不同加氣和粒徑條件下渾水滴灌滴頭堵塞特性研究

牛文全 張二信 呂 暢 孫 軍 董愛紅 鄔夢龍

(1.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

滴灌過程中，滴頭附近作物根區土壤處于低氧狀態，易造成植物根系缺氧，嚴重時會影響作物根系的正常生理活動。加氣滴灌具有協同調節作物根區水、肥、氣狀況，改善根系生長環境，緩解作物根部缺氧問題，提高作物水肥利用效率、果實產量和品質等優點，被廣泛應用于蔬菜、大田作物和果樹種植上[1-3]。地下滴灌是加氣灌溉的最佳方法，但滴頭狹窄的流道易被水中的顆粒、化學沉淀、溶解鹽、微生物和其他雜質堵塞[4]，眾多學者試圖通過過濾設備配置、滴頭流道優化及毛管沖洗等方法解決堵塞問題[5-7]，但該難題至今仍沒有得到很好解決。

灌溉水源的復雜性決定了滴頭堵塞類型的多樣性，一般有物理、化學和生物堵塞3種類型。灌溉水中細小泥沙顆粒(粒徑小于0.1 mm)易在流道內發生聚積、沉降、黏附等行為造成滴頭發生物理堵塞[8-9]，文獻[10]發現粒徑為0.031～0.038 mm的泥沙在流道內易發生團聚行為形成團聚體，黏附于流道壁面不易隨水流輸出，文獻[11]研究表明，毛管中粒徑為0.10～0.15 mm的泥沙主要以推移質的形式進入灌水器，且易引發滴頭發生突然完全堵塞。此外，水力特性的改變會影響懸浮顆粒運移過程中所受的黏滯阻力、摩擦力等，從而對滴頭抗堵塞性產生影響。文獻[12]研究發現，加氣能夠改變水流水力特性，增大水流流速，文獻[13]發現，微氣泡破碎時產生巨大的能量能夠加速周圍顆粒的運移，文獻[14]研究表明，加氣能夠減小壁面的摩擦阻力，降低水流能量損失。目前，對于細小顆粒造成的滴頭堵塞問題，多采用多級過濾器組合模式來減緩滴頭堵塞，但這些措施極大增加了滴灌成本和能源損耗[15]。明確細顆粒泥沙在加氣條件下的輸移、淤積規律，進而采取合理的管控措施來緩解滴頭堵塞，減輕過濾系統負荷，對提高滴灌系統運行效率具有重要意義。

目前，針對加氣條件下細小泥沙對滴頭堵塞的影響研究較少，且加氣對滴頭堵塞機理的影響尚不明確。為此，本文通過研究加氣對不同粒徑渾水滴灌滴頭堵塞的影響，對比分析加氣前后滴頭堵塞物結構及毛管淤積泥沙粒徑的變化，以探明加氣滴灌堵塞機理，為提高加氣滴灌系統滴頭抗堵塞能力提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

據調查[16]，寧夏段黃河引水渠含沙量為0.61～1.1 g/L，故試驗配置渾水含沙量為1 g/L，試驗泥沙采自渭河漫灘，由于目前滴灌設備中多采用150目的過濾器，即通過過濾器的最大顆粒粒徑為0.1 mm[17]，所以本研究選取泥沙最大粒徑為0.1 mm，同時根據泥沙顆粒在水中的跟隨性[17]、泥沙顆粒對堵塞的危險性[18]以及已有研究確定的滴頭堵塞敏感粒徑范圍[10,19]，將采集的泥沙經自然風干后過篩，分為5種粒徑范圍，配置5種不同粒徑級配的渾水，泥沙顆粒機械組成如表1所示。試驗用水為楊凌自來水，pH值為7.83～8.03，懸浮物質量濃度為106～152 mg/L，電導率為217.3～372.6 μS/cm，總硬度為71～81 mg/L，細菌的菌體濃度小于1 CFU/mL，符合灌水標準。

表1 試驗用渾水的泥沙機械組成Tab.1 Mechanical composition of sediment particle size of muddy water for experiment

