微噴帶抗堵塞性能影響因素試驗研究

2021-04-04 12:42:18王文娥胡笑濤王文娟

節水灌溉 2021年3期

魏榕，王文娥，胡笑濤，王文娟，徐茹，王宇

（西北農林科技大學旱區農業工程教育部重點實驗室，陜西楊凌712100）

0 引言

微噴帶是直接在薄壁塑料軟管上采用激光打孔方法生產的多孔微噴灌節水灌溉設備，具有噴水柔和、易于鋪設卷收、價格低廉等優點[1，2]。與滴灌、噴灌等灌溉技術相比，單位長度微噴帶流量是滴灌管（帶）數倍，單位面積投資低于滴灌系統，工作壓力低于噴灌系統，運行成本較低且對作物的打擊動能小，近年來在小麥等密植矮稈作物及花卉、蔬菜等經濟作物灌溉中得到迅速推廣[3，4]。為提高灌水均勻度、減小噴灑水滴的打擊動能，微噴帶的噴孔孔徑較小，多小于1 mm，灌溉水源中含有的沙粒或雜質、未溶解的肥料顆粒會隨水進入微噴帶，造成微噴帶噴孔堵塞，降低微噴灌灌水均勻度[5，6]，影響作物產量[7]。通過試驗確定影響微噴帶堵塞的原因及規律，對提高微噴帶灌溉系統抗堵塞性能及灌水效果有重要實用價值。

微灌系統堵塞問題與微灌灌水器、管道布置、運行條件直接相關，目前關于滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能研究均較多，微噴帶的性能研究主要集中在水力性能方面。張學軍等[8]通過試驗檢測了國內幾種典型微噴帶的水量分布均勻系數并分析了水量分布均勻系數的主要影響因素。張碩、徐茹等[9，10]通過實驗分析了微噴帶單孔噴灑特性及影響因素。邸志剛等[11]通過薄壁微噴帶噴灑水滴直徑試驗與噴灑寬度試驗，分析了微噴帶噴灑寬度影響因素并建立噴灑水滴運動數學模型。吳政文、茍萬里等[12，13]通過實驗研究分析了微噴帶沿程水頭損失的影響因素，提出了測試方法和評價指標，并得出了微噴帶水頭損失計算參數。白珊珊等[14]在作物遮擋條件下，針對不同類型的微噴帶研究了微噴帶組合灌溉水量分布均勻性。

已有研究多集中在微噴帶水量分布特性、噴灑寬度、灌水均勻度和沿程水頭損失，對微噴帶堵塞的影響規律缺乏深入研究。本文選取常見的4種微噴帶，通過不同泥沙濃度、進口工作壓力，進行渾水灌溉試驗，分析微噴帶堵塞的影響因素，為微噴帶系統設計和實際應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

本試驗在西北農林科技大學水工水力學與泥沙實驗室內進行。試驗裝置由水箱、攪拌機、水泵、精密壓力表、干管和支管等設備組成。水箱為直徑1.49 m、高1.55 m的圓柱形箱體，水箱上方安裝連接雙層葉輪的攪拌機；壓力表量程為0～0.25 MPa，精度等級0.25級。試驗裝置如圖1所示。

微噴帶為山東省臨沂市樂農管業有限公司生產，試驗共采用4種型號微噴帶，材質均為聚乙烯，黑色，噴孔為單列斜布置。圖2為試驗使用的5 孔微噴帶結構示意圖，微噴帶具體參數見表1。

試驗用水為生活飲用水。泥沙采用沙壤土，風干后過1 mm 篩，使用Winner 激光粒度分析儀（量程：0.01～2 000 μm；重現性＜1%）進行粒徑分析，得到粒徑范圍為0.275～1.000 mm，見表2。

表1 微噴帶結構參數Tab.1 Structure parameter table of micro-sprinkling hose

表2 泥沙級配表Tab.2 Sediment gradation table

1.2 試驗方法

試驗通過測定微噴帶孔組流量的變化分析泥沙濃度對噴孔堵塞的影響，因此首先通過微噴帶的水力性能試驗測定不同壓力條件下微噴帶孔組流量，然后進行各壓力下不同泥沙濃度水流通過微噴帶時沿程流量試驗。

