沖洗壓力及周期對(duì)滴灌灌水器堵塞性能的影響

余興嬌，解開(kāi)婷，張桂林

（650500云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院）

0 引言

水資源短缺是世界各國(guó)面臨的重大難題，而渾水滴灌是緩解這一問(wèn)題的有效途徑[1-2]。在甘肅、內(nèi)蒙古等黃河灌區(qū)，由于水源中含沙量高達(dá)35 kg/m3，即使采用修建沉砂池和多級(jí)過(guò)濾，仍然有部分細(xì)小顆粒泥沙隨水流進(jìn)入滴管系統(tǒng)，在流道內(nèi)沉積、固結(jié)導(dǎo)致灌水器堵塞[3-6]。為減輕滴頭的堵塞，很多學(xué)者研究了滴灌灌水器迷宮流道主航道的設(shè)計(jì)[7]、泥沙的粒徑和含量[8-9]、泥沙級(jí)配[10]以及渾水表面特征和微生物增長(zhǎng)狀況[11]等對(duì)滴頭堵塞的影響，試圖揭示滴頭堵塞的誘發(fā)機(jī)制，探尋減緩滴頭堵塞的途徑。研究認(rèn)為，毛管沖洗是滴灌系統(tǒng)維護(hù)的有效措施，它可移除過(guò)濾系統(tǒng)未能濾除而進(jìn)入毛管中的泥沙。張文倩[12]等人研究發(fā)現(xiàn)，沖洗周期對(duì)滴頭流量有顯著影響，認(rèn)為毛管沖洗可以減少毛管內(nèi)泥沙淤積，恢復(fù)滴頭入口截面積，使滴頭流量保持在一個(gè)較高的水平，定期沖洗毛管能有效降低渾水滴灌中滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，且其適宜的沖洗周期為5 d；Puigbargués[13]等對(duì)地下滴灌系統(tǒng)中的研究結(jié)果表明，沖洗壓力及周期對(duì)滴頭流量并無(wú)顯著影響；Yu[14]等人研究發(fā)現(xiàn)，提高沖洗壓力能顯著提高滴頭抗堵塞性能，而沖洗周期和沖洗時(shí)間無(wú)明顯影響。目前，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下沖洗，對(duì)灌水器抗堵塞性能的影響沒(méi)有統(tǒng)一的定論，沖洗壓力和沖洗周期對(duì)灌水器抗堵塞性能影響的相關(guān)研究不多見(jiàn)，因此本研究的目的是在全試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析滴灌系統(tǒng)中3種沖洗壓力和3種沖洗頻率對(duì)灌水器堵塞的影響；此外，還研究了滴灌系統(tǒng)和滴頭殘余泥沙的粒徑分布，以確定適宜的沖洗方案，延長(zhǎng)滴灌系統(tǒng)灌水器的使用壽命。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

本試驗(yàn)采用廣泛應(yīng)用于甘肅、寧夏等地區(qū)的甘肅酒泉市大禹水利有限公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲片式迷宮流道滴灌帶，在工作壓力為0.1 MPa時(shí)，額定流量為1.48 L/h；管道外徑16 mm，壁厚0.3 mm，滴頭迷宮流道齒高0.88 mm，齒寬為1.25 mm，流道寬度為1.01 mm，流道深度為0.6 mm，流態(tài)指數(shù)0.51，流量系數(shù)1.02。試驗(yàn)所用泥沙為云南省昆明市天然砂質(zhì)紅壤土，自然風(fēng)干研磨后，參考滴灌通常采用120目網(wǎng)式過(guò)濾器。因此，該試驗(yàn)所用沙粒過(guò)120目篩網(wǎng)，其網(wǎng)眼直徑為0.125 mm[3,15]。本試驗(yàn)用于配置渾水及沖洗毛管的水都采用自來(lái)水。參照實(shí)際灌溉用水的最大含沙量0.8 g/L，為縮短試驗(yàn)周期加快堵塞，人工配制質(zhì)量濃度為3.0 g/L的渾水。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。采用高1.0 m、底徑0.5 m的2個(gè)水箱分別儲(chǔ)存渾水和清水。水箱中各放置一臺(tái)潛水泵（額定揚(yáng)程42 m，額定流量1.8 m3/h，功率1.8 kW）提供工作壓力。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test setup

