陳 紅，夏彬蕓，邵 顯，江 華，馬露暢，張衍林，孫國遼

沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞模型構(gòu)建及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

陳 紅1,2，夏彬蕓1,2，邵 顯1,2，江 華3，馬露暢1,2，張衍林1,2，孫國遼1,2

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070；3. 鄂州市生態(tài)能源局，鄂州 436000）

在沼液滴灌工程實際生產(chǎn)應(yīng)用中，為有效預(yù)防灌水器發(fā)生堵塞，提高沼液滴灌系統(tǒng)運行的可靠性，該文以實際沼氣工程發(fā)酵剩余的沼液為試驗樣本，從滿足作物生長需求、合理調(diào)控系統(tǒng)運行模式的角度出發(fā)，以沼液滴灌系統(tǒng)水肥配比、灌水壓力、滴頭流量為影響因素，以灌水器的平均相對流量和首次發(fā)生堵塞的時間為試驗指標(biāo)進行試驗研究，建立了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞預(yù)測模型。試驗采用響應(yīng)曲面法，利用Design-Expert8.0.6 軟件回歸分析法和響應(yīng)面分析法，建立了3個因素對沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞影響的數(shù)學(xué)模型，對所建立的數(shù)學(xué)模型進行了試驗性驗證。試驗分析結(jié)果表明：水肥配比、灌水壓力和滴頭流量對沼液滴灌系統(tǒng)灌水器平均相對流量和首次發(fā)生堵塞時間的影響都是顯著的，且影響主次順序均為：滴頭流量＞水肥配比＞灌水壓力。在較大的水肥配比和滴頭流量條件下，平均相對流量最大，首次發(fā)生堵塞時間最長；當(dāng)灌水壓力取適當(dāng)?shù)闹虚g值時，灌水器抗堵塞性能較好。響應(yīng)曲面法優(yōu)化后獲得的最佳綜合堵塞模型指標(biāo)為：水肥配比為3:1，灌水壓力為0.14 MPa，滴頭流量為12 L/h，在該條件下，平均相對流量為0.83，堵塞時間為55 h。經(jīng)試驗驗證，實測值與模型理論值的平均相對誤差小于4%，表明模型預(yù)測效果良好，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測灌水器堵塞風(fēng)險和首次發(fā)生堵塞的時間。

模型；優(yōu)化；灌水器；沼液滴灌；堵塞

0 引 言

近年來，畜禽養(yǎng)殖業(yè)在國內(nèi)發(fā)展速度迅猛，與畜禽養(yǎng)殖場配套使用的沼氣工程伴隨著畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的激增而產(chǎn)生大量的沼液。當(dāng)前，養(yǎng)殖場處理這些沼液的方法主要是將它們儲運至湖泊、農(nóng)田等處進行直接排放，這引發(fā)了水體富營養(yǎng)化、重金屬污染等環(huán)境污染問題，且處理成本高[1-5]。同時，沼液本身由于含有農(nóng)作物生長所需的氮、磷、鉀等大量元素和大多數(shù)礦質(zhì)元素以及氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，是良好的有機肥源[6-9]。因此，開發(fā)一種將沼液合理應(yīng)用于實際農(nóng)作物生產(chǎn)的沼液處理技術(shù)，是有效解決沼液排放帶來的環(huán)境污染問題，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，實現(xiàn)沼液循環(huán)再利用的有效途徑。

滴灌作為一種水、肥利用率較高的灌溉技術(shù)，根據(jù)作物需水需肥特點，借助壓力系統(tǒng)將水肥混合物通過可控管道系統(tǒng)以滴灌的方式定量、均勻地輸送至作物根系區(qū)域，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工、灌溉質(zhì)量高等優(yōu)勢，能顯著提高作物產(chǎn)量，減少病蟲害發(fā)生，目前在實際農(nóng)作物生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[10]。在這樣的背景下，沼液滴灌技術(shù)應(yīng)運而生，通過沼液滴灌，不僅能有效解決沼液排放帶來的環(huán)境污染問題，還能有效緩解水資源短缺和肥料利用率低等問題。目前，沼液滴灌技術(shù)已經(jīng)在河北、湖北等地得到了應(yīng)用。但灌水器作為沼液滴灌系統(tǒng)的主要核心功能部件，由于灌水器內(nèi)部流道和出水口尺寸狹小，且沼液中含有的固體懸浮顆粒物等雜質(zhì)較多，導(dǎo)致灌水器發(fā)生堵塞，灌溉質(zhì)量顯著下降，這嚴(yán)重威脅到了沼液滴灌系統(tǒng)的整體功能，其后果輕則是灌水器灌溉質(zhì)量變差，不能滿足作物生長需求，重則是滴灌系統(tǒng)的灌水器整體發(fā)生嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致整個滴灌系統(tǒng)報廢，功能性徹底喪失[11-13]。因此，盡管沼液滴灌技術(shù)有很多優(yōu)勢，但灌水器堵塞問題成為了沼液滴灌技術(shù)應(yīng)用的一大難題。