依據文獻[20]的研究，內鑲貼片式滴頭更適用于引黃灌區灌溉，故本試驗選用內鑲貼片式滴頭(圖1)進行渾水測試，滴灌帶參數為：額定流量2.5 L/h，毛管外徑16 mm，壁厚0.2 mm，流道深(Z)0.63 mm，流道寬(W)0.60 mm，流道長18.71 mm，齒間距(L)1.40 mm，齒間角37°。

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由抗堵塞測試平臺和加氣裝置組成，如圖2所示。抗堵塞測試平臺由蓄水箱(長度、寬度、高度均為60 cm)、水泵(功率0.75 kW，揚程60 m)、過濾器(120目網式過濾器)、攪拌機(功率0.75 kW)、壓力表(量程0.25 MPa，精度0.001 MPa)、控制閥門、支管以及待測試毛管等組成。毛管布置于測試架上(長度6 m、寬度0.5 m、高度1 m)，共3個測試架，每個架子上鋪設3根長6 m滴灌帶，每根滴灌帶有22個滴頭，滴頭間距為25 cm。加氣裝置為FRGW-10型水肥氣耦合機(河南豐潤環保科技有限公司生產)，經前期測定，最優加氣時長為5 min，加氣壓力0.45～0.46 MPa，加氣后形成乳白色水氣混合液(水中微氣泡粒徑為15 μm，溶氧量為8.36～8.45 mg/L)。

1.3 試驗方案和方法

試驗分為清水試驗和渾水試驗兩部分。

1.3.1清水試驗

清水試驗包括加氣和未加氣清水測試，測試壓力為0.02～0.12 MPa，壓力間隔為0.02 MPa。測試前對測試平臺進行沖洗，以保證試驗數據的可靠性。測試方法：打開測試平臺閥門，將壓力表的示數調節至測定壓力，待示數穩定后，將燒杯(1 000 mL)置于毛管下方測定每個滴頭的流量，測定時長為10 min，每組重復3次，取均值，清水流量計算公式為

q=kdhx

(1)

式中q——清水流量，L/h

h——進口壓力，kPa

kd——流量系數

x——流態指數

1.3.2渾水試驗

選用了1種齒形迷宮流道滴頭的滴灌帶，分別在加氣和不加氣條件下進行短周期灌水試驗，測試不同粒徑渾水滴灌滴頭堵塞狀況，渾水泥沙粒徑級配如表1所示，渾水試驗共計10組。

1.3.3試驗過程

試驗在西北農林科技大學水力學大廳內進行，試驗開展時間為2021年4—6月，試驗測試時，先按照1.3.1節進行清水試驗，后進行短周期間歇性渾水試驗。灌水壓力控制在0.1 MPa，單次灌水持續時間為1.5 h，相鄰灌水間歇時間為0.5 h。每次灌水結束前10 min壓力表的示數穩定在0.1 MPa后測定毛管各滴頭流量，重復3次取平均值，當累計灌水44次后結束測試。取下毛管置于通風處晾干，剖開毛管收集毛管淤積物和滴頭堵塞物，并用S-4800型場發射掃描電鏡和APA2000型激光粒度儀對滴頭堵塞物結構、毛管淤積物粒徑分別進行觀測。為保證渾水的均勻性，灌水期間攪拌機持續工作。每個處理灌水結束后，更換新的毛管并對測試平臺進行沖洗。

1.4 評價指標和方法

采用平均相對流量Dra和灌水均勻度Cu來評價滴頭整體的堵塞程度[21]，一般Dra小于75%或Cu小于80%時判定滴頭發生堵塞[22-23]。堵塞率計算公式為

(2)

式中n——滴頭總數，個

nc——發生堵塞的滴頭數，個

1.5 數據處理

采用SPSS 25.0軟件進行統計分析，采用主效應方差分析泥沙粒徑和加氣對滴頭堵塞的影響，用LSD(最小顯著差異)法檢測各處理組間相對流量及堵塞物的差異性，利用Origin 2021和CAD 2014軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 加氣對滴頭水力性能的影響

