壓力補償式灌水器水力性能及抗堵塞性能試驗研究

張桂林，喻黎明，李莎莎，蘇 倩，周 赟，崔寧博，余興嬌

(1.昆明理工大學現代農業工程學院,云南 昆明 650500；2.云南交投生態環境工程有限公司，云南 昆明 650500；3.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點試驗室 水利水電學院，四川 成都 610065)

灌水器是滴灌系統的重要部件，但由于流道狹窄且灌溉水源中含有的雜質容易碰撞、絮凝，導致灌水器發生堵塞，影響微灌系統的使用壽命、抗堵塞性能和灌水均勻度[1-3]。在西南地區，現實作物灌溉中，坡度陡峭、地形嚴峻，使灌水均勻度變差，對作物生長造成了極大的影響。雖然綜合利用各種物理、化學方法對灌溉水源進行處理，但灌水器仍面臨不同程度的堵塞問題[4]。在灌水器堵塞規律和作用、機理等方面，已廣泛開展了大量研究。

灌水器是目前滴灌產業發展的瓶頸問題。姜珊等[5]和喻黎明等[6]認為定期對滴灌系統進行沖洗可以有效緩解堵塞。為解決灌水器物理、化學、生物堵塞頗多問題，學者進行了廣泛的研究，如吳澤廣等[7]研究發現泥沙級配是影響滴頭堵塞的主要因素；董愛紅等[8]認為泥沙沉積是導致灌水器物理堵塞的主要原因；對于化學堵塞，杜立鵬等[9]認為溶解在水中的化學肥料結晶析出是主要因素。張曉晶等[10]指出造成灌水器生物堵塞可歸因于細小顆粒物和微生物形成的絮狀結構。此外，泥沙粒徑、渾水泥沙濃度也是造成灌水器堵塞的重要因素。孫寶勝等[11]研究表明能夠通過灌水器的最大泥沙粒徑為0.28 mm，在生產中應用時，建議采用120目過濾網。徐路全等[12]采用周期性間歇灌水試驗觀測滴頭流量得出，0.025 MPa壓力下，組合滴灌管能使堵塞部位分布更集中，含沙量為1.25 g·L-1時,組合滴灌管的抗堵塞性能較明顯。部分學者[13-14]在研究滴頭堵塞機理時，選擇的渾水泥沙濃度為2～3 g·L-1；侯鵬等[15]在研究灌水器堵塞及泥沙運行分布機理時，選擇的泥沙含量為0.88～2.3 kg·m-3。這些研究為灌水器設計提供了經驗，盡管對灌水器堵塞的研究越來越深入，但目前為止，灌水器堵塞問題仍然沒有完全解決，且大多數試驗均為低濃度泥沙(<3 g·L-1)試驗。有研究表明在探究灌水器堵塞規律和機理的試驗中，適當增大灌溉水源的泥沙含量，也有利于揭示灌水器堵塞機理。基于此，本文通過不同濃度渾水(3、5 g·L-1和7 g·L-1)試驗探究壓力補償灌水器抗堵塞性能，以期為壓力補償灌水器的設計與性能優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 物理模型與試驗裝置

1.1.1 物理模型 本研究中使用的物理模型是華維節水科技集團有限公司生產的1828型壓力補償灌水器(流量2 L·h-1)。毛管使用華維藍源生產的LDPE管(外徑16 mm，壁厚1 mm，常規工作壓力0～0.6M Pa)，壓力補償灌水器結構如圖1所示。

1.1.2 試驗裝置 試驗裝置如圖2所示，包含兩個150 L水箱，即清水水箱和渾水水箱，分別用于儲存清水和渾水。試驗用水為云南省昆明市呈貢區自來水，pH值為7.08±0.07，總硬度75.42±2.02 mg·L-1，電導率317.32±23.61 μS·cm-1。渾水配置試驗用土為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，其網眼直徑為0.125 mm[16]，因此本試驗用土風干后通過電動振篩機(型號8411型，轉速400 r·min-1，電壓220 V，直徑300 mm，功率180 W)過120目篩網而得。水箱內置單相潛水泵提供工作壓力，潛水泵產自上海昭升機電有限公司，型號QDX1.5-28-1.1，額定揚程26 m，絕緣等級E級，配管內徑25 mm，同步轉速3 000 r·min-1。置于渾水水箱內單相潛水泵相連的干管設置回水管，目的是利用回水壓力在回水管內產生的射流將水箱內底部泥沙攪拌均勻，防止試驗過程中沉沙。進水口處裝有杭州鶴山儀表有限公司生產的量程0.4 MPa和精度0.25級的耐震壓力表。壓力補償灌水器系統平臺長2.7 m、寬2.1 m、高1 m的試驗平臺用于支撐毛管和1828型壓力補償灌水器。試驗平臺共布置6條毛管，每條毛管管上含間距為0.3 m的壓力補償灌水器8個，毛管前后端均安裝有控制球閥。

