滴灌灌水器研究进展综述

郭一航，赵 敬，诸幼晖，李 双，单东日，何青海

（1.齐鲁工业大学，山东 济南 250353；2.山东省农业机械科学研究院，山东 济南 250100；3.山东斯马特农业科技有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

水资源短缺问题历来是制约我国经济发展的重大问题，据统计，全国每年的农业灌溉用水约占全国用水的56%[1]，在中国农村地区，传统灌溉方式效率较差，灌溉用水浪费现象严重，这也加剧了水资源紧缺的现状，因此大力发展节水灌溉技术是缓解我国水资源不足和农业灌溉用水短缺的迫切需要[2]。

滴灌是灌水器的点滴形式灌溉，在滴灌系统管网和出口管的共同作用下，将水缓慢输送到植物根部附近的土壤中，是一项水资源利用率较高的节水浇灌方法。与传统的漫灌方法相比，滴灌是最有效的灌溉技术之一，能够精确控制灌溉位置，合理利用灌溉水量，从而为农作物提供良好的土壤条件，同时滴灌可以有效地实现水肥一体化，因而得到广泛的应用。

灌水器作为滴灌网络的枢纽部分，通过在毛管处产生水头损失，使水流在灌水器内部经流道变化以平稳、均匀的较小流速滴入作物的根系周围土壤。滴灌灌水器是滴灌技术的关键末端部件，其特性的好坏对滴灌系统的节水性、出水均匀度以及系统使用时长影响较大，但同时也因为其设计规格较小，内部流道狭窄等特点在灌溉操作过程中容易产生阻塞，从而限制了滴灌技术的发展进程[3]。因此，众多学者通过对灌水器性能的不断研究，进而实现整个滴灌系统运行效果的改善。

1 滴灌灌水器的主要类型

滴灌灌水器能将毛管中的压力水流均匀、稳定地分配给农作物根系，需要兼具出水量均匀、成本低、易于加工和安装、防堵塞性能好等特点[4]。国内外目前滴灌灌水器繁多，根据灌水器结构与出流形式，通常可分为滴头和滴灌管（带）2 种类型。其中滴头型可根据不同的标准分类，如图 1 所示。

微管长流道式滴头是最早研发的滴灌灌水器，之后滴灌技术经过几十年的发展，孔口式[5]、重力式[6]、涡流式[7]、可调式[8]、管间式[9]等一系列性能出色并适用较多领域的灌水器也相继研制使用。当前应用普遍的灌水器主要是迷宫式、压力补偿式[10]以及将滴头和毛管结合一体的灌水管（带）。

图1 按不同标准分类的灌水器

图2 4 种迷宫式灌水器的常见流道三维模型结构示意图

1.1 长流道型灌水器

长流道型灌水器是借助水流与流道壁及拐角处的摩擦和冲撞来实现消能，并通过较长的流道形成沿程损失来调节出水量的大小。长流道型灌水器自发明以来，起初为微管型，其功能简单，便于灌溉，但不能实现较好的灌水均匀度。后经优化后研发出螺纹型，其结构较为复杂，灌水质量有待提高。随着对其灌水性能优良、节约成本和小体积等要求越来越高，通过改善灌水器的流道结构，进而发展出具有较好的水利消能效果的迷宫型长流道灌水器[11]。然而长流道滴头因其狭长流道的结构缺陷，容易发生堵塞。

1.2 孔口式灌水器

孔口式灌水器是通过灌水器孔口出流形成的局部水头损失来实现水流的能量损耗。其水流流态为完全紊流，价格低廉且结构简单，但其灌溉均匀度不高，又无法实现压力调节，抗堵塞性能不佳。

1.3 迷宫式灌水器

迷宫式灌水器是目前常用的滴灌灌水器之一。其主要由3 部分组成：进水口、出水口以及迷宫式流道[12]。其中，迷宫式流道是发挥消能作用的核心，结构型式由齿形、梯形、矩形和三角形等基本形状经过各种参数数值改变后生成[13]。图 2 是4 种迷宫灌水器的常见流道三维模型结构示意图，在流道长度、纵向流道断面面积和形状相同的情况下,齿形迷宫灌水器比矩形、三角形、梯形迷宫灌水器具有更好的水力学性能[14]。

迷宫式滴头因其流道具有扰动作用和紊流的流态，从而形成局部水头损失来消除水流的能量和稳定水压[15]。它具有结构简单、成本低、灌溉均匀度高的特点，但因其迷宫流道狭小，容易发生堵塞现象。

1.4 压力补偿式灌水器

压力补偿式灌水器是利用流道水压使自身结构的弹性部件（膜片）或流道大小发生变化，实现流量稳定[16]。图3 为一种常见的压力补偿式灌水器，主要由迷宫式流道、弹性膜片、盖片和底座组成，其中关键零件弹性膜片起到调节流量和稳定水压的作用[17-18]。弹性膜片因水流压力的变化改变出水口处截面积，以此稳定出流量。当水压力足够小，弹性膜片与底座分离，滴头流道内流量变大，使在滴头内部残余的细小微粒被冲洗掉[19]。

