度造成的影响 故 将环境室温设置为与肥液温度相同的温度 另外每 次灌溉开始 前需 重新配制肥液 用电导率仪测量并 记录肥液 EC值 每次灌溉结束时 重复 测量并记录 灌水器流量 3 次 进行完全试验 共设置 8 个处理 每个处理重复 3 次 每组试验结束后 取下滴灌带 置于遮阴通风处风干 冲洗试验平台 确保无上组 试验肥料残留 并更换新的滴灌带进行下一组试验 1 3 评估指标 试验采用平均相对流量 Dra 来评价系统堵塞 其计算式为 Dra qi t qi0 ni 1 n 100 1 式中 0iq 为每个灌水器的初始流量 q it为每个灌水 器每次施肥灌溉后的实测流量 n为参与试验的灌水 器总数 1 4 堵塞位置 待灌水器内水分完全风干之后 剥开滴灌带 记录堵塞物在灌水器内的堵塞位置 堵塞位置划分 如图 2 所示 堵塞物质在栅格处聚集称之为栅格入 口堵塞 在介于栅格处与流道第 1 个单元挡板处之 间聚集称之为过渡区堵塞 在流道前 3 个单元中聚 集称之为流道首部堵塞 在流道第 4个单元转到第 5 个单元之间聚集称之为流道中部堵塞 在剩下单元 之间聚集称之为流道尾部堵塞 图 2 流道分区示意图 Fig 2 Schematic diagram of the flow path partition 1 5 堵塞物质结构和主要成分分析方法 将剥开滴灌带所得到的灌水器用高精度天平 0 001 g 称质量 后将其放入自封袋中 加入去 离子水 放入超声波清洗机中震荡清洗 然后将清 洗干净的灌水器烘干 称 质量 灌水器原始质 量和 烘干之后的 质量 之差即为堵塞物质的干 质量 将自 封袋中的洗液烘干 采用场发射扫描电镜观察堵塞 灌溉排水学报 76 物质表面形貌 并分析堵塞物质的基本元素组成 2 结果与 分析 2 1 试验参数对灌水器堵塞的影响程度 以肥液温度 压力为自变量 平均相对流量为 因变量进行主体间效应检验 结果如表 1 所示 从 表 1 可以看出 灌溉水温的 P0 05 未达到显著 水平 说明在本试验条件下 压力对灌水器堵塞的 影响并不明显 表 1 显著性检验 Table 1 Significance test 来源 型平方和 自由度 均方 F值 P值 灌溉水温 307 136 3 102 379 9 710 0 047 压力 10 103 1 10 103 0 958 0 400 系统在 10 次滴灌期间灌水器的平均相对流量变 化如图 3 所示 从整个过程中可以看出 10 次灌水 结 束 后 50 kPa 下 平 均 相 对 流 量 下 降 到 15 47 34 02 100 kPa 下平均相对流量下降到 15 03 29 91 说明质量浓度为 5g L 的磷酸二铵 对灌水器的堵塞作用比较明显 比较图 3 a 和图 3 b 可以发现 10 次灌水后 50 kPa 下平均相对 流量表现为 25 30 20 15 温度由 15 分别提高到 20 25 30 时 平均相对流量由 15 47 分别增加到 19 94 29 14 34 02 在 100 kPa 下 平 均 相 对 流 量 表 现 为 30 25 20 15 温度由 15 分别提高到 20 25 30 时 平均相对流量由 15 03 分别增加 到 19 71 24 93 29 91 说明升高温度可以提 高平均相对流量 且在常压 100 kPa下平均相对流量 的提高程度比在低压 50 kPa 下要低 另外 由图 3 可以看出 10 次灌水结束后 在 15 20 30 下 平均相对流量在常压和低压条件 下的差值分别为 0 44 0 23 0 77 并无显著 差别 在 25 下 低压条件的平均相对流量为 34 02 要明显高于常压条件下的平均相对流量 24 93 从整个滴灌过程来看 在 15 和 30 下 平均相对流量的下降速率在低压和常压条件下无显 著差别 在 20 25 下 平均相对流量在常压条 件下的下降速率显著快于低压条件下 因此 对于 5 g L 的磷酸二铵肥液来说 常压和低压条件对灌水 器平均相对流量的影响并没有明显的规律 a 50 kPa b 100 kPa 图 3 不同灌溉压力下 灌溉水温对平均相对流量的影响 Fig 3 Effect of irrigation temperature on average relative flow under different irrigation pressures 用线性关系拟合平均相对流量随灌水次数的变 化趋势 结果如图 4 所示 直线斜率绝对值 k 的大 小表示平均相对流量随灌水次数下降速率的快慢 即 k 值越大 下降速率越快 由图 4 可知 温度从 15 分别提高到 20 25 