易 鑫，劉 潔，魏青松，史玉升

(華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,武漢 430074)

0 引 言

目前全球面臨的五大危機之一是水資源缺乏，而農(nóng)業(yè)灌溉需水量占60%以上。為了節(jié)約水資源，我們需要使灌溉水既滿足農(nóng)作物生長，以保證作物產(chǎn)量，又沒有浪費。農(nóng)業(yè)灌溉應用較廣泛的是節(jié)水灌溉技術(shù)，包括地表滴灌、地下滴灌、微噴灌和涌泉灌等典型微灌技術(shù)。

地表滴灌是通過末級管道-毛管上的灌水器----滴頭，將壓力水以間斷或連續(xù)的水流形式灌到作物根區(qū)附近土壤表面的灌水形式[1]。

地下滴灌，是將水直接施到地表下的作物根區(qū)，其流量與地表滴灌相接近，可有效減少地表蒸發(fā)[2]。地下灌溉技術(shù)適用于上層土壤具有良好毛細管特性，而下層土壤透水性弱的地區(qū)，但不適用于土壤鹽堿化的地區(qū)。微噴灌，是利用直接安裝在毛管上或與毛管連接的灌水器-微噴頭，將壓力水以噴灑狀的形式噴灑在作物根區(qū)附近的土壤表面的一種灌水形式[3]。微噴灌受風速和氣候的影響較大，風速越大，灌溉水的漂移損失增加。

涌泉灌，是將管道中的壓力水通過灌水器-涌水器，以小股水或泉水的形式施到土壤表面的一種灌水形式[4]。涌泉灌的流量大、灌水損失小、不受氣溫風力影響、灌水均勻度高、適用于地形復雜的山區(qū)。

自從計算機被應用到加工制造領域以后，采用數(shù)值模擬的方法，來預先預測制造生產(chǎn)的過程和結(jié)果，應用也越來越多。數(shù)值模擬軟件的應用可以分為兩種，一種是將模擬軟件作為一類工具，用來預測實驗結(jié)果，或驗證該實驗中各實驗參數(shù)是合適的；另一種是使用C語言編寫模擬軟件的一部分(或稱為模擬軟件的二次開發(fā))。

將數(shù)值模擬軟件應用到實驗過程中，有許多便利。第一，應用數(shù)值模擬軟件模擬實驗過程，因此整個實驗的任何階段、任何實驗器材的工作狀況都清晰可見，而且可以觀察實驗過程中的任何物理量-速度、壓力等的變化規(guī)律。由于灌溉管中的灌水器是封閉、不可見的結(jié)構(gòu)，因此采用數(shù)值模擬方法方便、可靠的解決了這個難題。第二，不可避免的是操作或?qū)嵤嶒灦夹枰獙嶒灲?jīng)費支撐，而在數(shù)值模擬軟件平臺上模擬整個實驗過程，在最大程度上節(jié)約了實驗運行和開發(fā)成本。第三，由于實施實驗需要前期較多準備工作才能開始，而數(shù)值模擬軟件中可以直接開始實驗模擬，在一定程度上還可修改錯誤的實驗參數(shù)，從而可以節(jié)約實驗開發(fā)周期。

但使用數(shù)值模擬軟件也有缺陷。第一，對于數(shù)值模擬軟件----虛擬的操作平臺，其數(shù)值模擬的實驗是虛擬的，需要實驗驗證其吻合度。因為試驗模型一般都會被簡化，以減小數(shù)值模擬過程的復雜度，從而順利得到實驗結(jié)果。一般來說，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本上是吻合的，且在很大程度上能夠說明實驗過程中的問題所在。第二，數(shù)值模擬軟件中設置的各類參數(shù)都來源于實驗，因此需要確定實驗中各類參數(shù)。有時，只有在上一步實驗步驟實施后，下一步的實驗參數(shù)才能確定下來，而數(shù)值模擬軟件中需要一次性的將所有參數(shù)全部確定下來，因此也存在需要預先實施實驗，然后確定數(shù)值模擬過程中的各實驗參數(shù),再進行數(shù)值模擬過程。第三，數(shù)值模擬軟件中各參數(shù)的設置，是將實驗量化的一個過程。但實驗中有的實驗參數(shù)是沒法測量的，而數(shù)值模擬過程中需要，所以得到需設置的參數(shù)也存在一定的難度。

