引黃滴灌條件下混配水對堵塞物質表面特征的影響

王天志 郭祖誠 閆 軍 申要杰 孫佳琦 王 毅

(1.清華大學環境學院， 北京 100084； 2.中國光大國際有限公司， 香港 999077；3.北京市南水北調大寧管理處， 北京 102442； 4.南京市工程造價管理協會， 南京 210024)

0 引言

微咸水已成為引黃灌區農業灌溉的替代水源之一，但是微咸水中的鹽分較高，長期使用微咸水灌溉會抑制作物生長，對土壤環境健康造成威脅[1]。將黃河水和微咸水混配后灌溉不僅可以有效減少黃河水中的泥沙含量[2]，還可以降低微咸水中的鹽分，將鹽分調節至適宜范圍，可改善土壤結構，增加土壤通透性，減小土壤容重，從而起到提高土壤飽和含水率、增加作物根部吸水功能[3]的作用。滴灌被認為是引黃灌區發展高效節水灌溉最為有效和可靠的灌溉方式[4-5]。灌水器是滴灌系統的關鍵部件之一，由于消能的需要，其流道尺寸一般只有0.5～1.2 mm，極易被水中的顆粒物堵塞而導致整個系統報廢[6-7]。因此，發展引黃灌區混配水滴灌技術的前提就是控制黃河水與微咸水混配條件下滴灌灌水器堵塞的發生。

堵塞物質的形成過程受到水力條件、水質、溫度、時間等多因素的共同影響，堵塞物質的表面形貌是多重影響因素的綜合體現，能夠體現堵塞物質的生長、固體顆粒物和有機污染物的沉淀與被捕捉及微生物的生長，堵塞物質的表面形貌特征可通過表面的粗糙度、厚度、孔隙率等微觀特征直接衡量[17]，探索混配水條件下灌水器流道內部的堵塞物質表面特征具有重要意義。基于此，本文利用自行設計的滴灌灌水器內部堵塞物質快速培養裝置及取樣方法，選擇黃河水、微咸水、黃河水和微咸水1∶1混配水3種水源，對滴灌灌水器流道內堵塞物質的形成過程進行模擬培養，結合三維白光干涉形貌儀觀測灌水器內部堵塞物質表面形貌，分析引黃滴灌條件下黃河水與微咸水混配對堵塞物質表面特征的影響。以期為混配水滴灌系統堵塞機理研究及控制模式的建立提供理論參考，為推廣引黃灌區微咸水的使用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1水源

本試驗采用3種水源(黃河水、微咸水以及黃河水和微咸水1∶1混配水)供水。其中黃河水取自內蒙古自治區巴彥淖爾市臨河區先鋒橋下二干渠，含沙量為36.5 kg/m3，電導率(Ec)為0.92 dS/m；參考內蒙古河套灌區的微咸水水質情況，在當地地下水(Ec為1.67 dS/m)的基礎上，添加1∶2.27∶5.85(mol)配比的NaHCO3、KCl和NaCl配置微咸水(Ec為4.25 dS/m)。取4℃恒溫保存的不同水體樣品各500 mL，進行水質檢測，結果如表1所示。

表1 水質檢測結果Tab.1 Water quality detection results

注：YR表示黃河水；SW表示微咸水；MW表示混配水。

1.1.2模擬系統介紹

本試驗包括黃河水、微咸水、混配水的3個模擬系統，每個模擬系統由儲水桶、蠕動泵、乳膠管、滴灌系統模擬器等組成。將水儲存在儲水桶中，為系統提供水源；蠕動泵(BT100L型，保定創銳泵業有限公司)為系統提供工作驅動力，用乳膠管與儲水桶連接，從儲水桶中提水進入1號模擬器，模擬器(1～4號)采用并聯方式連接，蠕動泵通過乳膠管連接1號模擬器的進水口，蠕動泵提水至所有模擬器的內外筒之間充滿水后，1號模擬器的出水口通過乳膠管再次回到儲水桶中，2、3、4號模擬器與1號模擬器連接情況一致，并聯情況如圖1所示。模擬器如圖2所示，其外筒尺寸Φ130 mm×252 mm，內筒尺寸Φ110 mm×135 mm，進水口和出水口尺寸均為Φ10 mm，電機功率150 W，轉速范圍0～3 000 r/min。