目前國內(nèi)對于沼液滴灌的相關(guān)研究不多，對于沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的研究更為少見。本文基于實際沼液滴灌工程的應(yīng)用，以沼液為研究對象，在滿足作物不同時期生長需求的基礎(chǔ)上，從有效調(diào)控系統(tǒng)運行灌溉模式的角度出發(fā)，選擇影響灌水器堵塞的水肥配比、灌水壓力和滴頭流量作為響應(yīng)因素，以沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的平均相對流量和首次發(fā)生堵塞的時間為響應(yīng)，構(gòu)建響應(yīng)曲面，展開響應(yīng)曲面灌水器堵塞試驗，研究這3個影響因素對灌水器堵塞的影響，建立沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，并在此基礎(chǔ)上運用期望度函數(shù)法優(yōu)化影響灌水器堵塞的3個系統(tǒng)參數(shù)，從而得到沼液滴灌系統(tǒng)的最優(yōu)灌溉模式，以期為快速評估和預(yù)測沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞風(fēng)險及毛管沖洗時間提供理論依據(jù)，為防止灌水器發(fā)生堵塞，提高沼液滴灌工程實際應(yīng)用的可靠性提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 滴灌用水與沼液

試驗所用滴灌水取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程訓(xùn)練中心的普通自來水，沼液取自鄂州市華容區(qū)段店鎮(zhèn)老七生態(tài)養(yǎng)殖農(nóng)莊，沼液（25 ℃）基本參數(shù)如下：總固體（total soilds，TS）0.6%±0.01%、揮發(fā)性固體（volatile solids，VS）0.03%±0.001%、pH值為8.42±0.02、化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）為（3 722.40±126.98）mg/L、總磷（total P，TP）為（35.70±1.19）mg/L、總氮（total N，TN）為（4 009.25±136.98）mg/L、濁度為（864.20±15.68）NTU。沼液的COD值較高，說明沼液中含有大量的有機物；0.6%左右的TS值說明沼液中存在一定的固體顆粒物，濁度值為864.20 NTU表明沼液中可能含有較多的不溶性懸浮物和膠體物質(zhì)，這些不溶性懸浮物、膠體和固體顆粒物等物質(zhì)可能造成沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞。

1.2 試驗布置

試驗是在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程訓(xùn)練中心內(nèi)進行，試驗用毛管為20 mm的PE管，由山東亞洪塑膠工業(yè)有限公司生產(chǎn)，壁厚為2.3 mm，所能承受最大工作壓力為1.6 MPa。沼液滴灌系統(tǒng)由沼液池、潛水泵、壓力表、過濾器、減壓閥和灌水器等組成，如圖1所示。

1.沼液池 2.球閥 3.沼液預(yù)過濾池 4.沼液沉淀池 5.沼液儲存池 6.潛水泵 7疊片式過濾器 8.清水泵 9.混合比例顯示器 10.水肥混合池 11.止回閥 12.水泵 13.閥門 14.壓力表 15.過濾器 16.減壓閥 17.壓力補償式灌水器 18.堵頭 19.排污閥

沼液池、沼液沉淀池、沼液儲存池均為容積200 L的長方體塑料水箱；沼液預(yù)過濾池采用“V”形布置的三級過濾網(wǎng)，預(yù)過濾池整體規(guī)格為70 cm× 70 cm×70 cm，由有機玻璃制成，為課題組自主研制；水肥混合池為容積120 L的長方體塑料水箱；潛水泵為功率250 W，轉(zhuǎn)速2 860 r/min，揚程6 m，流量1.5 m3/h的單相潛水電泵，為浙江雷寶機電有限公司生產(chǎn)；清水泵為功率200 W，轉(zhuǎn)速2 860 r/min，揚程9 m，流量1.8 m3/h的全自動高壓自吸泵，為江蘇常州萬河機電有限公司生產(chǎn)；水泵為功率45 W，最大工作壓力0.3 MPa，最大揚程30 m，流量3 L/min的微型水泵；參考王睿等[14-16]對過濾器性能的研究成果，本試驗過濾器選用孔徑為120m的疊片式過濾器；壓力表為量程0～1.6 MPa液體壓力表，減壓閥為壓力可調(diào)活塞式減壓閥；根據(jù)劉海軍等[17]的研究成果和實際滴灌工程需要，灌水器選擇流量4、8和12 L/h的壓力補償式滴頭，由余姚市富金園藝灌溉設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號為FDJ3008，額定工作壓力為0.05～0.2 MPa，滴頭為可拆卸式，可擰開滴頭清洗內(nèi)部流道進行清潔維護，如圖2所示；每種滴頭流量的灌水器鋪設(shè)1條毛管，共布置了3條毛管，由于毛管鋪設(shè)長度越短，灌水均勻度越好，為控制灌水均勻度，本試驗每條毛管鋪設(shè)長度為10 m，滴頭間距為0.5 m，每條毛管上有20個滴頭。

圖2 試驗用灌水器

1.3 試驗方法

1.3.1 灌水器流量的測定

本試驗采用室內(nèi)固定周期的間歇灌水方法，灌水器灌水頻率為1次/h，每次灌水30 min，灌水間隔30 min，故灌水次數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)的灌水時間。每組試驗開始后，讓系統(tǒng)運行一段時間，待灌水器保持穩(wěn)定出流后，開始計時，每次灌水結(jié)束前10 min時，對每個灌水器的流量進行測定，灌水器流量的測定是將量杯（體積為250 mL）按10 s間隔依次放置在灌水器正下方，測量2 min后再依次按10 s間隔將量杯移出，用電子天平（精度0.1 g）稱量量杯和水的總質(zhì)量，然后換算成灌水器流量。試驗時間為2018年3月15日－2019年1月23日和2019年2月21日－2019年4月11日，共363 d，沼液滴灌系統(tǒng)每天試驗運行時間為8 h，每天系統(tǒng)運行結(jié)束之后用自來水清洗過濾網(wǎng)、水箱和過濾器。

