数值模拟在节水灌溉技术中应用的研究概述

易 鑫，刘 洁，魏青松，史玉升

(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉 430074)

0 引 言

目前全球面临的五大危机之一是水资源缺乏，而农业灌溉需水量占60%以上。为了节约水资源，我们需要使灌溉水既满足农作物生长，以保证作物产量，又没有浪费。农业灌溉应用较广泛的是节水灌溉技术，包括地表滴灌、地下滴灌、微喷灌和涌泉灌等典型微灌技术。

地表滴灌是通过末级管道-毛管上的灌水器----滴头，将压力水以间断或连续的水流形式灌到作物根区附近土壤表面的灌水形式[1]。

地下滴灌，是将水直接施到地表下的作物根区，其流量与地表滴灌相接近，可有效减少地表蒸发[2]。地下灌溉技术适用于上层土壤具有良好毛细管特性，而下层土壤透水性弱的地区，但不适用于土壤盐碱化的地区。微喷灌，是利用直接安装在毛管上或与毛管连接的灌水器-微喷头，将压力水以喷洒状的形式喷洒在作物根区附近的土壤表面的一种灌水形式[3]。微喷灌受风速和气候的影响较大，风速越大，灌溉水的漂移损失增加。

涌泉灌，是将管道中的压力水通过灌水器-涌水器，以小股水或泉水的形式施到土壤表面的一种灌水形式[4]。涌泉灌的流量大、灌水损失小、不受气温风力影响、灌水均匀度高、适用于地形复杂的山区。

自从计算机被应用到加工制造领域以后，采用数值模拟的方法，来预先预测制造生产的过程和结果，应用也越来越多。数值模拟软件的应用可以分为两种，一种是将模拟软件作为一类工具，用来预测实验结果，或验证该实验中各实验参数是合适的；另一种是使用C语言编写模拟软件的一部分(或称为模拟软件的二次开发)。

将数值模拟软件应用到实验过程中，有许多便利。第一，应用数值模拟软件模拟实验过程，因此整个实验的任何阶段、任何实验器材的工作状况都清晰可见，而且可以观察实验过程中的任何物理量-速度、压力等的变化规律。由于灌溉管中的灌水器是封闭、不可见的结构，因此采用数值模拟方法方便、可靠的解决了这个难题。第二，不可避免的是操作或实施实验都需要实验经费支撑，而在数值模拟软件平台上模拟整个实验过程，在最大程度上节约了实验运行和开发成本。第三，由于实施实验需要前期较多准备工作才能开始，而数值模拟软件中可以直接开始实验模拟，在一定程度上还可修改错误的实验参数，从而可以节约实验开发周期。

但使用数值模拟软件也有缺陷。第一，对于数值模拟软件----虚拟的操作平台，其数值模拟的实验是虚拟的，需要实验验证其吻合度。因为试验模型一般都会被简化，以减小数值模拟过程的复杂度，从而顺利得到实验结果。一般来说，数值模拟结果与实验结果基本上是吻合的，且在很大程度上能够说明实验过程中的问题所在。第二，数值模拟软件中设置的各类参数都来源于实验，因此需要确定实验中各类参数。有时，只有在上一步实验步骤实施后，下一步的实验参数才能确定下来，而数值模拟软件中需要一次性的将所有参数全部确定下来，因此也存在需要预先实施实验，然后确定数值模拟过程中的各实验参数,再进行数值模拟过程。第三，数值模拟软件中各参数的设置，是将实验量化的一个过程。但实验中有的实验参数是没法测量的，而数值模拟过程中需要，所以得到需设置的参数也存在一定的难度。

1 数值模拟在节水灌溉中的应用

数值模拟软件可以模拟节水灌溉系统中的单相流、两相流、多相流模型等等，可以被应用到对灌溉植物和灌溉土壤的模拟，或是修改模拟模型，从而可以避免盲目的设置试验参数，合理优化实验参数，节约试验开发周期和开发成本。

1.1 对灌溉土壤的模拟

由于中国地域辽阔，中国各地区的灌溉土壤不同，因此对不同的灌溉土壤采用不同的灌溉系统是非常有必要的。灌溉土壤主要可以分为砂型的、黏性的(黄土地)、黑土壤、盐碱地等等。同时，由于土壤成分比较复杂，对土壤的水分含量、土壤水势、土壤渗水率、土壤蒸腾量等等进行分析，也是有效了解灌溉效率的有效途径。此外，不同的农作物对水分的需求是不同的，而同一种农作物在不同的生长期对水分的需求也是不同的。

