张小艳，张 芮，延艳彬

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

地下滴灌是一种地下微灌形式，在低压条件下，通过埋于作物根系活动层的灌水器(微孔渗灌管)，根据作物的生长需水量定时定量地向土壤中渗水供给作物[1- 2]。具有降低室内湿度，减少病虫害，改善土壤环境加速作物生长，节约灌溉用水，减少肥料用量，降低生产成本等优点[3- 4]；能在一定程度上增加灌溉深度，从而形成较深的根系，这样既能形成较深的根压保证葡萄植株的旺盛生长，又能有效预防冻根现象的发生[5]；在设施延后栽培葡萄中合理调亏灌溉能显著提高水分生产效率，实现节水、高效用水和提高部分品质指标的目的[6]。它不仅在机理上、技术上、经济上，而且在生态环境、水资源保护上都被认为是最有发展前途的节水灌溉技术[7]。但渗灌易堵塞、灌水不均匀、检修困难等问题严重制约了其推广应用[8]。

综合上述渗灌技术在灌溉应用中的特点，本文以温室葡萄灌溉为例，提出了一种新型的日光温室多年生作物渗灌装置设计方案。该方案克服了传统装置在应用中的弊端，使渗灌优势得到进一步凸显，对推进我国渗灌技术的发展与推广应用具有重要的意义。

1 灌水器整体结构

灌水器分为地上、地下两部分。如图1所示。

1.1 地上部分结构

传统渗灌装置堵塞常发生在埋于地下的狭窄消能流道内，将流道独立于管道置于地表，一方面使其摆脱了管道内的空间限制，可进行大尺寸流道设计，从而减低其堵塞可能性，另一方面也从根本上解决了堵塞后检修困难的问题。

主体灌水器控制多个独立滴头的组合设计，能使每个灌水器控制更大的灌溉面积，节省了灌水器布置时的投入与灌水时间，进而节约了成本。

1.2 地下部分结构

地下部分为打孔渗灌管，在上部来水均匀的基础上对作物根系以重力渗灌方式灌水。渗灌管数量与上部独立出水口数量一致，并且全部服从于作物根系需水量。

图1 灌水器结构图

2 灌水器细部结构设计及参数确定

2.1 流道设计及参数确定

流道设计应短而宽，同时考虑必要的流速[9]；魏正英[10]等人证实流道中存在的流动滞止区是引起灌水器堵塞的主要结构因素，避免流道内流动滞止区的产生是降低堵塞的有效手段之一；灌水器流道在地表之上，不受空间尺寸限制，打破了传统流道截面尺寸多小于1mm的局限；大尺寸流道设计应避免结构复杂以限制其生产成本。综合以上因素并借鉴已有小尺寸迷宫流道设计经验，确定图2设计方案，其中流道径向总长80mm，深度1.5mm。

图2 消能流道(单位:mm)

2.2 渗灌管设计及参数确定

(1)材料确定

设计渗灌管材料优选为直径Φ=12mm的普通硬质PVC管，在上部定量来水的情况下以重力方式灌水。

(2)结构及出水口设计

利用模具成型技术在PVC管壁顶部设出水口，利于水分在渗灌管水平方向的运移；出水口直径Φ=1.2mm；单出水孔设计，孔间距10cm。

(3)渗灌管埋设方式

灌水器的埋设深度主要取决于作物吸水根系分布范围[11]。葡萄根系主要分布在距表面1m范围内，水平分布常在3m直径范围内[12]；其中距离树干100cm范围内占到根系80%以上，垂直0～60cm范围土层内占根系的75%以上[13]；因每株葡萄根部都布设渗灌器，葡萄垄宽多不超过1.5m，本着渗灌管长度不大于二分之一垄宽的原则将渗灌管水平埋设距离定为70cm。考虑渗灌管埋置应满足不影响地面耕作的要求，将垂直埋深定为25cm。渗灌管长度较短，坡度按水平布置；埋设时出水口向上，在出水孔上方覆盖2～3cm的粗砂或稻壳作为过滤层，防堵的同时释放出水口处因水分饱和而产生的正压力。如图3所示。

图3 渗灌管埋设布置图(单位:cm)

渗灌管最佳工作压力应为1.57～2.35kPa变水头[14]。本设计对渗灌管和渗灌体出水口进行间隙连接，渗灌管工作压力即为渗灌体出水口到渗灌管出水口间的重力水头P(考虑损失10%水头损失):