1.3.2 試驗設(shè)計與方法

本文采用常用的響應(yīng)面試驗設(shè)計方法Box-Behnken Design（BBD），該方法適用于2～5個因素的優(yōu)化試驗[18]。應(yīng)用Design-Expert8.0.6 軟件設(shè)計響應(yīng)曲面試驗，基于作物不同時期的生長需求，從有效調(diào)控系統(tǒng)運行灌溉模式的角度出發(fā)，選擇影響灌水器堵塞的水肥配比、灌水壓力和滴頭流量3個試驗因素作為響應(yīng)因素，其中水肥配比參照文獻[19-21]設(shè)置1:1、2:1和3:1 3個水平；灌水壓力在綜合考慮滴灌管、灌水器承壓能力，在雷宏軍等[22-23]研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)置為0.04、0.12和0.20 MPa；滴頭流量根據(jù)不同作物不同生長時期的需求和實際沼液滴灌工程灌水器的應(yīng)用現(xiàn)狀選取4、8和12 L/h（壓力補償式灌水器）。各設(shè)計因素水平值與編碼值對應(yīng)見表1，具體試驗方案如表2所示。

表1 試驗設(shè)計因素和水平編碼值

表2 響應(yīng)曲面設(shè)計方案及試驗測定結(jié)果

試驗開始前，先調(diào)配好不同水肥配比的沼液，然后根據(jù)試驗方案對應(yīng)的每組試驗測定其相應(yīng)的灌水器清水流量，每組試驗灌水24次，且重復(fù)3次，取3次測定值的平均值作為該試驗條件下的灌水器清水流量。接著再以不同配比的沼液為研究對象，對照試驗方案分別進行響應(yīng)曲面試驗，測定并記錄每次灌水對應(yīng)的灌水器流量和灌水器首次發(fā)生堵塞對應(yīng)的系統(tǒng)運行時間，整個試驗共進行了17組，每組試驗重復(fù)3次，試驗測定結(jié)果取3次重復(fù)試驗結(jié)果的平均值，每組試驗結(jié)束后向沼液滴灌系統(tǒng)持續(xù)通入清水1 h，以達到清洗灌水器的目的。

1.3.3 響應(yīng)指標(biāo)

在本研究中，采用灌水器平均相對流量和首次發(fā)生堵塞的時間2個響應(yīng)指標(biāo)。灌水器流量用q表示，清水流量用0表示，平均相對流量q的計算如式（1）所示，q=1-q為流量降幅，當(dāng)平均相對流量q小于75%或流量降幅q大于25%時，認(rèn)為灌水器發(fā)生了堵塞，則停止灌水[24-26]，此時的灌水次數(shù)則對應(yīng)灌水器首次發(fā)生堵塞的時間，即：

q=1?q（2）

式中q表示灌水器流量，L/h；0表示清水流量，L/h。q可用以評判沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞風(fēng)險，一般來說，將灌水器流量占初始流量的95%以上定義為未堵塞，80%～95%定義為輕微堵塞，50%～80%定義為一般堵塞，20%～50%定義為嚴(yán)重堵塞，20%以下定義為完全堵塞[27]。而灌水器首次發(fā)生堵塞的時間則可為系統(tǒng)毛管清洗時間的合理安排，從而為預(yù)防灌水器發(fā)生堵塞提供科學(xué)依據(jù)[28-29]。本試驗灌水器首次發(fā)生堵塞的時間最長為53 h，最短為14 h，試驗測定結(jié)果的平均相對流量采用系統(tǒng)14 h灌水試驗對應(yīng)的灌水器平均相對流量?；陧憫?yīng)曲面法的灌水器堵塞試驗方案和結(jié)果如表3所示，根據(jù)試驗結(jié)果對響應(yīng)參數(shù)進行分析并建立數(shù)學(xué)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均相對流量

2.1.1 平均相對流量的回歸結(jié)果分析

采用逐步回歸法對表2試驗結(jié)果進行平均相對流量的三元二次回歸及方差分析，結(jié)果見表3。

表3 平均相對流量方差分析

注（Note）：=0.05。

由表3可知，模型的值為75.44（<0.01），表明模型是顯著的，小于0.01%的概率模型值由于噪聲而大于75.44[30]。失擬項的值為0.29，大于檢驗水平0.05，表明預(yù)測模型的失擬項是不顯著的，即該模型在被研究的整個回歸區(qū)域擬合較好，其中無失擬因素的存在，是可以用該模型經(jīng)過計算得到預(yù)測值來替代實際試驗值而進行響應(yīng)曲面的分析。決定系數(shù)2是回歸模型響應(yīng)貢獻的比率，越接近于1則模型解釋度越高，該模型R達到0.99，表明有99%的響應(yīng)值變化可以由該模型揭示。校正決定系數(shù)2adj可以解釋模型的精確度，模型的2adj為0.98，則表明預(yù)測響應(yīng)值與試驗結(jié)果相關(guān)度高。模型信噪比大于4時表明擬合模型是恰當(dāng)?shù)?，而預(yù)測平均相對流量的響應(yīng)面模型的信噪比為32.46，表明擬合模型具有很高的可信度。從表3可見，線性影響因素中的、、都是極顯著的，交互項中之間的交互作用影響顯著。

通過表4的方差分析結(jié)果表明，使用二次多項式模型能較好地描述灌水器平均相對流量。根據(jù)表2試驗結(jié)果得到平均相對流量1的編碼值簡化回歸數(shù)學(xué)模型為

1=0.78+9.26×10-3+6.31×10-3+0.015?

