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題的有效途徑之一。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，如果我國污水灌溉的規(guī)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南水北調(diào)工程。
但縱觀國內(nèi)外，污水滴灌的普及程度并不高。原因是多方面的，其中灌水器堵塞問題尤為突出。在國家自然科學基金的支持下，華中科技大學材料科學與工程學院博士魏青松正著手解決這一問題。
污水滴灌的瓶頸
“利用污水進行灌溉，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(guī)水，污水中的氮、鉀等元素可明顯促進作物生長。”魏青松說。
在世界范圍內(nèi)，以色列、美國等國對污水滴灌進行了推廣應用。特別是以色列，全國80%的污水經(jīng)過凈化后用于農(nóng)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(xiàn)代節(jié)水農(nóng)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，眾多學者就污水滴灌中的灌水器堵塞問題進行了多方面的研究，但目前仍沒有統(tǒng)一的認識。有學者認為，沉積物的聚集源自不規(guī)則形狀黏土的沉淀，加上后續(xù)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的生長，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(shù)理論方面的研究見諸報道。相關(guān)學者也探討了利用污水滴灌城市綠化帶和林木時的處理工藝與設計方法，但均沒有涉及具體的堵塞問題。
與常規(guī)水滴灌相比，污水滴灌面臨的灌水器堵塞問題更為復雜、堵塞程度更為嚴重。砂粒和各種懸浮雜質(zhì)會引起灌水器發(fā)生物理堵塞，二氧化碳氣體與鈣離子、鎂離子發(fā)生化學反應生成難溶的碳酸鈣和碳酸鎂，導致灌水器發(fā)生化學堵塞，藻類和微生物會導致灌水器發(fā)生生物堵塞。
“總之，污水滴灌中堵塞介質(zhì)種類繁多、成分復雜且形態(tài)各異，如何建立科學合理的數(shù)學模型來描述這些堵塞介質(zhì)在灌水器中的復雜水力行為存在較大難度。”魏青松說，“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(nèi)流場模擬
灌水器是否發(fā)生堵塞直接取決于堵塞介質(zhì)在流道內(nèi)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(jié)構(gòu)，研究者采用粒子圖像測速（PIV）、聲學多普勒測速（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地觀測其流場形貌。
為弄清污水滴灌灌水器微小彎曲通道內(nèi)多相流場水力特征，該題組曾對多種形狀的齒形迷宮流道進行了流動模擬，認為流場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，在國家自然科學基金的資助下，課題組開始以污水滴灌中液—固—氣多相耦合流場為研究對象，采用計算流體動力學（CFD）的方法可視化灌水器的微小內(nèi)流場，用數(shù)值模擬手段夾研究堵塞介質(zhì)在灌水器流道內(nèi)的運移規(guī)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(jié)構(gòu)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題是，建立適合污水滴灌實際情況的灌水器內(nèi)流場多相流數(shù)學模型，以及實驗室污水滴灌‘長周期’堵塞試驗的設計與實施。它將對控制污水滴灌中的灌水器堵塞問題，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值。”魏青松說。
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