1.1.1 对灌溉土壤类型的模拟

白又帅[5]等人，模拟研究滴头流量为1 L/h，间距为300 mm的单行滴灌双点源滴灌是倒圆锥型、倒凸台型和普通平整地表3种沙壤土的土壤入渗特性，模拟结果是无坑型的湿润比较大；同时，也通过实验验证了模拟结果与实验结果基本吻合。刘雅辉[6]等人，模拟滴灌条件下,滴灌量和不同土壤改良剂配比对滨海重盐土耕作层的脱盐效果；试验采用L16正交试验设计分析不同土壤改良剂对土壤脱盐效果的影响，试验结果和模拟结果相同。张瑞喜[7]等人，采用室内土柱模拟和田间小区滴灌相结合的试验方法，研究干旱区绿洲农业生产区不同磁处理水对土壤水分入渗及淋盐作用的影响，以提出一种高效降低土壤盐分的新技术。

1.1.2 对灌溉土壤成分的模拟

对土壤中的含水量、各化学肥料的淋洗作用等的研究主要有丁新原[8]等人，使用压力膜仪测定土壤水分特征曲线，并用RETC软件中的van Genuchten 模型对其进行拟合分析，研究了防护林地不同土层的土壤水分物理特性。王军[9]等人，建立了基于二维土壤水与作物生长耦合模拟模型，模拟新疆地区棉花膜下滴灌，以获得土壤水分动态、作物生长指标、产量等数据，并验证了二维土壤水与作物生长耦合模拟模型。侯立柱[10]等人，采用模拟预测、试验验证的方法，分析研究双点源滴灌条件下土壤水分运移规律，结果发现滴灌点源水分渗入土壤之后，随着距滴头距离的增加。黄耀华[11]等人，采用模拟和试验分析滴灌施肥后不同土壤中两种离子的运移规律和分布影响。史文娟[12]等人，采用经典统计和地质统计方法，研究了3种微尺度(0.25、1和4 m)和不同土层深度棉田土壤水盐的空间变异性，并采用高斯模型模拟土壤含水量和含盐量的大部分半方差函数验证了实验结果。

1.1.3 对灌溉植物的模拟

对灌溉植物根系、干物质生产与积累等的研究主要有薛丽华[13]等人，利用双管分根管栽法,模拟田间试验研究了拔节期后不同滴灌次数对土层含水量，土层初、次生根干重和长度、根系活性分布及产量的影响，发现随滴灌次数及总滴量的增加，土层的含水量增加。王新[14]等人，以生理发育时间为时间尺度,建立了基于生理发育时间(PDT)的加工番茄叶面积指数(LAI)、比叶面积(SLA)模拟模型,并将叶面积指数模型与基于生理生态过程的光合作用和干物质生产模型相结合,构建了滴灌加工番茄干物质生产与积累的模拟模型，模拟结果显示PDT法比SLA法较好，改善了加工番茄叶面积指数预测精度，同时也提高了干物质量的预测精度。

1.2 对滴头的模拟

滴头是滴灌产品的核心器件。滴头的内部结构(梯形流道、齿形流道、矩形流道等等)、滴头的流道直径和深度、滴头内水质等等都是影响滴头堵塞的非常重要的因素。由于滴头结构细小，对其建立的几何模型简单，但是对其设置的各类边界条件、模型参数等等较为复杂。故需要引入必要的各类模型特性，使模拟计算过程简化。同时，也可以得到符合试验的模型，从而得到更精准的模拟结果。

对滴头内部的多相流模拟和对滴头模型的修改的主要研究主要如下。

Jun Z[15]等人，为了研究发射器迷宫流道的堵塞系统，建立了三维固液两相流模型，雷诺应力模型的边界功能被用于模拟欧拉模型的流体流动，和随机轨迹模型被用来跟踪颗粒在拉格朗日局部坐标系中的运动，模拟结果和试验结果吻合，在迷宫流道中小颗粒沉积在每个锯齿去的前部(低速区)。刘新阳[16]等人，采用高浓度混合三相流模型并结合雷诺应力模型和颗粒动力学理论对滴灌用水力旋流器内部颗粒体积浓度分布和分离效率进行了数值模拟，分析粒径、浓度、旋流器进口速度对颗粒分离效率的影响。