3.9×10-3?0.0252+3.62×10-3（3）

在回歸方程（3）中，系數(shù)絕對值大小決定該因素對平均相對流量的影響程度，因此，各因素對平均相對流量的影響主次順序為：滴頭流量＞水肥配比＞灌水壓力。

2.1.2 系統(tǒng)參數(shù)對平均相對流量的響應(yīng)曲面分析

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)，各因素對平均相對流量響應(yīng)曲面如圖3所示。

圖3 各因素對平均相對流量影響的響應(yīng)曲面

由圖3a可知，當(dāng)?shù)晤^流量取0水平，即滴頭流量為8 L/h時，當(dāng)灌水壓力一定時，隨著水肥配比的增大，平均相對流量逐步增大。分析原因，在沼液滴灌過程中，水肥混合物中含有的膠體、細小懸浮物等物質(zhì)表面帶有負(fù)電，當(dāng)水肥配比較小，即沼液濃度較大時，就會引入沼液中含有的大量陽離子，如NH4+等，于是在電荷相互作用下膠體和細小懸浮顆粒物就會連結(jié)在一起，產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，即形成堵塞灌水器的顆粒性物質(zhì)[31]。因此，水肥配比的增大，會在一定程度上限制堵塞物質(zhì)的形成，從而避免產(chǎn)生大量的堵塞物質(zhì)，灌水器也就相對不容易發(fā)生堵塞。

而當(dāng)水肥配比一定時，平均相對流量并不是隨著灌水壓力的增大而線性單調(diào)變化的，而是隨著灌水壓力的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢（圖3c）。這主要是因為在較低灌水壓力下，壓力補償式灌水器內(nèi)的彈性膜片變形較小，灌水器流量基本隨著灌水壓力的升高而增加；隨著灌水壓力的繼續(xù)升高，彈性膜片變形增大，過水腔面積減小，達到補償狀態(tài)，灌水器流量保持穩(wěn)定，達到一定的峰值；當(dāng)灌水壓力繼續(xù)增大到一定程度時，彈性膜片變形較大，彈性膜片與灌水器出水口的貼合度顯著增大[32]，從而導(dǎo)致灌水器流量下降，平均相對流量也就隨之下降，灌水器逐漸發(fā)生堵塞。

由圖3b可知，在較大的滴頭流量和水肥配比條件下，能獲得較大的平均相對流量，此時灌水器的抗堵塞性能較好。分析原因，大流量的灌水器在沼液滴灌過程中，由于灌水器流量的增大，其水流紊動作用增強，水流紊動能量升高，水流剪切作用力顯著增大，水流剪切速率也得到了明顯提升，而較強的剪切作用力和較高的剪切速率，都不利于水肥混合物中絮凝物的生成，堵塞物質(zhì)也就不易沉積在管道和灌水器流道內(nèi)，從而顯著提高灌水器的抗堵塞能力，平均相對流量也就隨之增大[33]。圖3c表明，在滴頭流量為12 L/h，灌水壓力為0.12 MPa附近時，能獲得較大的平均相對流量。

2.2 灌水器首次發(fā)生堵塞的時間

2.2.1 灌水器首次發(fā)生堵塞的時間的回歸結(jié)果分析

根據(jù)表2的試驗結(jié)果通過回歸擬合得到響應(yīng)值2與變量、、編碼值的二次多項回歸方程為

2=39.20+6.00+5.25+7.25-12.852（4）

方差分析結(jié)果見表4。模型值極顯著、失擬項不顯著、2=0.99、響應(yīng)值的變異系數(shù)CV值為4.48%＜10%、信噪比值33.63＞4，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合精度高，可用此模型對灌水器首次發(fā)生堵塞的時間進行分析和預(yù)測。影響因素中的、、都是極顯著的。各因素對灌水器首次發(fā)生堵塞的時間的影響大小次序依次為：、、。

2.2.2 系統(tǒng)參數(shù)對灌水器首次發(fā)生堵塞的時間的響應(yīng)曲面分析

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)，各因素對首次發(fā)生堵塞的時間響應(yīng)曲面如圖4所示。由圖4a可知，當(dāng)?shù)晤^流量取0水平，即滴頭流量為8 L/h時，當(dāng)灌水壓力一定時，首次發(fā)生堵塞時間隨著水肥配比的增大，即沼液濃度的減小而逐漸變長。而當(dāng)水肥配比一定時，灌水器首次發(fā)生堵塞的時間則隨著灌水壓力的增大呈現(xiàn)出先持續(xù)增長后顯著下降的變化趨勢。在較大的水肥配比和適中的灌水壓力條件下，能獲得較長的首次發(fā)生堵塞時間，這說明水肥配比和灌水壓力對首次發(fā)生堵塞時間的影響較大，但他們之間的交互作用對灌水器首次發(fā)生堵塞的時間的影響較小。在沼液滴灌系統(tǒng)應(yīng)用于實際農(nóng)作物生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)沼液滴灌系統(tǒng)能耗、使用壽命等系統(tǒng)運行需要的硬性條件來選擇適中的灌水壓力。