將不同壓力下測定的滴頭流量代入式(1)，通過曲線擬合得到水力特性曲線如圖3所示，可看出加氣增大了滴頭的流量系數，降低了流態指數。流量系數kd越小說明流量波動越小，而流態指數x越小說明滴頭流量對進口壓力越不敏感[24]。因此，本試驗中加氣增大了水流波動，降低了流量與壓力之間的敏感度。對比同一壓力下不同處理的滴頭流量，可發現加氣增大了滴頭流量。

2.2 加氣對滴頭平均相對流量及灌水均勻度的影響

滴頭Dra和Cu隨灌水次數的變化曲線如圖4所示。不同粒徑渾水加氣處理的滴頭Dra和Cu下降速率大于未加氣處理，其中，D2渾水Dra下降速率最快，易造成滴頭堵塞，D1渾水Dra下降速率最慢，不易造成滴頭堵塞。試驗結束時，加氣處理的滴頭Dra和Cu比未加氣處理低9～18.7個百分點和16.2～36.4個百分點。

灌水初期，加氣處理的滴頭Dra和Cu隨時間增長呈緩慢下降趨勢，而未加氣處理的滴頭Dra和Cu在95%附近波動。當灌水15次時，加氣處理的D3、D4渾水最先引發滴頭堵塞，流量比未加氣處理分別低17.4、22.0個百分點，加氣處理的滴頭Dra和Cu下降速度大于未加氣處理。灌水30次后，5種渾水加氣處理的滴頭Dra均小于75%，滴頭發生嚴重堵塞，而未加氣處理中只有D2和D4渾水的滴頭發生了堵塞。5種渾水加氣處理的滴頭Dra分別比未加氣處理低11.3、27.0、11.3、11.9、31.4個百分點，D5渾水加氣與未加氣處理的差異性最大。灌水結束時，D1、D2、D3、D4和D5渾水加氣處理的滴頭Dra分別比未加氣處理低18.6、18.4、9、8.9、18.7個百分點，Cu分別低36.3、26.8、16.2、28.5、36.4個百分點。

灌水結束時，滴頭流量方差和顯著性分析結果表明(表2、3)，泥沙粒徑和加氣對滴頭堵塞具有極顯著性影響(P<0.01)，且交互作用也極顯著，表明加氣加劇了滴頭堵塞，且與泥沙級配密切相關(表2)。D1渾水加氣處理的滴頭Dra、Cu與D3、D4、D5渾水處理差異性顯著(表3)，整個灌水過程中該渾水處理的滴頭Dra、Cu均保持在最高的水平，表明D1渾水相比其他粒徑渾水造成滴頭堵塞的程度較輕，且各滴頭堵塞程度差異性較小。

表2 泥沙粒徑、加氣對滴頭流量影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of influence of sediment particle size and aeration on flow rate of dripper

表3 不同處理的滴頭平均相對流量和灌水均勻度顯著性分析

2.3 滴頭相對流量和灌水均勻度的動態變化

從滴頭Cu和Dra擬合結果(圖5)可以看出，滴頭Dra和Cu具有明顯的協同性，兩者均隨著灌水次數的增加而同步減小，D1～D4渾水加氣處理的Cu和Dra擬合斜率為0.312～0.752，明顯小于未加氣處理的0.371～0.915，而D5渾水則相反。斜率越小表明該滴頭越易發生突然堵塞，因此，加氣加劇了D1～D4渾水滴灌滴頭突然堵塞的發生，減緩了D5渾水滴灌滴頭突然堵塞的發生。加氣與未加氣處理斜率的差異性隨泥沙最大粒徑的減小而增大(D2～D5渾水加氣處理的擬合斜率分別是未加氣處理的0.822、0.84、0.87、1.46倍)。這是由于滴頭流道尺寸較小，無論加氣與否，易發生沉降的大顆粒泥沙均易引發滴頭發生突然堵塞，而對于小顆粒而言，未加氣時流道內沉積的泥沙易隨水流沖出，滴頭Dra和Cu下降速率緩慢，而加氣時泥沙黏附加劇造成滴頭Dra和Cu下降較快(圖4)，因此，泥沙最大粒徑越小，加氣處理的滴頭Dra和Cu協同性較未加氣處理差異性越大。