30 时 低压下 k 值从 9 165 变化到 6 549 6 696 7 061 常压下 k 值从 8 398 变化到 7 521 8 544 7 594 说明随着温度的 提高 平均相对流量的下降速率有所变慢 从 k 值 变化的幅度来看 在低压条件下温度对平均相对流 量的下降速率的影响比在常压条件下要大 2 2 堵塞物质组成成分分析 用场发射扫描电镜对不同温度 压力下堵塞物 质进行观测 结果如图 5 所示 由图 5 可得 从整 体上来看 堵塞物质表面结构复杂 通过吸附不规 则的细小颗粒团聚形成絮状的堆积体 絮凝现象比 较明显 且堆积体之间存在空隙 对于不同温度条 件下的堵塞物质 其表面形貌结构有所不同 在 15 20 条件下颗粒间的絮凝作用较强 堆积体表面吸 附的不规则细小颗粒较多 表面结构相对复杂 而 在 25 30 条件下絮状物质明显减少 堆积体表面 吸附的细小颗粒变少 表面结构的复杂程度明显减 少 对不同压力条件下堵塞物质进行观察分析发现 在常压和低压条件下两者的表面形貌并没有显著差 别 说明工作压力并不影响堵塞物质的微观形貌 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相对流量 灌水次数 次 15 20 25 30 温度 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相对流量 灌水次数 次 15 20 25 30 温度 何坤 等 温度与压力对水肥一体化滴灌灌水器堵塞影响研究 77 a 50 kPa b 100 kPa 图 4 平均相对流量和灌水次数的拟合关系 Fig 4 Fitting relationship between average relative flow rate and irrigation times a 50 kPa 15 b 50 kPa 20 c 50 kPa 25 d 50 kPa 30 e 100 kPa 15 f 100 kPa 20 g 100 kPa 25 h 100 kPa 30 图 5 不同温度 压力条件下堵塞物质电镜扫描结构 Fig 5 Blockage structure under different temperature and pressure observed by SEM 不同温度 压力条件下堵塞物质中各元素的质 量百分比见表 2 从表 2中可知不同温度 压力条件 下堵塞物质中元素种类基本一致 主要元素为 O 和 P 元素 说明不同处理下灌水器堵塞物质的主要组 成成分基本不变 为磷酸盐 比较不同温度下 P 元 素以及 Ca Mg 等元素量可知 随着温度的增加 P 元素量下降 低压下 Ca Mg 等元素量波动范围小 基本不变 常压下 Ca Mg 等元素量从整体上看 有 所减少 这可能是由于温度增加 磷酸盐和钙镁沉 淀的溶解度增加 使得沉淀中 P Ca Mg 等元素量 下降 而此时灌水器的平均相对流量随温度的增加 而增加 进一步说明减轻灌水器堵塞的原因主要是 由于磷酸盐量减少引起的 另外在低压下的 P Ca Mg 等元素量小于常压条件下 说明压力变大 灌水 器中滞留的堵塞物质增加 其磷酸盐和钙镁沉淀的 比例增加 2 3 堵塞位置分析 试验结束后将完全风干的滴灌带刨开 观察堵 塞物质在灌水器中的沉积部位 在所有试验共 160 个灌水器中 堵塞 123 个 除去因人为拆坏的 2 个 灌水器 统计了 121 个堵塞的灌水器堵塞位置情况 结果如表 3 所示 图 6 为 5 个不同灌水器堵塞物质 沉积位置的情况 表 2 不同温度 压力下堵塞物质各元素质量百分比 Table 2 Mass percentage of blockage composition under different temperature and pressure 压力 kPa 温度 C O F Mg Al P Ca Fe 其他 50 15 11 80 29 84 5 13 3 94 6 07 24 20 7 53 11 14 0 35 20 15 14 21 47 4 17 3 53 5 39 23 63 8 46 16 63 1 58 25 10 95 33 74 7 33 4 13 6 88 23 17 5 10 7 37 1 33 30 12 26 27 81 8 75 4 84 8 32 19 98 7 50 10 07 0 47 100 15 11 87 20 89 3 07 3 59 6 24 30 04 18 09 5 01 1 20 20 15 41 20 35 2 84 3 25 5 75 27 97 16 30 6 85 1 