由圖4b和圖4c可知，灌水器首次發(fā)生堵塞的時間隨著滴頭流量的增大而明顯變長，灌水器首次發(fā)生堵塞的時間與滴頭流量成正相關(guān)關(guān)系，這與平均相對流量隨滴頭流量的變化趨勢相一致。這表明在相同的灌水時間內(nèi)，大流量的灌水器抗堵塞性能優(yōu)于小流量灌水器，大流量灌水器不易發(fā)生堵塞，而小流量的灌水器具有加大灌水器發(fā)生堵塞的風(fēng)險。這主要是因為滴頭流量越小，灌水器流道越小，越容易發(fā)生堵塞；滴頭流量越大，灌水器流道越大，堵塞物質(zhì)越容易從灌水器出水口流出，因此越不容易發(fā)生堵塞[34-35]。

此外，從圖4b可以看出，在較大的水肥配比和滴頭流量條件下，灌水器首次發(fā)生堵塞的時間較長，灌水器的抗堵塞能力較好。從圖4c可以看出，當(dāng)?shù)晤^流量取較大值，而灌水壓力在試驗范圍內(nèi)取中間值時，能獲得較長的首次發(fā)生堵塞時間，這是因為在所有二次方效應(yīng)中，灌水壓力的二次方效應(yīng)是最顯著的。

表4 首次發(fā)生堵塞的時間的方差分析

圖4 各因素對灌水器首次發(fā)生堵塞的時間影響的響應(yīng)曲面

在沼液滴灌工程實際應(yīng)用中，針對不同作物不同時期的生長需求，可根據(jù)上述研究結(jié)論選擇合適的水肥配比和滴頭流量來滿足作物的生長需要，再通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力來避免灌水器發(fā)生堵塞。本文建立的沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞模型可作為預(yù)測灌水器堵塞風(fēng)險的理論依據(jù)，從宏觀上把握整個沼液滴灌系統(tǒng)灌水器的實時工況，此外，還可根據(jù)模型預(yù)測的灌水器首次發(fā)生堵塞時間合理安排毛管沖洗時間，預(yù)防灌水器發(fā)生堵塞。

3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與驗證

為避免沼液滴灌系統(tǒng)灌水器發(fā)生嚴(yán)重堵塞，需使灌水器的平均相對流量達到最大，同時灌水器首次發(fā)生堵塞的時間達到最長?；诋?dāng)前沼液滴灌系統(tǒng)灌水器易發(fā)生堵塞的現(xiàn)狀，期望通過優(yōu)化盡可能地防止沼液滴灌系統(tǒng)灌水器發(fā)生堵塞，為此本文采用期望度函數(shù)法，建立了灌水器平均相對流量1、首次發(fā)生堵塞的時間2雙目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型[36]，即

式中是整體滿意度，d是第個滿意度，=1,2，…，。由式（5）可知，當(dāng)所有響應(yīng)的滿意度d都為1時，整體滿意度為1；當(dāng)其中任何1個響應(yīng)的滿意度d為0時，則整體滿意度為0。在其他情況下，整體滿意度在0~1之間取值。

借助Design-Expert 8.0.6軟件的響應(yīng)優(yōu)化器，對建立的二次回歸方程進行優(yōu)化求解，優(yōu)化求解約束條件如下:

目標(biāo)函數(shù)：max1（,,）；max2（,,）。

目標(biāo)函數(shù)1優(yōu)化區(qū)間為0.74~0.81，目標(biāo)函數(shù)2優(yōu)化區(qū)間為14～53，1、2函數(shù)的權(quán)重系數(shù)均設(shè)定為1。

編碼變量優(yōu)化范圍：1:1≤≤1:3；0.04 MPa≤≤0.2 MPa；4 L/h≤C≤12 L/h。

應(yīng)用Design-Expert8.0.6軟件輸入上述系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的約束條件，對目標(biāo)函數(shù)進行尋優(yōu)，得到灌水器平均相對流量1和首次發(fā)生堵塞的時間2最大時的最優(yōu)解為：=3:1，=0.14 MPa，=12 L/h。即最佳綜合堵塞模型指標(biāo)為：水肥配比3:1，灌水壓力0.14 MPa，滴頭流量12 L/h，此時對應(yīng)的灌水器平均相對流量和首次發(fā)生堵塞的時間分別為0.81和53.60 h。

為驗證上述優(yōu)化試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，將得出的參數(shù)組合固化為最優(yōu)解，在系統(tǒng)參數(shù)確定為最佳綜合堵塞模型指標(biāo)的條件下，展開了驗證試驗，試驗裝置和試驗方法與之前的響應(yīng)曲面試驗類似，在水肥配比3:1，灌水壓力0.14 MPa，滴頭流量為12 L/h的條件下，在自主搭建的沼液滴灌系統(tǒng)試驗平臺（如圖5）上進行單因素重復(fù)試驗，該試驗同樣重復(fù)3次，每次試驗測定的平均相對流量同樣采用系統(tǒng)運行至14 h時灌水試驗對應(yīng)的灌水器平均相對流量，當(dāng)沼液滴灌系統(tǒng)灌水器平均相對流量小于75%，即灌水器發(fā)生堵塞時，則停止試驗，此時系統(tǒng)運行的總時間對應(yīng)灌水器首次發(fā)生堵塞的時間，實際的試驗結(jié)果取3組試驗結(jié)果的平均值，試驗結(jié)果如表6所示。