2.4 泥沙粒徑對滴頭堵塞率的影響

不同處理的滴頭堵塞率統計結果如圖6(圖中不同大寫字母表示不同粒徑之間差異顯著，不同小寫字母表示加氣與未加氣處理之間差異顯著(P<0.05)，下同)所示。加氣處理的滴頭堵塞率顯著高于未加氣處理(P<0.05)，D1～D5渾水未加氣處理的堵塞率為23.9%～46.3%，加氣處理的堵塞率為37.3%～61.2%，比未加氣處理增大13.4～14.9個百分點。無論是否加氣，5種渾水灌溉滴頭堵塞率從大到小均依次為D2、D4、D5、D3、D1，表明滴頭堵塞的程度主要由泥沙機械組成所決定。加氣處理下D1渾水的堵塞率與D2～D4渾水的堵塞率差異性顯著(P<0.05)，且其堵塞率最低，表明D1渾水加氣灌溉條件下，滴頭經過長時間的灌溉后仍具有較強的出流能力，這與圖4中D1渾水加氣處理的滴頭Dra和Cu隨時間變化表現出的規律一致。

2.5 加氣對毛管泥沙淤積量的影響

不同處理的毛管淤積泥沙參數如表4、5所示。加氣顯著降低了毛管淤積物質量、減小了淤積泥沙中值粒徑、增大了淤積物比表面積，且各處理間差異性顯著(P<0.05)。加氣處理的毛管淤積物質量隨著泥沙最大粒徑的減小而增大，未加氣處理無明顯規律，加氣處理的毛管淤積物質量較未加氣降低8.75%～31.92%。泥沙中值粒徑隨著泥沙最大粒徑的減小而減小，比表面積則相反，D1～D5渾水加氣處理的中值粒徑為未加氣處理的0.64、0.88、0.89、0.91、0.93倍，較未加氣減小8.59%～35.64%，比表面積為未加氣處理的1.59、2.33、1.23、1.19、1.01倍，較未加氣增大6.01%～132.81%。泥沙中值粒徑越大，表明沉積的大顆粒泥沙越多，比表面積越大表明沉積的細顆粒泥沙越多。因此，加氣促進了毛管內泥沙運移和大顆粒的排出，且其對泥沙運移的影響作用隨泥沙最大粒徑的減小而減弱。

表4 不同處理毛管淤積物狀況Tab.4 Status of capillary deposits in different treatments

2.6 加氣對滴頭堵塞物和流道堵塞位置的影響

加氣顯著影響滴頭堵塞物質量(P<0.05)，減少了D1、D2和D3渾水處理的滴頭堵塞物質量，增大了D4和D5渾水處理的滴頭堵塞物質量，D1、D2和D3渾水加氣處理的滴頭堵塞物質量較未加氣處理低8.92%～51.00%，D4和D5渾水則高5%～29.8%(圖7)。加氣增大了流道入口堵塞風險，降低了流道完全堵塞的風險(表6)，5種渾水加氣處理的流道完全堵塞占比分別比未加氣處理低0.6、7.6、6.7、5.0、4.4個百分點，流道入口堵塞分別高3.3、10.3、10.0、6、2.9個百分點。加氣增大了水流紊動性，促進了流道內大顆粒泥沙輸移，小顆粒泥沙在氣泡橋力作用下易發生黏結不易被水流沖出，因此加氣降低了D1～D3渾水處理的堵塞物質量，增大了D4～D5處理的堵塞物質量。

表5 毛管沉積泥沙粒徑分布情況Tab.5 Particle size distribution of capillary sediments %

表6 不同處理下滴頭堵塞位置占比統計Tab.6 Statistics of proportion of position where dripper was blocked under different treatments %

