不同泥沙質(zhì)量濃度及工作壓力對微孔地下滲灌管滲水性能的影響

李夢剛，孫兆軍,*，焦炳忠，韓 磊，李興強，李 茜

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川750021；2.寧夏大學 環(huán)境工程研究院，銀川 750021； 3.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國際合作聯(lián)合實驗室，銀川750021； 4.寧夏（中阿）旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控重點實驗室，銀川750021）

0 引 言

【研究意義】滲灌是繼噴灌、滴灌之后的又一項極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸?jié)水灌溉技術(shù)，通過將滲灌管直接鋪設(shè)在作物根系附近，借助土壤毛管作用直接向作物根系層進行供水，避免傳統(tǒng)地面灌溉所帶來的蒸發(fā)損失，具有節(jié)水節(jié)肥、改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、避免地表板結(jié)及抑制雜草生長等優(yōu)點[1-3]。目前，滲灌類型主要有打孔滲灌管和微孔滲灌管2 大類，打孔滲灌管主要通過在PE 管或橡膠管上按一定距離打孔、劃口或安裝灌水器；微孔滲灌管主要是沿管壁通身布設(shè)孔眼以達到滲水的效果，如瓦灌、陶罐、無砂混凝土管、微孔地下滲灌管等[4]。其中，微孔地下滲灌管孔隙細而豐富，均勻地分布在管壁上，是目前最新、運用范圍最廣的一種微孔滲灌管類型，廣泛應(yīng)用于溫室、果園及綠地灌溉，主要以廢舊輪胎末和聚乙烯為原料生產(chǎn)而成[5-6]。由于管道原料組成及結(jié)構(gòu)特點，管道滲水性能受工作壓力影響較大，且對灌溉水質(zhì)要求較高，在不同的應(yīng)用條件下管道滲水性能發(fā)生著變化[1,7]。【研究進展】Teeluck 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，提高水質(zhì)能夠縮短管道達到滲水穩(wěn)定所用的時間，并且有利于提高管道滲水均勻性和滲水速率。Lomax 等[9]研究表明，在初始滲水階段，滲灌管滲水速率急劇下降，后隨通水時間延長，最終趨于穩(wěn)定，管道初始滲水速率顯著大于穩(wěn)定滲水速率。Edwin 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，管道滲水量與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，滲水速率變異系數(shù)（CV）隨壓力升高而減小，最低為4.40%，與可溶性固體溶液相比，固體懸浮溶液對滲水量影響更大。張書函等[11]對一種早期國產(chǎn)微孔滲灌管進行了滲水性能研究，發(fā)現(xiàn)滲水速率隨通水時間延長和累積滲水量的增加而降低。梁海軍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在清水試驗條件下，微孔滲灌管存在著一個最優(yōu)的壓力區(qū)間，在該壓力區(qū)間內(nèi)滲水均勻性最佳。李敏等[13]進行了微孔滲灌管生產(chǎn)工藝對滲水性能的影響研究，為該產(chǎn)品后續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)提供了參考。【切入點】前人主要針對灌溉水質(zhì)或壓力單個因素下微孔滲灌管滲水性能進行了研究，但對灌溉水質(zhì)和壓力共同作用條件下微孔滲灌管滲水性能的研究相對較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本試驗對一種微孔地下滲灌管在自來水和2 種渾水條件下，調(diào)節(jié)進水口壓力進行通水試驗，明晰灌溉水泥沙濃度和壓力對微孔地下滲灌管滲水性能的影響，為微孔地下滲灌管的田間應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于2018 年7—11 月在寧夏大學國家大學科技園中試基地進行，測試水溫為15～20 ℃。采用W1（自來水）和W2（泥沙質(zhì)量濃度0.5 g/L）、W3（泥沙質(zhì)量濃度1.0 g/L）1 種清水與2 種渾水為試驗水源，渾水用土為風干沙壤土，經(jīng)500 目篩網(wǎng)篩分處理，粒徑小于0.025 mm，試驗水源W1 主要理化性質(zhì)如表1 所示。