图3 压力补偿式滴头外形及结构

压力补偿式灌水器作为当前灌水器里的研究热点，能够自动调节给水量、具有自清洗且出水均匀性好的优势,但生产工艺比较繁琐，研发难度和费用均较高。

1.5 灌水管（带）

将毛管和灌水器进行一体化设计的滴灌管(带)也是当今滴灌灌水器发展的新趋势，同时兼具配水和滴水的双重功能。滴灌管（带）是通过出流较小的孔口或滴头将水滴到农作物的根系附近，实现局部灌溉。将其按照结构不同分为薄壁滴灌带（管壁小于0.4 mm）和内镶式滴灌管（带），其中内镶式滴灌管如图 4 所示。灌水管（带）具有体积小，便于运输，铺设距离长，出水均匀等优点，但其容易堵塞和结垢，因此需要对灌溉进行预先的过滤处理。

1.6 新型灌水器

目前，许多学者针对灌水器装置的水力性能和抗堵塞性能，不断对已有灌水器进行改良优化，设计出结构新颖、水力性能优良的灌水器。李俊红等[20]研制的三角绕流灌水器，利用水力学中三角形绕流、突扩管及突缩管的流体运动机理，构成突缩、突扩、三角柱体绕流的过流通道，让灌水器水流中杂质更易于流动，提高了灌水器的抗堵塞能力；牛文全等[21]提出一种一体化压力补偿式扁平灌水器，针对迷宫流道的主体部分与变形体使用不同材料并通过注塑成型于一体，该灌水器通过迷宫流道大小可变性实现压力补偿功能，并利用简化加工工艺和优化结构的扁平一体化设计，提高滴头的整体性能并节省生产成本；新型分段插杆式灌水器[22]以插杆式灌水器为基础，创造性的设置了螺旋分流道，能显著增强灌水器内部水流的紊动效应从而改变灌水效果；徐增辉等[23]研制出一种成型简单、价格低廉的免烧微孔陶瓷灌水器，利用硅藻土的多孔性和微孔的摩阻作用可对有压灌溉水进行消能的特点，提高了灌水器的耐久性出流能力。

2 灌水器的重要研究方向

滴灌系统的水力性能和抗堵塞性能直接影响到整个系统的稳定和运转。在此基础上，国内外学者对灌水器的水力学性能、防堵能力等问题进行了深入的探讨。

2.1 灌水器的抗堵塞性能研究

明确灌水器的堵塞原因是研究其抗堵塞性能的关键。FS NAKAYAMA 研究表明灌水器堵塞可能有多种原因，而堵塞往往是由两个或更多的因素耦合造成的[23]。灌水器堵塞的主要原因是灌溉水质特性[25]，按其诱发成因主要可分为物理因素、化学因素和生物因素[26]。

2.1.1 物理因素

主要是由灌溉用水中所含有的固体悬浮物及小颗粒等堆积沉淀造成的[27]。同时也是灌水器堵塞最常见的一种堵塞类型。牛文全研究证明发现，含沙量和泥沙粒径越大，越容易造成滴头物理堵塞[28];当泥沙粒径小于0.1 mm 时，堵塞程度是由灌溉水压力、泥沙粒径及含沙量共同耦合决定的[29]；当泥沙粒径小于0.038 mm 时,灌水器流道容易沉积成较大的泥沙团聚体[30]。

2.1.2 化学因素

指灌溉水源中可溶性物质在特定条件下，互相产生化学反应后生成不溶性物质，聚集在灌水器内部和出水口。刘燕芳等研究了多种灌水器在来自不同硬度下的水源进行滴灌堵塞试验，研究表明，水质越硬，因碳酸钙沉淀而造成的滴头化学因素堵塞问题越严重[31]。郝锋珍等通过实验，探究多种化学离子对基于不同水源下的滴灌灌水器堵塞所产生的作用，发现地下水中在加入二价铁离子和二价钙离子后,灌水器以化学堵塞为主；而再生水加入二价钙离子，加剧了灌水器化学堵塞的可能[32]。

2.1.3 生物因素

主要是由藻类、细菌及微生物等进入滴灌系统后，粘附于灌水器内，发生内部阻塞[33]。闫大壮等[34]通过对再生水滴灌条件下灌水器的堵塞特性实验研究，发生在灌水器内的堵塞主要是由微生物聚集而形成的絮状沉淀物造成的。周博探究微生物是否显著影响滴灌堵塞过程，以8 种不同类型的滴灌器进行现场滴灌试验，得出滴灌器的堵塞程度与微生物的数量成正相关[35]。

