回流滴灌系統泥沙輸移及抗堵塞性能研究

路澤星，盧金鎖，2，于 健，史吉剛

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院， 陜西 西安 710055；2.西北水資源與環境生態教育部重點實驗室， 陜西 西安 710055；3.內蒙古自治區水利科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010020)

回流滴灌系統泥沙輸移及抗堵塞性能研究

路澤星1，盧金鎖1，2，于 健3，史吉剛3

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院， 陜西 西安 710055；2.西北水資源與環境生態教育部重點實驗室， 陜西 西安 710055；3.內蒙古自治區水利科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010020)

為探究在傳統支狀滴灌系統末端設置回流管后滴灌系統毛管主流流速增加后回流滴灌系統的輸沙排沙潛力及其抗堵塞性能，通過周期滴灌實驗分析回流滴灌系統的灌水均勻系數以及滴頭堵塞情況，并對毛管內沉積泥沙分布特點和系統各部分輸沙排沙所占比重進行分析。實驗結果表明：0.035 m·s-1回流、0.05 m·s-1回流滴灌系統的灌水均勻系數、滴頭堵塞數量均明顯優于支狀滴灌系統。回流流速為0.05、0.035、0.015 m·s-1三種回流系統中毛管沉泥量依次增加，但均低于支狀滴灌系統的毛管泥沙沉積數量，同時四種回流滴灌系統均表現為沿水流方向毛管內沉泥量逐漸增加。支狀滴灌系統、0.015 m·s-1回流、0.035 m·s-1回流、0.05 m·s-1回流系統回流排沙量分別為0、1.59、4.30、7.52 kg，表明回流管具有良好的輸沙排沙能力。

泥沙輸移；滴頭堵塞；回流管；回流流速；灌水周期

滴灌是一種新型灌溉方式，具有節水、高效等諸多優點，適合在干旱缺水地區推廣。但由于滴灌系統對水質要求較高[1]，而在我國西北內陸黃河灌區黃河水含沙量普遍較高，處理達到滴灌水質標準成本較高，否則極易造成滴頭堵塞，從而嚴重制約滴灌系統的大面積推廣[2-3]。

針對黃河水泥沙量大和處理成本較高的問題，有學者研究采用水力旋流器、沉淀池和過濾器等方法對黃河水進行處理[4-5]；還有研究人員通過對滴頭流道水力特性的CFD模擬和實驗研究，探究滴頭內部的水沙運動特性，并據此對滴頭流道結構進行優化，提高了滴頭的輸沙抗堵塞性能[6-11]；還有學者提出在系統運行時通過水力沖洗對滴灌系統進行清洗排沙，從而降低滴灌系統堵塞的幾率和對水質處理的要求[12-14]。

目前，研究人員主要從水質凈化、滴頭流道結構優化、滴灌運行方式等三個方面為切入點研究使用黃河水作為水源的滴灌系統的堵塞問題。但是很少有研究人員對滴灌毛管的輸沙排沙能力進行研究，并且針對國內滴灌帶“一年一換”有別于國外滴灌毛管3至5年的使用周期的特點，現有的水質凈化方法的效費比較低，因此有必要針對滴灌毛管內的泥沙輸移規律進行研究。

基于前述對支狀滴灌系統研究存在的問題，作者提出在支狀滴灌系統末端設置回流管形成回流滴灌系統，從而探究回流滴灌系統的抗堵塞特性和泥沙顆粒輸移特性。在前述研究中作者已通過CFD模擬和實驗室小試實驗驗證了回流滴灌系統具有優于支狀滴灌系統的抗堵塞性能和輸沙排沙性能，但考慮到在大田滴灌過程中回流滴灌系統可能帶來的成本增加和系統實際的輸沙性能與實驗室小試實驗存在差異，因此本文通過中試滴灌實驗探究大尺度回流滴灌系統在布水均勻性、抗堵塞、輸沙排沙性能方面的應用潛能。

1 材料及方法

1.1 實驗材料與裝置

本實驗在內蒙古自治區巴彥淖爾市臨河區實驗基地進行，實驗裝置由首端儲水池、浮動式篩網過濾器、變頻調速泵和滴灌測試平臺組成。實驗基地毗鄰黃河總干渠，總干渠黃河水經潛水泵抽吸進入測試系統首端3 m×3 m×3.5 m的儲水池，儲水池中的原水通過首端300目浮動式篩網過濾器過濾后經變頻泵加壓后輸送至滴灌測試平臺。