1.1 試驗樣品

試驗樣品采用輪胎脫硫橡膠顆粒和聚乙烯顆粒粉末按一定比例制造而成，該管道內(nèi)徑16 mm，壁厚2 mm，管道在出水均勻性及抗堵塞能力等方面均有一定提升，具有使用壽命長、耐高溫、耐強紫外線輻射等特點。隨機選取9 條不同批次生產(chǎn)的微孔地下滲灌管各3 m 長進行試驗。

表1 自來水主要理化性質(zhì) Table 1 Main physical and chemical properties of tap water

1.2 試驗裝置

試驗系統(tǒng)平臺布置如圖1 所示。該試驗裝置由恒壓供水部分、滲水收集部分、壓力測試部分組成，系統(tǒng)首部由500 L 的不銹鋼水箱通過水泵加壓向末級管道供水，其中進入末級管道的流量大小及灌水器測試壓力由安裝在進口壓力表前端的控制閥調(diào)節(jié)，并通過安裝在灌水器前端的壓力表讀取灌水器進水口壓力，采用0.001 L 測量精度的量筒進行灌水器滲水速率測試，管道末端連接與進水口同型號的壓力表。滲水收集槽全長3 m，上方水平鋪蓋尼龍塑料網(wǎng)，以保證管道水平放置，滲水收集槽共布置6 個分室，每個長0.5 m，各分室下設(shè)置導(dǎo)管通至對應(yīng)滲水收集桶。

圖1 試驗系統(tǒng)平臺布置 Fig.1 Layout of test system platform

1.3 試驗方法

在0～100 kPa 壓力范圍內(nèi)，以W1、W2、W3 為試驗水源對微孔地下滲灌管進行通水試驗。將選取的9 條待測管道隨機取組，分3 組分別放置于尼龍塑料網(wǎng)上方進行通水試驗。與滲水收集槽各分室相對應(yīng)，滲灌管被自然分隔為6 個滲水管段，記錄各管段0（初始）、0.5、1 h 及以后每整時段滲水速率，每次滲水試驗持續(xù)10 h，各次試驗間隔14 h。為避免前次試驗影響，每次試驗結(jié)束后排出管道內(nèi)殘余水量，并在室溫條件下將管道置于干燥處自然晾干。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel、SPSS 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。從滲水速率和滲水速率變異系數(shù)等方面評價微孔地下滲灌管的滲水性能，計算方法如下：

式中：CV為滲水速率變異系數(shù)（%）；S為滲水速率標準偏差（L/h）；v?為全部滲水段的平均滲水速率（L/（m·h））；vi為第i個滲水段的滲水速率（i=1，2，...，6）。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲水速率隨通水時間的變化

在H1（20 kPa）、H2（60 kPa）、H3（100 kPa）壓力下，采用W1、W2、W3 水源進行通水試驗，滲水速率隨時間的變化如圖2 所示。

圖2 滲水速率隨通水時間的變化 Fig.2 The changes of emission rate with time of water supply

從圖2 可看出，管道初始滲水速率遠大于試驗結(jié)束時滲水速率，隨著通水時間的延長，滲水速率總體呈減小趨勢，滲水速率在初期滲水階段下降較快，原因可能是微孔地下滲灌管在滲水初期微觀結(jié)構(gòu)重新固化，橡膠顆粒吸水膨脹改變了滲水孔隙和數(shù)量，導(dǎo)致滲水速率明顯下降，相關(guān)研究表明，隨著通水時間、次數(shù)的增加管道細微結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，變化幅度逐漸減小[11-12]。W1 條件下，隨著通水時間的延長，滲水速率最終趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但在W3 條件下，滲水速率隨通水時間的延長持續(xù)降低，這可能是因為泥沙在管道內(nèi)沉積，造成滲水孔堵塞，且隨著通水時間延長，滲水孔堵塞情況加劇，從而使得滲水不能進入相對穩(wěn)定狀態(tài)。