P=ρgh(1-10%)=1.0×103×9.8×0.25×90%=2.205kPa

符合最佳工作压力。

2.3 消能流道与进水管、渗灌管连接设计

(1)消能流道与进水口间的连接设计

单个渗灌器中各消能体与分水腔体进行整体连接设计，保证流道入口处的相同压力，提高作物灌水均匀度的同时增加灌水器的结构强度。

(2)流道出口与渗灌管间的连接设计

流道出口与渗灌管间采用不紧密连接方式，即将尺寸消能体伸入到大孔径渗灌管中，渗灌管与外界大气相通，水分依靠自身重力完成在两者间的运移。

渗灌管与大气相通，从根本上解决了在突然回水或断电情况下渗灌管产生负压吸泥从而堵塞渗水口的问题。另外在长期灌溉过程中，通过检查流道出口的出流情况就能轻易判别灌水装置是否运转正常，一旦堵塞立即更换，不存在传统渗灌装置检修难的问题，增加了灌水器的使用寿命。

2.4 流道性能分析

温室内受空间限制，无长距离铺设管道的需要，且微灌系统正朝着低压、小流量方向发展[15]，优选主管道内部设计工作压力0.04MPa，校核工作压力0.05MPa。

2.4.1 抗堵性能分析

利用FLUENT软件基于恒定入口压力的3维紊流模型对流道内部水流变化情况进行模拟。为方便查看，用等效消能流道代替实际流道，得到流道内部水流流速矢量图。如图4、图5所示。

图4 流速矢量图(单位：m/s)(设计情况)

图5 流速矢量图(校核情况)

流道中存在的流动滞止区和流道内流速小于杂质颗粒的起动流速是引起流道内泥沙沉积而导致堵塞的两个最主要的因素。从设计、校核情况下流道内部流速矢量图可以看出，该流道内水流方向基本一致且过渡平缓，不存在明显流动滞止区；流道内部主体水流最小流速(流道最大截面处可分辨最小流速)分别为0.379m/s和0.429m/s，均大于微灌系统筛网式过滤器过滤后水体携带的0.06～0.6mm粒径泥沙颗粒的最大临界起动流速0.32m/s[16]。综上，该流道结构设计和拟定尺寸参数能明显避免造成流道堵塞的两个主要因素，降低泥沙在流道沉积而导致流道堵塞的可能性，大大延长灌水器的使用寿命。

2.4.2 出流量分析

设计、校核情况下流道出口处速度轮廓线如图6、图7所示。

图6 出口速度轮廓图(设计情况)

图7 出口速度轮廓图(校核情况)

研究证明重壤土每延长米渗灌管的出流量以0.009～0.010m3/h为宜；中、轻壤土每延长米渗灌管的出流量以0.012～0.016m3/h为宜；砂壤土每延长米渗灌管的出流量以0.016～0.020m3/h为宜[17]。葡萄喜欢排水通气良好的土壤条件，在种植葡萄时多选用中、轻壤土和砂壤土，因此对应的渗灌管每延米出流量应以0.012～0.020m3/h为宜。

由设计、校核情况下出口速度轮廓图得出口平均出流速度分别为1.77m/s和2.01m/s，渗灌管每延米出流量按下式计算：

q=v|·s·t/l

(1)

式中，q—每延米出流量；v—出口断面平均流速；s—出口断面面积；t—时间；l—控制渗灌长度。

设计情况：v设=1.77m/s，s=1.5×10-6m2，l=0.7m；

q设=v·s·t/l=1.77×1.5×10-6×3600/0.7=0.0136m3/h。

校核情况：v校=2.04m/s，s=1.5×10-6m2，l=0.7m；

q校=v·s·t/l=2.04×1.5×10-6×3600/0.7=0.0157m3/h。

两种情况下的出流量均在0.012～0.020m3/h的最优出流量范围内，满足温室葡萄等多年生作物灌溉要求。

3 结论与讨论

(1)渗灌器独特滴、渗灌相结合的结构设计将大尺寸流道设计变得可能，提高了作物灌水均匀度的同时降低了堵塞检修的困难，为优化渗灌结构设计提供参考。

(2)大尺寸、简易流道设计方案显示了其优越的水流特性及抗堵性能，保证了灌水器在长期运行过程中的可靠性。

(3)通过对消能流道模拟分析，从理论上证实了该灌水装置能够满足不同土质对渗灌器出流量的要求。

(4)本文仅从理论上证实了该灌水装置的可行性，需进行田间配套实验，找出问题、解决问题，并尽早的将之推广应用。