數值模擬在節水灌溉技術中應用的研究概述

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，而農業灌溉需水量占60%以上。為了節約水資源，我們需要使灌溉水既滿足農作物生長，以保證作物產量，又沒有浪費。農業灌溉應用較廣泛的是節水灌溉技術，包括地表滴灌、地下滴灌、微噴灌和涌泉灌等典型微灌技術。

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的水流形式灌到作物根區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，其流量與地表滴灌相接近，可有效減少地表蒸發[2]。地下灌溉技術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，但不適用于土壤鹽堿化的地區。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。

自從計算機被應用到加工制造領域以后，采用數值模擬的方法，來預先預測制造生產的過程和結果，應用也越來越多。數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，用來預測實驗結果，或驗證該實驗中各實驗參數是合適的；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)。

將數值模擬軟件應用到實驗過程中，有許多便利。第一，應用數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、壓力等的變化規律。由于灌溉管中的灌水器是封閉、不可見的結構，因此采用數值模擬方法方便、可靠的解決了這個難題。第二，不可避免的是操作或實施實驗都需要實驗經費支撐，而在數值模擬軟件平臺上模擬整個實驗過程，在最大程度上節約了實驗運行和開發成本。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，從而可以節約實驗開發周期。

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

1 數值模擬在節水灌溉中的應用

數值模擬軟件可以模擬節水灌溉系統中的單相流、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，合理優化實驗參數，節約試驗開發周期和開發成本。

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，不同的農作物對水分的需求是不同的，而同一種農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，模擬結果是無坑型的濕潤比較大；同時，也通過實驗驗證了模擬結果與實驗結果基本吻合。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，試驗結果和模擬結果相同。張瑞喜[7]等人，采用室內土柱模擬和田間小區滴灌相結合的試驗方法，研究干旱區綠洲農業生產區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。

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，模擬新疆地區棉花膜下滴灌，以獲得土壤水分動態、作物生長指標、產量等數據，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律，結果發現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律和分布影響。史文娟[12]等人，采用經典統計和地質統計方法，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驗證了實驗結果。

1.1.3 對灌溉植物的模擬

對灌溉植物根系、干物質生產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期后不同滴灌次數對土層含水量，土層初、次生根干重和長度、根系活性分布及產量的影響，發現隨滴灌次數及總滴量的增加，土層的含水量增加。王新[14]等人，以生理發育時間為時間尺度,建立了基于生理發育時間(PDT)的加工番茄葉面積指數(LAI)、比葉面積(SLA)模擬模型,并將葉面積指數模型與基于生理生態過程的光合作用和干物質生產模型相結合,構建了滴灌加工番茄干物質生產與積累的模擬模型，模擬結果顯示PDT法比SLA法較好，改善了加工番茄葉面積指數預測精度，同時也提高了干物質量的預測精度。

1.2 對滴頭的模擬

滴頭是滴灌產品的核心器件。滴頭的內部結構(梯形流道、齒形流道、矩形流道等等)、滴頭的流道直徑和深度、滴頭內水質等等都是影響滴頭堵塞的非常重要的因素。由于滴頭結構細小，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果。

對滴頭內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，為了研究發射器迷宮流道的堵塞系統，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，模擬結果和試驗結果吻合，在迷宮流道中小顆粒沉積在每個鋸齒去的前部(低速區)。劉新陽[16]等人，采用高濃度混合三相流模型并結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部顆粒體積濃度分布和分離效率進行了數值模擬，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，模擬灌水器內流場兩相流，得到了固相物在灌水器內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構快速定型的優越性。

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的幾何結構模型，設定灌溉水進出口邊界條件及實驗參數，即可進行模擬計算，得到預測模擬結果。李云開[19]等人，為了了解滴頭內部的流動機理以設計出高性能的滴灌灌水器，構建了表征迷宮式流道內部流動的數學模型，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學模型，通過確定數學模型(確定控制方程，模型的定解條件，邊界控制方程，模型求解)，來驗證模擬的結果是符合試驗結果的。

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，試驗也驗證了微潤灌比滴灌好。黃凱[23]等人，為探討赤紅壤蔗區滴灌條件下土壤水分運動規律，利用Hydrus-3D建模，建立了雙點源土壤水分運動數學模型，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加載到數值模擬軟件中，執行某種功能。或是修改邊界條件設置、求解方程等，得到數值模擬計算的解。

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值模擬軟件的設計方法，并采用面向對象的方法和迭代-增量式的開發過程, 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]等人發現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 語

采用數值模擬的方法，來模擬灌溉帶等封閉流道內的液體、固體的流動情況，從而使得整個灌溉系統變得可視化，更加直觀、方便的分析滴頭內流道的幾何結構、各尺寸參數對滴頭堵塞性能的影響，為解決灌溉系統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果。

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

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