28 25 14 93 21 75 3 24 2 62 4 16 29 02 16 53 6 42 1 33 30 13 93 27 57 3 58 2 92 6 04 24 36 11 11 9 53 0 96 y 9 165 4x 103 99 R 0 986 5 y 6 549 5x 92 028 R 0 866 3 y 6 696 6x 94 947 R 0 930 3 y 7 061 5x 87 706 R 0 862 0 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相对流量 灌水次数 次 15 20 25 30 温度 y 8 398x 96 982 R 0 926 1 y 7 521 5x 88 465 R 0 871 5 y 8 544 5x 95 934 R 0 880 4 y 7 594 5x 95 418 R 0 910 7 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均相对流量 灌水次数 次 15 20 25 30 温度 灌溉排水学报 78 表 3 不同温度 压力 条件下灌水器堵塞位置统计 Table 3 Blockage location statistics of irrigation under different pressure and temperature 压力 kPa 温度 堵塞位置 总计 栅格 入口 过渡区 流道 首部 流道 中部 流道 尾部 50 15 2 3 3 7 2 17 20 1 2 4 3 5 15 25 0 4 4 0 5 13 30 1 7 3 2 0 13 100 15 3 6 3 2 3 17 20 2 6 2 2 4 16 25 2 6 5 1 1 15 30 1 2 3 2 7 15 总计 12 36 27 19 27 121 a 栅格入口 b 过渡区 c 流道首部 d 流道中部 e 流道尾部 图 6 灌水器不同堵塞位置 Fig 6 Blockage position of irrigation 从表 3可以看出 温度由 15 提高到 20 25 30 灌水器的堵塞个数在低压条件下由 17 个降低 到 15 13 13 个 常压条件下由 17 个降低到 16 15 15 个 说明灌水器堵塞的个数基本随温度的提 高而减少 在所有堵塞的灌水器中 栅格入口 过 渡区 流道首部 流道中部和流道尾部的比例分别 为 9 92 29 75 22 31 15 7 和 22 31 说 明灌水器堵塞多发生于过渡区 流道首部和流 道尾 部 在不同温度下比较各个堵塞位置的数目发现 在栅格入口和流道首部 2 个堵塞位置的数目基本不 随温度的变化而变化 而在过渡区 流道中部和流 道尾部 3 个堵塞位置的数目没有明显的随温度变化 的规律 说明灌水器的堵塞位置是一个随机的现象 提高温度并不影响其分布 3 讨 论 3 1 温度 压力对灌水器堵塞影响 分析 灌溉水温对灌水器流量的影响比较复杂 随着 温度的升高 流体内水分子的微观结构发生改变 从而使分子的内能发生变化 进而影响流体的黏度 和扩散 水的内能随着温度的增加而增加 黏 度系 数随着温度的增加而减小 温度越高 流体内分子 间无规则的运动和碰撞越激烈 分子偏离其原始位 置就越远 分子间的相互作用力就越弱 流体就越 容易扩散 17 18 具体表现为灌水器流量随温度的提 高而增加 9 另外 温度升高 肥液中的颗粒之间在保持吸 引力不变的同时排斥力增加 19 使得形成的絮凝物 更加脆弱 更容易被紊流和流体剪切力打破 形成 更小的絮状沉淀 到达流道高剪力区附近时更容易 被打碎重新混入肥液中 最终导致温度越高 形成 的絮凝沉淀越少 且沉速随着温度的增加而减少 20 正如图 4 所示 曲线斜率随着温度的提高而降低 表明温度越高 絮凝物沉淀的就越慢 灌水器的平 均相对流量下降的就越慢 紊动剪切对于粒径不同 的絮体影响也不同 对于粒径较小 6 24 m 的细 颗粒絮体影响不明显 对于粒径较大 48 384 m 颗粒絮体来说具有较大的影响 21 即温度升高 流 体的紊动性增强 对试验中絮凝颗粒 5 100 m 产生较大的影响 因此 在实际应用中 如温室水 肥一体化滴灌时 建议 适当提高灌溉水温以减少灌 水器发生堵塞的概率 一般来说 压力对于灌水器堵塞的影响主要是 通过影响灌水器流道摩阻系数 f的大小来实现的 当 压力 P 40 kPa 时 此时 Re450 流态变为湍流 f 值趋于稳定 不随压力的变化而变化 22 在本试验 中低压 50 kPa 和常压 100 kPa 下 灌水器内流态均 处于湍流状态 