動態水壓對迷宮流道滴頭抗堵塞性能影響與機理分析

喻黎明 余興嬌 郭歡歡 王田田 崔寧博 李 娜

(1.昆明理工大學農業與食品學院， 昆明 650500; 2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室， 成都 610065)

0 引言

我國干旱、半干旱地區灌溉用水日趨緊張，采用含沙率較高的地表水源作為滴灌水源，是緩解這一問題的有效途徑之一[1]。但由于滴灌滴頭流道狹窄(僅0.5～1.2 mm)和復雜的幾何結構，水中多種沉積物容易導致滴頭堵塞，灌水質量降低，進而對作物的生長和產量產生較大的影響[2-3]。滴頭堵塞會造成植物之間水分分配不均，虧缺灌溉會限制作物的生長，甚至造成作物枯萎。相反，過量灌溉會影響作物根系呼吸，導致作物減產。

近年來，國內外許多學者在滴頭堵塞方面已經做了大量的探索[4-8]，為解決滴頭化學堵塞，提出了對灌溉水源進行磁化處理[9]，或者在灌溉水源中添加酸性物質降低pH值從而防止化學沉淀造成堵塞[10]。對于生物堵塞，ZHOU等[11]建議使用曝氣生物濾池(BAF)處理。農業灌溉中，物理堵塞是最普遍、最常見造成滴頭堵塞的直接原因。為解決物理堵塞，大量學者進行了廣泛的研究，如ADIN等[12]的鱗片層過濾器、JOSEP等[6]的網式過濾器及陶洪飛等[7]的重力沉沙過濾器，試圖通過控制水源泥沙含量來減緩堵塞。YU等[13]、PUIGBARGUéS等[14]采用優化灌溉運行方式來維持滴灌系統長期安全運行。此外，一些研究人員認為除了改進滴灌系統過濾裝置，優化滴灌系統運行模式外，改變滴頭流道結構也是解決滴頭堵塞的有效途徑，TAYLOR等[15]分析了造成滴頭堵塞的原因，指出滴頭結構設計是造成堵塞的重要因素。仵峰等[16]對地下滴灌系統進行了研究，將滴頭堵塞歸因于泥沙顆粒的絮凝、固結，并建議通過優化流道結構來減緩堵塞。ADIN 等[17]利用污水灌溉進行了大田試驗，指出滴頭流道結構對堵塞有重要影響，建議加寬和縮短流道、修整凸齒上的直邊等措施來改進、設計流道。 魏正英等[18]、喻黎明等[19]采用數值模擬和粒子圖像測速(PIV) 技術，分析了迷宮流道的速度場、壓力場與滴頭抗堵塞性能之間的內在聯系，以此來優化流道結構。盡管對滴頭堵塞的研究越來越深入，但目前滴頭堵塞問題仍然沒有完全解決。

特別是在我國北方，例如黃河、寧夏灌區等取水含沙量非常高(平均含沙量達1.20～35.0 kg/cm3)，且90%以上的泥沙粒徑小于50 μm，即使經過沉淀、多級過濾，仍有大量的細小顆粒泥沙進入滴灌系統，最終造成滴頭堵塞。基于這種情況，WEI等[20]指出動態水壓能夠大幅降低滴頭堵塞風險。 王聰等[21]通過正交試驗，分析了動態水壓處理下不同參數對滴頭流量、抗堵塞性能的影響，指出動壓灌溉能夠顯著提高滴灌系統的灌水均勻度和灌水質量。曹蒙等[22]通過對滴頭內部流場進行CFD模擬，得到動態水壓處理迷宮流道滴頭內水流紊動劇烈，挾沙能力增強，從微觀角度揭示了動態水壓的抗堵塞機理。ZHANG等[23]發現動態水壓下滴頭流道內的湍流高于恒定水壓，且流道內的湍流強度為20～30 kPa時滴頭的抗堵塞性能最強。然而，利用動態水壓研究滴頭抗堵塞性能及堵塞機理的較少。