圖1 壓力補償灌水器結構Fig.1 Structure of pressure compensating emitter

1.水箱；2.潛水泵；3.進水管；4.回流管；5.球閥；6.壓力表；7.滴灌管和灌水器；8.量筒1.Water tank;2.Submersible pump;3.Inlet pipe;4.Return pipe;5.Ball valve;6.Pressure gauge;7.Drip pipe and water filler;8.Measuring cylinder圖2 試驗測試裝置Fig.2 Test device

1.2 試驗設計與方法

本試驗由清水試驗和渾水試驗兩部分組成，在昆明理工大學現代農業工程學院實驗室進行。為模擬壓力補償灌水器實際運行狀況，清水試驗參照GB/T 19812.2-2017標準進行[17]。將48個壓力補償灌水器水平懸吊在試驗裝置上，每個壓力補償灌水器下放置一個1 000 mL量筒用來收集灌水器滴出的水；向試驗組件中充水，排盡空氣，進行1 h試驗調節。將進水口壓力調節到最小工作壓力并保持3 min；將進水口壓力調節到最大工作壓力并保持3 min，反復3次，將進水口壓力調節到壓力補償調節范圍的中間值，保持42 min至整個試驗調節過程結束，用精度為0.01 g的數字天平稱量壓力補償灌水器在4 min內的流量。重復進行上述試驗，使得連續兩次所測流量之差≤2%，并取其平均值。分別計算壓力補償灌水器平均流量、流量標準偏差、變異系數(≤5%)、平均流量相對于額定流量的偏差率(±7%內):

(1)

(2)

(3)

(4)

完成以上試驗后，以每次40 kPa的幅度增壓，將壓力從0增加到所需的最大工作壓力。稱量48個壓力補償灌水器在每一個壓力點的出水量，滴水時間4 min；而后再將壓力以每階段降低40 kPa的幅度從所需的最大工作壓力降至0(壓力分布點與升壓時壓力點相同)，稱量48個壓力補償灌水器的出水量，滴水時間與升壓時相同，并換算成流量，取其平均值。連續兩次所測流量之差應≤2%，當試樣在某個壓力點下兩次所測流量之差>2%時，重新稱量此壓力下的流量。完成以上試驗，以壓力為橫坐標，兩次稱量的各個壓力點對應的平均流量為縱坐標，繪制流量與進水口壓力關系曲線，從而確定流態指數和相關系數。

壓力補償灌水器壓力與流量的關系一般用下式表示：

(5)

渾水堵塞試驗室內平均溫度為20.3℃±2.37℃。試驗配置渾水濃度分別為3、5 g·L-1和7 g·L-1，灌水時工作壓力為100 kPa，灌水時長30 min，間歇2 h，渾水箱內渾水的初始體積為100 L，并保證試驗過程中渾水箱內水體積在50～100 L之間，當渾水體積消耗至約50 L時添加事先配置好的渾水，為保證其泥沙的均勻性，每次添加的渾水均單獨配置。試驗過程中為使渾水箱中的泥沙分布均勻，防止沉沙輔以人工攪拌。提前用電子天平稱其48個1 000 mL量筒的重量并記錄且置于每個壓力補償灌水器下，灌水結束后，稱量每一個量筒以及所盛水的重量。每個濃度試驗結束后取下所有毛管放在通風處晾干，取下每個壓力補償灌水器并剖開洗出其灌水器內的含沙量，并經過激光粒度儀分析其粒徑。每個渾水濃度試驗結束后，更換新的毛管和壓力補償灌水器，并對水箱、水泵進行清洗，以便后續試驗。

