报告正文
（一）立项依据与研究内容（4000~8000）
1.1项目的立项依据
水资源短缺是世界各国面临的重大难题，而污水滴灌是缓解这一问题的有效途径[1,2]。在我国，应用污水灌溉已有近千年的历史，在欧洲也有将近一个世纪[3]。这种古老方法的现实意义在于：（1）可从灌溉用水中置换出等量优质水，如果污水灌溉的规模提高到年排放量的50%，则置换出的优质水量将相当于2～3个南水北调工程；（2）利用污水进行灌溉，可充分利用土壤的降解能力减小对江、河、湖泊等有限水资源的污染；（3）对比常规水，污水中的氮、钾等元素可明显促进作物生长。
世界范围内，以列、美国等国对污水滴灌进行了推广应用。特别是以列，全国80%的污水经过净化后用于农业和城市园林滴灌，预计到2010年全国将有1/3以上的农业灌溉使用污水[5]。据报道，我国的污水灌溉占总灌溉面积的10%左右，主要集中在水资源严重缺乏的黄、淮、海和辽四大流域，大多采用原始的漫灌和浇灌方式，不符合现代节水农业的发展方向。纵观国内外，污水滴灌的普及程度不高，究其原因是多方面的，其中灌水器堵塞问题尤为突出。
在以列、美国等滴灌应用早、研究深入的国家，有众多学者就污水滴灌中的灌水器堵塞问题进行了针对性的研究。Adin等（1990）利用三种灌水器进行污水滴灌试验，提出了一种“逐步堵塞”的假设，认为沉积物的聚集源自不规则形状粘土的沉淀，加上后续悬浮固体物的不断黏附，最终导致灌水器发生堵塞[6]。Taylor等（1995）对长达两个生长季节的田间污水滴灌进行了系统研究，发现砂粒在流道内部的沉积和滞留是引起灌水器堵塞的主要原因，指出灌水器的流道结构和形式成为决定其堵塞程度的最重要因素[7]。Shatanawi等人（1996）通过试验研究，发现污水中的钙、镁等元素容易导致灌水器发生严重堵塞，过多的微生物则加速了藻类的生长[8]。Schischa等人（1997）通过试验研究如何最大限度地控制污水滴灌中的灌水器堵塞问题[9]。Trooien等人（2000）利用5种滴灌带进行污水滴灌试验，结果表明小流量的滴灌带更容易发生堵塞[10]。Capra等（2004）利用五种未经深度处理的城市污水分别对四种类型灌水器进行滴灌试验，结果发现悬浮固体物和有机物的含量是决定灌水器堵塞程度的最大因素[11]。Puig-Barguses等（2005）研究了二级处理、二级处理加过滤以及三级处理三种条件下的污水滴灌试验，结果发现二级处理污水时灌水器存在一定程度的堵塞，二级处理加过滤时灌水器堵塞最严重，三级处理污水时灌水器堵塞最轻[12]。Cararo等（2006）通过对15种灌水器的污水滴灌实验，发现采用氯化法比压缩空气法更能有效地减轻灌水器的堵塞程度，而流道结构也是决定堵塞的一个重要因素[13]。污水滴灌在我国的应用基本属于空白，但也有少数研究
报道。如甘肃工业大学的王瑛等（2002）[14]和兰州铁道学院的洪雷等（2002）[15]分别探讨了利用污水滴灌城市绿化带和林木时的处理工艺与设计方法，但均没有涉及到具体的堵塞研究。上述国内外有关污水滴灌的研究均采用试验手段，其成果有益于污水滴灌技术的推广应用。然而，滴灌应用的场合千差万别，污水成分不尽相同，使用的灌水器存在差异。因此，上述针对某些特定条件下的试验研究，其成果对于解决污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指导意义是有限的。