為此，本文在昆明理工大學實驗室內進行現場加沙的渾水滴灌試驗，評估3種不同水壓模式對滴頭抗堵塞性能的影響，并對不同水壓模式造成滴頭堵塞差異的原因進行機理分析，為改進迷宮流道滴頭工作壓力設計提供理論參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗在昆明理工大學實驗室進行，滴灌系統的布置如圖1所示。試驗設置3個處理組，其中2個動態水壓處理組(三角函數波形動態水壓處理3條毛管分別表示為M1、M2和M3；臺階波形動態水壓處理3條毛管為M4、M5、M6)，恒定水壓處理3條毛管分別表示為M7、M8、M9。恒壓處理通過控制球閥將工作壓力維持在50 kPa，動壓處理的臺階波形水壓和三角函數波形水壓通過可編程控制器(PLC)和變頻器控制。所有毛管均取自同一卷滴灌帶，每條毛管長為10 m，毛管間距為40 cm，每條毛管裝配30個滴頭，毛管的前、后兩端均裝有蝶閥，為確保試驗的準確性，第一輪渾水灌溉試驗結束，待水箱、干管、支管沖洗干凈后，更換新的滴灌帶，設置滴灌帶的滴頭朝向毛管頂部。

圖1 滴灌系統試驗平臺Fig.1 Drip irrigation system testing platform1.球閥 2.水泵 3.配電箱 4.變頻器 5.PLC控制器 6.計算機 7.蝶閥 8.毛管 9.水箱 10.壓力計

1.2 試驗方法

試驗選用大禹節水集團股份有限公司生產的內嵌式齒形迷宮流道滴頭滴灌帶。滴灌帶的結構參數為：外徑16 mm，壁厚0.36 mm，流道深0.61 mm，流道寬1.02 mm，迷宮流道齒高0.86 mm，齒寬1.25 mm，齒間角38.5°，經清水試驗測試得到工作壓力為50 kPa時，流態指數為1.12，流量系數為0.49，清水流量為1.52 L/h。

配制渾水試驗用土取自云南省昆明市呈貢區的砂壤土，由于滴灌系統中通常采用120目網式過濾器進行過濾，其網孔直徑為0.125 mm[24]，因此本試驗的底泥經自然風干研磨后過120目篩網。黃河流域、內蒙古等地區的農業灌溉中，渾水灌溉的含沙量為2～7 g/L[25]，本試驗設置渾水質量濃度為5.0 g/L。打開攪拌器進行攪拌，使泥沙均勻分布在水箱中，開啟變頻器設置運行參數，調節完畢，待壓力穩定后，進行灌溉試驗，每次灌水時，隨機收集每條毛管上3個滴頭排出的渾水樣本，利用稱重法測量滴頭的流量(每次測量時間持續30 min,測量3次)，將測量后的渾水樣本倒入渾水收集箱中，充分混合后取樣，利用激光粒度儀進行分析，以獲得所有灌溉次數滴頭排出泥沙的級配和粒徑分布。滴灌的工作壓力在50～400 kPa之間[26]，為減少能源損耗，試驗選定恒定水壓為50 kPa，2種動態水壓的最大值為80 kPa，最小值為20 kPa，波動周期為30 s，水壓變化示意圖如圖2所示。

圖2 水壓示意圖Fig.2 Schematic of water pressure

1.3 滴頭堵塞物質的粒徑分布

不同水壓模式的渾水灌溉中，分別在滴灌系統運行6、12、18、24、30、36、45次灌水時采集滴頭樣本，從滴灌帶的首端、尾端各采集1個滴頭樣本，將采集的滴頭樣本放入不同的密封袋中，冷藏。用精度為1.0×10-4g的電子天平稱量。通過超聲波處理去除滴頭內壁上的堵塞物質，然后將其放入溫度為50℃的真空干燥箱中干燥，質量之間的差值為沉積在滴頭內堵塞物質量，每種水壓模式下，測量6個樣本，取其平均值為最終結果，整個灌水過程中共測量126(2×3×3×7)個滴頭樣本。然后將滴頭內的堵塞物質加水充分混合，加入分散劑，攪拌均勻，利用激光粒度儀(Mastersizer 2000型, Malven Instruments Ltd.，英國)對滴頭內堵塞物質進行級配和粒徑分析，根據黏粒(粒徑d<2 μm)、粉粒(2 μm≤d≤50 μm)和砂粒(d>50 μm)的比例，計算獲得滴頭內堵塞物質黏粒、粉粒、砂粒的質量。