圖1 試驗系統及模擬系統示意圖Fig.1 Test system and simulation system

圖2 模擬器Fig.2 Simulator1.電機 2.法蘭盤 3.樣品槽 4.外筒 5.內筒 6.進水口 7.取樣架 8.固定軸承 9.螺釘 10.鋼片 11.電機軸 12.連接軸承 13.出水口 14.變壓器 15.密封墊片 16.速度控制器 17.散熱孔 18.配電盒 19.電線

1.1.3流道內部易堵塞位置的水力剪切力模擬

圖3 灌水器類型及流道近壁面水力剪切力CFD計算結果Fig.3 Type of emitter and CFD calculation results of hydraulic shear force near wall of flow path

利用數顯卡尺(Mitutoyo，日本，精度0.01 mm)測量直齒直角形迷宮流道尺寸，流道深0.78 mm、寬1.68 mm、齒高1.5 mm、齒寬0.50 mm，如圖3a所示，LI等[18]的研究表明，堵塞物質主要集中在d和e位點，因此本文選取這兩個位點作為研究對象。運用三維畫圖軟件UGS NX9.0建立三維模型，利用ANSYS 15.0對模型進行網格劃分和計算，邊界條件為壓力入口(額定工作壓力0.1 MPa)、壓力出口(0 MPa)，計算模型為RNGk-ε湍流模型[19]。得到灌水器流道近壁面水力剪切力CFD計算結果如圖3b所示。結果表明a位點(齒尖迎水區)的水力剪切力為2～26 Pa，b位點(齒尖背水區)的水力剪切力為0.3～2 Pa，c位點(主流變形區)的水力剪切力為2.4～6.5 Pa，d(齒跟迎水區)和e位點(齒跟背水區)的水力剪切力為0.3～0.8 Pa。由于堵塞物質主要集中在d和e位點，因此本文選取剪切力區間為0～0.8 Pa。

1.1.4模擬器水力剪切力計算

本試驗模擬器采用下端進水上端溢流出水的方式，推薦水力停留時間2 h，模擬器總容積1 210 mL時，進水量為10.08 mL/min，流量很小，可以近似忽略。則反應器中水流對壁面剪切力的計算，可以采用《粘性流體力學》[20]中同軸旋轉圓柱間流動的計算公式，即

(1)

式中τr——半徑為r這一點的摩擦應力，Pa，其方向與角速度ω1相反

R1、R2——內筒和外筒半徑，m

ω1、ω2——內筒和外筒旋轉角速度，rad/s

r2——內筒和外筒之間某一圓形切面的半徑

μ——液體粘滯系數，20℃水的動力粘滯系數為1.005×10-3Pa·s

結合本試驗的具體情況，ω2=0 rad/s；r2=R2；由于摩擦應力為壁面對水流的摩擦力，而此處需討論水流對壁面的水力剪切力，故可將式(1)簡化為

(2)

(3)

式(3)即為本試驗模擬器外筒內壁壁面水力剪切力計算公式。由模擬器參數可知，R1=65 mm，R2=55 mm，μ=1.005×10-3Pa·s，因此，模擬器的外筒內壁壁面水力剪切力計算公式為

(4)

1.2 試驗處理

試驗采用PE毛管切片貼于反應器外筒內壁，為了真實模擬灌水器流道壁面介質，切片采用常用的Φ16滴灌毛管，尺寸為19 cm×1 cm。當模擬器電機工作時，內筒旋轉帶動水流運動，會帶動外筒內壁水流運動，由于帶有PE片的取樣架固定在外筒內壁，所以在PE片表面會產生剪切力。根據式(4)設置模擬系統模擬位點的水力參數，試驗處理編號如表2所示。為避免光照對堵塞物質的影響，系統置于恒溫光照培養箱中，溫度保持30℃。試驗共進行800 h，在系統運行80、320、560、800 h時取樣。

