泥沙級配對迷宮流道滴頭堵塞及毛管內泥沙沉積的影響

吳澤廣，牛文全

(1 西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，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)

滴頭堵塞一直是滴灌技術面臨的技術難題，滴頭堵塞成因[1]和滴頭結構對抗堵塞性能的影響[2-6]一直是該領域的研究熱點。Bucks等[1]根據堵塞的成因將堵塞分為物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞3大類。其中物理堵塞是以灌溉水中的泥沙為主要成分，在流道內沉積、固結造成滴頭流量減小或者完全堵塞流道的現象。目前研究人員采用數值模擬計算、實測等方法，研究了不同粒徑段泥沙及在不同含沙量時對迷宮滴頭堵塞的影響，Niu等[7]和牛文全等[8-9]對粒徑小于0.1 mm的泥沙段進行渾水灌溉研究，得出易造成堵塞的敏感粒徑為0.031～0.038 mm，認為溫度低時較易造成滴頭堵塞。徐文禮等[10]、李治勤等[11]對粒徑0.1～0.25 mm的泥沙進行渾水灌溉試驗，認為泥沙粒徑是引起迷宮灌水器堵塞的主要因素。但是在渾水灌溉前，通過沉淀、過濾處理后，灌溉水中還會含有可通過過濾網孔的各種粒徑段泥沙顆粒，滴頭堵塞也是由于不同粒徑段泥沙相互作用造成的，單純研究某粒徑段或者某幾個粒徑段組合對滴頭堵塞的影響，并不能反映不同粒徑間相互作用對堵塞的影響。另外，不同來源的灌溉水過濾后，水中泥沙顆粒的粒徑組成級配不同，對于同一種迷宮滴頭造成的堵塞狀況也可能不同，目前對于不同泥沙級配在迷宮滴頭流道內的淤積、堵塞、運行狀況的研究相對較少。

本研究在以往學者研究成果的基礎上，分析了3種不同顆粒級配及3種不同含沙量的渾水組合對迷宮流道滴頭堵塞的影響，并觀測了滴灌管中泥沙的淤積位置、含量及粒徑組成情況，旨在為探明泥沙機械組成對滴頭堵塞過程的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗選取的滴灌帶結構參數為：管外徑16 mm，滴頭間距30 cm，壁厚0.4 mm。迷宮流道滴頭的齒高1.0 mm，齒間距1.0 mm，流道深0.8 mm，流道長度300 mm，流道單元數14個，在額定壓力為100 kPa時的額定流量為2.1 L/h。每次試驗時，分別截取4段長度為1.6 m的滴灌帶，每條滴灌帶上有5個滴頭，每次試驗觀測的滴頭數量為20個。

試驗裝置由水沙混合裝置、壓力變頻裝置、數據自動采集裝置組成(圖1)，水箱上有攪拌機，在試驗過程中，攪拌機連續(xù)運行攪動水箱中的水，保證水沙混合均勻。數據采集裝置為電子稱，質量誤差0.2 g，可以任意設定采集數據的時間間隔，并通過連接的計算機自動記錄采集的數據。

1.2 試驗設計及方法

本試驗的泥沙以楊凌塿土的級配為基礎進行配制。灌溉水經沉淀、過濾處理后，仍有粒徑(D)<0.1 mm的泥沙進入滴灌系統(tǒng)[12]。有研究表明，當粒徑>0.05 mm時，灌水器堵塞的危險系數急劇增加[13]；在相同含沙量條件下，粒徑<0.03 mm顆粒對堵塞最為敏感[9]。故本試驗選取粒徑<0.1 mm的泥沙，以粒徑>0.05 mm顆粒逐漸增多，<0.03 mm顆粒逐漸減少為原則，組合3種不同級配的泥沙進行試驗(表1)。

