微咸水滴灌系统灌水器化学堵塞机理及控制方法研究

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微咸水用于农业灌溉是缓解全球性水资源紧缺问题的重要途径之一,同时滴灌被认为是利用微咸水灌溉最为有效和可靠的方式。但微咸水中含有大量的盐分离子,易于诱发灌水器化学堵塞,严重制约了微咸水滴灌的大规模发展。本文研究了微咸水滴灌条件下灌水器化学堵塞发生行为及其动态响应机制,综合利用电化学、精细电子显微等现代分析技术定量定性的分析了灌水器流道内堵塞物质组成,建立了灌水器化学堵塞物质生长的水动力学模型。并基于裸地加速抗堵塞试验、大田试验及CFD方法,从运行方式、水质控制与灌水器自身结构多方面提出了面向化学堵塞的控制方法。主要结论如下:(1)对微咸水滴灌系统灌水器化学堵塞特性进行了研究,结果表明随着运行时间的增加,灌水器相对流量Dra和均匀度CU逐渐降低,其中圆柱型灌水器降呈现平缓降低规律,片式灌水器呈先平缓-后剧烈的降低形式,大流量的圆柱式灌水器表现出较强的抗堵塞性能。(2)探寻了微咸水滴灌系统灌水器化学堵塞物质组成及关键因素。堵塞物质单位面积分布密度与灌水器Dra和CU度呈显著线性负相关(R2>0.81),微咸水滴灌系统灌水器内堵塞物质为钙镁碳酸盐(CaCO3、CaMgCO3和CaMg(CO3)2)、硅酸盐(Mg5Al(Si3Al)O10(OH)8和NaAlSi3O8)、石英(SiO2)、氯化钠(Nacl),其中诱发灌水器化学堵塞的主要物质为钙镁碳酸盐类沉淀,含量在88.31%以上。(3)构建了微咸水滴灌条件下灌水器化学堵塞物质生长动力学模型,发现堵塞物质生长过程为渐进型,包括快速增长-渐进增长两个阶段。基于灌水器堵塞物质沉积与剥蚀过程,以Kern-Seaton污垢预测模型为原型,综合考虑灌水器结构类型、流道几何参数和水源特征等因素,建立的灌水器化学堵塞物质生长动力学模型可以很好的描述灌水器内附生堵塞物质及其特征组分的生长过程。(4)建立了面向灌水器化学堵塞的控制方法。从运行模式来看,采用淡水与微咸水进行交替滴灌可以缓解化学堵塞的发生;对于全咸水灌溉来说,采用1d/次的高频滴灌下灌水器能保持相对较高的流量;从水质控制来看,微咸水电导率与灌水器堵塞参数间存在线性负相关关系,微咸水电导率会在一定程度上影响灌水器化学堵塞的发生过程与堵塞分布特征,建议河套灌区地下微咸水滴灌系统适宜电导率应低于4.0 dS/m;从灌水器自身结构来看,采用CFD数值模拟方法,综合考虑流道内流场分布及其水力性能与抗堵塞性能,建议分形流道灌水器适宜的几何参数为宽度1.0 mm左右,流道长度不宜超过224 mm,并可以借助缩减流道深度来控制灌水器出流量,研究结果可为实际流道设计与开发提供理论参考。
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