泥沙濃度與進口壓力對迷宮流道滴頭堵塞的影響

徐路全，李援農，房云杰，銀敏華，黃 鵬，王凱瑜，王星垚

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

滴灌是可根據作物需水規律以較小滴頭流量給作物均勻灌溉的高效節水技術[1]。滴頭作為滴灌系統的精密部件由于流道狹小及灌溉水中雜質的集聚、碰撞容易導致堵塞，影響整個滴灌系統的灌水均勻性[2-6]。Bucks等[7]將滴頭堵塞分為化學堵塞、生物堵塞、物理堵塞3種類型。化學堵塞及生物堵塞能通過一系列方法得到有效處理[8]。但是，在實際灌水過程中，即使是水質良好且有較完備的沉淀過濾措施，仍然有粒徑小于0.10 mm的泥沙顆粒進入滴頭，使滴頭在多次灌水后發生物理堵塞[9]。物理堵塞是困擾滴灌技術推廣應用的一個難題，因此研究者進行了大量研究。王心陽等[10,11]研究認為泥沙粒徑大小影響制紊效應，較小顆粒的制紊效應要優于較大顆粒；進口壓力是影響灌溉均勻度的因素、滴頭堵塞與壓力具有相關性。牛文全等[12]研究認為泥沙粒徑小于0.10 mm時，滴頭堵塞程度隨泥沙含量升高而急劇升高。王建東等[13]，穆乃君等[14]，通過研究壓力對滴頭堵塞的影響得出，壓力是影響滴頭堵塞的重要因素，但是堵塞性能并不完全隨額定工作壓力的增大而提高。曹蒙等[15]通過研究得出流道壁面糙度對顆粒物質的黏附作用，使流道阻力系數增大，同時改變顆粒濃度的分布，使滴頭更容易發生堵塞。王文娥等[16]運用計算流體力學方法對粒徑小于0.10 mm顆粒在流道中的運移情況進行模擬研究指出，粒徑在0.01～0.04 mm范圍內不易引起滴頭堵塞。閆大壯等[17]采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamic，CFD)模擬迷宮流道內懸浮顆粒運動情況，得出粒徑大于0.075 mm的顆粒不能很好地隨水流動，是引起堵塞的主要物質。李治勤等[18]，徐文禮等[19]研究指出，對于介于流道尺寸1/3～1/7的泥沙顆粒，粒徑是造成迷宮流道滴頭堵塞的主要原因。葛令行等[20]利用FLUENT軟件對沙粒在迷宮灌水器中運動與沉積規律進行模擬得出，當粒徑大于0.05 mm時，滴頭堵塞的危險系數急劇增加。馬曉鵬等[21]研究指出，滴頭流道最小斷面尺寸大于等于0.6 mm時，滴頭將獲得較好的抗堵塞性能；滴頭系統在低壓運行時，滴頭堵塞有一定的可逆性，可通過間歇灌溉來預防和減少滴頭堵塞。劉璐等[22]研究指出當粒徑小于0.10 mm時，含沙量對灌水器堵塞的影響非常顯著，在水質單一的條件下，小于0.10 mm細小顆粒的堵塞敏感粒徑為0.031～0.038。

但是以往對滴頭堵塞規律研究多集中于采用計算機數值模擬與短時間灌水的方法，長時間、間歇性灌溉研究較少。對于計算機數值模擬與短時間灌溉得出的規律，需要進一步驗證。

本試驗通過采用不同泥沙濃度、進口工作壓力，進行渾水灌溉試驗，分析易造成滴頭堵塞的泥沙濃度和壓力組合。并通過分析相對流量和堵塞滴頭泥沙級配，得出滴頭易堵塞的泥沙濃度范圍，為滴頭抗堵塞提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗測試裝置由水沙混合設備、壓力變頻設備、滴灌管網組成。試驗水箱為規格為高1 300 mm、底半徑500 mm的圓柱形箱體，上部配固定攪拌機(1 400 r/min)，通過攪拌使水沙混合均勻；揚程為35 m的1WZB-35型自行式清水泵；120目篩網式過濾器；量程為0.6 MPa的壓力表；調頻控制設備控制進口工作壓力，控制精度為0.10 m水頭。量程為1 000及2 000 mL的量筒。試驗收集、測量由量程為2 000 mL的燒杯和量程為1 000及2 000 mL的量筒完成。通過秒表計時測量滴頭30 min流量。試驗布置見圖1。