灌水器是否发生堵塞直接取决于堵塞介质在流道内的水力特性，但大多灌水器流道截面微小、形状复杂，且呈封闭结构，采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）[16]、声学多普勒测速（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）[17]以及激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）[18]等可视化试验方法很难准确而及时地观测其流场形貌。于是，本世纪以来，以我国学者为主的一批学者开始尝试应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的方法可视化灌水器的微小内流场。王尚锦等（2000）利用流动模拟软件FLUENT分析了圆弧迷宫式灌水器流道内的流场特征，认为灌水器的抗堵塞性能主要依赖于流场中的漩涡运动[19,20]。中国农业大学的李永欣等（2005）[22]和李云开（2005）[23,24]分别利用FLUENT软件对多种形式灌水器的迷宫流道进行了可视化模拟研究，指出流场的微观水力结构有益于理解和分析灌水器的堵塞性能。西安交通大学的孟桂祥等（2004）[25]和魏正英等（2005）[26]先后利用FLUENT软件对多种类型灌水器进行了模拟研究，认为流场中的流动滞止区是引起灌水器堵塞的主要因素，并提出了迷宫流道的主航道抗堵设计方法。本课题组（2004；2006）
分别利用ANSYS和FLUENT两套软件，对多种形状的齿形迷宫流道进行了流动模拟，认为流场中的水流漩涡有益于挟带固相悬浮物，水流对流道壁面的冲刷作用将增强灌水器的抗堵塞性能[27,28]。国外，只有Palau-Salvador等（2004）在层流模型基础上，利用FLUENT 软件模拟了内镶式迷宫灌水器的压力与流量特性关系，并进行了试验验证[21]。所有这些CFD模拟研究均得到了灌水器内流场的微观水力结构，为预测灌水器的堵塞提供了可视化依据。但是，这些研究只是针对单相水流场，忽略了堵塞介质的存在，这使得模拟结果很难准确地描述灌水器的堵塞规律、堵塞所处位置以及堵塞率与滴灌工艺、堵塞介质物理属性以及流道结构之间的定量关系，其预测结论存在一定误差。本课题组于2006年初开始尝试应用固-液两相流模拟可视化灌水器内流场，并在中国农业大学进行了实验室“短周期”堵塞试验，部分内容已形成3篇学术论文（1篇中文已被华中科技大学学报接收发表，2篇英文正在审阅中，详见后文的申请人简介部分）。除此之外，国内外均无灌水器内流场两相或多相流数值模拟的公开研究报道，更没有专门针对污水滴灌的模拟研究。
为此，本课题拟以污水滴灌中液-固-气多相耦合流场为研究对象，采用CFD数值模拟和实验室“长周期”堵塞试验两种手段，研究堵塞介质在灌水器流道内的运移规律和沉积特性，揭示灌水器堵塞与滴灌工艺、堵塞介质物理属性以及流道结构等多因素之间的定量关系。然而，与常规水滴灌
相比，污水滴灌面临的灌水器堵塞问题更为复杂、堵塞程度更为严重。砂粒和各种悬浮杂质会引起灌水器发生物理堵塞，二氧化碳气体与钙离子、镁离子发生化学反应生成难溶的碳酸钙和碳酸镁，导致灌水器发生化学堵塞，藻类和微生物会导致灌水器发生生物堵塞。总之，污水滴灌中堵塞介质种类繁多、成分复杂且形态各异，如何建立科学合理的数学模型来描述这些堵塞介质在灌水器微小流场中的复杂水力行为存在较大难度。为了实现这一目的，本项目拟围绕如下关键科学问题进行深入和系统研究：污水滴灌灌水器微小弯曲通道内多相流场水力特征；污水滴灌灌水器微小弯曲通道内多相流场计算流体动力学建模与求解；污水滴灌灌水器堵塞的定量表达及预测模型。本项目的成功实施将为有效控制污水滴灌中的灌水器堵塞问题以及研制出适合污水滴灌用的新型抗堵塞灌水器奠定技术基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。
参考文献
[1]白振光王成伟李冠伦.2006.我国水污染状况及控制对策. 舰船防化，增刊: 15-17.
[2]曲格平. 2002.关注生态安全之二：影响中国生态安全的若干问题.环境保护, (7): 3-6.
[3]李丽华, 王钊. 2003. 国外废水灌溉概述.节水灌溉, (5): 30-31.