1.3 堵塞物質表面三維形貌測定

利用三維白光干涉形貌儀(Phase Shift Micro

表2 水源類型及樣品編號Tab.2 Sampling locations and number

XAM-3D型，布魯克海文儀器公司，美國)對堵塞物質樣品形貌特征進行測試，采集的圖像利用SPIP(Scaning probe image processor)軟件進行分析，考慮到需要對堵塞物質樣品表面的平均厚度、表面粗糙度、表面穩定程度、表面對水流作用等方面進行分析，故根據2005年產品尺寸和幾何規范及檢驗技術委員會頒布的ISO/TC213N756 參數表征體系篩選出區域表面平均厚度、表面均方根偏差(Sq)、表面高度分度的峭度(Sku)、中心液體滯留指數(Sci)、表面的展開面積比率(Sdr)5個參數。參數的計算方法參照文獻[21-22]。其中平均厚度反映了堵塞物質的生長情況，Sq反映了堵塞物質表面的粗糙度，Sku可以用于識別堵塞物質表面的穩定性，Sci反映了表面對液體的滯留能力，Sdr表示堵塞物質表面的綜合性能信息，可以用來衡量堵塞物質表面能量，值越大說明堵塞物質表面對固體顆粒物質、微生物團體、微生物等的吸附和捕捉作用越強[23]。

2 結果與分析

2.1 堵塞物質形成過程中表面形貌特征

本試驗對不同水源不同剪切力條件下堵塞物質形成過程中80、320、560、800 h時的樣品進行分析，表面形貌的測試結果如圖4～7所示。

圖4 系統運行80 h時堵塞物質表面形貌Fig.4 Surface morphology of clogging substance after running of 80 h

圖5 系統運行320 h時堵塞物質表面形貌Fig.5 Surface morphology of clogging substance after running of 320 h

圖6 系統運行560 h時堵塞物質表面形貌Fig.6 Surface morphology of clogging substance after running of 560 h

從圖4～7可以看出，灌水器內壁附著的堵塞物質表面并不是平坦的，均呈現高低起伏的山丘分布狀。此外，還能明顯看出黃河水與微咸水的混配對堵塞物質表面的影響，即混配水條件下的堵塞物質表面凸起少，較為平坦。

在系統運行初期，不同水源條件下堵塞物質表面較為光滑，僅出現局部凸起。黃河水條件下的堵塞物質表面的局部凸起明顯高于微咸水和混配水條件下，說明黃河水中的泥沙顆粒物初始含量較高，容易沉淀，被微生物吸附或者粘附于介質表面。在系統運行中期，不同水源條件下堵塞物質表面變得較為粗糙，凸起增加。黃河水條件下的堵塞物質表面結構較緊密，微咸水條件下堵塞物質表面緊密度次之，混配水條件下堵塞物質表面空隙較多，高低起伏較大，僅有一些獨立的凸起。隨著系統運行到800 h時，堵塞物質表面結構變得非常粗糙，微咸水條件下堵塞物質表面結構緊密，空隙較少，表面的“溝壑”多；黃河水條件下堵塞物質表面凸起較多，十分粗糙；混配水條件下堵塞物質表面較為平坦，高低起伏不大。

在灌水器流道易堵塞位點上，剪切力為0.05 Pa的區域內，堵塞物質表面出現局部凸起，剪切力為0.20～0.40 Pa的區域內堵塞物質結構較緊密，高低起伏不大，獨立的凸起少，剪切力為0.70 Pa的區域內堵塞物質表面結構很緊密，局部凸起少，但表面的“溝壑”較多。