圖1 試驗布置Fig.1 Test device 1-水沙混合箱；2-變頻箱；3-水泵；4-過濾器；5-滴頭及收集裝置；6-攪拌葉輪；7-滴灌管

滴灌管采用河北龍達滴灌設備有限公司生產的內鑲式滴灌管，其基本參數為管外徑16 mm，額定流量1.6 L/h，滴頭間距50 mm。試驗用土采用渭河灘沙壤土，牛文全等[12]、劉璐等[22]研究表明，泥沙粒徑小于0.10 mm的渾水堵塞程度隨含沙量的增大急劇上升，試驗用土泥沙級配見表1，設定渾水含沙量為1.00、1.25、1.50 g/L，毛管入口工作壓力取0.025和0.075 MPa。試驗處理組合見表2。

表1 泥沙級配表

表2 試驗組合表Tab.2 Experimental treatment

1.2 試驗方法

試驗在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室進行，為模擬實際灌溉情況，采用露天間歇性渾水灌溉，灌水次數根據試驗結果采取24或30次不等。滴灌管鋪設長度50 m，每間隔5 m設置一個流量測量點。試驗采用周期性間歇灌水法，每次試驗灌水時間30 min，間隔30 min，滴頭流量實時采集測量。每次試驗過后沖洗過濾器及干管，保證輸水管網無殘留泥沙，然后進行后續試驗。為深入分析造成滴頭堵塞的泥沙粒徑，完成全部堵塞試驗方案后將堵塞滴頭解剖，在自然狀態下風干后收集堵塞滴頭處泥沙并分析其粒徑組成。

1.3 評價指標與方法

一般以實測流量與清水流量的75%對比判定滴頭是否發生堵塞[23]。但是對于滴灌系統，目前還沒有一個統一的堵塞評判標準和方法，但灌水均勻度是低壓滴管設計的重要參數之一，直接影響到低壓滴灌系統灌水器工作水頭、灌水質量和工程造價[24,25]。因此，本試驗采用克里斯琴森均勻度系數[26]和相對流量相結合的方法評價堵塞情況。當滴頭發生堵塞時，相對流量小于75%，且克里斯琴森均勻度系數及相對流量均應下降，堵塞越嚴重，下降幅度越大。當滴頭完全堵塞時相對流量為0。克里斯琴森均勻度系數計算公式為：

(1)

本次試驗每根滴灌管滴頭數量多達97個，試驗時每間距5 m取一個測量點。采用克里斯琴森均勻度系數并輔以滴頭流量分析滴頭堵塞過程及規律。相對流量qr，即各測量點實時的渾水流量與清水流量的比值，%。

(2)

式中：q0為清水流量。

2 試驗結果與分析

2.1 滴頭堵塞情況分析

為了更加準確分析滴頭堵塞變化規律，將每種處理的3組重復試驗綜合考慮。表3和表4分別為毛管不同進口壓力條件下滴頭堵塞部位分布試驗結果。

表3 0.025 MPa進口壓力下滴頭堵塞部位分布Tab.3 Clogging distribution of emitter under 0.025 MPa inlet pressure

表4 0.075 MPa進口壓力下滴頭堵塞部位分布Tab.4 Clogging distribution of emitter under 0.075 MPa inlet pressure