2 結果與分析

2.1 不同水壓模式對灌水均勻度的影響

圖3為不同水壓模式下滴頭流量與灌水次數的關系，水平直線代表滴頭初始流量的75%，一般認為滴頭流量下降至75%初始流量時，滴頭發生堵塞。清水試驗獲得不同水壓模式下滴頭的初始流量，2種動態水壓處理下滴頭的初始流量低于恒定水壓處理下滴頭的流量，但兩者相對偏差較小，分別為1.32%、0.97%，表明動壓灌溉不會影響滴灌系統的供水能力。由圖3可知，隨著灌水次數的增加，恒壓處理滴頭平均流量的下降幅度大于動壓處理，且滴頭僅經過14.33次灌水后平均流量下降至初始流量的75%以下，滴頭出現堵塞，滴灌系統的使用壽命終止。2種動態水壓處理滴頭的平均流量下降相對緩慢，三角函數波形動態水壓下，滴頭的使用壽命最長，經歷26.01次灌水后滴頭出現堵塞。臺階波形動態水壓下，滴頭經歷25.31次灌水后出現堵塞，三角函數波形動態水壓滴頭的使用壽命僅比臺階波形動態水壓滴頭的使用壽命增加2.77%，2種動態水壓處理下滴頭的平均使用壽命比恒壓處理下延長了79.06%。結果表明動態水壓下滴頭的抗堵塞性能顯著優于恒壓，但動態水壓的波形變化對滴頭抗堵塞性能影響較小。其原因是動態水壓模式下，壓力水頭不斷發生變化，流道內水流紊動劇烈，形成的水波效應使得流道內的顆粒不斷運動，提高了水流的挾沙能力，進而提高了滴頭的抗堵塞性能。

圖3 不同水壓模式下滴頭平均流量與灌水次數的關系Fig.3 Relationship between average emitter discharge and irrigation time for different pressure patterns

2.2 不同水壓模式對滴頭堵塞數量和堵塞位置的影響

短周期間歇性灌溉試驗中，滴頭流量下降至初始流量的75%以下時，視為滴頭發生堵塞，3種不同水壓模式下，滴頭堵塞數量隨灌水次數的變化如圖4所示，恒壓處理下，灌水10次后滴頭出現堵塞，滴頭堵塞數量為2個。臺階波形動態水壓下，灌水13次后滴頭堵塞數量為1個。灌水45次后，恒壓處理滴頭堵塞數量達到18個，2種動態水壓處理滴頭堵塞數量分別為8、7個，與恒壓灌溉相比，滴頭發生堵塞的數量分別減少了55.56%、61.11%。恒壓灌溉時，堵塞滴頭數量隨灌水次數的增加呈規律的上升趨勢，而2種動態水壓處理滴頭堵塞數量呈循環往復的變化。結果表明動態水壓處理滴頭堵塞數量明顯少于恒壓處理，動壓灌溉能夠降低滴頭發生堵塞的風險。

圖4 不同水壓模式下滴頭堵塞數量與灌水次數的關系Fig.4 Relationship between number of clogged emitters and irrigation time with different pressure patterns

灌水試驗結束，待所有滴灌帶干燥后剖開，滴頭堵塞位置見圖5、6，不同水壓模式下迷宮流道滴頭內泥沙沉積的位置統計見表1。滴頭堵塞分為3種類型：①入口及流道前半段堵塞。②入口和流道完全堵塞。③流道隨機堵塞。從表1可以看出，恒定水壓處理滴頭發生第1類堵塞的數量達13個，占滴頭堵塞總量的68.42%，發生第3類堵塞的數量占10.53%。 這與仵峰等[16]、牛文全等[27]的研究結果一致。

圖5 恒定水壓滴頭的堵塞情況Fig.5 Degree of emitter clogging at constant pressure patterns

圖6 動態水壓滴頭的堵塞情況Fig.6 Degree of emitter clogging at fluctuated pressure patterns

表1 滴頭堵塞位置統計Tab.1 Statistics of emitters clogged position

臺階波形動態水壓和三角函數波形動態水壓下，滴頭發生第1類堵塞的數量僅占12.50%、14.28%，而發生第3類堵塞的數量高達62.50%和71.44%。原因可能是動態水壓下，滴頭流道內水流流速時刻變化，水流擾動劇烈，渾水中的泥沙不易在迷宮流道滴頭入口位置停留。此外，動態水壓處理下，水流剪切變化快，泥沙容易隨水進入流道，在灌水間歇期，泥沙容易和水中的雜質絮凝、固結流道內壁，造成迷宮流道的隨機堵塞。

