减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定

为探究引黄滴灌区水肥一体化灌溉过程中毛管冲洗周期对滴头堵塞风险的影响,该研究分别对浑水和浑水+尿素滴灌后不同毛管冲洗周期（3、5、7、10 d）对滴灌滴头堵塞的控制效果进行了研究。结果表明：毛管冲洗周期对滴头相对流量有极显著影响,在浑水滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高14.29%～47.77%（P<0.05）,在浑水+尿素滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高12.89%～126.67%（P<0.05）。按照毛管冲洗对滴头流量的保持能力可将滴灌系统运行为3个阶段：冲洗钝感期、冲洗敏感期和冲洗无效期,首次冲洗应在冲洗钝感期结束前进行。宁夏中卫段黄河水浑水滴灌和浑水+尿素滴灌后的首次冲洗应该分别在第2灌水和第9次灌水后进行,适宜的毛管冲洗周期分别为5和7 d。研究结果可为宁夏中卫段黄河水滴灌区采取适宜的抗堵塞措施提供参考。     

再生水滴灌对滴头堵塞的影响

研究以再生水（二级处理出水）为灌溉水源时,3种滴头（单翼迷宫式滴头、内镶式滴头和压力补偿孔口式滴头）的流量、灌水均匀度和堵塞的变化过程及规律,并和自来水灌溉条件下的结果进行对比,分析了滴头堵塞的主要原因。研究结果显示：再生水灌溉条件下3种滴头的流量和灌水均匀度都要明显小于自来水条件下的结果,其中单翼迷宫式滴头的流量和灌水均匀度下降最大,而压力补偿孔口式滴头的变化最小。水质和滴头内沉淀物质的分析显示,化学沉淀（主要成分为CaCO3和MgCO3）是引起滴头堵塞的主要方式,滴头流量小、流道尺寸小和流态指数偏高也增加了滴头堵塞的风险。建议实际中利用再生水灌溉的滴灌系统,可选用压力补偿孔口式滴头。     

日光温室滴灌条件下滴头流量和间距对黄瓜生长的影响

滴头流量和滴头间距是影响滴灌系统投资的重要参数,为探索降低系统投资,在日光温室中进行了滴头流量和滴头间距对黄瓜生长影响的试验。试验共设4种处理,滴头流量/滴头间距分别为2.7 L·h^-1/30 cm、2.7 L·h^-1/50 cm、1.4 L·h^-1/30 cm和1.4 L·h^-1/50 cm,处理间灌水量相同。研究结果表明：在相同灌水量情况下,4种处理的产量分别为80.63、85.66、94.31和90.91 t/hm²,作物水分利用效率分别为23.6、24.9、27.9和25.4 kg/m³,没有形成显著统计差异。由此可见在试验限定条件下对于温室垄作黄瓜,滴灌系统采用较大的滴头间距和较小的滴头流量时,不会影响产量与质量,但可降低系统投资。试验还得出了黄瓜各生育阶段的耗水量、作物系数和需水系数。     

膜下滴灌条件下滴头流量和水质对水分运移及蒸散规律影响研究

通过土柱模拟试验,从不同滴头流量、滴水定额和滴灌水质三个方面,研究了不同滴头流量条件下水分运移规律以及不同滴头流量、水质对棉花蒸散特性的影响。研究表明,相同滴水定额条件下,大滴头流量有利于水分的水平运移,湿润锋曲线呈椭圆型,小滴头流量利于水分的垂直下渗,湿润锋更接近于圆形;苗期(6月份)和吐絮期(10月份)0.3 L h-1滴头流量处理蒸散量小于0.8 L h-1,只为后者的78.3%,而在7～9月份,小滴头流量滴灌蒸散量则明显大于大滴头流量。微咸水滴灌条件下,2.47 g L-1微咸水灌溉对蒸散量没有影响,3.50 g L-1咸水灌溉则有明显的抑制作用,整个生育期内咸水灌溉棉花蒸散总额比淡水和微咸水灌溉减少8.0%。     