[4]齐学斌, 钱炬炬, 樊向阳等.2006.污水灌溉国内外研究现状与进展.中国农村水利水电, (1): 13-15.
[5]申茂向, 刘健, 韩鲁佳等.2000.以列，能给中国农业带来什么?. 农业科技管理, (01): 20-53.
[6]Adin, A., Sacks M.1991.Dripper-clogging factors in wastewater irrigation. Jour. of. Irrig. And Drain.
Eng, 117(6): 813-826.
[7]Taylor H.D., Bastos R.K.X., Pearson H.W. et al.1995.Drip irrigation with waste stabilization pond
effluent: solving the problem of emitter fouling. Water Science and Technology, 31(12): 417-424. [8]Shatanawi M, Fayyad M.1996.Effect of Khirbet As-Samra treated effluent on the quality of irrigation
water in the Central Jordan Valley. Water Research, 30(12): 2915-2920.
[9]Schischa A, Ravina I, Sagi G., et al.1997.Drip irrigation with reclaimed effluent - the clogging problem.
International Water & Irrigation Review, 17(3): 8-12.
[10]Trooien T.P, Lamm F.R, Stone L.R, et al.2000.Subsurface drip irrigation using livestock wastewater:
Dripline flow rates. Applied Engineering in Agriculture, 16(5): 505-508.
[11]Capra A., Scicolone B.2004.Emitter and filter tests for wastewater reuse by drip irrigation. Agricultural
Water Management, 68(2): 135-149.
[12]Puig-Bargues J., Barragan J., de Cartagena FR.2005.Filtration of effluents for microirrigation systems.
Transaction of the ASAE, 48(3): 969-978.
[13]Cararo D.C., Botrel T.A., Hills D.J., et al.2006.Analysis of clogging in drip emitters during wastewater
irrigation. Applied Engineering in Agriculture, 22(2): 251-257.
[14]王瑛, 赵霞, 范宗良等.2002.城市绿化带污水微灌技术应用研究. 甘肃环境研究与检测，15(2):
122-124.
[15]洪雷，王三反.2002.生活污水气浮处理及滴灌试验研究. 兰州铁道学院学报（自然科学版），21(4):
79-82.
[16]王吴利, 王元.2005.Micro-PIV技术一粒子图像测速技术的新进展. 力学进展, 35(1): 77-90.
[17]Yang ZH, Huai WX, Dai HC.2005.Experimental investigation into hot water slot jets with negatively
buoyancy in cross flow. Journal of Hydrodynamics, 17(4): 412-417.
[18]董郑庆, 陆林章, 周伟新等.2006.导管螺旋桨内流场的LDV测量. 船舶力学, 10(5): 24-31.
[19]王尚锦, 刘小民, 席光等.2000.农灌用新型迷宫式滴头内流动特性分析. 农业工程学报, 16(4):
61-63.
[20]王尚锦, 刘小民, 席光等.2000.迷宫式滴头内流动的有限元数值分析. 农业机械学报, 31(4): 43-44.
项目立项申请书
[21]Palau-Salvador G., Arviza-Valverde J., Bralts V.F.2004.Hydraulic flow behaviour through an in-line
emitter labyrinth using CFD techniques. ASAE, ASAE Paper NO. 042252. St. Joseph, MI.
[22]李永欣, 李光永, 邱象玉等.2005.迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟. 农业工程学报, 21(3):
12-16.
[23]李云开.2005.滴头分形流道设计及其流动特性的试验研究与数值模拟. 博士论文, 中国农业大学.
[24]李云开, 杨培岭, 任树梅等.2005.圆柱型灌水器迷宫式流道内部流体流动分析与数值模拟. 水动力
研究与进展A辑, 20(6): 736-743.
[25]孟桂祥, 张鸣远, 赵万华等.2005.滴灌滴头内流场的数值模拟及流道优化设计. 西安交通大学学报,
38(9): 920-924.
[26]魏正英, 赵万华, 唐一平等.2005.滴灌灌水器迷宫流道主航道抗堵设计方法研究. 农业工程学报,
21(6): 1-7.