圖5 沼液滴灌系統(tǒng)試驗平臺

表5 驗證試驗的結(jié)果

驗證試驗結(jié)果表明，基于期望度函數(shù)的響應(yīng)曲面優(yōu)化方法，實際相對誤差較小，小于4%，能可靠地獲得最佳綜合堵塞模型指標(biāo)。在該條件下，灌水器連續(xù)灌溉55 h才首次發(fā)生堵塞，而在沼液滴灌工程的實際生產(chǎn)應(yīng)用中，以鄂州梁子湖區(qū)沼山胡柚生產(chǎn)果園基地為例，該園區(qū)的水肥灌溉目前已成功應(yīng)用沼液滴灌系統(tǒng)，經(jīng)實地考察，沼液滴灌系統(tǒng)每天連續(xù)運行2 h左右即可滿足園區(qū)的胡柚生長需求，那么灌水器將在系統(tǒng)連續(xù)運行27 d左右才發(fā)生堵塞；而實際上該園區(qū)的灌溉周期為每周2次，每次灌溉2 h，且整個系統(tǒng)的毛管清洗頻率為每周1次，每次沖洗也是2 h。因此，沼液滴灌技術(shù)在實際作物生產(chǎn)應(yīng)用中具有可行性，通過期望度函數(shù)法優(yōu)化得到的最佳綜合堵塞模型指標(biāo)可為沼液滴灌工程在實際應(yīng)用中預(yù)防灌水器堵塞提供參考意見。

4 結(jié) 論

1）基于沼液滴灌工程灌水器易發(fā)生堵塞的現(xiàn)狀，進行了響應(yīng)曲面試驗研究，結(jié)果表明影響沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的3個系統(tǒng)參數(shù)均對灌水器的平均相對流量和首次發(fā)生堵塞的時間具有顯著影響，影響主次順序均為：滴頭流量＞水肥配比＞灌水壓力。在較大的水肥配比和滴頭流量條件下，平均相對流量最大，灌水器首次發(fā)生堵塞的時間最長；由于二次方效應(yīng)，當(dāng)灌水壓力取中間值時，灌水器平均相對流量最大，相對不易發(fā)生堵塞。

2）借助Design-Expert8.0軟件的回歸分析法，以灌水器的平均相對流量和首次發(fā)生堵塞的時間為試驗指標(biāo)進行響應(yīng)曲面試驗研究，建立了沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞預(yù)測模型?；貧w方程的決定系數(shù)均為0.99，回歸方程擬合程度較好；采用期望度函數(shù)法，對沼液滴灌系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化，獲得了最佳綜合堵塞模型指標(biāo)：水肥配比3:1，灌水壓力0.14 MPa，滴頭流量為12 L/h。對所建立的數(shù)學(xué)模型進行了試驗性驗證，其相對誤差小于4%，該模型預(yù)測效果良好，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測灌水器堵塞風(fēng)險和首次發(fā)生堵塞的時間。

綜上，本文研究成果為預(yù)防沼液滴灌系統(tǒng)在實際應(yīng)用中灌水器發(fā)生堵塞提供了理論參考，當(dāng)灌水器不可避免地發(fā)生堵塞或者毛管沖洗效果不明顯時，可選擇拆卸灌水器進行清洗，以提高沼液滴灌系統(tǒng)運行的可靠性。

[1]鄧良偉，陳子愛，袁心飛，等. 規(guī)?；i場糞污處理工程模式與技術(shù)定位[J]. 養(yǎng)豬，2008(6)：21－24.

[2]陳超，阮志勇，吳進，等. 規(guī)模化沼氣工程沼液綜合處理與利用的研究進展[J]. 中國沼氣，2013，31(1)：25－28.

Chen Chao, Yan Zhiyong, Wu Jin, et al. Research progress on comprehensive disposal and utilization of biogas slurry from large scale biogas engineering [J]. China Biogas, 2013, 31(1): 25－28. (in Chinese with English abstract)

[3]楊治斌，呂旭東. 浙江省沼液利用現(xiàn)狀與推進機制探討[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，1(11)：1665－1668.

[4]徐國銳. 沼液納濾膜濃縮技術(shù)及其液體有機肥開發(fā)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2012.

Xu Guorui. The Research on Concentration Technology for Biogas Slurry Using Nanofiltration Membrane and Subsequent Development of Concentrated Biogas Slurry as Liquid Organic Fertilizer[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[5]隋倩雯. 氨吹脫與膜生物反應(yīng)器組合工藝處理豬場厭氧消化液研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2014.

Sui Qianwen. Combined of Ammonia Stripping and Membrane Bioreactor Processes for Anaerobically Digested Swine Wastewater Treatment[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014. (in Chinese with English abstract)

[6]劉榮厚，郝元元，葉子良，等. 沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)對沼氣及沼液成分影響的實驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(增刊1)：85－88.

Liu Ronghou, Hao Yuanyuan, Ye Ziliang, et al. Experimental research on technical parameters of anaerobic fermentation for biogas production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(Supp.1): 85－88. (in Chinese with English abstract)

[7]周倩倩，王有科，李捷，等. 施用沼液對景電灌區(qū)枸杞生長及品質(zhì)的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，34(1)：12－17.

Zhou Qianqian, Wang Youke, Li Jie, et al. Effects of applying biogas liquid manure on the growth and quality ofin Jingtai electric-irrigation region[J]. Journal of South China Agricultural University, 2013, 34(1): 12－17. (in Chinese with English abstract)

[8]陳永杏，尚斌，董紅敏，等. 豬糞發(fā)酵沼液對油菜（.）品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2011，13(3)：117－121.

Chen Yongxing, Shang Bin, Dong Hongmin, et al. Effects of biogas slurry from swine farms on cole quality[J]. China Agricultural Science and Technology Review, 2011, 13(3): 117－121. (in Chinese with English abstract)

[9]胡福初，何凡，范鴻雁，等. 沼液對荔枝果園土壤肥效及果實產(chǎn)量與品質(zhì)的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，41(1)：42－45.