2.2 堵塞物質形成過程中表面厚度變化特征

不同水源不同剪切力條件下堵塞物質表面平均厚度的變化特征如圖8所示。從圖8可以看出，堵塞物質的平均厚度隨著時間的增加均表現為先緩慢增加后快速增加的趨勢，在緩慢增長期(0～560 h)時，黃河水條件下堵塞物質厚度增加最快，為0.27 μm/d，微咸水條件下次之，為0.17 μm/d，混配水條件下堵塞物質增加最慢，為0.10 μm/d。在快速增長期(560～800 h)時，同樣是黃河水條件下堵塞物質厚度增加最快，微咸水次之，混配水最慢，增速分別為0.73、0.23、0.19 μm/d。系統運行結束時(系統運行800 h)，不同水源條件下堵塞物質的平均厚度均值為7.85 μm，其中，混配水條件下堵塞物質的平均厚度為4.39 μm，分別比黃河水、微咸水條件下低65.32%、32.51%。這說明黃河水和微咸水混配不僅顯著降低了堵塞物質的厚度，還延緩了堵塞物質的生長速度。此外，對于不同剪切力而言，0.05～0.40 Pa條件下的堵塞物質厚度隨著剪切力的增加而增加，高于0.40 Pa時，堵塞物質厚度隨著剪切力增加而減小。系統運行結束時，0.40 Pa剪切力條件下堵塞物質厚度最大，均值為10.83 μm，分別比0.05、0.20、0.70 Pa剪切力條件下高52.20%、16.33%、160.26%。

2.3 堵塞物質形成過程中的表面三維形貌參數

利用三維形貌評價理論(采用ISO/TC213N756參數表征體系)，分析不同水源條件下堵塞物質三維形貌特征參數，如表3～6所示。

由表可知，隨著時間的增加，堵塞物質表面均方根偏差和表面展開面積比率均顯著增加，這說明隨著時間的增加堵塞物質表面的粗糙度增加，表面能量增加，堵塞物質對固體顆粒物、微生物團體、有機物等的吸附和捕捉能力越來越強；表面高度分度峭度減小，說明堵塞物質的表面穩定性低于PE材料；中心液體滯留指數基本不變，說明堵塞物質表面對液體的滯留能力相對穩定。黃河水和微咸水的混配對堵塞物質三維形貌特征參數的影響主要體現在表面均方根偏差和表面展開面積比率兩個參數上，混配水條件下堵塞物質表面的Sq、Sdr均顯著小于其他兩種水源，這說明黃河水和微咸水混配會降低堵塞物質表面粗糙度和表面能量，降低堵塞物質對固體顆粒物、微生物團體、有機物等的吸附和捕捉能力，抑制堵塞物質進一步形成。這與三維形貌特征圖的直觀表現一致。此外，對于不同剪切力而言，表面均方根偏差和表面展開面積比率隨剪切力變化趨勢相似，都是隨著剪切力上升，出現一個峰值后再下降，其中Sq在0.40 Pa剪切力條件下最大，Sdr在0.20 Pa剪切力條件下最大。

3 討論

堵塞物質的表面形貌特征是環境多重因素的共同影響下的整體體現，本文研究發現：堵塞物質表面形貌呈現一種典型的膜結構，表面均呈現高低起伏的山丘分布狀，并且堵塞物質的平均厚度隨著時間的增加均表現為先緩慢增加后快速增加的趨勢，這是由于水中含有微生物、營養鹽、有機物及大量的陰陽離子，水中的陽離子和陰離子發生化學反應形成不可溶的沉淀物質，微生物分泌大量的胞外聚合物，水源中的固體顆粒物、微生物、有機質及化學沉淀等多物質在水動力學條件下通過碰撞、絮凝、生物粘附過程附著在PE介質表面，并不斷吸附或捕捉固體顆粒及其他絮凝體形成膜結構；此時PE片內壁表面水流一方面為膜結構的形成輸送基質[24]，但堵塞物質在形成初期需要適應此時的水力條件，另一方面已經形成的膜在水力剪切力的作用下不斷發生脫落[25]，因此，該階段灌水器內部堵塞物質平均厚度緩慢增加。隨著系統運行，水中化學反應逐漸發生及膜結構中的微生物基數增加，沉淀物質沉積及有機質團聚體附著在PE片內壁的同時，還增加了壁面粗糙度，改變了固體泥沙顆粒與壁面的碰撞特性，加劇了顆粒物及微生物的附著沉積[26]，雖然這期間也伴隨著膜的脫落，但新膜的生長量大于膜的脫落量，堵塞物質的平均厚度呈現快速增加的趨勢。