1 數(shù)值模擬在節(jié)水灌溉中的應用

數(shù)值模擬軟件可以模擬節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的單相流、兩相流、多相流模型等等，可以被應用到對灌溉植物和灌溉土壤的模擬，或是修改模擬模型，從而可以避免盲目的設置試驗參數(shù)，合理優(yōu)化實驗參數(shù)，節(jié)約試驗開發(fā)周期和開發(fā)成本。

1.1 對灌溉土壤的模擬

由于中國地域遼闊，中國各地區(qū)的灌溉土壤不同，因此對不同的灌溉土壤采用不同的灌溉系統(tǒng)是非常有必要的。灌溉土壤主要可以分為砂型的、黏性的(黃土地)、黑土壤、鹽堿地等等。同時，由于土壤成分比較復雜，對土壤的水分含量、土壤水勢、土壤滲水率、土壤蒸騰量等等進行分析，也是有效了解灌溉效率的有效途徑。此外，不同的農(nóng)作物對水分的需求是不同的，而同一種農(nóng)作物在不同的生長期對水分的需求也是不同的。

1.1.1 對灌溉土壤類型的模擬

白又帥[5]等人，模擬研究滴頭流量為1 L/h，間距為300 mm的單行滴灌雙點源滴灌是倒圓錐型、倒凸臺型和普通平整地表3種沙壤土的土壤入滲特性，模擬結(jié)果是無坑型的濕潤比較大；同時，也通過實驗驗證了模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。劉雅輝[6]等人，模擬滴灌條件下,滴灌量和不同土壤改良劑配比對濱海重鹽土耕作層的脫鹽效果；試驗采用L16正交試驗設計分析不同土壤改良劑對土壤脫鹽效果的影響，試驗結(jié)果和模擬結(jié)果相同。張瑞喜[7]等人，采用室內(nèi)土柱模擬和田間小區(qū)滴灌相結(jié)合的試驗方法，研究干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)不同磁處理水對土壤水分入滲及淋鹽作用的影響，以提出一種高效降低土壤鹽分的新技術(shù)。

1.1.2 對灌溉土壤成分的模擬

對土壤中的含水量、各化學肥料的淋洗作用等的研究主要有丁新原[8]等人，使用壓力膜儀測定土壤水分特征曲線，并用RETC軟件中的van Genuchten 模型對其進行擬合分析，研究了防護林地不同土層的土壤水分物理特性。王軍[9]等人，建立了基于二維土壤水與作物生長耦合模擬模型，模擬新疆地區(qū)棉花膜下滴灌，以獲得土壤水分動態(tài)、作物生長指標、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，并驗證了二維土壤水與作物生長耦合模擬模型。侯立柱[10]等人，采用模擬預測、試驗驗證的方法，分析研究雙點源滴灌條件下土壤水分運移規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滴灌點源水分滲入土壤之后，隨著距滴頭距離的增加。黃耀華[11]等人，采用模擬和試驗分析滴灌施肥后不同土壤中兩種離子的運移規(guī)律和分布影響。史文娟[12]等人，采用經(jīng)典統(tǒng)計和地質(zhì)統(tǒng)計方法，研究了3種微尺度(0.25、1和4 m)和不同土層深度棉田土壤水鹽的空間變異性，并采用高斯模型模擬土壤含水量和含鹽量的大部分半方差函數(shù)驗證了實驗結(jié)果。