2.3 不同水壓模式對滴頭內堵塞物質量的影響

不同水壓模式下滴頭內堵塞物質的總質量及線性回歸曲線如圖7所示。滴頭內堵塞物質的質量隨灌水次數的增加均呈現上升趨勢，灌水結束時，恒定水壓處理滴頭內堵塞物質的總質量達到29.48 mg，2種動態水壓處理滴頭內堵塞物質的總質量分別比恒定水壓處理減少了10.71%、14.23%。說明動壓處理能夠減少泥沙沉積在滴頭內，從而降低滴頭發生過早堵塞的風險，提高滴頭的抗堵塞性能。

圖7 滴頭內堵塞物質的總質量和線性回歸曲線Fig.7 Total contents of clogging substances in emitter water and linear regression results among different pressure patterns

圖8為恒定水壓和2種動態水壓模式下滴頭內黏粒、粉粒、砂粒堵塞物質量及線性關系。灌水前期，不同水壓模式下，滴頭內黏粒、粉粒、砂粒堵塞物質量相差甚微。3種不同水壓處理下，滴頭內黏粒、粉粒、砂粒堵塞物質量隨灌水次數的增加而增加。灌水結束時，與恒壓處理相比，臺階波形動態水壓和三角函數波形動態水壓下，滴頭內黏粒堵塞物質量分別減少了22.19%、36.75%，粉粒堵塞物質量分別減少了13.22%、25.06%，砂粒堵塞物質量分別增加了5.88%，15.62%。

圖8 不同水壓模式下滴頭內黏粒、粉粒、砂粒堵塞物質量和線性回歸曲線Fig.8 Contents of clay, powder and grit particles in emitter clogging substances and linear fitting results with different pressure patterns

2.4 不同水壓模式對滴頭排出泥沙粒徑的影響

圖9為3個不同灌水時段，滴頭排出泥沙的粒徑分布。灌水初期，2種動態水壓處理滴頭排出泥沙最大粒徑均為54.24 μm，恒定水壓處理為30.19 μm，比動壓處理減小了44.34%。臺階波形動態水壓下，滴頭排出粒徑范圍為7.70～24.84 μm的泥沙含量占比最多，達到79.89%，三角函數動態水壓下，滴頭排出粒徑范圍為9.36～30.19 μm的泥沙含量占比最多，高達82.67%，2種動態水壓下，排出泥沙粒徑基本相似。恒定水壓處理滴頭排出泥沙粒徑范圍為5.21～16.81 μm的泥沙含量占比最多，高達84.26%，恒壓處理滴頭排出小粒徑的泥沙含量較多。結果表明動壓處理有利于大粒徑泥沙排出流道。

3種不同水壓模式下，滴頭排出泥沙粒徑均隨灌水次數的增加而減小，灌水后期，2種動態水壓處理滴頭排出泥沙最大粒徑為30.19 μm，與恒壓處理相比，僅增加9.76 μm。3種水壓處理滴頭排出粒徑范圍為5.21～16.81 μm的泥沙含量最多。表明灌水末期，動態水壓處理滴頭排出的泥沙粒徑與恒壓處理相似，原因是灌水末期，不同水壓模式下滴頭均發生了不同程度的堵塞，滴頭排出泥沙粒徑減小。

3 討論

3.1 不同水壓模式對滴頭堵塞風險及堵塞位置的影響

圖9 不同水壓模式下滴頭排出泥沙粒徑變化曲線Fig.9 Changes of silt particle size gradation discharged from emitter during different irrigation periods with different pressure modes

滴頭流道狹窄，容易造成堵塞[28]。一旦滴頭發生堵塞，滴灌系統的灌水性能會顯著下降，使用壽命也會大幅縮短。此外，滴頭堵塞直接影響作物的產量和質量。為了降低滴灌工程滴頭堵塞風險，一般采用多種過濾設備和沉沙設施，投資大，運行管理費用高。本試驗發現動壓處理滴頭抗堵塞性能優于恒壓，使用壽命比恒壓處理提高了79.06%。ZHANG等[23]發現動態壓力可以降低滴頭堵塞風險、增加滴頭排放的均勻性。鄭超等[29]試驗發現動態水壓誘導強烈湍流增加了泥沙的輸送能力，減少了滴頭堵塞風險，這與本研究的結果一致。