試驗時，壓力保持在0.1 MPa。以農田灌溉水質標準為基礎，為加速堵塞，本試驗以灌溉水懸浮物質量濃度(≤0.1 g/L)的5倍以上設定試驗的3種含沙量，分別為0.5，1.0和1.5 g/L。本試驗采用全組合試驗方案，即3種泥沙級配分別與3個不同含沙量進行完全組合設計，共9組試驗，分別觀測試驗過程中滴頭流量的變化。

采用周期性滴灌測試方法，以短周期堵塞測驗程序為基礎，灌水時間30 min，間隔時間30 min，電子稱采集滴頭流量。選含沙量為1.5 g/L的3種級配組成試驗，收集每次灌水時20個滴頭的輸出水量，將渾水靜置、沉淀、烘干，收集20個滴頭的泥沙輸出量。試驗結束時，將滴灌管晾干，并按照長度20 cm剪截，分別統(tǒng)計不同毛管位置的泥沙淤積量，并分析每個粒徑段所占比例。每組試驗完成后，更換新的滴灌管，將試驗系統(tǒng)的管道、水箱、水泵沖洗3次，排出管道內淤積的泥沙后進行后續(xù)試驗。

圖1 渾水滴灌試驗測試平臺示意圖

表1 試驗編號與泥沙級配對應表

1.3 評價指標

2 結果與分析

2.1 泥沙級配對滴頭流量的影響

選取滴頭平均相對流量和灌水均勻度系數進行分析，圖2為不同級配與含沙量組合試驗的流量變化曲線。分析圖2可以發(fā)現，在3種泥沙級配渾水灌溉條件下，隨灌水次數的增加，滴頭流量變化快慢程度并不相同。當級配A渾水的含沙量為0.5 g/L時，隨著灌水次數增加，流量變化較緩慢，連續(xù)灌水14次后，其平均相對流量不低于75%，灌水均勻度系數接近100%，說明該級配渾水在含沙量為0.5 g/L時滴頭抗堵塞性能較好；當含沙量為1.0 g/L時，隨著灌水次數增加，平均相對流量減小速度較快，灌水18次后平均相對流量低于75%，灌水7次后灌水均勻度系數小于80%，說明該級配渾水在含沙量為1.0 g/L 時，有部分滴頭發(fā)生了嚴重堵塞，不同滴頭之間流量差異性增強，隨著含沙量的提高，滴頭抗堵塞性能迅速下降；當含沙量為1.5 g/L時，灌水11次后平均相對流量已降低到75%以下，灌水均勻度系數接近60%，說明在該含沙量渾水灌溉條件下，隨著灌水次數的增加，大部分滴頭發(fā)生了嚴重堵塞，滴頭抗堵塞性能非常低。級配C渾水灌溉條件下，含沙量為0.5 g/L時，灌水13次后平均相對流量下降到75%，灌水8次后灌水均勻度系數小于80%，說明該級配渾水即使在低含沙量(0.5 g/L)時也易引起滴頭堵塞；當含沙量增高到1.0，1.5 g/L時，灌水 6～8 次后平均相對流量即小于75%，灌水4次后灌水均勻度系數迅速降低到80%以下，說明用該級配渾水灌溉時，即使在較小含沙量時也特別容易引起滴頭堵塞，當含沙量大于1.0 g/L時，含沙量在一定范圍的提高對堵塞的影響并不敏感。級配B渾水灌溉條件下，在3種不同含沙量時，平均相對流量與灌水均勻度系數隨灌水次數增加而下降，變化趨勢基本與級配A渾水相似，但其下降速度大于級配A，而小于級配C。