泥沙粒径与含沙量对迷宫流道滴头堵塞的影响

为探明泥沙粒径与含沙量对内镶片式斜齿形迷宫流道滴头的堵塞过程和原因,采用筛分法,分选出6个小于0.1 mm的粒径段,配制成不同含沙量的浑水,在恒压条件下,采用周期性间歇灌水试验观测流量变化,通过电镜扫描法观测堵塞泥沙结构。试验结果表明:粒径为0.075≤D0.1 mm和0.03≤D0.038 mm的泥沙易引起滴头堵塞;粒径为0.038≤D0.05和D0.02 mm的泥沙较难引起堵塞,且含沙量变化对堵塞的影响较小;粒径0.02≤D0.03 mm和0.05≤D0.075 mm的堵塞情况介于上述两者之间。当含沙量为1.2~1.3 g/L时,是最易引起堵塞的临界含沙量。当0.038≤D0.1 mm时,泥沙在流道内不易形成团聚体,造成滴头堵塞的原因是泥沙沉降、堆积;当D0.038 mm时,泥沙易在流道中凝结成大的团聚体,是造成滴头堵塞的主要原因。     

灌溉水磁化处理对水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响

为探究灌溉水磁化处理对引黄灌区水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响,该研究针对内镶片式滴头,设置磁化强度为0.2、0.4和0.6 T,对照组为未磁化处理,并配置质量份数为2 %的硫酸钾肥、尿素和复合肥浑水（泥沙浓度为3.0 g/L）,采用短周期间歇性灌水试验。结果表明：磁化极显著减缓滴头流量与灌水均匀度的下降趋势（P<0.01）,不同肥料适合的最佳磁化强度不同,磁化强度为0.4 T时,对硫酸钾肥与复合肥混合液的灌水均匀度下降的减缓作用最大,磁化强度为0.2 T时,对尿素混合液的灌水均匀度下降的减缓作用最大;灌溉水磁化后,硫酸钾肥和复合肥处理毛管前段堵塞滴头的数量增加,尿素处理的减少;磁化处理显著影响滴头堵塞敏感粒径的沉降和运动,显著增加了硫酸钾肥与复合肥混合液在毛管中淤积泥沙的敏感粒径（<0.03 mm）占比,减少了滴头输出泥沙中敏感粒径占比,尿素则相反。研究结果可为引黄灌区水肥一体化滴灌滴头抗堵塞防治措施提供参考。     

滴头流量对土壤甲烷吸收扩散转化及马铃薯产量的影响

准确认识滴头流量对甲烷在土壤内部的扩散与氧化以及地表净吸收的调控作用,对于提高滴灌农田甲烷吸收潜力以减缓全球气候变化具有重要意义。该研究于2021年和2022年在甘肃武威开展田间试验,设置3个滴头流量（F1：1.3 L/h,F2：2.0 L/h,F3：3.0 L/h）,探究不同土层甲烷的扩散与吸收及地表净吸收特征及对土壤环境因素的响应。结果表明：在0～40 cm土层,F1处理甲烷平均扩散通量显著高于F2和F3,然而>40～60 cm土层与此规律正好相反。F1处理的地表累积甲烷吸收量比F2和F3增加5.9%～13.8%。甲烷吸收主要发生在0～20 cm表层土壤,占到总吸收量的72.1%～82.5%。与其他土壤环境因素相比,土壤孔隙含水率对土壤甲烷浓度影响最大,F1处理的表层土壤土壤孔隙含水率较低,有利于甲烷从大气进入土壤并向深层扩散,从而增加甲烷吸收量。此外,F1处理的马铃薯产量和灌溉水分利用效率较高。在滴灌管理中应考虑通过合理的滴头流量调控土壤湿润范围营造良好的土壤水分和通气性,以增加土壤甲烷汇的能力和马铃薯产量。研究结果可为滴灌农田土壤碳汇调控与马铃薯产量提升提供参考。     

滴头流量对棉花根系分布影响的试验

土壤湿润区与作物根系分布之间的关系是确定滴灌湿润比的理论依据,而土壤湿润区形状直接受滴头流量的控制,因此,滴头流量与作物根系分布之间的关系是确定滴灌技术参数的依据。该文以桶栽试验为基础,设置5个滴头流量处理（0.5、1、1.5、2、2.5 L/h）观测了棉花5个生育阶段（苗期、蕾期、花期、铃期、吐絮期）的根系结构和根系分布。试验结果表明,小滴头流量下棉花根系分布范围窄而深,根系结构紧凑;而大滴头流量下棉花根系分布范围宽而浅,根系结构稀松。棉花根长密度随土层深度先增大后减小,并且随着滴头流量由小变大,土层内根长集中点向浅层上移。水平方向上,棉花根长密度由根轴向两边逐渐减小,而且根轴处的根长占总根长比率随滴头流量的增大而变小。试验结果为滴灌技术设计中选定土壤湿润比和滴头流量提供参考。     