Hu Fuchu, He Fan, Fan Hongyan, et al. Effects of biogas slurry on the soil fertility, fruit yield and quality in litchi orchard[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2014, 41(1): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[10]李迪，譚啟玲. 設(shè)施蔬菜水肥一體化技術(shù)，節(jié)水省肥效率高[J]. 長江蔬菜，2017(21)：9－10.

[11]Pei Y, Li Y, Liu Y, et al. Eight emitters clogging characteristics and its suitability under on-site reclaimed water drip irrigation[J]. Irrigation Science, 2014, 32(2): 141－157.

[12]張鐘莉莉. 微咸水滴灌系統(tǒng)灌水器化學(xué)堵塞機理及控制方法研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Zhang Zhonglili. Mechanism of The Emitters Chemical-clogging under Drip Irrigation with Saline Water and Its Prevention Methods[D]. Beijing：China Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[13]馮吉. 引黃滴灌系統(tǒng)泥沙逐級調(diào)控機制及方法研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

Feng Ji. Step Regulation Mechanism and Method of Sediment in Drip Irrigation System with The Yellow River Water[D]. Beijing：China Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[14]王睿，王文娥，胡笑濤，等. 微灌用施肥泵施肥比例與肥水比對過濾器堵塞的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(23)：117－122.

Wang Rui, Wang Wen'e, Hu Xiaotao, et al. Impact of fertilizer proportion and fertilizer-water ratio on clogging of filter by fertilizer pump in microirrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 117－122. (in Chinese with English abstract)

[15]阿不都沙拉木，彭立新，崔春亮. 微灌系統(tǒng)中疊式和網(wǎng)式過濾器對含藻類地表水過濾效果的分析[C]//中國水利學(xué)會青年科技論壇，2005.

[16]秦天云，王文娥，胡笑濤. 滴灌系統(tǒng)網(wǎng)式和疊片式過濾器水力性能試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報，2017，36(1)：57－62.

Qin Tianyun, Wang Wen'e, Hu Xiaotao. Hydraulic performance of screen and disc filters for drip irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(1): 57－62. (in Chinese with English abstract)

[17]劉海軍，黃冠華，王鵬超，等. 再生水滴灌對滴頭堵塞的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(9)：15－20.

Liu Haijun, Huang Guanhua,Wang Pengchao, et al. Effect of drip irrigation with reclaimed water on emitter clogging[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(9): 15－20. (in Chinese with English abstract)

[18]Ferreira S L C, Bruns R E, Ferreira H S, et a1. Box—Behnken design: An alternativefor the optimization of analytical methods[J]. Analytica Chimica Acta, 2007, 597(2): 179－186.

[19]王銀官，姜如存，蘇生平，等. 戶用沼氣沼液曝氣過濾與滴灌技術(shù)[J]. 上海蔬菜，2014(6)：84－85.

[20]李勝利，劉金，夏亞真，等. 沼液施用方式對兩種葉菜品質(zhì)及栽培環(huán)境的影響[J]. 中國土壤與肥料，2014(2)：61－66.

Li Shengli, Liu Jin, Xia Yazhen, et al. Effect of different biogas slurry fertigations on the nutrient absorption and quality of two leaf vegetables[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2014(2): 61－66. (in Chinese with English abstract)

[21]薛瑞祥，周桂官，蘇生平. 大棚西瓜沼液滴灌施肥技術(shù)[J].中國瓜菜，2013，26(1)：54－55.

[22]雷宏軍，臧明，張振華，等. 循環(huán)曝氣壓力與活性劑濃度對滴灌帶水氣傳輸?shù)挠绊慬J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(22)：63－69.

Lei Hongjun, Zang Ming, Zhang Zhenhua, et al. Impact of working pressure and surfactant concentration on air-water transmission in drip irrigation tape under cycle aeration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(22): 63－69. (in Chinese with English abstract)

[23]席奇亮，葛國鋒，周方，等. 2種滴灌帶灌水均勻度對鋪設(shè)長度和進水壓力的響應(yīng)[J]. 灌溉排水學(xué)報，2018，37(3)：78－83.

Xi Qiliang, Ge Guofeng, Zhou Fang, et al. Responses of irrigation uniformity of two types of drip irrigation belts to inlet pressure and laying length[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(3): 78－83. (in Chinese with English abstract)

[24]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 微灌工程技術(shù)規(guī)范：GB/T 50485-2009[S]. 北京：中國計劃出版社，2009.

[25]祁世磊. 低壓微潤帶出流、入滲及抗堵塞性能試驗研究[D]. 烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

Qi Shilei. Research on The Outflow, Infiltration and Anti-clogging Performance of Low-Pressure Moistube[D]. Urumqi：Xinjiang Agriculture University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[26]岑承志，陳礪，嚴(yán)宗誠，等. 沼氣發(fā)酵技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 廣東化工，2009，36(6)：78－79.

Geng Chengzhi, Chen Wei, Yan Zongcheng, et al. Technical progress and application status of biogas fermentation technology[J]. Guangdong Chemical Industry, 2009, 36(6): 78－79. (in Chinese with English abstract)

[27]吳顯斌，吳文勇，劉巧祿，等. 再生水滴灌系統(tǒng)滴頭抗培塞性能試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(5)：61－64.

Wu Xianbin, Wu Wenyong, Liu Qiaolu, et al. Experimental study on anti-clogging performance of emitters for reclaimed wastewater irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(5): 61－64. (in Chinese with English abstract)

[28]李康勇，牛文全，張若嬋，等. 施肥對渾水灌溉滴頭堵塞的加速作用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(17)：81－90.