滴灌實驗采用額定流量為1.6 L·h-1的內鑲貼片式滴灌帶，滴灌帶直徑為16 mm，滴頭流道寬度為0.75 mm，流道深度0.75 mm，齒間距為1.74 mm，齒高度為1.0 mm，流道長度為29.4 mm。實驗原水經首端篩網式過濾器處理后含沙量約為1.5 kg·m-3，經LS230激光粒度分析儀測試原水水樣顆粒粒徑的分布如下：0

圖1 中試實驗裝置系統圖

Fig.1 Experimental layout of medium drip irrigation system

1.儲水池 Storage tank； 2.浮動式篩網過濾器 Floating mesh filter； 3.吸水管 Inlet pipe； 4.水泵 Pump； 5.輸水干管 Trunk pipe； 6.閥門 Valve； 7.壓力表 Pressure gauge； 8.滴灌帶 Lateral pipe； 9.水表 Flow meter； 10.匯水回流管 Return pipe; 11.支狀滴灌系統 Branch drip irrigation system; 12. 0.05 m·s-1回流滴灌系統 0.05 m·s-1return flow drip irrigation system; 13. 0.035 m·s-1回流滴灌系統 0.035 m·s-1return flow drip irrigation system； 14. 0.015 m·s-1回流系統 0.015 m·s-1return flow drip irrigation system

1.2 實驗方法

在實驗過程中通過調節系統首端和末端閥門的開啟程度控制三種回流系統末端毛管處流速分別為0.015、0.035、0.05 m·s-1，同時控制系統末端壓力表讀數為1.0×105Pa。實驗裝置每天8∶00—16∶00運行一個灌水周期，共進行20個灌水周期實驗。在系統滴灌帶的首端、10、25、40、50 m分別設置五個取樣點，在每個灌水周期開始運行30 min后，通過位于取樣點滴頭下方的集水器收集滴頭出水水樣10 min，計算滴頭流量同時測試取樣點處滴頭出水水樣泥沙含量。并統計系統中各滴頭堵塞位置及堵塞程度情況，同時對三種回流滴灌系統回流出水水樣進行取樣，測試其泥沙含量。實驗結束后將滴灌系統毛管每5 m分割成一個取樣測試管段，將毛管內沉積泥沙烘干、稱重測試其泥沙沉積量。

1.3 評價指標與方法

2 結果與分析

2.1 系統灌水均勻度及滴頭堵塞分析

圖2所示為滴灌系統的克里斯琴森均勻系數隨灌水周期的變化規律，圖3則為滴灌系統20個運行周期結束后四種不同滴灌系統各位置處堵塞滴頭數量統計。如圖2所示，0.05m·s-1回流滴灌系統的均勻系數在整個灌水周期內始終維持在0.98左右，這表明該滴灌系統的滴頭布水均勻性較好，系統內多數滴頭沒有發生嚴重的堵塞，表現出較好的水力特性。而0.035m·s-1回流滴灌系統的均勻系數自第16個灌水周期開始逐漸降低，至第20個灌水周期結束時減少為0.94，說明系統自第16個灌水周期開始堵塞滴頭數量逐漸增多，系統滴頭的布水均勻性逐漸變差但始終保持在80%的均勻性要求以上。支狀滴灌系統及0.015m·s-1回流滴灌系統的均勻系數分別自第13和15個灌水周期開始減小，隨灌水周期的繼續上述兩滴灌系統的灌水均勻系數均出現較大幅度的降低，至灌水周期結束時，支狀滴灌系統和0.015m·s-1回流滴灌系統均勻系數分別降低至64%、73%，表明兩滴灌系統滴頭發生嚴重堵塞使得均勻系數低于80%的設計要求。與此同時，通過對圖3中堵塞滴頭位置的統計發現，灌水周期結束時各滴灌系統均有發生完全堵塞的滴頭，其中支狀滴灌系統滴頭堵塞數量最多共28個，0.015m·s-1回流滴灌系統次之為21個但均明顯高于0.035m·s-1回流與0.05m·s-1回流滴灌系統的4個和3個。此外，通過對毛管各位置堵塞滴頭的分析發現，上述滴頭的完全堵塞主要發生在末端15m的滴灌帶，這與毛管內各位置處沉泥數量呈正相關。

圖2 均勻系數隨灌水周期變化

Fig.2Variationregularityofuniformcoefficientwithirrigationperiod

圖3 堵塞滴頭統計

Fig.3Thenumberandlocationofcloggedemitter

通過對上述實驗結論的分析發現，支狀滴灌系統在運行周期內堵塞程度最為嚴重，灌水均勻系數降低明顯，系統的抗堵塞性能較差，而0.015m·s-1回流滴灌系統的抗堵塞性能雖有提高但提升幅度有限。0.035m·s-1回流與0.05m·s-1回流滴灌系統在灌水周期內始終表現出良好的灌水均勻性以及抗堵塞性能，這表明兩種回流滴灌系統相較于傳統支狀滴灌系統具有明顯的優越性。

