水資源短缺是世界各國(guó)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(guó)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(dāng)于兩三個(gè)南水北調(diào)工程。
但縱觀國(guó)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(guó)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)院博士魏青松正著手解決這一問題。
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(duì)江、河、湖泊等有限水資源的污染。對(duì)比常規(guī)水，污水中的氮、鉀等元素可明顯促進(jìn)作物生長(zhǎng)。”魏青松說。
在世界范圍內(nèi)，以色列、美國(guó)等國(guó)對(duì)污水滴灌進(jìn)行了推廣應(yīng)用。特別是以色列，全國(guó)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(guó)的污水灌溉占總灌溉面積的10%左右，主要集中在水資源嚴(yán)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(guó)等滴灌應(yīng)用早、研究深入的國(guó)家，眾多學(xué)者就污水滴灌中的灌水器堵塞問題進(jìn)行了多方面的研究，但目前仍沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有學(xué)者認(rèn)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(dǎo)致灌水器發(fā)生堵塞；也有研究者認(rèn)為，污水中的鈣、鎂等元素容易導(dǎo)致微生物和藻類的生長(zhǎng)，這是灌水器發(fā)生嚴(yán)重堵塞的主要原因。
污水滴灌技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)基本上屬于空白，目前只有少數(shù)理論方面的研究見諸報(bào)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(shè)計(jì)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(fù)雜、堵塞程度更為嚴(yán)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?xì)怏w與鈣離子、鎂離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶的碳酸鈣和碳酸鎂，導(dǎo)致灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞，藻類和微生物會(huì)導(dǎo)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(fù)雜且形態(tài)各異，如何建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型來描述這些堵塞介質(zhì)在灌水器中的復(fù)雜水力行為存在較大難度。”魏青松說，“因此，針對(duì)某些特定條件下的試驗(yàn)研究，其成果對(duì)于解決污水滴灌中灌水器堵塞的普遍性指導(dǎo)意義是有限的。”
將CFD方法應(yīng)用于滴灌器內(nèi)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(nèi)的水力特性，但大多灌水器流道截面微小、形狀復(fù)雜，且呈封閉結(jié)構(gòu)，研究者采用粒子圖像測(cè)速（PIV）、聲學(xué)多普勒測(cè)速（ADV）以及激光多普勒測(cè)速（LDV）等可視化試驗(yàn)方法很難準(zhǔn)確而及時(shí)地觀測(cè)其流場(chǎng)形貌。
為弄清污水滴灌灌水器微小彎曲通道內(nèi)多相流場(chǎng)水力特征，該題組曾對(duì)多種形狀的齒形迷宮流道進(jìn)行了流動(dòng)模擬，認(rèn)為流場(chǎng)中的水流漩渦有益于挾帶固相懸浮物，水流對(duì)流道壁面的沖刷作用將增強(qiáng)灌水器的抗堵塞性能。
2007 年，在國(guó)家自然科學(xué)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(chǎng)為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的方法可視化灌水器的微小內(nèi)流場(chǎng)，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(yùn)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(shí)際情況的灌水器內(nèi)流場(chǎng)多相流數(shù)學(xué)模型，以及實(shí)驗(yàn)室污水滴灌‘長(zhǎng)周期’堵塞試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。它將對(duì)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(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。”魏青松說。
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