水肥耦合作用下灌水器堵塞物质生长模型及磁化控堵机制研究

Fertigation has become one of the most important methods for addressing the current water shortage and ensuring the food safety. However, as the fertilizer added to irrigation water, the emitter is easy to chemical-clogging. It severely restricts the development of large scale fertigation projects. In this project, inorder to find out the dynamic growth process of emitter clogging substances under fertigation system, we will analyze the influences of fertigation on the emitter chemical-clogging behaviors. The electrochemical, Field Scanning Electron Microscope (FESM) andComputed Tomography (CT) will be combined to explore the 3Dshape, spatial distribution and chemical constituents of clogging substances attached in the emitters. Considering water quality, fertilizer types, geometric parameters of flow path and hydrodynamic parameters, a kinetics growth model of clogging substances will be constructed. And a magnetized regulation method will be established for controlling the clogging substances formation and growth.

水肥一体化技术对提高农业水肥利用效率具有重要意义，但随着滴灌施肥的同步进行，易于发生阴阳离子、物质颗粒等重新组合和沉淀，增加了灌水器堵塞的风险性与复杂性。堵塞物质富集是造成灌水器堵塞的根本原因，探明其生长过程是揭示堵塞诱发机理、有效建立堵塞控制方法的关键科学问题。基于此，以摸清水肥一体化系统灌水器堵塞生长过程为目的，通过智能滴灌施肥系统研究水肥耦合作用对灌水器堵塞发生规律的影响机制；综合应用现代精细分析技术揭示灌水器内部堵塞物质三维形貌、空间分布与组分特性，基于数值仿真技术研究灌水器水动力学特征对堵塞物质生长-剥蚀行为的影响，建立灌水器内部堵塞物质生长动力学模型；在此基础上引入工业磁化除垢技术，以控制堵塞物质形成与生长为核心，探索磁化技术在水肥一体化系统中堵塞调控机理，旨在为系统解决水肥一体化系统灌水器堵塞问题提供理论依据。

滴灌水肥一体化技术是当今世界公认的一项高效节约灌溉水和肥料资源的新技术，灌水器堵塞问题是限制该技术应用和推广的主要障碍因素之一。在当前水资源越发紧缺，肥料施用不当的背景下，开展水肥耦合交互作用下灌水器堵塞规律与磁化抗堵机制的研究，为水肥一体化技术的完善与保障提供理论基础。本项目以解决水肥一体化系统中存在的灌水器堵塞问题为核心，采用滴灌系统智能化测试试验、室内电化学精细分析与数值仿真模拟相结合的研究手段进行深入探索。研究明确了不同水肥耦合作用下灌水器水力性能特征及堵塞发生的规律；基于CFD方法开展了不同流道参数的灌水器内部流场可视化分析，并构建了基于CatBoost的灌水器水力参数预测模型；摸清了磁化处理下缓解灌水器堵塞发生的效果，明确了磁化技术减少灌水器堵塞污垢形成的机制。在此基础上构建了一种控堵型灌溉施肥装置，形成了设施水肥一体化系统加磁提升模式，在北京多地区进行示范。本项目完成考核指标要求，发表SCI论文3篇，在投SCI论文1篇，申请国家发明专利1项，授权实用新型专利1项。研究成果可为解决水肥一体化系统灌水器堵塞问题提供理论基础和技术支撑。