Li Kangyong, Niu Wenquan, Zhang Ruochan, et al. Accelerating effect of fertigation on emitter clogging by muddy water irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(17): 81－90. (in Chinese with English abstract)

[29]官雅輝，牛文全，劉璐，等. 尿素對渾水水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2018，36(2)：93－100.

Guan Yahui, Niu Wenquan, Liu Lu, et al. Influence of urea on emitter clogging with muddy water fertigation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2018, 36(2): 93－100. (in Chinese with English abstract)

[30]Montgomery D C. Design and Analysis of Experiments[M]. London: John Wiley and Sons Inc, 1991.

[31]Ronojoy Duffadar, Surachate Klasin. The impact of nanoscale chemical features on micron-scale adhesion Crossover from heterogeneity-dominated to mean-field behavior[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2009, 337(2): 396－407.

[32]牛文鵬. 不同壓力區(qū)涌泉根灌灌水器設(shè)計及性能研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

Niu Wenpeng. Design and Performance Research on Bubbled Root Irrigation Emitter in Different Pressure Unit[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[33]王新端，白丹，宋立勛，等. 不同結(jié)構(gòu)滴灌雙向流道灌水器抗堵性能對比試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(14)： 86－93.

Wang Xinduan, Bai Dan, Song Lixun, et al. Contrast experiment on anti-clogging performance of bidirectional flow channel emitters with different structures in drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 86－93. (in Chinese with English abstract)

[34]Liu H, Huang G. Laboratory experiment on drip emitter clogging with fresh water and treated sewage effluent[J]. Agricultural Water Management, 2009, 96(5): 0－756.

[35]Duran-Ros M , J Puig-Bargués, Arbat G , et al. Effect of filter, emitter and location on clogging when using effluents[J]. Agricultural Water Management, 2009, 96(1): 0－79.

[36]Makadia A J, Nanavati J I. Optimization of machining parameters for turning operations based on response surface methodology[J]. Measurement, 2013, 46(4): 1521－1529.

Development of emitter clogging predication model for drip irrigation system with biogas slurry and optimization of its system parameters

Chen Hong1,2, Xia Binyun1,2, Shao Xian1,2, Jiang Hua3, Ma Luchang1,2, Zhang Yanlin1,2, Sun Guoliao1,2

(1.430070,; 2.430070,; 3.436000,)

In actual application of drip irrigation project with biogas slurry, emitters clogging occurs frequently. This study established models for predicting clogging of emitters and optimized system factors of drip irrigation system with biogas slurry in order to prevent the emitter clogging effectively and improve the reliability of the operation of the drip irrigation system with biogas slurry. The remaining biogas slurry from the actual biogas project was took as test samples. The total solids in biogas slurry was 0.6%, the chemical oxygen demand was 3 722.40 mg/L, the pH value was 8.42 and the turbidity value was 864.20 NTU. From the perspective of controlling the operation mode of the drip irrigation system rationally and meeting the requirement of crop growth, the ratio of water to biogas slurry, irrigation pressure and dripper flow rate were taken as the influencing factors. The ratio of water to biogas slurry included 3 levels of 1:1, 2:1 and 3:1. The irrigation pressure was 0.04, 0.12 and 0.20 MPa. The dipper flow rate was 4, 8 and 12 L/h. Average relative flow rate and first clogging time of the emitters were used as the response index in the experimental study. The experiment was designed by response surface methodology. The model was established by using regression analysis method. Response surface analysis was completed by the software of Design-Expert 8.0.6. The results showed that the ratio of water to biogas slurry, irrigation pressure and dripper flow rate had significant effects on the average relative flow rate and first clogging time of the emitters in drip irrigation system with biogas slurry, and the effects of these 3 factors on the average relative flow rate and first clogging time of the emitters was ordered by dripper flow rate > ratio of water to biogas slurry > irrigation pressure. Under the condition with large ratio of water to biogas slurry and dripper flow rate, the average relative flow rate was the largest and the firs clogging time was the longest. The optimal condition to obtain larger relative flow rate and longer first clogging time obtained by response surface methodology was as follows: the ratio of water to biogas slurry was 3:1, irrigation pressure was 0.14 MPa, dripper flow rate was 12 L/h. Under such an optimal condition, the measured average relative flow rate was 0.83 and the measured first clogging time was 55 h. The relative error between the measured value and the theoretical value of the model was smaller than 4%. It verified the reliability of model proposed in this study for predicting first clogging time of emitter in drip irrigation system with biogas slurry. The study would provide valuable information for the design of emitter in drip irrigation system with biogas slurry.

models; optimization; emitters; drip irrigation with biogas slurry; clogging

陳 紅，夏彬蕓，邵 顯，江 華，馬露暢，張衍林，孫國遼. 沼液滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞模型構(gòu)建及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(3)：99－106.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.013 http://www.tcsae.org

Chen Hong, Xia Binyun, Shao Xian, Jiang Hua, Ma Luchang, Zhang Yanlin, Sun Guoliao. Development of emitter clogging predication model for drip irrigation system with biogas slurry and optimization of its system parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 99－106. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.013 http://www.tcsae.org

2019-08-05

2019-12-10

國家現(xiàn)代柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項（CARS-27）

陳 紅，副教授，博士生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備。Email：chenhong@ mail.hzau.edu.cn.

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.013

S275.6

A

1002-6819(2020)-03-0099-08