压力增大 流体的紊动性增加 加 大了肥液中颗粒间碰撞的概率 更容易形成絮凝物 从而依附在灌水器流道壁面 但同时由于压力增大 强水流体紊动所导致的高剪切力会破坏生成的絮凝 物 使其更容易随着水流冲出流道 23 所以工作压 力和灌水器堵塞并不是简单的线性关系 还与肥液 浓度 肥液中颗粒粒径等共同作用 影响灌水器的 堵塞 24 25 本 试 验在 5 g L的磷酸二铵下进行 发现 压力对灌水器堵塞并无明显规律 26 何坤 等 温度与压力对水肥一体化滴灌灌水器堵塞影响研究 79 3 2 堵塞物质分析 表 4 为试验选用的磷酸二铵肥料中各元素的质 量百分比 由表可得 原状肥料中除了含磷酸氢二 铵之外 还引入了少量的 Ca Mg Fe Al F 等元 素 当水中加入磷酸二铵肥料时 一方面 磷酸氢 二铵离子化产生磷酸根离子 与溶液中的钙 镁 氟等离子结合产生磷酸钙 磷酸镁 氟磷酸钙等难 溶于水的磷酸盐沉淀 特别是在溶液环境处于 pH较 高的条件下 更容易产生堵塞物质 因此可以采用 pH 较低的酸性磷肥缓解灌水器的堵塞 27 另一方面 溶液中细小不溶于水的不规则颗粒物质也随着肥料 加入溶液而增多 由于磷酸根离子的吸附作用 会 与溶液中的悬浮杂质结合团聚生成絮凝体 进一步 增加了灌水器堵塞的可能 28 另外有学者研究指出 灌水器中堵塞物质是以丝状菌体及其胞外多聚物为 桥梁富 集成絮状体为主形成的小颗粒沉积物 29 而 本试验中由于缺乏微生物生长所必需的营养物质 试验时间较短等因素 并未观察到此现象 因此本 试验中加入磷酸二铵使得灌水器堵塞的主要原因为 磷肥吸附杂质形成絮凝物的物理堵塞以及溶液中离 子置换形成沉淀的化学堵塞的耦合 表 4 原状肥料各元素质量百分比 Table 4 Percentage of elements in undisturbed fertilizer 元素 N O F Mg Al P Ca Fe 其他 百分比 11 1 42 62 1 44 1 13 1 49 36 41 0 91 3 49 1 41 3 3 堵塞位置分析 灌水器内部迷宫流道尺寸微小 结构复杂 用 常规的方法难以对其内部的流场进行分析 喻黎明 等 30 采用计算流体力学 CFD 方法进行仿真 并 对比 粒子图像测速法 PIV 得到的结果 发现 CFD 方法得出的固体颗粒运动特性基本符合实际情 况 故本文采用 CFD 的方法对灌水器流道进行模拟 图 7为在 100 kPa下灌水器内部流道速度矢量图和流 线图 由图 7 可知 在灌水器流道内部流体呈一个复 杂的紊流状 主流区在流道中间 基本沿迎水面齿 尖流动 和低速区分界比较明显 并存在一定数量 的漩涡 在栅格入口处 由于入口速度很低 几乎 为零 存在低速区和滞止区 肥液中的细小颗粒有 一定概率在此处沉积造成灌水器堵塞 而在过渡区 由于水流流速较慢 肥液中颗粒碰撞 概率 较低 不 易彼此黏结絮凝形成较大颗粒 其与壁面间的黏附 能相对于其本身的动能来说较大 因而颗粒容易在 碰撞后失去其全部的动能从而黏附在壁面上 31 造 成流道堵塞 另外在流道首部和流道尾部处 存在 有多个低速漩涡 颗粒在进入到这些低速漩涡时 一方面由于漩涡内速度低 一旦进入很难被冲出 久而久之 就会因颗粒间的靠拢 碰撞结合形成大 的絮凝物而堵塞流道 32 另一方面 在灌溉结束后 间隙期间 在漩涡处滞留的细小颗粒在重力作用下 沉降 彼此结合形成较大的团聚体依附在流道表面 形成堵塞 而在流道中部处 存在较多速度为零的 速度死区 使得肥液中的细小颗粒容易在此沉积造 成灌水器堵塞 a 速度矢量图 b 流线图 图 7 灌水器流道内速度矢量与流线图 Fig 7 Velocity vector and flow field path lines in the flow passage of emitter 4 结 论 1 5 g L 的磷酸二铵肥料加速灌水器堵塞的效 果明显 升高温度可以提高平均相对流量 且在低 压条件下提高的程度比在常压条件下大 随着温度 的提高 平均相对流量的下降速率有所减慢 且在 低压条件下下降速率减缓的幅度比在常压条件下大 2 温度对灌水器中堵塞物质的组成成分影响不 明显 其主要为磷酸盐 堵塞机制为磷肥吸附作用 形成絮凝物的物理堵塞与离子置换形成沉淀的化学 堵塞的耦合 温度升高 堵塞物质中吸附的细小颗 粒减少 絮凝现象减弱 且磷酸盐量有所减少 压 力并不影响堵塞物质的微观形貌 但在常压条件下 会使堵塞物质中磷酸盐量增加 3 提高温度并不影响灌水器堵塞位置的分布 灌水器中堵塞物质位于栅格入口 过渡区 流道首 部 流道中部和流道尾部的比例分别为 9 92 29 75 22 31 15 7 和 22 