1.3 試驗驗證

由圖3可以看出，壓力補償灌水器在一定的工作壓力下，其出流量基本保持穩定，出水均勻度高；壓力補償灌水器的壓力補償區間定義為壓力-流量曲線上曲率半徑最小點的橫坐標之間的范圍[18-20]，目前一般用壓力-流量關系曲線法確定壓力補償區間，找出壓力-流量關系曲線上曲率半徑最小點所對應的橫坐標(壓力坐標)所得到的壓力范圍即為壓力補償灌水器的補償區間[20]，因此運用UG(Unigraphics NX)曲線分析得出曲率半徑最小和最大的點分別為36.41和903.63，據此確定壓力補償區間為110～350 kPa，符合GB/T19812.2-2017國家標準。灌水器的壓力補償特性由流量指數x表示，當x<0.4時，灌水器為壓力補償灌水器，當x趨近于0時，說明灌水器的補償性能強[21]。由表1可以看出，壓力補償灌水器的流態指數為0.006，說明補償效果極強，這與李永光[22]的研究相符合。

圖3 壓力補償灌水器壓力與流量關系Fig.3 Relationship between pressure and flow of pressure compensating emitter

表1 壓力補償灌水器主要特征參數Table 1 Main characteristic parameters of pressure compensating emitters

1.4 評價指標與數據處理

1.4.1 評價指標

(1)壓力補償灌水器的抗堵塞性采用相對流量Qr(即實測平均流量與灌水器額定流量之比)進行評定。按照國際抗堵塞性標準，當Qr<75%時，認為壓力補償灌水器發生堵塞[23]。

(6)

式中，qi為第i次試驗灌水器實測流量平均值(L·h-1)；q0為100 kPa下灌水器清水流量(L·h-1)；n為壓力補償灌水器個數。

(2)壓力補償灌水器流量系數、流態指數是其衡量其優劣的兩個重要指標，流態指數應在±0.2范圍內。

1.4.2 數據處理 數據采用SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析，利用Origin 8.5軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 渾水濃度對壓力補償灌水器流量的影響

圖4顯示了壓力補償式灌水器在3種不同濃度渾水與0.1 MPa壓力條件試驗下的灌水器各毛管實測平均流量隨灌水次數的變化過程。隨著灌水次數的增加，所有灌水器流量均呈波動下降趨勢。在前20次灌水期間，不同濃度渾水實測平均流量雖有一定程度降低，3、5 g·L-1和7 g·L-1處理降幅分別為0～19.20%、0～18.31%和0～20.10%，灌水器個數堵塞率分別為12.5%、16.6%和25%；灌水20～40次時，不同濃度渾水實測平均流量的降幅分別為14.17%～24.74%、10.24%～26.35%、13.50%～37.14%，灌水器個數堵塞率分別為20.8%、29.2%和52.1%，渾水濃度為3 g·L-1時灌水器堵塞率比5 g·L-1和7 g·L-1處理分別下降了8.4%和31.3%；灌水40次后，不同濃度渾水相對流量達到相應額定流量的75%以下甚至更小，所有灌水器發生不同程度的堵塞，滴灌系統失效。3種不同渾水濃度下有效灌水次數分別為74、52次和43次，渾水濃度為3 g·L-1時灌水器的使用時間比5 g·L-1和7 g·L-1處理分別延長29.73%和41.89%。表明灌水器抗堵塞隨渾水中泥沙含量的增加顯著降低。

2.2 壓力補償灌水器抗堵塞性能分析

由圖5可以看出，Qr隨灌水次數的增加逐漸減小，渾水濃度為7 g·L-1時，Qr下降速率較大，經歷20次灌水后灌水器發生堵塞，與濃度3 g·L-1和5 g·L-1相比，灌水次數分別減少了36次和23次。灌水前期，Qr隨灌水次數的增加而呈緩慢波動下降趨勢，均未降到75%額定流量以下，隨著渾水濃度的增加，Qr呈現波動變化，這是由于壓力補償灌水器的補償區域和迷宮流道結構的作用。當渾水泥沙含量為3 g·L-1時，灌水50次前，Qr≥75%，說明灌水器未發生嚴重堵塞；當渾水泥沙含量為5 g·L-1時，灌水41次后，Qr開始在堵塞的臨界值波動；當渾水泥沙含量為7 g·L-1時，灌水20次時，Qr突然下降到75%，灌水25次后，灌水器發生嚴重堵塞。從Qr的變化趨勢看，不同濃度渾水對灌水器的抗堵塞性能存在較大差異，表現為泥沙含量越高則堵塞率越高。