為確定滴頭堵塞參數之間的關系，計算了相對流量、灌水均勻度、堵塞率、毛管淤積物質量(M)、滴頭堵塞物質量(m)、比表面積(SSA)、泥沙中值粒徑(SMS)、滴頭完全堵塞占比(AB)、滴頭入口堵塞占比(EB)、滴頭中部堵塞占比(CB)和滴頭出口堵塞占比(BO)各參數之間的Spearman相關系數(圖8，圖中**表示P<0.01，*表示P<0.05)。Dra和Cu與毛管淤積物質量、滴頭堵塞率相關系數最大，說明毛管淤積物質量和滴頭堵塞率也是影響滴頭抗堵塞性能的重要因素。Dra和Cu與毛管淤積物質量呈顯著正相關關系(r=0.8～1.0,P<0.05)，與滴頭堵塞率呈顯著負相關關系(r=-1.0～-0.8，P<0.05)。毛管淤積泥沙對滴頭堵塞位置有極顯著的影響(P<0.01)，毛管淤積泥沙中值粒徑越小、泥沙比表面積越大，越易引發滴頭流道堵塞。

3 討論

泥沙顆粒相互碰撞后發生凝聚、沉降行為堵塞流道被認為是造成滴頭堵塞的根本原因[8]。文獻[25-26]發現水中加氣能夠改變毛管內水動力特性，降低壁面對泥沙顆粒的阻力，從而有效提升輸沙效率，減緩泥沙沉降。文獻[27]研究表明，微納米氣泡橋接過程會產生很強的長程疏水作用力，可提高粗顆粒與氣泡的粘附能力，減小脫落概率，促進水流對泥沙顆粒的運移，這與本研究結果一致。此外，本研究還發現加氣對泥沙輸移的促進作用隨著泥沙最大粒徑的減小而逐漸減弱(表4)。由于沉積的大顆粒在毛管運移時主要受內壁摩擦阻力的影響[28]，當泥沙顆粒沉積時會與毛管內壁發生碰撞導致沉積平均速度反向，而大顆粒的反向速度大于小顆粒[29]，從而降低了大顆粒的沉積、減小了毛管內壁摩擦阻力。此外，加氣增大了水流波動，提高了水流流速(圖3)，進一步促進了大顆粒的運移，而細小顆粒(粒徑小于0.031 mm)在其負電荷作用下易在毛管內壁發生絮凝堆積，堆積物黏附力較強不易隨水流沖動，增大了內壁摩擦阻力[30-31]，減緩了泥沙在毛管內的運移。同時，細顆粒泥沙在微氣泡的橋接作用下易形成絮團，增加了泥沙與氣泡的接觸面積，從而提升了泥沙顆粒碰撞概率、增大了顆粒與氣泡的黏附概率，加速了細顆粒泥沙在毛管內壁的黏附，有效提高了毛管絮團泥沙密度[32-33]，因此，加氣減緩了大顆粒泥沙沉積，而增大小顆粒沉積(表5)。文獻[34]研究表明，微氣泡能夠吸附水中懸浮顆粒，增大大顆粒的沉降，減緩小顆粒的沉降。這與本研究結果存在差異，文獻[34]試驗研究泥沙為微細粉塵顆粒，其黏性顆粒占比較高，大顆粒發生絮凝沉降后形成密實度較高、體積較大的沉積物，沉積物粘附性較強且形狀不易發生破碎。而本研究中使用的河沙孔隙率較大，黏粒占比較低，發生沉降的泥沙顆粒之間黏結力較弱，較易隨水流以懸移質形式向前運移[35]。因此，加氣對泥沙輸移的影響與泥沙性質、粒徑等密切相關。