渾水箱內(nèi)與水泵相連的管道設(shè)一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥和壓力表Ⅰ，與清水箱內(nèi)潛水泵相連的管道設(shè)有3根并聯(lián)管，并聯(lián)管上均裝有調(diào)節(jié)閥和壓力表Ⅱ，用于控制不同沖洗壓力，壓力計(jì)量程為0.16 MPa，精密度為0.25%。試驗(yàn)平臺(tái)（長(zhǎng)5.0 m,寬1.5 m,高0.7m）用于支撐毛管和量杯，在試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置10條毛管，每條毛管的前后端安裝了控制閥，每條毛管上布置8個(gè)滴頭，側(cè)間距為25 cm，滴頭間距為30 cm。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，以避免溫度變化對(duì)滴頭流量和防堵塞性能的影響。由于試驗(yàn)室面積的限制，試驗(yàn)分3次進(jìn)行，每天進(jìn)行一輪試驗(yàn)。首次試驗(yàn)于2020年1月8日～2月1日，重復(fù)試驗(yàn)2月5日～3月3和3月8日～4月6日的9:00～15:00進(jìn)行。試驗(yàn)分為2部分：第1部分渾水試驗(yàn)。灌水工作壓力為0.1 MPa，灌水持續(xù)時(shí)間25 min。灌水期間人工攪拌渾水，同時(shí)，打開(kāi)回水管控制閥，90%的流量在高壓下返回水箱，通過(guò)攪拌和回水的噴射作用使水和砂均勻混合，整個(gè)過(guò)程中，將1 000 mL的量杯置于每個(gè)滴頭下方，收集排出的渾水，用數(shù)字天平測(cè)量渾水質(zhì)量，數(shù)字天平的分精度為0.01 g,利用稱重法測(cè)其流量，每天的水樣均重新配制；第2部分清水試驗(yàn)。沖洗壓力和周期每種因素設(shè)置3水平。沖洗處理的詳細(xì)特性包括沖洗壓力、沖洗周期（見(jiàn)表1）。在單次實(shí)驗(yàn)中，只有一條毛管被沖洗，其余毛管的控制閥均關(guān)閉，每次沖洗時(shí)間為5 min，依次對(duì)毛管進(jìn)行沖洗。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將毛管取下放在通風(fēng)處晾干后，按照長(zhǎng)度為20 cm剪截，統(tǒng)計(jì)不同毛管位置的泥沙淤積量，并分析每個(gè)粒徑段所占比例。每組試驗(yàn)完成后，更換新的滴灌帶，將試驗(yàn)系統(tǒng)的管道、水箱沖洗3次,排出干管、支管內(nèi)淤積的泥沙接著進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表1 毛管沖洗特性表Tab.1 Flushing pressure and flushing frequency treatment

堵塞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：平均相對(duì)流量。

灌水器渾水流量與相同進(jìn)口壓力下的清水流量的比值稱為相對(duì)流量，記作qr(%)。qr越小，說(shuō)明灌水器的抗堵性能越差，當(dāng)qr＜75%，則認(rèn)為灌水器發(fā)生堵塞[16]。

相對(duì)流量計(jì)算公式如下：

式中：qr——灌水器渾水流量，L/h；i——渾水試驗(yàn)次數(shù)，共20次；q0——相同進(jìn)口壓力下灌水器清水流量，L/h。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

所有數(shù)據(jù)采用Windows版SPSS22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用主效應(yīng)方差分析評(píng)估不同因素對(duì)不同響應(yīng)變量差異的顯著性，采用MATLAB R2016a軟件作圖，分析不同沖洗壓力及周期對(duì)滴頭平均流量的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 沖洗壓力及周期對(duì)滴頭流量的影響

圖2為渾水滴灌不同沖洗周期和沖洗頻率下滴頭流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，其中，水平直線代表初始流量的75%。在整個(gè)試驗(yàn)期間隨著灌水次數(shù)的增加，滴頭平均流量有不同程度的下降，這意味著滴頭產(chǎn)生了不同程度的堵塞。D10（灌溉后無(wú)任何沖洗措施）首先達(dá)到初始流量的75%。

圖2 滴頭平均流量隨灌水天數(shù)的變化Fig.2 Average change in emitter discharge versus irrigating events

在整個(gè)灌溉事件中，D10只提供了8.9個(gè)灌溉事件，然后完全堵塞，且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其平均流量最小，其它9個(gè)灌水處理組平均正常灌水事件為14.49 d，表明灌水前的沖洗處理可以提高灌水器的防堵塞性能，延長(zhǎng)灌水器使用時(shí)間；D7提供最多的正常灌溉次數(shù)（18.7 d）。與D10相比，使用壽命提高了52.41%；D2和D8的沖洗頻率均為1次/d，沖洗壓力分別為0.003 MPa、0.120 MPa；D7比D1提高13.87%，因此，提高沖洗壓力對(duì)滴頭抗堵塞性能作用明顯；沖洗壓力相同，沖洗頻率分別為1次/d、4次/d和7次/d的D7、D8和D9與未沖洗對(duì)照使用時(shí)間分別提高了52.41%，48.56%，16.82%；隨著沖洗頻率增加，滴頭有效灌水次數(shù)逐漸增加，但是沖洗周期為1次/d和4次/d的滴頭使用時(shí)間相差不大。為節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行成本，推薦沖洗周期為4 d/次，但是沖洗周期不宜超過(guò)7 d，進(jìn)入了沖洗無(wú)效期，沖洗對(duì)滴頭流量的回升作用較小。