水质及流量对盐碱土滴灌湿润锋运移影响的室内试验研究

采用15°扇柱体有机玻璃土槽，研究了不同水质和滴头流量对盐碱土湿润锋运动的影响。试验所采用水的钠吸附比(SAR)分别为2和20，水的含盐浓度(C)分别为80、20 mmol/L和蒸馏水，滴头流量分别为2、3.4和8 L/h。试验结果表明：不同时间的二维湿润锋边界形状近似半椭圆形；在相同水质情况下，水平湿润距离和垂直湿润距离均随滴头流量的增加而增加；相同灌水量的情况下，滴头流量的增加有利于水分水平方向的发展，不利于垂直方向的发展；用蒸馏水灌溉时，水平湿润距离明显高于其他含盐水灌溉的情况，垂直湿润距离明显小于其他含盐水灌溉的情况；不同浓度含盐水滴灌时对湿润锋的影响不明显；湿润锋的宽深比随着灌溉时间的持续而减小。     

肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响

为研究浑水水肥一体化灌溉过程中,不同肥料对滴头输沙能力的影响,合理配置滴灌系统首部的过滤设备和设施,降低过滤设施的成本,提高滴灌系统工作效率,选取了常用的3种肥料(尿素、硫酸钾和水溶性复合肥)及其3种肥料质量分数(1%、2%和3%),在含沙量为1 g/L的浑水条件下进行间歇灌水堵塞试验,分析了滴头累积泥沙输出量、出流含沙量和泥沙输出率。结果表明:浑水施肥可以增强滴头的输沙能力,肥料类型和浓度不同,对滴头输沙能力的影响也不同。滴头输沙能力随着尿素浓度的增大而增大,当尿素质量分数为3%时,滴头输沙能力比未施肥处理增加了11%(P0.05)。滴头输沙能力随硫酸钾和复合肥浓度的增大而减小,当硫酸钾质量分数为1%时,滴头输沙能力大于未施肥处理,增大了25%;当复合肥质量分数2%时,滴头输沙能力小于未施肥处理。标准化的累积泥沙输出量与标准化的累积灌水量的拟合直线斜率也可作为滴头输沙能力的判断依据,肥料质量浓度是影响滴头输沙能力的重要因素,应根据不同的肥料类型,确定适宜的施肥浓度。研究结果对确定滴头防堵塞策略提供一定的参考。     

滴头堵塞程度分级和评价及堵塞风险预测方法

为了准确监测滴头的堵塞状态,预测滴头堵塞程度的发展变化趋势。该研究基于模糊综合评价法,以相对流量变化量、灌水均匀度变化量为评价指标,用熵权法和三角形隶属度函数计算各评价指标权重和隶属度,建立了滴头堵塞综合评价指标（Evaluation Index,EI）,利用灰色GM(1,1)预测模型预测滴头堵塞程度随灌水时间的变化情况。结果表明：滴头堵塞是一个随灌水时间增加而波动渐进的过程,滴头堵塞过程可分为波动平稳阶段和快速发展阶段2个过程,不同滴头的堵塞过程具有一致性规律,不同灌水时间的EI值间具有很好的相关性,可以根据前期试验数据预测滴头后期堵塞程度的变化趋势;提出了基于EI的滴头堵塞程度5级分级标准和方法,建立了基于5次测试灌水数据的滴头堵塞风险灰色GM(1,1)预测方法,可以预测不同滴头未来不同灌水时间后的滴头堵塞状态,对7种滴头堵塞程度的预测结果准确率为85.7%。该方法为滴头抗堵塞能力评价以及滴灌工程抗堵塞预防措施的配置提供了理论依据。     

边缝式迷宫滴灌带灌水器流道内泥沙沉积影响因素分析

为研究灌水器流道内泥沙颗粒淤积特性的影响因素,进一步降低物理堵塞发生的风险,该研究配置不同浓度（1.8、2.8、3.8 g/L）和不同粒径（0 $leqslant $ d < 0.054 mm、0.054 mm $leqslant $ d < 0.075 mm、0.075 mm $leqslant $ d < 0.1 mm）的含沙水,进行全组合间歇滴灌堵塞试验,对含沙水灌溉下灌水器泥沙沉积特性进行分析并对灌水器内流态进行数值模拟研究。结果表明：灌溉结束后,经由边缝式迷宫灌水器输出的泥沙中,黏粒与砂粒比例下降,粉粒比例上升,即灌水器弯曲流道对小于0.002 mm和大于0.05 mm粒径的泥沙具有明显阻滞作用,流道内堵塞的泥沙集中在0.054～0.1 mm的中大粒径范围内。灌水器流道内部流线在主流区呈波浪状前进,主流区水流流速大于近壁区,中部转角处流速均偏大。沙粒易受上转角和下转角处产生的漩涡影响而沉降集中在漩涡中心及背水面。滞留在漩涡区内的泥沙颗粒是引起灌水器堵塞的主要因素。为减少灌水器堵塞风险,在设计优化时宜考虑减少直角、锐角区域以减少漩涡区的形成。     