恒壓處理滴頭堵塞多為入口和流道前半段堵塞，堵塞率高達68.42%，而動態水壓處理滴頭發生入口堵塞的情況較少，發生流道隨機堵塞的情況較普遍，占堵塞滴頭總量的62.50%以上，這與LI等[30]的研究結果相同。原因可能是恒壓處理下，進入滴頭內的水流流速較低、流線保持不變，泥沙顆粒容易沉積，隨著灌水次數的增加，入口及迷宮流道前半段滯留泥沙增多，最后造成滴頭堵塞。動態水壓處理下，壓力時刻發生變化，水流紊動強烈，挾沙能力較強，細顆粒泥沙不容易沉積在入口。此外，動壓處理流道內水流流線時刻改變，沉積的泥沙在水波效應下容易重新啟動，隨水流流經流道。

3.2 不同水壓模式對滴頭內堵塞物質的影響

本試驗發現滴頭內堵塞物質量與水壓模式相關，動壓處理滴頭內堵塞物質的總量少于恒壓。動壓對黏粒、粉粒的運移、清除能力較強，能有效地去除22.19%～36.75%的黏粒和13.22%～25.06%的粉粒。原因可能是恒壓處理滴頭內水流速度恒定，且流速較低，泥沙容易沉積，這與葛令行等[31]、DURANROS等[32]的研究結果相似。此外，沉積在流道入口位置的泥沙對水流的耗散作用較大，水流剪切力減小，使得大量的泥沙顆粒無法通過流道[33]，隨灌水次數的增加，泥沙顆粒的沉積量穩步增加，進一步加快了滴頭堵塞。

動壓處理壓力在20～80 kPa之間波動變化，顆粒的運動方向發生變化，使先前沉積在流道內的泥沙重新流回主流區。此外，滴頭中水流流速時刻變化，湍流動能較強，水流的剪切力容易破壞泥沙的絮凝結構，沉積在滴頭內的泥沙更容易被沖走[33]。然而，動壓處理對滴頭內砂粒堵塞物具有較差的效果，滴頭內砂粒堵塞物質量比恒壓處理增加了5.88%～15.62%。可能是動態水壓產生的低流速階段，大顆粒泥沙(粒徑大于54.24 μm)更容易沉積，不易再次啟動[34]。

3.3 不同水壓模式對滴頭排出泥沙粒徑的影響

動態水壓處理滴頭排出泥沙的最大粒徑比恒壓處理增加了44.34%，且粒徑為9.36～30.19 μm的泥沙占比高于恒壓處理。灌水前期，恒壓處理滴頭排出泥沙的最大粒徑為30.19 μm，灌水結束后，滴頭排出泥沙的最大粒徑為20.43 μm，恒壓處理大于20 μm的泥沙易困于迷宮流道內(圖9)。動壓處理能夠提高大顆粒泥沙的通過率，降低大顆粒泥沙沉積在迷宮流道內的可能，提高迷宮流道滴頭的抗堵塞性能。

牛文全等[27]發現泥沙粒徑小于20 μm很難造成滴頭堵塞，吳澤廣等[35]也認為，細顆粒泥沙的流動性好于粗顆粒，顆粒直徑越大，越容易造成堵塞。王心陽等[36]發現動壓能夠提高大顆粒泥沙的排出幾率，從而減小滴頭發生堵塞的可能性，這與本研究的結果一致。鄭超等[37]采用數值模擬方法對動態水壓下迷宮流道內水沙運動特性進行了研究，發現動態壓力提高了粒徑大于100 μm的顆粒通過率，這與本研究的結果存在差異，原因是鄭超等[37]只考慮了單個顆粒的運動情況，忽略了灌水過程中泥沙易碰撞和絮凝形成穩定絮團結構，影響泥沙排出。

4 結論

(1)動態水壓模式下迷宮流道滴頭的抗堵塞性能優于恒定水壓，動壓灌溉使滴頭的使用壽命平均延長了79.06%。動態水壓波形變化對滴頭抗堵塞性能的影響較小。

(2)恒定水壓處理迷宮流道滴頭堵塞多為入口及流道前半段堵塞，比率為68.42%；動態水壓處理滴頭堵塞多為流道隨機堵塞，占滴頭堵塞總量的62.50%以上。

(3)動態水壓處理大顆粒(粒徑小于54.24 μm)泥沙更容易從迷宮流道排出，滴頭排出泥沙的最大粒徑比恒壓處理增大了44.34%。