2.2 滴灌毛管沉泥分布規律

圖4所示為滴灌系統灌水周期結束后將滴灌帶以5m為取樣間隔進行分割，對毛管內沉積泥沙進行取樣烘干稱重，得到四種滴灌系統毛管沉積泥沙的分布情況。如圖4所示，在毛管沿程0～30m取樣區間內表現為支狀系統毛管沉積泥沙數量最多，而0.015m·s-1回流系統中毛管沉泥數量低于支狀系統但高于0.035m·s-1回流滴灌系統的毛管沉泥數量，0.05m·s-1回流系統中毛管內沉積泥沙數量最高；而在毛管沿程30～50m取樣區間內多表現為支狀系統毛管沉積泥沙量大于回流滴灌系統，并且回流滴灌系統毛管內泥沙沉積數量隨回流流速的提高沉泥數量逐漸減少。通過對0.05m·s-1回流滴灌系統沿程各取樣區間內毛管沉泥數量的分析發現在毛管前后端呈現相異的分布特點，在毛管前段0～30m的范圍內各取樣區間內毛管沉泥數量高于支狀、0.015m·s-1回流、0.035m·s-1回流系統，但在毛管末段35～50m的范圍內沉泥數量卻低于其余三種滴灌系統。通過對上述四種滴灌系統沿程各位置處沉泥數量累積發現支狀、0.015m·s-1回流、0.035m·s-1回流、0.05m·s-1回流滴灌系統的毛管沉泥總量分別為2 579g、2 209g、1 678g、1 592g。通過對上述四種系統內毛管沉泥總量的分析發現，回流滴灌系統內毛管沉泥數量小于支狀滴灌系統，毛管回流流流為0～0.035m·s-1時系統中毛管沉泥數量隨回流流速的提高明顯減少，但當回流流速增加為0.035m·s-1時流速繼續提高對毛管沉泥總量的變化影響不大。通過對四種滴灌系統毛管內沉泥分析還可以發現，毛管內首端沉泥數量較少，沿毛管水流方向毛管內沉泥數量逐漸增多，至毛管末端時沉泥數量最多，Duran-RosM[16]等人的研究也得出支狀毛管末端沉泥數量最多的結論。從圖中還發現，0.05m·s-1回流滴灌系統毛管沿程泥沙分布相對更為均勻，而支狀滴灌系統沿程各取樣區間內泥沙分布差異表現的更為明顯，上述泥沙分布規律的差異也可能是支狀滴灌系統易堵塞的一個誘因。

圖4 毛管泥沙沉積數量

Fig.4Sedimentdepositionquantityinlateralpipe

之所以發生上述回流滴灌系統毛管沉積泥沙量少于支狀滴灌系統，可能是回流滴灌系統末端設置回流管提高了系統內毛管流速，從而提高了系統毛管的輸沙排沙能力減少了泥沙顆粒在毛管內的沉積，因此使得回流系統內沉積泥沙總量低于支狀系統。

2.3 回流滴灌系統輸沙效能分析

通過系統進水總量和進水泥沙含量計算得到進入系統的泥沙總量，對實驗過程中取樣點滴頭出水含沙量和滴頭出水總量的計算得到滴頭輸沙量，將回流管回水量和回流出水含沙量計算得到回水輸沙量。圖5所示為四種滴灌系統在20個灌水周期內進入系統泥沙總量、滴頭輸沙量、回水排沙量、毛管沉泥量的分布關系圖。

圖5 泥沙總量平衡計算圖

Fig.5Thetotalamountofsedimentbalancecalculationdrawing

通過圖5可以看出，進入0.05m·s-1回流、0.035m·s-1回流、0.015m·s-1回流、支狀滴灌系統中的泥沙總量依次降低，分別為77.81、71.54、68.61、66.92kg，發生上述現象的原因是由于三種回流滴灌系統中設置回流管增加了系統首端的進水流量，含沙量也隨之增加。其中進入0.05m·s-1回流、0.035m·s-1回流、0.015m·s-1回流系統中的泥沙總量相對進入支狀滴灌系統中泥沙總量分別增加15%、7%、2%。通過對圖5中滴頭輸沙總量的分析可以發現，0.05m·s-1回流、0.035m·s-1回流、0.015m·s-1回流、支狀四種滴灌系統滴頭出水輸沙總量依次為67.72、66.18、65.62、63.12kg，上述滴頭出水泥沙總量中回流滴灌系統高于支狀滴灌系統，并且在回流滴灌系統中隨回流流速的增加滴頭出水中的泥沙含量依次增加。上述滴頭出水實現的泥沙輸移分別占各個系統進水泥沙總量的87.03%、92.51%、95.64%、94.32%。實驗過程中對回流管輸水的泥沙總量進行計算發現如下規律，隨回流流速的增加回流管的輸沙能力增加明顯，三種回流滴灌系統回流出水輸沙總量分別為7.52、4.30、1.59kg，而支狀滴灌系統中由于不具有毛管的末端排沙能力因此該數值為0。上述回流管輸沙數量分別占各系統進水泥沙總量的9.66%、6.01%、2.32%、0。同時通過對滴灌毛管中沉積泥沙數量的計算發現，0.05m·s-1回水、0.035m·s-1回水、0.015m·s-1回水、支狀系統中泥沙沉積總量順次增加，分別為1.59、1.68、2.21、2.58kg，泥沙沉積數量差異明顯。計算毛管中沉積泥沙總量占各系統進水泥沙總量的百分比分別為2.04%、2.35%、3.22%、3.86%。