圖2 泥沙級配和含沙量對滴頭平均相對流量與灌水均勻度系數的影響

分析其原因可以發(fā)現，級配A泥沙組成中，粒徑小于 0.03 mm的泥沙顆粒占到58.38%，此粒徑的泥沙顆粒受水的布朗運動作用明顯，且在滴頭流道中很難沉降，易隨水流出，因此在含沙量較低時很難造成滴頭堵塞。當含沙量升高時，顆粒之間碰撞幾率增大，一部分小顆粒相互凝結成一定體積的團聚體，其他顆粒迅速填充團聚體之間的孔隙，使團聚體體積增大，最終堵塞滴頭。級配C中，粒徑大于0.05 mm的泥沙顆粒含量是級配A的4倍，由于大顆粒含量較高，易在迷宮流道內碰撞、沉積，從而堵塞流道，因此級配C渾水較級配A更易造成滴頭堵塞。而級配B渾水，雖然粒徑大于0.05 mm的泥沙顆粒含量小于級配C，但該級配中小于0.03 mm的極細小顆粒約為級配C的2.5倍。大顆粒含量較高時，易在流道內形成較為松散的堆積體而造成堵塞，當同時含有大量極細小的顆粒時，這些極細小顆粒填充大顆粒形成的堆積體，進而形成非常穩(wěn)定的大團聚體，同時這些極細小顆粒在水中起到黏合劑作用，使更多的顆?？焖倬奂饋?，形成更大的團聚體，因此雖然此級配渾水大于0.05 mm的顆粒含量小于級配C，但由于其含有較多的極細小顆粒(小于0.03 mm)，即使在含沙量較低時，也較易造成滴頭的堵塞。但當含沙量持續(xù)增大到一定程度(大于1.0 g/L)時，泥沙顆粒之間碰撞加劇，在水體的紊動作用下，沉降速率相對變慢，含沙量的增加對堵塞的敏感性下降。

2.2 泥沙級配對滴頭泥沙輸出量的影響

圖3為含沙量1.5 g/L時3種級配渾水灌溉試驗滴頭泥沙輸出量(20個滴頭平均每小時隨灌溉水從滴頭中輸出的泥沙質量)隨灌水次數的變化趨勢。

圖3 含沙量1.5 g/L渾水滴灌時滴頭泥沙輸出量變化曲線

從圖3可以看出，泥沙輸出量隨著灌水次數的增加呈先增大后減少的趨勢。A、B、C 3種級配泥沙渾水灌溉時，分別在灌水第8、7和6次時滴頭泥沙輸出量達到最大值，之后隨著堵塞滴頭數量和堵塞程度的增加，泥沙輸出量迅速減少，單位時間內泥沙輸出量以級配A最大，級配B次之，級配C最小。從泥沙的輸出量也可以看出，級配C最易引起滴頭堵塞。將輸出泥沙收集、過篩處理后，分析得到含沙量1.5 g/L 條件下輸出泥沙的級配如表2所示。

表2 含沙量1.5 g/L條件下3種級配渾水滴灌后滴頭輸出泥沙的級配分析

從表2可以看出，輸出泥沙中粒徑小于0.03 mm的顆粒所占比例占絕對多數，而粒徑大于0.05 mm的顆粒比例非常小，說明粒徑小于0.03 mm的泥沙非常容易隨水流排出，不易在毛管及迷宮流道內沉積，對滴灌系統(tǒng)的危害較小，而粒徑大于 0.05 mm的泥沙顆粒不易隨水流排出，易沉積在毛管及迷宮流道內，是造成滴頭堵塞的主要因素。

2.3 泥沙級配對毛管內泥沙淤積的影響

試驗結束后，將滴灌管剖開、晾干，測定不同毛管位置處泥沙的淤積量(單位長度毛管的泥沙質量與總灌水時間的比值)及淤積泥沙的顆粒級配。3種級配與3種含沙量組合下9組試驗的36條毛管中，有18條毛管上的滴頭發(fā)生輕微堵塞，這些毛管中的泥沙淤積部位為毛管的尾段，泥沙淤積量占整條毛管泥沙淤積量的65%以上，另外18條毛管均發(fā)生較為嚴重的滴頭堵塞，這些毛管中的泥沙淤積部位主要集中在毛管的中段。對泥沙淤積進行分析發(fā)現，當毛管滴頭堵塞非常輕微時，毛管尾端的泥沙淤積量占整條毛管泥沙淤積量的70%以上，主要是由于在滴頭未發(fā)生堵塞時，毛管水流通過滴頭的輸出量較大，毛管內水流流速也較大，泥沙顆粒在水流的推動下逐漸向毛管尾段推移而最終淤積在毛管的末端。當滴頭發(fā)生比較嚴重的堵塞時，毛管內水流流速較小，水流紊動也較小，大顆粒沉降并淤積在毛管的中部。