此外，文獻[36]研究結果表明，泥沙顆粒與氣泡之間存在的長程疏水力在顆粒間的團聚、氣泡與顆粒的碰撞吸附過程中發揮了重要的作用，而泥沙顆粒大小是影響長程疏水力的最主要因素。本研究發現不同粒徑渾水灌溉時，加氣減少了D1、D2和D3渾水處理的滴頭堵塞物，增大了D4和D5渾水處理的滴頭堵塞物(圖7)。這是因為加氣增大渾水中大顆粒泥沙的運移的同時，導致小顆粒泥沙被滯留于毛管和流道內(表5)，隨著灌水時間的增加，沉積的細小顆粒逐漸增多，而細小顆粒在微氣泡的絮凝促進作用下逐漸發生聚團[37]，當隨水流進入流道時，流道入口處流速驟減，使得一部分泥沙在此沉積，隨著泥沙粒徑減小，黏性泥沙占比逐漸增多，流道入口處沉積黏附泥沙增多，形成粗糙的壁面粘附層造成滴頭堵塞[8]。而D1～D3渾水機械組成主要以沙粒為主，水流對該粒徑段(0.05～0.1 mm)泥沙大顆粒輸移大于小顆粒的沉降，從而減少了流道淤積物質量，而D4、D5渾水則相反。因此，加氣加劇了小顆粒在流道入口黏附，加速了流道入口堵塞(表6)是造成滴頭堵塞的主要原因(圖4)。文獻[28]研究表明，通過沖洗可以減少細顆粒泥沙沉積，降低絮凝率，抑制堵塞物的形成從而降低流道入口堵塞的風險。建議進行毛管沖洗以減緩流道入口堵塞風險。

從滴頭堵塞物結構觀測圖可以看出(圖9)，加氣條件下的堵塞物結構較為緊密，而未加氣較為松散，這是由于加氣增大了細小顆粒沉積造成的。5種渾水中，D1、D2、D3渾水大顆粒泥沙占比較高(表1)，易在重力作用下沉降形成堆積體，引起滴頭堵塞。同時由于微氣泡吸附泥沙顆粒的負電荷，增大了微氣泡的界面電位和顆粒間的非鍵能，促進了細小顆粒在大顆粒表面黏附[38-39]，減小了顆粒間孔隙(圖9)，增大了堆積體密實度，滴頭堵塞后堆積體不易在水流剪切作用下發生破壞，因此，加氣處理的滴頭堵塞更為嚴重(圖4)。而D4、D5渾水小顆粒泥沙占比較高，細小顆粒在微氣泡的橋力作用、顆粒間的吸附水膜促進作用下形成團聚體的機率相比其他粒徑泥沙較大[38,40]，同時加氣水流紊動性較大提升了顆粒間碰撞頻率，增大了團聚體的密實度，從而加劇了滴頭堵塞。D5渾水加氣處理的堵塞物團聚體體積雖然最大，但形成的團聚體缺少大顆粒骨架，沉積泥沙顆粒易被水流夾帶流出流道[41]，這也是該粒徑渾水流量下降較為緩慢的主要原因。D2渾水加氣處理的堵塞物中基礎骨架顆粒較多，且顆粒間孔隙率較小密實度高，不易隨水流帶出流道，從而表現出D2渾水加氣處理的流量下降速率最快(圖4)。D1渾水沙粒占比小于D2渾水，黏粒占比小于D3和D4渾水，因此，其沉積泥沙堆積和絮凝作用較為緩和，從而表現出D1渾水流量下降最慢(圖4)。

4 結論

(1)加氣和泥沙粒對滴頭堵塞具有極顯著影響(P<0.01)，加氣加劇了滴頭堵塞。泥沙粒徑為0.075～0.100 mm的渾水流量下降速率最快，粒徑為0～0.100 mm的渾水流量下降速率最慢，與未加氣處理相比，加氣處理滴頭平均相對流量和灌水均勻度低9～18.7個百分點和16.2～36.4個百分點。

(2)加氣增大了水流波動，促進了毛管內泥沙運移和大顆粒的排出，減小淤積泥沙中值粒徑，且加氣對泥沙運移的影響作用隨泥沙最大粒徑的減小而減弱。與未加氣處理相比，加氣處理毛管淤積物質量降低8.75%～31.92%，淤積泥沙中值粒徑減小8.59%～35.64%。

(3)加氣對流道淤積物影響顯著(P<0.05)，加氣對0.050～0.100 mm粒徑渾水中大顆粒的運移作用大于小顆粒的沉降作用，減少了流道淤積物，而對0～0.050 mm粒徑渾水作用則相反：加氣加劇渾水中細小顆粒在流道入口黏附，是造成滴頭堵塞的主要原因。