相同壓力下，灌溉水泥沙量對滲灌管滲水速率影響較大，管道滲水速率隨通水時間延長減小的幅度隨著泥沙質(zhì)量濃度的增加而增大，以低壓力下最為顯著，20 kPa 壓力條件下，W2、W3 水源至試驗結(jié)束時，較W1 條件下滲水速率分別下降61.41%、92.74%，管道已基本喪失灌溉性能，且隨通水時間的延長滲水速率仍呈下降趨勢；高壓力下變化較小，100 kPa 壓力條件下，W2、W3 水源至試驗結(jié)束時，較W1 條件下滲水速率分別下降14.92%、46.52%，滲水速率下降幅度明顯低于20 kPa 壓力條件下。

2.2 不同泥沙質(zhì)量濃度和壓力條件下滲水性能

以W1、W2、W3 為水源，在0～100 kPa 壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)壓力進行通水試驗，不同試驗水源條件下滲水速率與CV隨壓力變化如圖3 所示。

圖3 不同試驗水源條件下滲水速率與滲水速率變異系數(shù)（CV）隨壓力變化 Fig.3 coefficients of variation and emission rate with pressure under different test the water

從圖3 可以看出，在W1、W2、W3 水源條件下，管道滲水速率均隨進水口壓力增大呈上升趨勢。不同進水口壓力條件下，滲水速率均表現(xiàn)為：W1>W2>W3，管道滲水速率隨著水中含沙量增大而降低，在20、60、100 kPa 壓力條件下，W2 較W1 分別降低46.03%、17.21%、9.80%，W3較W1分別降低68.58%、32.72%、27.06%，可見，隨著進水口壓力增大，不同試驗水源間滲水速率變化的幅度逐漸減小。

在W1、W2、W3 試驗水源條件下，CV隨進水口壓力發(fā)生變化。W1 條件下，CV范圍為4.54%～12.26%，進水口壓力為10～50 kPa 時，CV隨著進水口壓力的增大而減小，進水口壓力為50～100 kPa時，CV隨著進水口壓力的增大而增大，在40～70 kPa壓力范圍內(nèi)，CV均小于7%，50 kPa 時達到最小值，為4.54%。W2 條件下，CV范圍為8.68%～28.64%，基本隨著進水口壓力的增大而減小，80 kPa 時達到最小值，為8.68%。W3條件下，CV范圍為19.62%～64.39%，基本隨著進水口壓力的增大而減小，100 kPa 時達到最小值，為19.45%。W1、W2、W3 條件的CV的差異同樣較大，隨著含沙量的增加，CV最小值及范圍均增大，可見隨著含沙量增加，管道滲水均勻性變差。相同壓力下，CV均表現(xiàn)為W3>W2>W1，在20、60、100 kPa 壓力下，W2 較W1 漲幅分別為14.52%、5.96%、1.46%，W3較W1漲幅分別為35.26%、14.5%、10.27%，可見，隨著進水口壓力增大，不同試驗水源間CV的漲幅逐漸減小。可見增大進水口壓力可有效減緩水中泥沙給管道滲水均勻性帶來的危害。

由以上結(jié)果可知，進水口壓力和泥沙質(zhì)量濃度均會對微孔地下滲灌管滲水均勻性產(chǎn)生影響。通過對不同條件下管道CV值進行方差分析，確定影響微孔地下滲灌管滲水均勻性的主要因素。不同泥沙質(zhì)量濃度和壓力條件下CV方差計算結(jié)果見表2。

表2 微孔地下滲灌管滲水速率變異系數(shù)（CV）方差 Table 2 Variance analysis of coefficients of variation of microporous subsurface infiltration pipe

由表2 可知，壓力和泥沙質(zhì)量濃度對滲水均勻度的影響程度不同，壓力和泥沙質(zhì)量濃度對微孔地下滲灌管CV的影響均達到極顯著水平，其中泥沙質(zhì)量濃度對CV的影響更為顯著。因此，影響微孔地下滲灌管滲水均勻度的主要因素為灌溉水泥沙質(zhì)量濃度，其次是進水口壓力。

2.3 滲水速率擬合關(guān)系

根據(jù)圖3 滲水速率隨壓力變化散點分布圖確定回歸直線，對H-V曲線進行擬合[14-15]：

式中：V為滲水速率（L/（m·h））；k為滲水速率系數(shù)；H為進水口壓力（kPa）；x為流態(tài)指數(shù)。

k反映滲水速率波動程度，其值越小，滲水速率變動越小；x是滲水速率隨壓力變化的敏感性指標，體現(xiàn)了滲灌管流態(tài)特征及滲水速率與壓力的關(guān)系[16]，不同試驗水源條件下H-V擬合關(guān)系如表3 所示。