一定的灌水次數，隨著進口壓力增大，滴頭更容易堵塞；除個別情況外(Y1N3)，隨著泥沙濃度的增大，滴頭更容易堵塞。進口壓力為0.025 MPa時，堵塞部位分布較集中，且低泥沙濃度堵塞部位較靠管末；高濃度堵塞部位分布較分散，且均勻地分布在距管首20%～50%管長處。進口壓力為0.075 MPa時，滴頭堵塞部位分布都較均勻。濃度為1.00 g/L時，除零星幾個堵塞點外，其余均勻分布于距管首15%～24%管長處；泥沙濃度為1.25與1.50 g/L時，滴頭堵塞部位均勻分布于距管首10%～80%管長處，且泥沙濃度為1.50 g/L時，滴灌管末端較其他濃度時更易堵塞。表3和表4表明泥沙濃度與進口壓力是影響滴頭堵塞的重要因素，但是關系比較復雜。在現有試驗基礎上滴頭在Y2N2組合時滴頭更容易堵塞。

由表5分析知，本次試驗共計堵塞滴頭74個，其中流量逐漸減小最后變為0的滴頭個數為31個(逐漸完全堵塞)；流量逐漸減小最終小于75%清水流量的滴頭個數為35個(逐漸部分堵塞)；流量突然減小為0的滴頭個數為8個(突然完全堵塞)。就滴頭堵塞過程情形分布來看，絕大多數(89.2%)滴頭的堵塞都是比較緩慢的漸變過程[27]。

表5 滴頭堵塞情況統計表 個

滴頭逐漸完全堵塞或部分堵塞是滴頭堵塞的主要情形，滴頭突然完全堵塞的情況較少。根據以75%的清水流量作為判定滴頭堵塞標準，堵塞情形為逐漸完全堵塞、逐漸部分堵塞、突然完全堵塞所占比例分別為41.89%、47.30%、10.81%。滴頭堵塞是流道內泥沙顆粒間相互碰撞，使得顆粒發生不等速沉降并借助顆粒間的黏結力和表面電荷作用膠結成絮團。結成的絮團向前推移，當絮團發展到一定程度時便沉積于管壁上造成滴頭堵塞。只有當灌水達到一定次數時，才有可能有足量的顆粒發生碰撞造成堵塞，故滴頭突然堵塞的情形較少見。

試驗結束后，將自然風干的滴灌管剖開。觀察堵塞滴頭處泥沙分布情況，利用激光粒度儀分析泥沙級配。堵塞滴頭泥沙顆粒粒徑分布見表6。

表6 堵塞滴頭泥沙粒徑分布 %

當堵塞形式為逐漸完全堵塞時(S1)，通過分析Y2N2與Y2N3兩試驗條件下，堵塞滴頭泥沙級配得出，低濃度(N2)堵塞滴頭處大粒徑(0.05～0.2 mm)明顯多于高濃度(N3)，而高濃度(N3)堵塞滴頭泥沙粒徑更多地處于0.01～0.05 mm之間。表明滴頭堵塞是泥沙濃度與粒徑共同作用的過程，當泥沙濃度較小時，泥沙粒徑成為限制滴頭堵塞的因素。當堵塞形式為逐漸部分堵塞時(S2)，通過分析Y2N1與Y2N3兩試驗條件下，堵塞滴頭泥沙級配得出，低濃度(N1)堵塞滴頭泥沙級配與高濃度(N3)堵塞滴頭泥沙級配基本一致。表明滴頭堵塞不僅存在敏感粒徑范圍[15]，同樣存在敏感濃度范圍，本試驗中1.25 g/L為更易堵塞的濃度。當堵塞形式為突然完全堵塞時(S3)，堵塞滴頭泥沙粒徑基本處于逐漸完全堵塞滴頭泥沙粒徑與逐漸部分堵塞滴頭泥沙粒徑之間。表明突然完全堵塞的發生需要各個粒徑交錯聚集，達到較為均勻完整的粒徑組成。所以突然完全堵塞的情形較少，這也與試驗結果相吻合。通過分析堵塞滴頭泥沙級配與原狀泥沙泥沙級配，發現堵塞滴頭泥沙顆粒粒徑處于0.02～0.2 mm的比例(68.78%～83.35%)明顯高于原狀泥沙(53.43%)，尤其以Y2N2試驗條件下發生逐漸完全堵塞的情形顯著(83.35%)；堵塞滴頭泥沙粒徑小于0.02 mm的比例(16.65%～31.22%)明顯小于原狀泥沙(46.57%)。表明本次試驗的堵塞過程實際上是小顆粒(<0.02 mm)隨水流流出，大顆粒相互碰撞、凝聚、沉降而堵塞流道，造成滴頭堵塞[16,17,28]。由此也造成了泥沙顆粒的重新分布。但由于原狀泥沙顆粒粒徑處于0.02～0.20 mm的比例較小，且灌水時只有小部分顆粒處于流道漩渦區難以逸出，所以流道內累積一定量的泥沙需要經過一定的灌水次數，故堵塞是一個緩慢的過程。