31 主要集中在过 渡区 流道首部和流道尾部 因此建议对过渡区 灌溉排水学报 80 流道首部和流道尾部 3 个位置进行结构优化 缓解 灌水器堵塞 参考文献 1 TAYLOR H D BASTOS R PEARSON H W et al Drip irrigation with waste stabilization pond effluents Solving the problem of emitter fouling J Water Science and Technology 1995 31 12 417 424 2 BOZKURT S OZEKICI B The effects of fertigation management in the different type of in line emitters on trickle irrigation system performance J Journal of Applied Sciences 2006 6 5 1 165 1 171 3 李康勇 牛文全 张若婵 等 施肥对浑水灌溉滴头堵塞的加速作用 J 农业工程学报 2015 31 17 81 90 LI Kangyong NIU Wenquan ZHANG Ruochan et al Accelerative effect of fertigation on emitter clogging by muddy water irrigation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2015 31 17 81 90 4 刘璐 牛文全 Bob Zhou 细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器堵塞的影 响 J 农业工程学报 2012 28 1 87 93 LIU Lu NIU Wenquan BOB ZHOU Influence of sediment particle size on clogging performance of labyrinth path emitters J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2012 28 1 87 93 5 刘燕芳 李丹 吴普特 等 不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞 特征 J 农业工程学报 2018 34 3 96 102 LIU Yanfang LI Dan WU Pute et al Clogging characteristic of different emitters in drip irrigation with hard water J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 3 96 102 6 杨晓奇 王珍 刘宏权 等 微咸水滴灌条件下氮磷肥协同施入对灌水 器堵塞的影响 J 灌溉排水学报 2020 39 7 68 76 YANG Xiaoqi WANG Zhen LIU Hongquan et al Effect of phosphorus and nitrogen fertigation on clogging in drip emitters applying saline water J Journal of Irrigation and Drainage 2020 39 7 68 76 7 余杨 许文其 宋时雨 等 红壤粒径肥料浓度和灌溉方式对不同灌水 器堵塞的影响 J 农业工程学报 2018 34 15 92 99 YU Yang XU Wenqi SONG Shiyu et al Influence of red loam particles fertilizer concentration and irrigation method on clogging of different irrigation emitters J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 15 92 99 8 ADIN A Sacks M Dripper clogging factors in wastewater irrigation J Journal of Irrigation and Drainage Engineering 1991 117 6 813 26 9 徐明金 聂境 葛旭峰 等 