由表3 可看出，W1、W2、W3 條件下，H-V擬合曲線具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2均達0.98 以上。W1、W2、W3 條件下，滲灌管流量系數(shù)分別為0.270 3、0.047 6、0.013 2，隨著水中泥沙質(zhì)量濃度的增加而減小；流態(tài)指數(shù)均大于1，分別為1.053 3、1.416 1、1.665 0，隨著水中泥沙質(zhì)量濃度的增加而增大，W2、W3 較W1 增大幅度分別為34.44%、58.07%。可見，隨著灌溉水含泥沙量的增加，管道滲水速率對壓力的變化越敏感，滲水性能變差。

表3 不同試驗水源下H-V 擬合關(guān)系 Table 3 H-V fitting relationship of under different test the water

3 討 論

灌溉水中泥沙顆粒的存在會使得管道滲水速率降低，但不同壓力條件下影響效果存在差異。其中，低壓力下對灌溉水源的要求更高，泥沙量增加可能會導(dǎo)致管道喪失灌溉性能，高壓力下，管道滲水速率隨著泥沙量增加變化較小。這與滴灌、陶瓷滲灌等灌水器條件下存在區(qū)別[17-18]，主要是由于微孔地下滲灌管自身具有一定的彈性，滲水孔孔徑和數(shù)量受壓力變化敏感，高壓力下，微孔隙膨脹，管道滲水孔數(shù)量和孔徑均有所增加，能排出部分泥沙，從而降低了泥沙顆粒對滲灌管滲水性能的影響；而低壓力下，滲水孔孔徑較小、數(shù)量較少，泥沙大量沉積于管道內(nèi)壁，致使?jié)B水孔堵塞，滲水孔數(shù)量持續(xù)減少，從而嚴重影響滲灌管滲水性能。在灌水過程中，灌水器堵塞情況由壓力和灌溉水質(zhì)耦合作用引起[19]，因此，在微孔地下滲灌管田間應(yīng)用時，應(yīng)盡量采用管道輸水及安裝過濾裝置，減少灌溉水中固體顆粒量，提高微孔地下滲灌管滲水性能和使用壽命，當灌溉水源中含有少量泥沙時，可通過增大灌溉系統(tǒng)壓力來保障滲灌管灌溉性能。

灌溉水含泥沙量和壓力通過影響灌水器滲水速率和均勻度，從而影響灌水器滲水性能[20-21]。受管道原料組成及結(jié)構(gòu)特點影響，地下微孔滲灌管道流態(tài)指數(shù)大于1，滲水速率受壓力變化敏感，但工作壓力對滲水均勻度影響較小。與之相比，灌溉水泥沙量對管道滲水性能影響更大。研究表明，灌溉水泥沙量增多會造成管道滲水速率大幅度減小，根據(jù)滲水速率和壓力關(guān)系擬合結(jié)果，灌溉水含沙量越大，其流態(tài)指數(shù)越大，從而使得不同管段滲水速率差異增大，滲水均勻度降低，當泥沙質(zhì)量濃度過高的情況下甚至會導(dǎo)致管道喪失灌溉性能。灌溉水源中泥沙顆粒在管壁沉積，造成灌水器堵塞，泥沙質(zhì)量濃度增加，管道內(nèi)泥沙顆粒沉積速度加快，滲水均勻度隨之降低，管道堵塞程度加劇，嚴重影響管道滲水性能[22]。

4 結(jié) 論

1）灌溉水泥沙量增多會造成滲水速率隨通水時間延長持續(xù)降低，使得滲水速率不能進入相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2）管道在通自來水條件下的滲水性能最好，在40～70 kPa 壓力范圍內(nèi)，管道滲水均勻性達到最佳。

3）灌溉水泥沙量是影響微孔地下滲灌管滲水性能的主要因素，灌溉水含沙量增加會使得管道流態(tài)指數(shù)增大，滲水性能變差。