由于同一泥沙級配在不同含沙量的灌水試驗中，毛管不同位置泥沙淤積量的變化趨勢基本一致，故任選含沙量1.5 g/L條件下3種泥沙級配灌水后滴頭發(fā)生較為嚴重堵塞的毛管，繪制含沙量1.5 g/L 條件下毛管泥沙淤積量的變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出，利用不同級配泥沙進行渾水灌溉時，毛管不同位置處的泥沙淤積量不同，從毛管入水口到尾端，泥沙淤積量呈先增大后減小的趨勢，最大泥沙淤積位置在毛管中段距入口0.6～1.0 cm處。3種泥沙級配相比以C的淤積量最大， B次之，A最小，該結果與泥沙淤積數量的分析結果相互對應。

圖4 含沙量1.5 g/L時泥沙級配對毛管內泥沙淤積位置與淤積量的影響

3種不同級配泥沙進行渾水灌溉后，將毛管內淤積的泥沙進行晾干、過篩處理，分析淤積泥沙的級配，結果如表3所示。從表3可以看出，與表1試驗前的泥沙級配相比，毛管內淤積泥沙中粒徑 >0.05～≤0.1 mm的顆粒比例均大于試驗前配置的比例，其中級配A該粒徑段顆粒比例較試驗前升高了14%，級配B升高了7%，級配C升高了5%，而小于0.03 mm的顆粒所占比例較試驗前大幅度下降。說明大于0.05 mm的泥沙顆粒易在毛管中沉積，且是造成堵塞的主要因素，而小于0.03 mm的泥沙顆粒多隨水流排出毛管，不易在毛管中沉積，對滴灌系統(tǒng)的危害較小。

表3 3種級配泥沙渾水滴灌試驗中毛管淤積泥沙的級配分析

3 結 論

1)泥沙級配是造成迷宮滴頭堵塞的主要原因，當含沙量不大于1.0 g/L時，不同顆粒級配渾水對滴頭堵塞的影響有顯著差異，而當含沙量大于1.0 g/L 時，泥沙級配對堵塞的影響有所降低。泥沙級配中大于0.05 mm的顆粒含量是滴頭堵塞的主要影響因素。大于0.05 mm顆粒含量較高的級配C是最易造成滴頭堵塞的泥沙級配。

2)滴頭發(fā)生嚴重堵塞的毛管，淤積泥沙主要分布在毛管中段距入口60～100 cm處，未發(fā)生滴頭堵塞或者堵塞非常輕微的毛管，淤積泥沙主要分布在毛管尾段，泥沙級配對毛管中泥沙的淤積位置影響較小，但對毛管中泥沙的淤積量影響較大。

[參考文獻]

[1] Bucks D A，Nakayama F R.Trickle irrigation water quality and preventive maintenance [J].Agricultural Water Management,1979,2(2):149-162.

[2] 牛文全，吳普特，喻黎明.基于含沙量等值線的迷宮流道結構抗堵塞設計與模擬 [J].農業(yè)工程學報，2010,26(5)：14-20.

Niu W Q，Wu P T，Yu L M．Anti-clogging experimental investigation and optimized design of micro-channels of emitter based on isoline of sand content [J].Transactions of the CSA-E,2010,26(5):14-20.(in Chinese)

[3] 李云開，楊培嶺，任樹海.滴灌灌水器流道設計理論研究若干問題的綜述 [J].農業(yè)機械學報,2006,37(2)：145-149.

