石羊河流域水肥一体化对滴灌灌水器堵塞和施肥均匀性的影响研究

摘要

水肥一体化滴灌具有节水、节肥、省工、增产等优点，在干旱缺水的石羊河流域得到大面积应用。由于滴灌专用肥价格高，大田应用中大多是直接使用常用肥料进行水肥一体化滴灌，容易引起滴灌灌水器堵塞，使得灌溉施肥均匀度下降，所以在新疆甘肃等地大量使用回收滴灌带生产的薄壁滴灌带，价格低廉，可每年更换滴灌带，避免堵塞造成的水量不均匀。薄壁滴灌带的作用压力不能过高，在低压条件下灌水器灌水均匀度和抗堵塞性能将会降低，更换滴灌带也没有解决水肥一体化滴灌灌水器堵塞的问题，因此很有必要研究水肥一体化对滴灌灌水器堵塞及施肥均匀度的影响，以提高灌溉施肥的均匀度。 本文选取在目前在新疆和甘肃等地区大面积应用的侧翼迷宫滴灌带（1#几字型、2#几字型、欧姆链型迷宫）和内镶贴片式滴灌带（圆弧型迷宫流道），进行水力性能、水肥一体化堵塞试验及数值模拟，观测灌水器堵塞情况、堵塞物质、滴灌带沿程土壤含水率、土壤养分及作物产量结果，分析滴灌带堵塞和施肥均匀度的影响因素。主要得到以下几点结论： （1）通过滴灌带水力性能试验，发现四种滴灌带灌水均匀度均能满足灌溉质量要求，其中内镶贴片式滴灌带灌水均匀系数最高，基本保持在98%左右，三种侧翼迷宫式滴灌带维持在94%以上，；在铺设距离为0~48m范围内内镶贴片式滴灌带沿程水头损失受滴灌带铺设长度影响不明显，而侧翼迷宫式滴灌带总体灌水均匀度低于前者，但在短距离铺设长度30m以下，侧翼迷宫滴灌带的水头损失小于内镶贴片式，能量耗损更低。 （2）通过侧翼迷宫式滴灌带抗堵塞性能试验，发现欧姆链式流道灌溉均匀度大于其他两种，抗堵塞能力最优，随灌水次数的增加，1#几字型滴灌带从最开始堵塞的后段逐渐向上游延伸，而2#滴灌带堵塞滴头则是由前段和后端向中游延伸。在水肥一体化玉米全生育期间歇性滴灌试验中，内镶贴片式滴灌带在管首压力低于0.09MPa下易发生堵塞，需设置叠片式或网式120目过滤器，侧翼迷宫滴灌带堵塞情况随铺设长度增大而加重，在铺设48m时，水肥一体化灌溉管首压力0.05MPa效果最优，当首压设置为0.04MPa时建议铺设距离不超过30m。通过对滴灌带内堵塞物质的观察和检测，发现滴灌带的堵塞过程中既有物理堵塞也有化学堵塞，包括水中夹杂的土壤杂质如细小砂砾，以及土壤中硅酸盐成分与磷肥中的碳酸根反应生成难溶于水的沉淀，还有水中钙离子与肥料中磷酸离子反应产生沉淀都可能造成堵塞，滴灌带滴头堵塞多发生在迷宫流道入口及前段，在滴灌带流量小时更易发生堵塞，造成后续肥料也难以通过。 （3）对四种迷宫流道建立模型运用FLUENT进行了水力性能数值模拟分析，对两种大田堵塞试验的灌水器迷宫流道作固液两相流分析，得出迷宫流道内压力从进口顺流道内部水流前进方向均匀下降，压力变化都发生在迷宫流道内部水流易发生突变的转弯尖角处，迷宫流道长度越长则单个迷宫单元的消能越低，两者关系呈负相关。每个迷宫单元内部流场变化规律基本一致，欧姆链型流道和内镶贴片式圆弧形流道背水拐角处出现很明显的旋涡和二次流动区，可以有效的减缓堵塞，内镶贴片式圆弧流道进口处及侧翼式欧姆链型流道在迎水面顺时针拐角处流速较低而固体颗粒浓度较高，固体颗粒容易在此沉积。 （4）通过对滴灌带沿程土壤含水率、土壤养分含量以及作物产量的分析，得出使用常压的内镶贴片式滴灌带施肥均匀度高于使用低压的侧翼迷宫式滴灌带，其中使用内镶贴片式滴灌带首部压力为0.09、01MPa下与使用侧翼迷宫式滴灌带首部压力为0.06MPa下施磷肥均匀度最高，铺设侧翼迷宫式滴灌带管首设置低压（0.04MPa、0.05MPa、0.06MPa）状态下，作物产量要高于铺设内镶贴片式滴灌带管首设置常压（0.08MPa、0.09MPa、0.1MPa），说明低压滴灌可以提高玉米保苗率、有增加产量的效果。

目录

论文说明

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2.1 滴灌灌水器性能试验研究

1.2.2 滴灌带迷宫流道内部流动特性研究进展

1.2.3 水肥一体化滴灌及系统堵塞研究进展

1.3 存在问题

1.4 研究内容

1.4.1 滴灌带水力性能特性及均匀度研究

1.4.2 水肥一体化对滴灌带堵塞影响因素的研究

1.4.3 水肥一体对滴灌带施肥效率及作物产量的研究

1.5 技术路线

第二章 试验材料与布置

2.1 试验方案设计与方法

2.1.1 滴灌带滴头水力性能试验研究

2.1.2 水肥一体化滴灌带抗堵塞性能试验研究

2.2 数值模拟试验设计与方法

第三章 滴灌带水力性能研究

3.1.1 水力特性曲线

3.1.2 灌水均匀度和水头损失

3.2 基于CFD数值分析方法的灌水器流道内部水力特性研究

3.2.1 滴头流道模型的建立

3.2.2 结果与分析

3.3 本章小结

第四章 水肥一体化对滴灌带堵塞影响的研究

4.1.1 灌溉均匀度分析

4.1.2 灌水器堵塞规律分析

4.2 滴灌带沿程水头损失及堵塞规律分析

4.2.1 压力及过滤装置对滴灌带抗堵塞性能影响

4.2.2 滴灌带铺设长度对灌溉均匀度影响分析

4.2.3 滴灌带不同位置滴头堵塞程度

4.3 滴灌带迷宫流道内部沉积物分析

4.4 基于CFD数值模拟方法的迷宫流道内部固液两相流分析

4.4.1几何模型及边界条件

4.4.2 结果分析

4.5 本章小结

第五章 水肥一体化滴灌带水肥均匀度及对作物产量的影响研究

5.1 田间灌水均匀度分析

5.1.1 滴灌带出流量及滴头湿润范围沿程变化分析

5.1.2 不同管首压力灌溉对土壤含水率影响分析

5.2 滴灌带沿程施肥均匀性分析

5.2.1 滴灌带滴头施肥量定量分析

5.2.2 不同压力下滴灌带沿程土壤养分变化规律研究

5.3 不同滴头流量作物产量分析

5.4 本章小结

第六章 结论与讨论

6.1 主要结论

6.2 本文主要创新

6.3 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

作者简介