2.2 評價指標與滴頭堵塞的關系

采用Origin2015及Spss20.0軟件對各取樣點流量變化進行雙因素方差分析，發現泥沙濃度及進口壓力對滴頭流量變化的影響達到顯著水平(p=0.008、p=0.001)，表明渾水中泥沙濃度及進口壓力是滴頭堵塞發生的重要因素。不同壓力下滴灌管克里斯琴森均勻系數隨灌水次數的變化趨勢圖見圖2。

圖2 不同壓力下克里斯均勻系數隨灌水次數變化趨勢圖Fig.2 Changes of with irrigation frequency under different pressure

從圖2分析知，壓力一定時，隨著泥沙濃度的增大，灌水均勻系數 逐漸下降。但是均勻系數下降程度并不完全隨著泥沙濃度的增大而加快，部分泥沙濃度較小的渾水均勻系數下降速度較快于較大濃度的渾水。灌水11次后，Y2N2試驗條件下的均勻系數下降了19%，Y2N3試驗條件下均勻系數下降了12%；試驗結束后Y2N2試驗條件下均勻系數下降了40%，Y2N3試驗條件下均勻系數下降了36%。Y2N2試驗條件下均勻系數下降幅度及速度均快于Y2N3，說明在一定壓力下，存在易造成滴頭堵塞的泥沙濃度。

圖3為3種泥沙濃度與2種進口壓力組合下試驗各階段滴頭的相對流量隨灌水次數的變化曲線。

圖3 滴頭相對流量隨灌水次數變化曲線Fig.3 Changes of relative flow rate of emitter with irrigation frequency