射流三通产生的高频压力脉冲对迷宫流道灌水器堵塞的影响

滴头堵塞是滴灌技术发展的主要障碍。为了分析75 kPa射流三通入口压力下形成的压力脉动对迷宫流道灌水器堵塞的影响。该研究以3个压力（恒定压力,射流三通左侧和右侧的脉动压力）,采用因素组合,进行了滴灌系统迷宫流道灌水器堵塞试验研究,最后确定射流三通产生的高频压力脉冲与稳压对平均相对流量（Dra）和克里斯琴森均匀性系数（CU）的影响。结果表明,射流三通组的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数分别比普通三通组高10.8%～14.8%和21.1%～44.9%。3种浑水浓度下（0.5,1.0和1.5 g/L）,对于普通三通组,在第16、11和7次灌溉运行之后,平均相对流量降低到74%,这被认为灌水器处于严重堵塞的状态。但是,对于射流三通左和右侧组,分别在第18、16、14、13、11和10次运行后,平均相对流量仍高于75%。高泥沙沉积物浓度（1.5 g/L）的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数与低和中泥沙沉积物浓度（0.5和1.0 g/L）的有显着差异（P<0.01）。高浓度（1.5 g/L）时堵塞的可能性迅速增加,但此浓度下射流三通较普通三通依然具有抗堵塞性能。总之,射流三通产生的高频压力脉冲具有稳定的防堵塞性能。建议使用射流三通代替滴灌系统中的普通三通,以防止灌水器堵塞。     

再生水滴灌系统灌水器堵塞的微生物学机理及控制方法研究

滴灌因其精量、可控而被认为是再生水最安全、可靠的灌溉方式,然而再生水中含有大量的颗粒物、营养盐分、有机物、微生物等物质使得灌水器堵塞机理变得更为复杂,堵塞风险也大幅度增加。该文在对灌水器堵塞物质-生物膜结构、组分变化特征进行分析,基于生物膜组分:干物质量(DW)、磷脂脂肪酸(PLFAs)和胞外聚合物(EPS)含量与灌水器堵塞程度之间显著的"S型曲线"关系明确了生物膜形成是诱发灌水器堵塞的根本原因。灌水器堵塞过程中表现为:再生水中微生物首先在滴灌系统毛管内部固定形成生物膜,并不断摄取、消耗水中的底物和营养物进行新陈代谢,分泌大量的胞外多聚物,并依靠胞外多聚物的黏性不断吸附微生物及固体悬浮颗粒物而引起生物膜不断形成、生长与脱落以及堵塞沉积物的不断聚集,而最终导致灌水器堵塞。从流道结构形式与几何参数、水体颗粒物特性、近壁面流动剪切力、灌溉水质以及灌水频率五个方面阐述生物膜的形成机制及影响因素。并分别从灌水器流道结构优化(增强流道自清洗能力,促进生物膜脱落)、抗菌材料开发(抑制微生物附着)、化学加氯、微生物拮抗与生长群体响应、微纳米气杀菌等多个角度出发提出了以生物膜形成为靶向目标的灌水器堵塞控制技术体系。最后从滴灌灌水器内部附生生物膜的水动力学-微生物学耦合作用机制研究、滴灌灌水器堵塞预报的综合模拟模型构建及灌水器设计参数合理阈值确定、协同考虑灌水器堵塞清除效应与土壤质量健康长期可持续发展的堵塞控制模式建立三个方面出发提出了再生水滴灌系统灌水器堵塞控制领域未来急需解决的问题。     