[27]魏青松, 史玉升, 董文楚等.2004.新型灌水器快速自主开发数字试验研究. 节水灌溉, 124: 10-14.
[28]Wei QS, Shi YS, Dong WC, et al.2006.Advanced methods to develop drip emitters with new channel
types. Applied Engineering in Agriculture, 22(2): 243-249.
1.2、研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题
1.2.1研究内容
（1）污水滴灌灌水器内多相介质复杂耦合流场水力特性。
为了揭示污水条件下灌水器的堵塞原因，必须先弄清各类堵塞介质在灌水器流道内部的微观水力特性，为此拟对如下内容进行详细研究：灌水器微小弯曲通道中水流流态（层流还是湍流）的理论分析与计算；灌水器微小弯曲通道中固体悬浮物的存在形态与运移规律；灌水器微小弯曲通道中气态弥散物（如二氧化碳、甲烷等）的存在形态与分布规律；灌水器微小弯曲通道中液-固-气多相介质相间作用力分析。
（2）污水滴灌灌水器内多相介质复杂耦合流场计算流体动力学建模与求解。
分析污水滴灌中多种堵塞介质的物理属性，研究符合实际情况的材料模型；构建适合污水滴灌条件下灌水器物理、化学堵塞实际情况的固-液和气-液两相流数学模型、适合污水滴灌条件下灌水器混合堵塞情况的液-固-气多相流数学模型，修正系数以及边界和初始条件；利用计算机程序完成上述模型的数值求解。
（3）基于复杂耦合多因素的污水滴灌灌水器堵塞定量表达与预测模型。
采用实验室“长周期”堵塞试验，就如下几个方面进行详细研究：滴灌工作条件（主要包括工作水头、灌水器流量和灌溉方式等）对灌水器堵塞率的影响规律；污水中多种堵塞介质物理属性（主要包括成分、粒径和浓度等）对灌水器堵塞率的影响规律；灌水器流道结构（形状因子、流道截面尺寸、流道长度等）对灌水器堵塞率的影响规律；构建基于工作条件、堵塞介质物理属性和流道结构等因素的灌水器堵塞率定量预测模型。
1.2.2研究目标
●揭示污水滴灌条件下灌水器微小弯曲通道内多种形态堵塞介质的堵塞规律及原因，为污水滴灌中的灌水器堵塞防治和适合污水条件的新型抗堵塞灌水器的研制奠定理论基础；
●结合CFD多相流和实验室“长周期”堵塞试验两种手段，揭示污水滴灌条件下灌水器堵塞率与工作条件、堵塞介质物理属性以及灌水器流道结构之间的定量函数关系，为污水滴灌实际应用中的灌水器堵塞定量表达及预测提供科学判据。
1.2.3拟解决的关键问题
●建立适合污水滴灌实际情况的灌水器内流场多相流数学模型。
灌水器工作时其内流场的边界条件，固相、气相的形状、化学组成和密度构成以及相互之间的影响规律非常复杂，很难完全准确和完整地利用数学公式表达。因此，如何建立既能够准确而真实地反映污水滴灌的实际情况，又适宜于数值求解的多相流（包括固液、气液和液-固-气三种情况）数学模型是本课题的关键问题之一。
●实验室污水滴灌“长周期”堵塞试验的设计与实施。
在本课题中，实验室试验是验证数值模拟的唯一途径。如何使实验室试验最大限度地接近污水滴灌的实际应用情况，这是决定试验是否成功和准确的关键。但是，污水中各种堵塞介质的成分、含量的鉴定以及在试验过程中的调控非常困难，具体的设计与实施是该课题的另一关键问题。1.3拟采取的研究方案及可行性分析
1.3.1研究方案
本研究拟采取的技术路线如图1所示。实验室试验和数值模拟同时进行，由多种形式的灌水器建立联系。依据污水滴灌的实际情况，建立灌水器内流场计算流体动力学数学模型，实验室堵塞试验则尽可能
接近实际情况并修正模拟用数学模型。最后，综合数值模拟和实验室试验，确立基于多相流数值模拟的污水滴灌灌水器堵塞预测方法，详细内容如下：