從圖3(a)分析知，滴頭流量波動幅度從小到大的泥沙濃度順序為1.50、1.00、1.25 g/L。部分時段的部分滴頭相對流量高于100%[29,30]，這是由于泥沙顆粒的制紊效應引起的。Y1N2試驗條件下，滴頭相對流量在第5、11、22次灌水下低于75%；Y1N1試驗條件下，滴頭相對流量在第15次灌水時低于75%，試驗條件為Y1N2及Y1N1下，滴頭相對流量分別在第11和15次灌水時達到最小。但是隨著后續灌水及流道內沖淤作用滴頭相對流量均高于75%。Y1N1試驗條件下，滴頭相對流量均高于75%。從圖3(b)可以看出，3種泥沙濃度下，滴頭相對流量都超過了95%，滴頭流量波動幅度從小到大的順序為1.00、1.25、1.50 g/L。滴頭相對流量分別在第15、15、24次灌水時達到最小。通過圖3(a)與圖3(b)比較得出在低壓力下(0.025 MPa)，滴頭流量波動較大，易發生堵塞；在高壓力下(0.075 MPa)，滴頭流量變化較平緩，不易發生堵塞。從圖3(c)可以看出， Y1N1試驗條件下，滴頭前10次灌水相對流量逐漸減小，從第11次灌水至第18次灌水滴頭發生逐漸部分堵塞，第19和20次灌水相對流量大于75%，第21次灌水滴頭流量突然減小至0(驗證了文獻[20]結論：低壓力下，滴頭堵塞有一定的可逆性)。Y1N2試驗條件下，滴頭相對流量在前29次灌水波動地變化，但都維持在75%以上。直到第30次灌水滴頭相對流量突然變為0，滴頭發生突然完全堵塞。Y1N3試驗條件下，除第10次灌水時相對流量小于75%，前19次灌水相對流量都大于75%。第20次灌水開始滴頭相對流量突然減小到0，并維持到灌水結束，滴頭發生突然完全堵塞。從圖3(d)可以看出，Y2N1試驗條件下，前12次灌水相對流量波動地減小但都處在75%以上，從第13次灌水開始(除第14～17次灌水流道內沖淤頻繁，但相對流量都維持在75%以下)相對流量逐漸減小直至為0。Y2N2試驗條件下，當發生逐漸完全堵塞時，前12次灌水相對流量逐漸減小(>75%)，第13～17次灌水流道內沖淤頻繁，相對流量由大于75%減小至小于75%直至減小為0，并維持到灌水結束。Y2N2試驗條件下，當發生突然完全堵塞時，前4次灌水相對流量逐漸減小，第5次灌水時相對流量由91%突然減小至0，直至灌水結束。Y2N3試驗條件下，相對流量由第1次灌水時的93%突然減小至第2次的65%，最后突然減小到0，并維持至灌水結束。高壓力(0.075 MPa)下流量比低壓力(0.025 MPa)波動頻繁，滴頭更易發生堵塞，且高壓力下滴頭發生突然完全堵塞的幾率也增大。

3 討 論

(1)水溫對滴頭堵塞的影響。壓力一定時，滴頭堵塞隨泥沙濃度增大而更易堵塞。而Y1N3試驗條件下，滴頭的堵塞情況明顯輕于Y1N1與Y1N2。分析原因可能是因為Y1N1與Y1N2試驗分別在9月和10月，平均水溫在20℃左右，而Y1N3試驗主要在12月份完成，平均水溫在8 ℃左右。表明滴頭堵塞不僅與進口壓力、泥沙濃度、流道結構有關，還需要考慮灌溉水溫對滴頭堵塞的影響。這也與劉璐等[31]、王德次[32]、張建婷等[33]的研究結果相互印證。

(2)泥沙粒徑對滴頭堵塞的影響。粒徑小于0.02 mm時，黏粒較多，顆粒之間較易黏結。但是由于該粒徑段顆粒較小、隨流性強，顆粒間不能依靠強力鏈網絡形成基礎骨架，在連續灌溉或者在團聚體沒有固結之前，其黏結體形狀易發生變化[34]。且此粒徑范圍的顆粒很難在自身重力下沉降，故該粒徑段不易發生堵塞。當粒徑處于0.02～0.10 mm時，相較粒徑小于0.02 mm，泥沙較易依靠自身重力發生沉降，在水體紊動作用下碰撞、黏結形成絮團結構，引起滴頭堵塞。含沙量直接決定泥沙顆粒在流道內發生碰撞的幾率，滴頭堵塞是一個粒徑重新分布、泥沙逐漸累積的過程，所以堵塞是一個緩慢的過程。吳澤廣等[35]研究表明滴頭堵塞是一個突然發生的過程，流量會迅速減少。本試驗結果與上述結論存在一定的差異，分析原因，進口壓力與滴灌管長度對堵塞有一定影響，本次試驗選取進口壓力為0.025和0.075 MPa，滴灌管長度為50 m，試驗參數壓力較吳澤廣所取壓力要小，滴灌管長度較吳澤廣所取較大。造成在同一比例管長范圍內流速與壓力都較小，泥沙顆粒不易逸出流道漩渦區，也加大了泥沙相互碰撞、沉積的幾率，隨著灌水次數增加沉積泥沙逐漸累積而堵塞滴頭。