基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果表明,迷宫式流道灌水器流态指数浑水条件下相比清水增大74.85%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%,41.26%,46.25%,流道中泥沙的沉积使其水力性能变差;双向流道灌水器浑水流态指数均小于迷宫式流道灌水器;随着浑水试验次数的增加,4种灌水器浑水流态指数总体趋势是逐渐增大,成因是流道中泥沙沉积的累积效应,反映了浑水条件下水力性能的动态变化过程;相同压力变化,浑水条件下迷宫式流道灌水器流量变化率比清水时增大40.43%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大17.23%,19.43%,22.33%,迷宫式流道灌水器增大程度大于双向流道灌水器,导致其水力性能相对双向流道灌水器下降较大;4种灌水器水力性能与抗堵性能差异均显著,且双向流道灌水器的水力性能与抗堵性能均优于迷宫式流道灌水器,说明灌水器流道结构形式及结构参数是影响灌水器整体性能的重要因素。     

加氯处理对再生水滴灌系统灌水器堵塞及性能的影响

选取有压力补偿功能和无压力补偿功能,标称流量1.0～2.6 L/h的6种灌水器,研究了加氯间隔1～4周、系统余氯质量浓度2.5～10 mg/L对二级处理再生水滴灌系统灌水器堵塞和系统均匀性的影响,以便确定加氯处理最优运行方式。系统采用每天灌溉12 h的运行方式,累计运行84 d（1 008 h）。结果表明,加氯处理可有效地减轻灌水器堵塞,使滴灌系统保持均匀系数大于90%的良好性能,流量小于1.38 L/h的灌水器效果更为明显。尽管控制系统余氯浓度2.5、5.0和10.0 mg/L均可以杀死再生水中99.9%的细菌,但加氯间隔1周和2周处理减轻堵塞使系统保持良好性能的效果优于加氯间隔4周的处理。从保持滴灌系统性能良好的角度出发,建议采用低浓度高频率的加氯处理运行方式。     

基于支持向量机的滴灌灌水器流量预测模型建立与验证

为了直接、准确预测灌水器流量,引入支持向量机预测方法,取灌水器6个工作压力和8个几何参数作为因素,正交设计安排300组灌水器训练样本和30组检测样本,并采用精度较高的SST k-ω模型模拟计算灌水器流量,同时利用遗传算法对支持向量机参数进行优化计算,得到与模拟流量误差最小的流量预测值。结果表明,惩罚参数为100、核函数参数为20时检测样本的流量预测值与模拟值的误差最小,平均相对误差为1.91%,决定系数为0.98,而回归拟合方法计算得到的平均相对误差为6.45%,决定系数为0.93,表明支持向量机预测流量的优越性,且30组试验验证样本的平均相对误差为2.25%,证明支持向量机预测的准确性和可靠性。预测模型建立可有效地提高灌水器研发效率,对水力性能评估和流道结构设计与优化提供依据。     

基于流量偏差率的滴灌毛管管径简易设计

满足灌水均匀度设计标准与额定流量的滴灌毛管管径优化设计是滴灌毛管水力设计的重要内容。该文以流量偏差率为灌水均匀度设计标准,提出一种简易的滴灌毛管管径水力设计方法。通过改变单向和双向滴灌毛管流量偏差率解析公式的形式,提出一个新的管径设计参数。基于能坡线法,建立参数与坡降比参数的关系,并绘制和构建相关图形和计算公式。结果表明：当流量指数分别取值为1.75、1.69和1.00时,单向毛管管径的设计参数取值分别为?1～≤2.801,?1～≤2.859和?1～≤4;双向毛管管径的设计参数取值分别为0～≤3.143,0～≤3.183和0～≤4。满足流量偏差率设计标准和灌水器额定流量时,单向毛管管径将有1或2个设计值,双向毛管管径将有1、2或多个设计值。根据参数的取值范围,以坡降比参数为设计变量,推导了均匀坡下单向和双向毛管管径的计算公式。此外,进一步简化了滴灌毛管进口工作水头的计算公式。当已知设计流量,流量偏差率设计标准,毛管管长等参数时,可以按照设计步骤直接计算滴灌毛管管径和进口工作水头,无需进行任何复杂的试算。设计案例1表明在多数地形条件下,利用该文方法设计单向毛管的结果与传统方法设计结果的相对误差不超过4%;设计案例2表明该文方法设计双向毛管的结果与其他2种常用方法设计结果的最大相对误差为4%。因此,从工程实践角度,利用该方法设计的滴灌毛管管径和进口工作水头与其他传统方法设计结果非常接近。相比于传统设计方法,该方法简便实用,可以直接应用于滴灌工程设计。该研究可为改进滴灌毛管优化设计提供理论依据。