水資源短缺是世界各國面臨的重大難題，而污水滴灌是緩解這一問(wèn)題的有效途徑之一。相關(guān)數據表明，如果我國污水灌溉的規模提高到年排放量的50%，則替代的優(yōu)質(zhì)水量將相當于兩三個(gè)南水北調工程。
但縱觀(guān)國內外，污水滴灌的普及程度并不高。原因是多方面的，其中灌水器堵塞問(wèn)題尤為突出。在國家自然科學(xué)基金的支持下，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士魏青松正著(zhù)手解決這一問(wèn)題。
污水滴灌的瓶頸
“利用污水進(jìn)行灌溉，可充分利用土壤的降解能力，減小污水對江、河、湖泊等有限水資源的污染。對比常規水，污水中的氮、鉀等元素可明顯促進(jìn)作物生長(cháng)。”魏青松說(shuō)。
在世界范圍內，以色列、美國等國對污水滴灌進(jìn)行了推廣應用。特別是以色列，全國80%的污水經(jīng)過(guò)凈化后用于農業(yè)和城市園林滴灌。我國的污水灌溉占總灌溉面積的10%左右，主要集中在水資源嚴重缺乏的黃、淮、海、遼四大流域，大多采用原始的漫灌和澆灌方式，不符合現代節水農業(yè)的發(fā)展方向。
在以色列、美國等滴灌應用早、研究深入的國家，眾多學(xué)者就污水滴灌中的灌水器堵塞問(wèn)題進(jìn)行了多方面的研究，但目前仍沒(méi)有統一的認識。有學(xué)者認為，沉積物的聚集源自不規則形狀黏土的沉淀，加上后續懸浮固體物的不斷黏附，最終導致灌水器發(fā)生堵塞；也有研究者認為，污水中的鈣、鎂等元素容易導致微生物和藻類(lèi)的生長(cháng)，這是灌水器發(fā)生嚴重堵塞的主要原因。
污水滴灌技術(shù)的應用在我國基本上屬于空白，目前只有少數理論方面的研究見(jiàn)諸報道。相關(guān)學(xué)者也探討了利用污水滴灌城市綠化帶和林木時(shí)的處理工藝與設計方法，但均沒(méi)有涉及具體的堵塞問(wèn)題。
與常規水滴灌相比，污水滴灌面臨的灌水器堵塞問(wèn)題更為復雜、堵塞程度更為嚴重。砂粒和各種懸浮雜質(zhì)會(huì )引起灌水器發(fā)生物理堵塞，二氧化碳氣體與鈣離子、鎂離子發(fā)生化學(xué)反應生成難溶的碳酸鈣和碳酸鎂，導致灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞，藻類(lèi)和微生物會(huì )導致灌水器發(fā)生生物堵塞。
“總之，污水滴灌中堵塞介質(zhì)種類(lèi)繁多、成分復雜且形態(tài)各異，如何建立科學(xué)合理的數學(xué)模型來(lái)描述這些堵塞介質(zhì)在灌水器中的復雜水力行為存在較大難度。”魏青松說(shuō)，“因此，針對某些特定條件下的試驗研究，其成果對于解決污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指導意義是有限的。”
將CFD方法應用于滴灌器內流場(chǎng)模擬
灌水器是否發(fā)生堵塞直接取決于堵塞介質(zhì)在流道內的水力特性，但大多灌水器流道截面微小、形狀復雜，且呈封閉結構，研究者采用粒子圖像測速（PIV）、聲學(xué)多普勒測速（ADV）以及激光多普勒測速（LDV）等可視化試驗方法很難準確而及時(shí)地觀(guān)測其流場(chǎng)形貌。
為弄清污水滴灌灌水器微小彎曲通道內多相流場(chǎng)水力特征，該題組曾對多種形狀的齒形迷宮流道進(jìn)行了流動(dòng)模擬，認為流場(chǎng)中的水流漩渦有益于挾帶固相懸浮物，水流對流道壁面的沖刷作用將增強灌水器的抗堵塞性能。
2007 年，在國家自然科學(xué)基金的資助下，課題組開(kāi)始以污水滴灌中液—固—氣多相耦合流場(chǎng)為研究對象，采用計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法可視化灌水器的微小內流場(chǎng)，用數值模擬手段夾研究堵塞介質(zhì)在灌水器流道內的運移規律和沉積特性，揭示灌水器堵塞與滴灌工藝、堵塞介質(zhì)物理屬性以及流道結構等多因素之間的定量關(guān)系，并發(fā)表了多篇論文。
“該課題所要解決的主要問(wèn)題是，建立適合污水滴灌實(shí)際情況的灌水器內流場(chǎng)多相流數學(xué)模型，以及實(shí)驗室污水滴灌‘長(cháng)周期’堵塞試驗的設計與實(shí)施。它將對控制污水滴灌中的灌水器堵塞問(wèn)題，以及研制出適合污水滴灌用的新型抗堵塞灌水器奠定技術(shù)基礎，具有重要的理論意義和應用價(jià)值。”魏青松說(shuō)。
京公網(wǎng)安備 11010802021286號