此外，灌水器流道內堵塞物質主要集中位置的水力剪切力為0.20～0.40 Pa，這是因為水源中含有一定量的粘性細小顆粒，這些粘性顆粒形成絮團，絮團發育成長，互相搭接形成網狀結構，當剪切力較小時，不利于這些小顆粒之間相互碰撞和吸引[28]，同時也不利于水中的陰陽離子的更新，進而不利于化學沉淀的產生[29]。同時泥沙表面附著生物膜后，微生物分泌的胞外聚合物(EPS)覆蓋在顆粒物表面，顆粒物之間的粘結作用增強，剪切力較低時不利于胞外多糖的產生[30]，所形成的堵塞物質結構為多孔且寬松[31]，不利于在PE內壁表面附著。當水力剪切力很大，會顯著地影響堵塞物質的脫落[25,32]，RITTMANN[33]在較早的研究中發現管道壁面附著物的脫落速率與水力剪切力的0.58次方成比例，而BAKKE等[34]研究發現管道壁面附著物的脫落速率與剪切力之間存在線性關系，同時當剪切力較大時，不利于水中顆粒物之間的絮團與絮網結構的形成，對已經形成的絮團也具有破壞作用[35]。堵塞物質的厚度隨水力剪切力變大有上升的趨勢，然而水力剪切力變大也會增大水流對膜結構的侵蝕作用，加速堵塞物質的脫落，當兩者達到動態平衡時堵塞物質會表現出較大的積累量，使得剪切力為0.20 Pa和0.40 Pa條件下堵塞物質結構較緊密，表面厚度、表面均方根偏差和表面展開面積比率均較大。

圖8 不同水源條件下堵塞物質平均厚度動態變化特征Fig.8 Dynamic variation characteristics of average thickness of clogging substance

剪切力/Pa水源類型表面均方根偏差/μm表面高度分度峭度中心液體滯留指數表面展開面積比率/%YR0.93262.00.502.170.05SW0.3966.61.400.98MW0.57171.00.990.64YR0.3069.70.851.440.20SW0.9551.81.564.31MW0.7039.01.618.61YR0.838.62.045.730.40SW0.4339.31.392.56MW0.6934.01.494.96YR0.5813.21.995.720.70SW0.3924.41.191.00MW0.228.91.490.32

表4 系統運行320 h時不同水源條件下堵塞物質三維形貌特征參數Tab.4 Surface characteristic parameters of clogging substance after running of 320 h

表5 系統運行560 h時不同水源條件下堵塞物質三維形貌特征參數Tab.5 Surface characteristic parameters of clogging substance after running of 560 h

4 結論

(1)通過白光干涉形貌顯微鏡能夠獲取清晰真實的堵塞物質表面三維形貌，堵塞物質表面并不是平坦的，均呈現高低起伏的山丘分布狀。

(2)黃河水與微咸水混配后堵塞物質表面凸起少，較為平坦；堵塞物質的厚度、表面均方根偏差、表面展開面積比率顯著降低，充分說明黃河水和微咸水混配后不僅可以有效減少黃河水中的泥沙含量，還可以降低微咸水中的鹽分，可有效緩解灌水器堵塞現象。

表6 系統運行800 h時不同水源條件下堵塞物質三維形貌特征參數Tab.6 Surface characteristic parameters of clogging substance after running of 800 h

(3)灌水器流道內堵塞物質主要集中位置的水力剪切力為0～0.8 Pa，在0.20～0.40 Pa剪切力范圍內堵塞物質結構較緊密，表面厚度、表面均方根偏差和表面展開面積比率均較大。