1.1.3 對灌溉植物的模擬

對灌溉植物根系、干物質(zhì)生產(chǎn)與積累等的研究主要有薛麗華[13]等人，利用雙管分根管栽法,模擬田間試驗研究了拔節(jié)期后不同滴灌次數(shù)對土層含水量，土層初、次生根干重和長度、根系活性分布及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨滴灌次數(shù)及總滴量的增加，土層的含水量增加。王新[14]等人，以生理發(fā)育時間為時間尺度,建立了基于生理發(fā)育時間(PDT)的加工番茄葉面積指數(shù)(LAI)、比葉面積(SLA)模擬模型,并將葉面積指數(shù)模型與基于生理生態(tài)過程的光合作用和干物質(zhì)生產(chǎn)模型相結(jié)合,構(gòu)建了滴灌加工番茄干物質(zhì)生產(chǎn)與積累的模擬模型，模擬結(jié)果顯示PDT法比SLA法較好，改善了加工番茄葉面積指數(shù)預測精度，同時也提高了干物質(zhì)量的預測精度。

1.2 對滴頭的模擬

滴頭是滴灌產(chǎn)品的核心器件。滴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(梯形流道、齒形流道、矩形流道等等)、滴頭的流道直徑和深度、滴頭內(nèi)水質(zhì)等等都是影響滴頭堵塞的非常重要的因素。由于滴頭結(jié)構(gòu)細小，對其建立的幾何模型簡單，但是對其設置的各類邊界條件、模型參數(shù)等等較為復雜。故需要引入必要的各類模型特性，使模擬計算過程簡化。同時，也可以得到符合試驗的模型，從而得到更精準的模擬結(jié)果。

對滴頭內(nèi)部的多相流模擬和對滴頭模型的修改的主要研究主要如下。

Jun Z[15]等人，為了研究發(fā)射器迷宮流道的堵塞系統(tǒng)，建立了三維固液兩相流模型，雷諾應力模型的邊界功能被用于模擬歐拉模型的流體流動，和隨機軌跡模型被用來跟蹤顆粒在拉格朗日局部坐標系中的運動，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果吻合，在迷宮流道中小顆粒沉積在每個鋸齒去的前部(低速區(qū))。劉新陽[16]等人，采用高濃度混合三相流模型并結(jié)合雷諾應力模型和顆粒動力學理論對滴灌用水力旋流器內(nèi)部顆粒體積濃度分布和分離效率進行了數(shù)值模擬，分析粒徑、濃度、旋流器進口速度對顆粒分離效率的影響。

田濟揚[17]等人，開展滴灌雙向流流道數(shù)值模擬研究，采用Realizablek-epsilon模型與標準k-omega模型模擬，重點分析了網(wǎng)格劃分和湍流模型選取對模擬精度的影響,以及流道的消能機理。蘆剛[18]等人，采用了Fluent軟件建立了分離相(兩相流)模型，模擬灌水器內(nèi)流場兩相流，得到了固相物在灌水器內(nèi)流場水流中的流動軌跡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)復合法完成了灌水器結(jié)構(gòu)快速定型的優(yōu)越性。

1.3 模擬模型的修改或補充

滴灌模型只需建立迷宮流道內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)模型，設定灌溉水進出口邊界條件及實驗參數(shù)，即可進行模擬計算，得到預測模擬結(jié)果。李云開[19]等人，為了了解滴頭內(nèi)部的流動機理以設計出高性能的滴灌灌水器，構(gòu)建了表征迷宮式流道內(nèi)部流動的數(shù)學模型，分別對三種圓柱型灌水器進行流場模擬，觀察流道內(nèi)部的流速分布、渦量分布、紊流強度分布等流動特性。

周云成[20]等人2008年為了提高微孔滲灌條件下土壤水分運動數(shù)值模擬精度，建立了含有第3類邊界條件的二維微孔滲灌土壤水分運動數(shù)學模型，通過確定數(shù)學模型(確定控制方程，模型的定解條件，邊界控制方程，模型求解)，來驗證模擬的結(jié)果是符合試驗結(jié)果的。