田济扬[17]等人，开展滴灌双向流流道数值模拟研究，采用Realizablek-epsilon模型与标准k-omega模型模拟，重点分析了网格划分和湍流模型选取对模拟精度的影响,以及流道的消能机理。芦刚[18]等人，采用了Fluent软件建立了分离相(两相流)模型，模拟灌水器内流场两相流，得到了固相物在灌水器内流场水流中的流动轨迹及固相物在灌水器中密度分布，突出了快速原形/快速制模(RP/RT)复合法完成了灌水器结构快速定型的优越性。

1.3 模拟模型的修改或补充

滴灌模型只需建立迷宫流道内的几何结构模型，设定灌溉水进出口边界条件及实验参数，即可进行模拟计算，得到预测模拟结果。李云开[19]等人，为了了解滴头内部的流动机理以设计出高性能的滴灌灌水器，构建了表征迷宫式流道内部流动的数学模型，分别对三种圆柱型灌水器进行流场模拟，观察流道内部的流速分布、涡量分布、紊流强度分布等流动特性。

周云成[20]等人2008年为了提高微孔渗灌条件下土壤水分运动数值模拟精度，建立了含有第3类边界条件的二维微孔渗灌土壤水分运动数学模型，通过确定数学模型(确定控制方程，模型的定解条件，边界控制方程，模型求解)，来验证模拟的结果是符合试验结果的。

1.4 应用Hydrus软件模拟

滴灌模拟可以采用Hydrus软件模拟。栗现文[21]等人也利用Hydrus-1D建立土壤水盐运移模型模拟，漫灌对微咸水膜下滴灌棉田地表以下0～60 cm 深度积盐的淋洗效应。张珂萌[22]等人，也是利用Hydrus-2D软件，模拟地下滴灌和微润灌灌水方式下土壤水分的运动状态，试验也验证了微润灌比滴灌好。黄凯[23]等人，为探讨赤红壤蔗区滴灌条件下土壤水分运动规律，利用Hydrus-3D建模，建立了双点源土壤水分运动数学模型，模拟分析了滴头间距、滴头流量对滴灌灌水均匀性的影响，其中滴头间距对滴灌灌水均匀性影响较大；同时，也通过实验来验证了模拟结果，实验中合理的滴头流量为1.38 L/h、滴头间距为30 cm。

1.5 编写模拟软件

使用C语言编写程序，利用UDF加载到数值模拟软件中，执行某种功能。或是修改边界条件设置、求解方程等，得到数值模拟计算的解。

高西宁[24]对模型的求解采用交替隐式差分(ADl法)的方法进行，采用VB语言，设计编写了可以使用各种类型的土壤水分运动参数模型。周云成[25]等人2007年提出了一种渗灌条件下土壤水分运动数值模拟软件的设计方法，并采用面向对象的方法和迭代-增量式的开发过程, 采用有限差分法(FDM)中的交替方向隐式差分法(ADI)求解数学模型，建模是UML。

Jun Zhang[26]等人2010年为了研究迷宫式滴灌头的抗堵塞性能的评估，采用数值模拟的方法，建立了一个梯形流道的二维模型，观察颗粒在各种类型的流道内的运动轨迹，来验证用于评估堵塞性能的公式不合适，从而重新定义了一个抗堵塞性能的公式。李道西[27]等人发现CHAIN_ IR模型无法处理积水动边界条件，与试验情况不同，从而修改了CHAIN_ IR模型，有效地解决了入渗问题。

2 结 语

采用数值模拟的方法，来模拟灌溉带等封闭流道内的液体、固体的流动情况，从而使得整个灌溉系统变得可视化，更加直观、方便的分析滴头内流道的几何结构、各尺寸参数对滴头堵塞性能的影响，为解决灌溉系统或灌溉过程中的各类问题提供一定的指导性意义，而且在很大的程度上能够说明实验过程中的问题所在，并为各类解决方案提供了最低的运行成本和可靠的预测结果。

采用数值模拟的方法，根据实际的灌溉模型，在数值模拟软件中设置符合试验的节水灌溉模型的各类几何尺寸、边界条件等参数，即可得到所期望的数值模拟结果。在得到数值模拟结果之后，再做试验验证数值模拟的结果是否吻合。一般说来，数值模拟结果基本上与试验结果吻合。当得到的数值模拟结果不太理想时，可以调整实验模拟参数，重新进行数值模拟过程，从而得到实验模拟结果。

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