温度与压力对水肥一体化滴灌灌水器堵塞影响研究

何坤，魏正英*，陈雪丽，贾维兵，魏才翔

▪灌溉技术与装备▪

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）

【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。

温度；施肥；灌溉；灌水器；堵塞

0 引 言

【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=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、P2O5、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。

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（）来评价系统堵塞，其计算式为：

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

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<0.05，说明灌溉水温对平均相对流量的影响达到显著水平，是影响灌水器堵塞的重要因素；而压力的>0.05，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

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。

图3 不同灌溉压力下灌溉水温对平均相对流量的影响

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。直线斜率绝对值的大小表示平均相对流量随灌水次数下降速率的快慢，即值越大，下降速率越快。由图4可知，温度从15 ℃分别提高到20、25、30 ℃时，低压下值从9.165变化到6.549、6.696、7.061，常压下值从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二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。

图4 平均相对流量和灌水次数的拟合关系

图5 不同温度、压力条件下堵塞物质电镜扫描结构

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

表3 不同温度、压力条件下灌水器堵塞位置统计

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 μm）的细颗粒絮体影响不明显，对于粒径较大（48～384 μm）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 μm）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的大小来实现的。当压力≤40 kPa时，此时e<360，流体为层流，且压力越大，值越小；当压力=45～50 kPa时，此时e=360～450，流态开始从层流向湍流转捩；当工作压力≥45 kPa时，此时e>450，流态变为湍流，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]。

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。

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。

图7 灌水器流道内速度矢量与流线图

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、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。

[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 Chemistry, 1999, 16(4): 241-244.

[19] LAU Y L. Temperature effect on settling velocity and deposition of cohesive sediments[J]. Journal of Hydraulic Research, 1994, 32(1): 41-51.

[20] 刘毅. 温度对粘性泥沙的沉速及淤积的影响[J]. 水利水电快报, 1994, 15(13): 21-24.

LIU Yi. The effects of temperature on the sedimentation velocity and deposit of cohesive sediment[J]. Express Water Resources & Hydropower Information, 1994, 15(13): 21-24.

[21] 祖波, 李旺, 李振亮, 等. 黏性泥沙受紊动剪切作用下的絮凝效果研究[J]. 水利水电技术, 2018, 49(10): 120-126.

ZU Bo, LI Wang, LI Zhenliang, et al. Study on flocculation effect of cohesive sediment under turbulent shear action[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2018, 49(10): 120-126.

[22] 闫大壮, 杨培岭, 赵桥. 滴头流道内部含沙水流流动特征的试验研究[J].农业工程学报, 2008, 24(2): 52-56.

YAN Dazhuang, YANG Peiling, ZHAO Qiao. Experimental study on sediment flow hydraulic characteristics in dripper emitter path[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(2): 52-56.

[23] 李杰, 杨文俊, 景思雨, 等. 黏性泥沙絮凝研究现状与进展[J]. 长江科学院院报, 2022, 39(4): 8-13.

LI Jie, YANG Wenjun, JING Siyu, et al. Research status and progress of cohesive sediment flocculation[J]. Yangtze River Academy of Sciences, 2022, 39(4): 8-13.

[24] 牛文全, 刘璐. 浑水泥沙粒径与含沙量对迷宫流道堵塞的影响[J]. 排灌机械工程学报, 2011, 29(6): 547-552.

NIU Wenquan, LIU Lu. Influence of muddy water concentration and particle diameter on clogging of labyrinth channels[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2011, 29(6): 547-552.

[25] 汪军, 刘云锋. 滴灌条件下小管径滴灌管抗堵塞性能研究[J]. 水利科技与经济, 2015, 21(7): 88-90.

WANG Jun, LIU Yunfeng. Study on the anti-blocking performance of small tube diameter drops under drip irrigation conditions[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2015, 21(7): 88-90.

[26] 王心阳, 王文娥, 胡笑涛, 等. 泥沙粒径及压力对滴头抗堵塞性能的影响[J]. 节水灌溉, 2014(10): 18-21.

WANG Xinyang, WANG Wen’e, HU Xiaotao, et al. Influences of particle diameter and inlet pressure on emitter clogging[J]. Water Saving Irrigation, 2014(10): 18-21.

[27] LIU L, NIU W Q, GUAN Y H, et al. Effects of urea fertigation on emitter clogging in drip irrigation system with muddy water[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering , 2019, 145(9): 04019020.