3.2 沖洗壓力及周期對(duì)滴頭使用壽命的方差分析

根據(jù)方差分析表2，沖洗壓力對(duì)灌溉次數(shù)有非常顯著影響（F ＞F 0.01（2，9）），而沖洗頻率對(duì)灌溉次數(shù)有顯著影響（F0.05（2，9）＜F＜F 0.01（2.9）），它們的交互作用不顯著。沖洗壓力和沖洗頻率之間的相互作用具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這說(shuō)明加強(qiáng)沖洗壓力和沖洗頻率也可以起到?jīng)_洗的作用。如圖3（a）所示，隨著沖洗壓力的增加，灌水器的使用壽命增加，在P0.003，P0.006，P0.012條件下，與非沖洗條件相比，其平均使用壽命分別提高了37.62%，43.86%，51.06%，隨著壓力的增加，灌水器的使用壽命提高，且提高的幅度較大，因此P0.012是最佳沖洗壓力；如圖3（b）所示，在沖洗周期為未沖洗，1，4和7次/d時(shí)，灌水器使用時(shí)間比未沖洗提高52.41%，48.56%，18.82%，這意味著沖洗周期為1和4次/d對(duì)灌水器使用壽命提高較小。考慮到節(jié)省人力、物力，推薦4 d沖洗一次。

表2 沖洗流速、沖洗頻率對(duì)滴頭使用壽命影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of effects of flushing pressure and flushing frequency on service life of emitters

圖3 各水平下不同沖洗壓力、沖洗頻率的滴頭平均使用壽命Fig.3 Average service life of emitters at different flushing pressures (a) and frequencies (b)

3.3 滴灌帶和滴頭內(nèi)泥沙淤積量的分析

試驗(yàn)結(jié)束后，取下所有的滴灌帶放在通風(fēng)處晾干，裁剪得出泥沙在管道內(nèi)的淤積量。由圖4可知，從毛管入水口到尾端，泥沙淤積量均呈先增大后減小的趨勢(shì)，最差沖洗組合的滴灌帶內(nèi)各段泥沙含量均小于未做沖洗組，可知沖洗能夠有效移除管道內(nèi)淤積的泥沙；最佳沖洗組泥沙淤積量最多段為8.09 g，比未沖洗組最高段12.83 g減少36.94%；未沖洗處理組泥沙淤積部位主要集中在毛管的前中段，而沖洗組泥沙主要淤積在中后段，因此，沖洗毛管可以使毛管內(nèi)泥沙顆粒在水流的推動(dòng)下逐漸向毛管尾段推移而使泥沙淤積在毛管的末端。

圖4 毛管內(nèi)沉積泥沙Fig.4 Sediment deposition in the pipeline

4 結(jié)論

本文的研究比較了在不同沖洗壓力、沖洗周期下，9種沖洗組合和未沖洗方式對(duì)滴頭流量和泥沙粒徑分布的影響，探討了灌水器的有效使用壽命，得到以下結(jié)論：

（1）9種沖洗處理的滴頭進(jìn)行正常灌溉時(shí)間平均為14.49 d，與不沖洗相比，灌水器壽命提高了38.58%，在本試驗(yàn)中，沖洗壓力及周期對(duì)灌水器有效使用時(shí)間均有影響，考慮系統(tǒng)的運(yùn)行成本及沖洗效果，推薦使用的灌水壓力和灌水周期分別為0.012 MPa，4 d。

（2）沖洗處理對(duì)灌水器發(fā)生局部堵塞的位置有影響，未沖洗處理組77.5%～82.2%的局部滴頭堵塞發(fā)生在管道的前、中段，沖洗組70.3%～85.6%發(fā)生在中后段。

（3）毛管沖洗能有效移除管道內(nèi)沉積泥沙，恢復(fù)滴頭入口截面積，降低小粒徑泥沙膠結(jié)絮凝成大顆粒的機(jī)率，從而提高滴頭抗堵塞性能。

本文通過(guò)探究渾水滴灌條件下沖洗壓力及周期對(duì)灌水器堵塞的影響得到一些結(jié)論，但僅限于考慮不同的定壓和沖洗頻率對(duì)滴頭使用，未考慮動(dòng)壓沖洗對(duì)滴頭的作用，在后續(xù)的試驗(yàn)中應(yīng)加以完善。