Li Y K,Yang P L,Ren S H.General review on aeveral fundamental points of design theory about flow path in drip irrigation emitters [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2006,37(2):145-149．(in Chinese)

[4] 王文娥，王福軍，牛文全，等.滴頭流道結構對懸浮顆粒分布影響的數值分析 [J].農業(yè)工程學報，2009，25(5)：1-6.

Wang W E,Wang F J,Niu W Q,et al．Numerical analysis of influence of emitter channel structure on suspended granule distribution [J].Transactions of the CSAE,2009,25(5):1-6.(in Chinese)

[5] 魏正英，趙萬華，唐一平，等.滴灌灌水器迷宮流道主航道抗堵塞設計方法研究 [J].農業(yè)工程學報，2005,21(6)：1-7.

Wei Z Y,Zhao W H,Tang Y P,et al．Anti-clogging design method for the labyrinth channels of drip irrigation emitters [J].Transactions of the CSAE,2005,21(6):1-7.(in Chinese)

[6] 金 文，張鴻雁.灌水器內流道流場Micro-PIV試驗分析 [J].農業(yè)工程學報，2010,26(2)：12-17.

Jin W,Zhang H Y.Micro-PIV analysis of flow fie in flow channel of emitter [J].Transactions of the CSAE,2010,26(2):12-17.(in Chinese)

[7] Niu W Q,Liu L,Chen X.Influence of fine particle size and concentration on the clogging of labyrinth emitters [J].Irrigation Science,2013,31：545-555.

[8] 牛文全，劉 璐.渾水泥沙粒徑與含沙量對迷宮流道堵塞的影響 [J].排灌機械工程學報，2011,29(6)：548-552.

Niu W Q,Liu L.The influence of sediment size and sediment concentration on labyrinth channels emitters [J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2011,29(6)：548-552.(in Chinese)

[9] 牛文全，劉 璐. 渾水特性與水溫對滴頭抗堵塞性能的影響 [J].農業(yè)機械學報，2012,43(3)：39-45.

Niu W Q,Liu L.Muddy water features and water temperature on the anti-clogging performance of emitters [J].Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(3):39-45.(in Chinese)

[10] 徐文禮，李治勤.迷宮灌水器堵塞與輸沙能力試驗研究 [J].山西水利科技，2008(2)：10-12.

Xu W L,Li Z Q.Experimental study on clogging and the capability of sediment transportation about labyrinth emitter [J].Shanxi Hydrotechnics,2008(2):10-12.(in Chinese)

[11] 李治勤，陳 剛，楊曉池，等.渾水引起迷宮灌水器物理堵塞因素試驗研究 [J].西安理工大學學報，2006,22(4)：395-398.

Li Z Q,Chen G,Yang X C,et al.Experimental study of physical clogging factor of labyrinth emitter caused by muddy water [J].Journal of Xi’an University of Technology,2006,22(4):395-398.(in Chinese )

[12] 王福軍，王文娥.滴頭流道CFD分析的研究進展與問題 [J].農業(yè)工程學報，2006,22(7)：188-192.

Wang F J,Wang W E.Research progress in analysis of flow passage in irrigation on emitters using Computational Fluid Dynamics technique [J].Transactions of the CSAE,2006,22(7):188-192.(in Chinese)

[13] 葛令行，魏正英，曹 蒙，等.微小迷宮流道中的沙粒沉積規(guī)律 [J].農業(yè)工程學報，2010，26(3)：20-24.

Ge L X,Wei Z Y,Cao M,et al.Deposition law of sand in labyrinth-channel of emitter [J].Transactions of the CSAE,2010,26(3):20-24.(in Chinese)

[14] 水利部農田灌溉研究所.SL 103-95 微灌工程技術規(guī)范 [S].北京：水利水電出版社，1995.

Farmland Irrigation Research Institute,Ministry of Water.SL 103-95 Technical standard of micro-irrigation project [S].Beijing:China WaterPower Press，1995.(in Chinese)