1.4 應用Hydrus軟件模擬

滴灌模擬可以采用Hydrus軟件模擬。栗現(xiàn)文[21]等人也利用Hydrus-1D建立土壤水鹽運移模型模擬，漫灌對微咸水膜下滴灌棉田地表以下0～60 cm 深度積鹽的淋洗效應。張珂萌[22]等人，也是利用Hydrus-2D軟件，模擬地下滴灌和微潤灌灌水方式下土壤水分的運動狀態(tài)，試驗也驗證了微潤灌比滴灌好。黃凱[23]等人，為探討赤紅壤蔗區(qū)滴灌條件下土壤水分運動規(guī)律，利用Hydrus-3D建模，建立了雙點源土壤水分運動數(shù)學模型，模擬分析了滴頭間距、滴頭流量對滴灌灌水均勻性的影響，其中滴頭間距對滴灌灌水均勻性影響較大；同時，也通過實驗來驗證了模擬結(jié)果，實驗中合理的滴頭流量為1.38 L/h、滴頭間距為30 cm。

1.5 編寫模擬軟件

使用C語言編寫程序，利用UDF加載到數(shù)值模擬軟件中，執(zhí)行某種功能?；蚴切薷倪吔鐥l件設置、求解方程等，得到數(shù)值模擬計算的解。

高西寧[24]對模型的求解采用交替隱式差分(ADl法)的方法進行，采用VB語言，設計編寫了可以使用各種類型的土壤水分運動參數(shù)模型。周云成[25]等人2007年提出了一種滲灌條件下土壤水分運動數(shù)值模擬軟件的設計方法，并采用面向?qū)ο蟮姆椒ê偷?增量式的開發(fā)過程, 采用有限差分法(FDM)中的交替方向隱式差分法(ADI)求解數(shù)學模型，建模是UML。

Jun Zhang[26]等人2010年為了研究迷宮式滴灌頭的抗堵塞性能的評估，采用數(shù)值模擬的方法，建立了一個梯形流道的二維模型，觀察顆粒在各種類型的流道內(nèi)的運動軌跡，來驗證用于評估堵塞性能的公式不合適，從而重新定義了一個抗堵塞性能的公式。李道西[27]等人發(fā)現(xiàn)CHAIN_ IR模型無法處理積水動邊界條件，與試驗情況不同，從而修改了CHAIN_ IR模型，有效地解決了入滲問題。

2 結(jié) 語

采用數(shù)值模擬的方法，來模擬灌溉帶等封閉流道內(nèi)的液體、固體的流動情況，從而使得整個灌溉系統(tǒng)變得可視化，更加直觀、方便的分析滴頭內(nèi)流道的幾何結(jié)構(gòu)、各尺寸參數(shù)對滴頭堵塞性能的影響，為解決灌溉系統(tǒng)或灌溉過程中的各類問題提供一定的指導性意義，而且在很大的程度上能夠說明實驗過程中的問題所在，并為各類解決方案提供了最低的運行成本和可靠的預測結(jié)果。

采用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)實際的灌溉模型，在數(shù)值模擬軟件中設置符合試驗的節(jié)水灌溉模型的各類幾何尺寸、邊界條件等參數(shù)，即可得到所期望的數(shù)值模擬結(jié)果。在得到數(shù)值模擬結(jié)果之后，再做試驗驗證數(shù)值模擬的結(jié)果是否吻合。一般說來，數(shù)值模擬結(jié)果基本上與試驗結(jié)果吻合。當?shù)玫降臄?shù)值模擬結(jié)果不太理想時，可以調(diào)整實驗模擬參數(shù)，重新進行數(shù)值模擬過程，從而得到實驗模擬結(jié)果。

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