圖5 灌水器相對流量隨灌水次數的變化過程Fig.5 Variation process of relative flow of emitters with irrigation times

2.3 壓力補償灌水器相對流量與灌水均勻度的動態變化

將灌水器的灌水均勻度(Cu)和Qr進行擬合分析，如圖6和表2所示，所有毛管Cu和Qr變化趨勢所示，整體表現出先增加至100%臨界值再降低趨勢，說明有顆粒進入到灌水器流道造成突然堵塞現象，隨灌水次數增加，細小顆粒絮凝成大顆粒泥沙緩慢累積進而造成灌水器堵塞。對Cu和Qr進行擬合發現，二者符合三次函數關系(R2>0.9)，各曲線殘差分別為0.81、2.71、0.88、2.34、3.50、0.67。

圖6 壓力補償灌水器相對流量與灌水均勻度多項式擬合曲線Fig.6 Polynomial fitting curve of relative flow (Qr) and irrigation uniformity of pressure compensating emitters

表2 灌水器滴灌過程中灌水器相對流量與灌水均勻度之間的關系Table 2 Relationship between emitter relative flow Qr and irrigation uniformity Cu during emitter drip irrigation

2.4 毛管與灌水器滯留泥沙粒徑分析

圖7顯示了3種不同濃度渾水試驗中毛管與灌水器滯留泥沙D10(累計粒度分布百分數達到10%時所對應的粒徑。其余類似)、D25、D50、D75、D90均值。由圖7a可知，在不同渾水濃度下毛管內沉積泥沙D10、D25、D50和D75均值均隨渾水濃度的增加而下降，D90均值隨渾水濃度的增加而上升。濃度為3 g·L-1時，D10、D50、D90分別為24.89、57.08、96.95μm，比濃度為7 g·L-1D10、D50分別降低了30.90%、11.28%，較D90上升了26.34%，表明在渾水灌溉中，泥沙顆粒不停地做無規則運動，不斷地隨機撞擊懸浮顆粒，濃度增加使得毛管內泥沙顆粒碰撞絮凝的概率增加，致使泥沙大顆粒物質隨著液體的運動和停止而堆積在管道內。由圖7b可知，在不同渾水濃度下灌水器內泥沙D10、D25、D50、D75和D90的平均值分別為14.34、26.63、42.80、66.51 μm和85.65 μm，進入灌水器的細小泥沙少部分絮凝形成大顆粒泥沙不易隨水流排出灌水器，隨灌水次數和濃度的增加，灌水器內滯留泥沙含量上升，使得高濃度渾水灌溉中灌水器提前發生堵塞，使用壽命縮短。

圖7 不同濃度渾水滯留泥沙D10、D25、D50、D75、D90均值Fig.7 average value of sediment D10,D25,D50,D75 and D90 retained by muddy water with different concentrations

3 討 論

3.1 不同渾水濃度對壓力補償灌水器堵塞的影響

壓力補償灌水器抗堵塞性能隨渾水濃度的升高而降低，渾水濃度升高導致其堵塞進程變快，灌水器使用壽命縮短。本試驗適當增大灌溉水源的泥沙含量來作為滴灌水源，評估了3種泥沙濃度對灌水器抗堵塞性能的影響，發現渾水濃度為7 g·L-1時灌水器的堵塞率較3 g·L-1處理提高了58.10%。劉璐等[24]對8種粒徑小于0.1 mm的泥沙顆粒進行渾水測試，發現渾水濃度和泥沙粒徑是造成灌水器堵塞的主要原因。牛文全等[25]對含沙水磁化處理減緩滴頭堵塞機理進行研究，發現細顆粒泥沙渾水濃度越高，灌水器堵塞進程加快，且磁化處理加速作用越大，這與本研究結果一致。說明高濃度渾水里細小懸浮顆粒隨水流進入灌水器，細小懸浮顆粒在不斷沖擊下，使彼此互相粘結形成大顆粒堵塞灌水器。李治勤等[26]通過渾水滴灌試驗表明灌水器堵塞是一個很快的過程，渾水含沙量對灌水器堵塞沒有產生明顯影響,只是在堵塞發生后,會影響灌水器被堵死的速度。這與本研究結果略有差異，分析原因認為這是由選用流道結構差異所致，本試驗使用的流道是環狀齒形迷宮流道壓力補償灌水器，而李治勤使用的是單側壓邊薄壁滴灌帶迷宮灌水器，其流道結構單一，泥沙能夠快速通過灌水器；而環狀齒形迷宮流道結構復雜，水流攜泥沙得經過橡膠膜片的調壓，再經過流道流出流道進入橡膠膜片背面，從而流出灌水器。因此，隨著灌水次數的增加以及灌水間歇2 h時，渾水中的泥沙隨水流的停止而附著在灌水器內，再次灌水時停留在灌水器內的泥沙與再次灌水的泥沙發生絮凝，循環往復，最終造成灌水器堵塞。