通過對滴灌系統中各方向排沙量的統計發現，在四種滴灌系統中滴頭出水的排沙量所占比重最大，均大于進入系統泥沙總量的85%；回流滴灌系統中毛管回流輸沙總量雖然只占總量的10%以下，但該部分泥沙輸出可能是降低毛管內泥沙沉積量的主要原因；毛管中沉積泥沙量占進入系統泥沙總量比重最高僅為3.86%，但上述泥沙沉積將導致毛管過水斷面的減小，影響毛管內水流的正常流態，極大增加了滴頭堵塞的風險。

3 結 論

本文通過滴灌實驗對支狀及回流滴灌系統回流管出水中含沙量和毛管沉泥數量的分析結合回流滴灌系統相對傳統支狀滴灌系統在布水均勻性及抗堵塞性能方面的差異得出如下實驗結論：

1) 回流滴灌系統克里斯琴森均勻系數高于支狀滴灌系統且滴頭堵塞數量少于支狀系統，表明回流滴灌系統運行過程中具有良好的布水均勻性和抗堵塞能力；

2) 回流滴灌系統毛管沉積泥沙數量低于支狀滴灌系統，并隨流速的提高毛管內沉積泥沙質量逐漸減少，表明回流滴灌系統可以明顯降低滴灌系統內泥沙沉積總量；

3) 回流滴灌系統回流管排沙量隨回流流速的提高逐漸增加，而支狀滴灌系統則不具有毛管排沙能力，表明回流滴灌系統的毛管相較于支狀滴灌系統具有良好的回流排沙性能。

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Sediment transport and anti-clogging properties of irrigation system with return pipe

LU Ze-xing1, LU Jin-suo1,2, YU Jian3, SHI Ji-gang3

(1.CollegeofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China;2.KeyLaboratoryofNothwestWaterResourceandEnvironmentEcology,MinistryofEducation,Xi'an,Shaanxi710055,China;3.InnerMongoliaAutonomousInstituteofWaterResourcesResearch,Hohehot,InnerMongolia010020,China)

In order to explore the transport potentials of sediment and anti-clogging properties in a new-type drip irrigation system, which was altered from traditional irrigation system by adding a return flow pipe, a periodic intermittent drip irrigation experiment was carried out using muddy water to investigate the properties of anti-clogging and uniform coefficient, and to analyze the distribution of sediment in lateral pipes and the sediment discharge in different parts of the drip irrigation system. The results showed that, when the return flow rate was 0.035 m·s-1and 0.050 m·s-1, the uniform coefficient and the amount of clogged emitter in the new-type drip irrigation system were better than those in the branch drip irrigation system. The sediment quantity deposited in lateral pipes with return flow rate of 0.050 m·s-1, 0.035 m·s-1and 0.015 m·s-1in the drip irrigation system increased in turn but was wholly lower than that in the branch drip irrigation system. The sediment quantity deposited in lateral pipes in all the 4 kinds of irrigation system increased gradually along with the flow direction. The total amount of sediment discharged from the branch drip irrigation system, 0.015 m·s-1return flow system, 0.035 m·s-1return flow system and 0.050 m·s-1return flow system was 0, 1.59, 4.30 kg and 7.52 kg, respectively, showing the good capacity of transporting and flushing sediment in the new-type drip irrigation system with return flow pipe.

sand transport; emitter clogging; return flow pipe; return flow rate; irrigation period

1000-7601(2017)02-0182-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.29

2015-12-15基金項目：內蒙古自治區重大水利科技專項(2014-117)

路澤星(1990—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為水處理技術及系統優化。E-mail:luzexing512@126.com

盧金鎖(1977—)，男，甘肅白銀人，教授，博士，主要從事水處理技術及系統優化。E-mail：lujinsuo@163.com。

S275.6

A