2.2 灌水器的水力性能研究

灌水器内的流道水力性能一直是灌水器研究的关键问题，其研究为抗堵塞性能研究的深入提供帮助，也同时是灌水器流道设计中的重要依据。目前灌水器水力性能的研究主要采用理论分析，实验探究、数值模拟等方式实现。

2.2.1 理论分析

为使灌水器能在多种工作条件下具有良好的水利特性，科研人员借助流体力学、工程水力学等理论方法对流道中的消能机理进行探讨，为灌水器水力特性研究提供新的思路和角度。GILAAD 等[36]在1974 年提出流道的形式、尺寸、材料等因素共同决定着滴头的水力性能，并指出流道结构的影响效果较大。KARMELI D[37]对长流道灌水器在不同雷诺数Re 条件下的流态研究，得到流道中的三种流态及其分类条件，并利用达西公式建立相关的流量与压力相关模型。ADIN A 等[38]研究得出，灌水器的流道结构参数的改变，可以改善迷宫结构流道灌水器的堵塞情况。借助水力学理论，刘洁等[39]对三种不同灌水器流道进行压力－流量试验，并对其流道内的局部水头损失进行了近似计算，研究表明流道的局部阻力系数与流道单元数成正比例关系，为研发新型灌水器提供了理论依据。

2.2.2 试验探究

灌水器的水力性能实验作为其研发的方法，既能对理论分析得到的计算结果进行验证和评价，也为数值模拟提供现实依据。OZEKICI B 等[40]对齿形迷宫流道的水力特性进行了研究，并在研究中阐述主要的水头损失均出现在灌水器内的齿形结构处。雷显龙[41]将分形理论引入到迷宫型灌水器流道设计，并通过水力试验测试得出其流态指数小于常规滴头，具有更好的消能效果。魏正英等[42]在梯形迷宫流道滴灌滴头的结构及水力特性实验后，提出了流量及其结构特征参数的关系公式，给迷宫型灌水器参数化结构的设计制造提供新的理论依据。张俊等[43]通过采用正交试验设计方法，对三角形迷宫流道灌水器水力性能的试验，指出流道转角对流态指数的改变最明显。这些研究结论对灌水器性能的提升具有重要的参考价值。

2.2.3 数值模拟

目前，众多学者对灌水器流道内水流进行数值模拟，研究其内部水力特性和消能特性，实现对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能优化，通常利用计算机流体力学（CFD）相关软件的方法进行分析。魏青松等[44]利用ANSYS 软件，对迷宫灌水器流道内的流体进行数值建模，分析3 种不同形状的流道压力和流量之间的关系。实验验证得出：迷宫通道的模拟值与实验室的实测值吻合度较高，证明CFD 在研究灌水器上的应用潜力，对灌水器水力性能有更全面的了解。喻黎明等[45]采用Fluent 软件进行数据模拟，分析了各种类型流道形状灌水器其流道转角变化对水力性能的影响，结果表明，灌水器流道转角改变幅度越大，其流量系数和流态指数越小，为灌水器的开发提供了新的参考。张琴等[46]通过Fluent 软件对滴灌灌水器流道内流体流动进行了数值模拟，并通过仿真的结果调整了流道设计，结果表明,在选择了圆弧形流道设计后，流道内的涡旋区和速度滞止区均已去除，有效地改善了流道的抗堵塞能力。

3 存在的问题及展望

近年来，我国学者针对滴灌灌水器性能展开探索与研究，取得灌水器研发的诸多突出成果，但仍存在欠缺与不足。

1）灌水器之前往往是偏向研究一种堵塞因素对其堵塞规律的影响，但是在实际灌溉作业中是多重因素共同耦合作用造成的，造成研究结果会与实际有出入，从而无法从本质上解决堵塞的问题。

2）灌水器的材料选择是充分发挥好灌水器综合性能的必要条件，目前灌水器的研究大多集中在其水力性能和抗堵塞性能的研究上，而在灌水器的材料上却少有研究。特别是缺少针对不同材料的选型及成分对灌水器的水力特性、抗堵塞性能、抗老化性能和耐候性影响的相关研究，可能是灌水器材料在注塑完成后尺寸稳定性容易受到影响，使得其在材料的选择上要求较高；在实际应用中，灌水器还会受外界气候等因素影响出现开裂受损等现象。此外，西北农林科技大学科研团队尝试利用陶瓷材料透水透气性良好的特点，开发了微孔陶瓷灌水器。因此对灌水器的材料性能进行深入研究，或许是未来新型灌水器不断突破的关键。

4 结语

随着高效农业的快速发展，滴灌技术逐渐向智能化、节水化和标准化转变，对滴灌配套设备的要求越来越高。灌水器的综合性能好坏直接影响到整个滴灌系统工作是否可靠及灌水质量的高低。因此，关注灌水器的水力特性和抗堵塞性能的同时，加大在灌水器材料选型上的研究，对灌水器综合性能的提升将有更大的帮助。