（1）壓力流量關系。按圖1連接試驗裝置，取1 m 微噴帶水平安裝在試驗臺架上，選取1 組完整的孔組作為測試孔組。測試時，進口壓力為5～60 kPa，每5 kPa 一個首部壓力，共12 種壓力。每一個工作壓力下，待系統運行穩定后，收集5 min 測試孔組的出水量，用精度為0.01 g 的精密電子天平稱重并換算得出流量值。

（2）微噴帶抗堵塞性能試驗。取5 m微噴帶水平置于測試臺架上，按圖1連接測試裝置。設定試驗渾水含沙量分別為0.5、1.0、1.5 g/L。進口壓力分別為30、40、50、60 kPa。每次灌水時間為40 min，開始通水10 min 后，依次收集10 個測試孔組1 min 出水量并換算得出流量。按泥沙濃度從小到大的順序，在每個泥沙濃度下，首部壓力依次按30、40、50、60 kPa給微噴帶灌水，每種微噴帶用含沙水灌水12次。

2 試驗結果與分析

2.1 微噴帶壓力流量關系

在《農業灌溉設備微噴帶》（NY/T 1361-2007）中，微噴帶流量壓力關系可用公式擬合[見式（1）]。根據流量壓力關系試驗的結果，對試驗時各壓力點的壓力值和對應的流量值按照以下公式（1）進行回歸分析（見表3），得到4 種微噴帶的流量壓力關系如圖3所示。

式中：q為微噴帶每組噴孔流量，m L s；H為微噴帶的工作壓力，kPa；kd為流量系數；x為流態指數。

表3 微噴帶壓力流量關系Tab.3 Flow-pressure relationship of micro-sprinkling hose

從圖3和表3可以看出，折徑為45，單循環孔組孔數為3孔和5 孔的2 種微噴帶，流量系數分別為0.43 和0.95，流量指數為0.88 和0.69；而單循環孔組孔數為5 孔折徑不同的3 種微噴帶，流量系數分別為0.95、1.38 和1.07，流量指數為0.69、0.57和0.61。表明微噴帶單循環孔組的孔的個數對流量系數和流態指數影響均較大；單循環孔組微噴帶折徑對流量系數和流態指數均有影響，但差異較小。

2.2 進口壓力與泥沙濃度對微噴帶堵塞的影響

為了分析堵塞的變化規律，將單循環孔組在同一進口壓力下的渾水流量qi與清水流量q清的比值稱為相對流量，記作qr。圖4為4 種微噴帶在不同泥沙濃度不同進口壓力條件下沿微噴帶長度相對流量的變化。

從圖4可以看出，進口壓力相同時，各微噴帶各孔組出現相對流量最小的渾水泥沙濃度。N45-3 孔、N45-5 孔、N48-5孔、N60-5孔微噴帶分別在泥沙濃度為1.0、0.5、1.0、1.0 g/L時，相對流量降為最低的情況最多；在泥沙濃度為0.5、1.0、1.5、0.5 g/L 時，相對流量降為最低的情況最少。分析結果表明，在一定的壓力下，微噴帶孔組的堵塞程度并不隨泥沙濃度增大而增大，存在易造成微噴帶堵塞的敏感濃度范圍。在本實驗中，1.0 g/L為更易堵塞的濃度。

泥沙濃度為1.5 g/L時，4種微噴帶沿微噴帶長度上相對流量降幅最大多數發生在進口壓力為30、40 kPa 時。N45-5 孔、N48-5 孔、N60-5 孔微噴帶中距進水口較近的孔組1 均在進口壓力為30 kPa 時，相對流量降幅最大，其中N45-5 孔微噴帶孔組1 相對流量降至52.33%，N48-5 孔微噴帶孔組1 完全堵塞。N45-3 孔微噴帶孔組2 和孔組5 在進口壓力為40 kPa 時，相對流量分別降至51.67%和58.01%。