(3)泥沙濃度對滴頭堵塞的影響。從圖3(c)和圖3(d)經Spss方差顯著性分析結果表明，滴頭堵塞程度并不完全隨泥沙濃度增大加快，部分濃度較小的渾水堵塞發展較快于濃度較大的渾水，表明在一定的壓力下，存在易造成滴頭堵塞的敏感濃度范圍。方差顯著性分析結果表明，壓力為0.075 MPa時，1.25 g/L的泥沙濃度對滴頭堵塞的顯著性高于泥沙濃度為1.00與1.50 g/L。從圖3(d)分析知，隨著泥沙濃度由1.00 g/L增大到1.25 g/L，相應的滴頭相對流量分別由首次渾水灌溉的99%逐漸減小到第14次的0%，再由0%上升到69%最后逐漸由第17次灌水的16%減小到0%；首次渾水灌溉的101%逐漸減小到第17次灌溉的78%(除第13次相對流量為6%)，最后逐漸減小到0(逐漸完全堵塞S1)；首次渾水灌溉的102%減小到第4次的91%，之后突然減小到0，直至灌水結束(突然完全堵塞S3)。泥沙濃度由1.00 g/L增大到1.25 g/L不僅滴頭堵塞速率加快且堵塞滴頭數目增多。當泥沙濃度增加到1.50 g/L時，相對流量由首次渾水灌溉的93%減小到第2次的65%，再突然減小到0%直至灌水結束。雖然滴頭堵塞速率加快但是堵塞滴頭數目卻不及1.25 g/L。所以，在壓力為0.075 MPa時，濃度為1.25 g/L相較1.00和1.50 g/L滴頭更易堵塞。即壓力一定時，存在敏感堵塞濃度。

(4)滴頭堵塞位置的規律。從整個試驗過程得出，相同的灌水次數，隨著試驗壓力的增大，滴頭更容易堵塞；除個別情況外(Y1N3)，隨著泥沙濃度的增加，滴頭更容易堵塞。低壓力下(0.025 MPa)，堵塞部位分布較集中，且低泥沙濃度堵塞部位較靠管末；高濃度堵塞部位分布較分散，且均勻地分布在距管首20%～50%管長處。高壓力下(0.075 MPa)，各濃度滴頭堵塞部位分布都較均勻。濃度為1.00 g/L時，除零星幾個堵塞點外，其余均勻分布于距管首15%～24%管長處；泥沙濃度為1.25與1.50 g/L時，滴頭堵塞部位均均勻分布于距管首10%～80%管長處，但泥沙濃度為1.50 g/L時，滴灌管末端較其他濃度時等易堵塞。

4 結 語

本文針對小于0.10 mm的泥沙顆粒，設置了0.025及0.075 MPa 2個進口壓力和1.00、1.25、1.50 g/L 3個泥沙濃度，采用完全試驗方法，通過測量滴頭的出流量及滴頭堵塞情況的監測。研究進口壓力及泥沙濃度對滴頭堵塞的影響，現得出以下結論。

(1)泥沙濃度相同時，高壓力(0.075 MPa)比低壓力(0.025 MPa)更容易造成滴頭堵塞。進口壓力為0.025 MPa時，滴頭堵塞位置分布較分散；進口壓力為0.075 MPa時，隨著泥沙濃度由1.00 g/L增加為1.25、1.50 g/L，堵塞位置均勻地由距管首15%～24%變為10%～80%管長。

(2)在壓力一定時，泥沙濃度越大，滴頭越容易堵塞。但泥沙濃度對滴頭堵塞影響的顯著性并不隨濃度變大而線性增加。在本試驗，當泥沙濃度為1.25 g/L時，泥沙濃度對滴頭堵塞的顯著性最大。

(3)滴頭堵塞是泥沙顆粒重新分布的過程。本試驗中，大于0.02 mm的泥沙經過碰撞、沉積是造成滴頭堵塞的主要原因。滴頭堵塞存在敏感濃度。在本試驗中，滴頭堵塞的敏感濃度是1.25 g/L。

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