3.2 壓力補償灌水器相對流量與灌水均勻度的動態變化

本研究發現毛管相對流量和灌水均勻度的降幅緩慢，在灌水20次后灌水初期下降速度加快，灌水結束后，所有灌水器的相對流量和灌水均勻度均下降到75%以下。Feng等[27]研究發現在灌水前期相對流量變化不大，隨后相對流量顯著減少，最后緩慢下降，這一變化過程與本研究的表現一致。

試驗中對灌水器的相對流量和灌水均勻度進行擬合分析，可知相對流量與灌水均勻度之間呈較好的非線性關系，相對流量和灌水均勻度呈現正態分布曲線關系表明壓力補償式灌水器的平均堵塞程度隨灌溉時間的延長呈非線性減小。Li等[28]將再生水和地下水作為滴灌水源研究了六種類型的灌水器，發現相對流量和灌水均勻度隨灌水器的堵塞程度呈線性下降且使用再生水的滴灌系統對灌水均勻度的影響比使用地下水的滴灌系統更為明顯，即堵塞的程度越嚴重，相對流量和灌水均勻度之間線性關系越顯著。溫圣林等[13]利用兩種不同濃度的渾水進行間歇性的灌溉試驗，發現滴頭相對流量與灌水均勻度動態變化具有協同性，且二者變化呈一定的線性關系，這與本研究的結果不同。這可能是本試驗中使用的灌水器為壓力補償式，而上述研究中使用的滴頭為非壓力補償式灌水器，壓力補償式灌水器對灌水均勻度的調節能力較強，使得灌水器在整個灌溉周期中保持較高的灌溉均勻度。

3.3 滯留泥沙粒徑對灌水器的影響

本試驗中毛管內和灌水器內滯留泥沙粒徑最大為122.49 μm和100.87 μm，灌水器排出粒徑<30.19 μm的泥沙占96.0%，說明造成灌水器堵塞的原因有兩點，即灌溉水中的泥沙含量和泥沙粒徑，滯留泥沙粒徑>30.19 μm可造成灌水器堵塞，以使得水流攜泥沙不能很好地通過灌水器流出，導致泥沙顆粒在毛管內隨水流不停運動并最終堆積在管內。牛文全等[29]采用分段粒徑渾水周期間歇滴灌的試驗方法，得出粒徑<31 μm時顆粒對堵塞最為敏感。王靜等[30]對一種管上式壓力補償灌水器綜合運用流固耦合與歐拉液固兩相流的數值模擬方法,發現顆粒在環形流道入口處及流道外側濃度增大,容易產生沉積造成灌水器發生堵塞。仵峰等[31]通過對地下滴灌灌水器堵塞問題調查表明，盡管該地下滴灌系統采用生活用自來水并在首部加上120目的網式過濾裝置,但由于水中仍有小微粒和細小毛狀物 (自來水中的線狀纖維) ,通過過濾器進入滴灌系統,這些毛狀物一旦附著在滴頭流道內,與流入系統的微小顆粒進一步發育長大,最終將堵塞流道。除此之外，本試驗經過刨開1828型灌水器發現，一些毛狀物附著在灌水器進口處，與進入的微小顆?；旌弦黄?，形成阻礙物，導致灌水器堵塞。

4 結 論

1)壓力補償式灌水器堵塞率隨渾水濃度的增加而上升，濃度大于5 g·L-1堵塞進程顯著加快。

2)壓力補償式灌水器的相對流量隨灌水次數增加呈波動性減??；相對流量和灌水均勻度在整個灌水期內呈非線性關系，二者近似于正態分布。

3)壓力補償式灌水器內滯留泥沙粒徑D10、D50、和D90的平均值分別為14.34、42.80 μm和85.65 μm，與毛管滯留泥沙粒徑相比減小了18.95%～28.87%，灌水器的堵塞主要是因為泥沙顆粒相互碰撞、絮凝。