泥沙濃度為1.0 g/L時，折徑為45 mm 的2種微噴帶，在進口壓力為50 和60 kPa 時，沿微噴帶長度上各個孔組相對流量降幅較大。N48-5 孔微噴帶和N60-5 孔微噴帶首末端的孔組1和孔組5 均分別在進口壓力為30 和40 kPa 時，相對流量降至最低。其中，N48-5 孔微噴帶孔組1 相對流量降至63.95%，N60-5孔微噴帶孔組1相對流量降至48.72%。

泥沙濃度為0.5 g/L 時，N45-3 孔微噴帶上的孔組多在30 kPa 時，相對流量降至最低；而N45-5 孔微噴帶上的孔組多在40 kPa時，相對流量降至最低。

2.3 灌水次數對微噴帶堵塞的影響

圖5為4 種微噴帶相對流量隨灌水次數的變化趨勢。4 種微噴帶第1～4 次、5～8 次、9～12 次灌水是分別在渾水含沙量為0.5、1.0、1.5 g/L 時，首部壓力依次為30、40、50、60 kPa 的情況下對微噴帶進行灌水。從圖5可以看出微噴帶堵塞程度是在不斷變化的，在3 種泥沙濃度的渾水灌溉時，4 種微噴帶均出現增大首部壓力，相對流量回升。其中，N45-3孔微噴帶孔組2 在泥沙濃度為1.0 g/L，首部壓力從40 kPa 增大至60 kPa 與1.5 g/L 時，首部壓力從50 kPa 增大至60 kPa 的過程中，相對流量分別增加了46.58%和30.11%；孔組5 在泥沙濃度為1.5 g/L，首部壓力從50 kPa 增大至60 kPa 時，相對流量增加了41.98%。N48-5 孔微噴帶孔組1 在泥沙濃度為0.5 g/L，首部壓力從40 kPa 增大至60 kPa 的過程中，相對流量增幅為31.74%。N60-5 孔微噴帶孔組5 在泥沙濃度為1.5 g/L，首部壓力從50 kPa 增大至60 kPa 的過程中，相對流量增加30.62%。這是因為在較低壓力時，泥沙顆粒相互碰撞，依靠顆粒間的吸附力和表面電荷作用膠結成絮團，在隨水流形成射流噴出孔口時黏結在孔口周圍，束窄孔口，從而流量下降甚至堵塞。在低壓灌水之后，增大首部壓力則可以沖開孔口周圍部分粘接不穩定的團聚體，流量會有不同幅度的回升。因此，在實際應用微噴帶的過程中，低壓灌溉之后，可以采取增加首部壓力（小于微噴帶的爆破壓力）的措施來預防微噴帶堵塞。

泥沙濃度為0.5 g/L的渾水結束灌溉時，4種微噴帶堵塞程度最大的孔組分別為孔組5、孔組2、孔組4、孔組4；泥沙濃度為1.0 g/L的渾水結束灌溉時，4種微噴帶堵塞程度最大的孔組分別為孔組3、孔組5、孔組1、孔組1；泥沙濃度為1.0 g/L的渾水結束灌溉時，4種微噴帶堵塞程度最大的孔組分別為孔組2、孔組1、孔組1、孔組2。這說明4 種微噴帶在含沙水連續灌溉的過程中，微噴帶首部和尾部更易堵塞。且單循環孔組孔數為5孔的3種微噴帶在12次灌水結束時，位于微噴帶末端的孔組4 和孔組5 在增大壓力后堵塞程度與其他孔組相比較小，這是因為在微噴帶首端渾水中泥沙含量大于末端泥沙的含量，一部分泥沙隨著水流流出，且越靠近微噴帶末端微噴帶內部流速則越低，大顆粒泥沙沉降在微噴帶底端，黏結在微噴帶末端孔口的泥沙團體的強度較低，因此在增大進口壓力時，首端孔口泥沙團體更易保持團體形態不解體。