[28] 刘璐, 牛文全, 武志广, 等. 施肥滴灌加速滴头堵塞风险与诱发机制研究[J]. 农业机械学报, 2017, 48(1): 228-236.

LIU Lu, NIU Wenquan, WU Zhiguang, et al. Risk and inducing mechanism of acceleration emitter clogging with fertigation through drip irrigation systems[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 228-236.

[29] 闫大壮, 杨培岭, 李云开, 等. 再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估[J]. 农业工程学报, 2011, 27(5): 19-24.

YAN Dazhuang, YANG Peiling, LI Yunkai, et al. Evaluation of drip emitter clogging with reclaimed wastewater irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(5): 19-24.

[30] 喻黎明, 吴普特, 牛文全, 等. 迷宫流道内固体颗粒运动的CFD模拟及PIV验证[J]. 农业机械学报, 2009, 40(5): 45-51.

YU Limin, WU Pute, NIU Wenquan, et al. CFD numerical simulation and PIV verification about the movement of solid particles in labyrinth channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2009, 40(5): 45-51.

[31] 刘霞, 魏正英, 王立朋, 等. 采用能量平衡黏附理论的灌水器泥沙-壁面黏附特性研究[J]. 西安交通大学学报, 2011, 45(10): 115-121.

LIU Xia, WEI Zhengying, WANG Lipeng, et al. Particle-wall adhesion behavior in labyrinth emitter obeying energy balanced adhesion theory[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2011, 45(10): 115-121.

[32] 魏正英, 唐一平, 卢秉恒, 等. 灌水器微细流道水沙两相流分析和微PIV及抗堵实验研究[J]. 农业工程学报, 2008, 24(6): 1-9.

WEI Zhengying, TANG Yiping, LU Bingheng, et al. Two-phase flow analysis and experimental investigation of micro-PIV and anti-clogging for micro-channels of emitter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(6): 1-9.

The Combined Effect of Temperature and Pressure on Emitter Clogging in Integrated Drip Fertigation System

HE Kun1,2, WEI Zhengying1,2*, CHEN Xueli1,2, JIA Weibing1,2, WEI Caixiang1,2

(1.School of Mechanical Engineering, State Key Lab for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Shaanxi Pengyun Machinery Automation Technology Co. LTD, Xi’an 710038, China)

【Background and objective】Water-fertilizer integrated drip irrigation has advantages over traditional methods, including even fertilization, saving water and fertilizer, and precise control. However, emitter clogging is a problem limiting its widespread use. While emitter clogging is affected by various factors, the role of irrigation water temperature is poorly understood. This paper is to investigate the combined impact of temperature and working pressure on emitter blockage in a water-fertilizer integrated irrigation system.【Method】We used the plain channel emitter; the short-cycle intermittent irrigation clogging tests were conducted under temperature ranging from 15 to 30 ℃, and working pressures at 50 kPa (low) an 100 kPa (normal). Ammonium phosphates were used as the fertilizer and tap water as the irrigation water. Average water flow in the emitter was monitored; at the end of the experiment, the geometrical structure and composition of the clogging materials were analyzed using SEM; the blocking position in the emitter was also measured.【Result】Ammonium phosphate had a significant effect on clogging; irrigation reduced the average relative flow in the emitter by 15.03%～34.02%. Temperature rise increased the average relative flow, and the increase under the low pressure was greater than under the normal pressure. Irrigation increased the average relative flow by 18.55% under low pressure and 14.88% under normal pressure. The temperature did not affect the main components of the clogging material. The mechanisms underlying the blockage involve physical blockage by flocculation and replacement of ions in formation of the flocculation. However, increasing temperature weakened the flocculation and reduced surficial complexity of the blockage materials. In the emitter, the blockage was mainly located at the transition zone, the channel head, and the tail of the channel, which accounted for 29.75%, 22.31%, and 22.31% of the blockage, respectively. Changing temperature did not affect the blockage location. Therefore, it is recommended to optimize the structure of the transition zone, the channel head, and the tail of the channel to alleviate the blockage.【Conclusion】Increasing temperature can reduce flocculation thereby alleviating emitter blockage to some extent, regardless of working pressure.

temperature; fertilization; irrigation; emitter; blockage

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.

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022169

1672 - 3317（2023）03 - 0074 - 08

2022-03-30

陕西省重点研发计划项目（2022ZDLNY03-032）

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@stu.xjtu.edu.cn

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@mail.xjtu.edu.cn

责任编辑：赵宇龙