低压条件下滴灌带的水力特性及温度影响 效应试验 J 中国农村水利水电 2010 12 8 10 XU Mingjin NIE Jing GE Xufeng et al Experiment of hydraulic trait of drip irrigation strap under low pressure and the influence of temperature on emitter discharge J China Rural Water and Hydropower 2010 12 8 10 10 牛文全 刘璐 浑水特性与水温对滴头抗堵塞性能的影响 J 农业机 械学报 2012 43 3 39 45 NIU Wenquan LIU Lu Influences of sediment concentration and water temperature of muddy water on emitter clogging J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery 2012 43 3 39 45 11 刘璐 李康勇 牛文全 等 温度对施肥滴灌系统滴头堵塞的影响 J 农业机械学报 2016 47 2 98 104 LIU Lu LI Kangyong NIU Wenquan et al Influence of temperature on emitter clogging with fertigation through drip irrigation system J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery 2016 47 2 98 104 12 王浩翔 张新燕 牛文全 等 低压滴灌施肥条件下温度对滴头堵塞的 影响 J 灌溉排水学报 2020 39 3 63 71 WANG Haoxiang ZHANG Xinyan NIU Wenquan et al The effect of temperature on emitter clogging in low pressure drip fertilization system J Journal of Irrigation Drainage 2020 39 3 63 71 13 生态环境部 国家市场监督管理总局 农田灌溉水质标准 GB 5084 2021 S 北京 中国标准出版社 2021 14 于江海 周和平 农业灌溉水温研究 J 现代农业科技 2008 8 123 125 127 YU Jianghai ZHOU Heping Study on water temperature of agriculture irrigation J Modern Agricultural Science and Technology 2008 8 123 125 127 15 LIU Na WEI Zhengying WEI Haoran Colorimetric detection of nitrogen phosphorus and potassium contents and integration into field irrigation decision technology J Earth and Environmental Science 2020 651 042 044 16 Clogging test methods for emitters ISO TC 23 SC 18 WG5 N12 V3 S 17 娄彦敏 刘娟红 周晓平 等 温度对水的粘度和扩散系数影响的研 究 J 西南师范大学学报 自然科学版 2009 34 6 34 39 LOU Yanmin LIU Juanhong ZHOU Xiaoping et al Temperature on the viscosity and diffusion coefficient of water J Journal of Southwest China Normal University Natural Science 2009 34 6 34 39 18 周健 陆小华 王延儒 等 不同温度下水的分子动力学模拟 J 计算 机与应用化学 1999 16 4 241 244 ZHOU Jian LU Xiaohua WANG Yanru et al Molecular dynamics simulation of water at different temperature J Computer and Applied Chemistr