關(guān)于微潤灌水器流量分布影響及堵塞分析研究

王振忠

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

關(guān)于微潤灌水器流量分布影響及堵塞分析研究

王振忠

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

微潤灌水器在應(yīng)用過程中,土壤毛管吸力是水分運動的動力,因此,研究田間土壤的實地環(huán)境對灌水器性能的影響具有重要意義,微潤灌水器在設(shè)計時充分考慮到其他微灌灌水器易堵塞的問題,采用導(dǎo)水芯結(jié)構(gòu),具有可移動的特點,通過移動導(dǎo)水芯位置一方面有利于導(dǎo)水芯纖維束吸附的顆粒淋洗,同時可以清洗緩沖腔內(nèi)累積的沉淀,從而迅速降低堵塞影響。

流量變異系數(shù);灌水時間;流量分布;堵塞性能

新型微潤灌溉系統(tǒng)是一種新型的節(jié)水型灌溉系統(tǒng)，本次測試試驗對從某廠生產(chǎn)的500個吸力式微潤灌水器中，隨機抽取25個樣品進行檢驗。試驗裝置包括水箱、水泵、過濾器、調(diào)壓閥、壓力表、微潤灌水器、毛管、集水桶及排氣閥等部分，其中將25個微潤灌水器等距離地安裝在5段同樣的輸水管上。

1 微潤灌水器水力性能測試試驗結(jié)果與分析

1.1 微潤灌水器制造偏差

(1)恒壓條件下微潤灌水器流量變異系數(shù)。圖1為隨機抽樣的新型微潤灌溉系統(tǒng)吸力式微潤灌水器在工作壓力為0.02MP a時的出流情況，流量在6.7～7.2L·h-1之間變化。根據(jù)方差分析結(jié)果得出，隨機抽取的樣品之間流量沒有顯著差異;流量變異系數(shù)均在1.7%～7.0%之間變化，均值為5%。參照農(nóng)用灌溉設(shè)備相關(guān)標準，滴灌滴頭流量變異系數(shù)不大于7%，即新型吸力式微潤灌水器制造偏差與滴灌相近，符合農(nóng)用灌溉設(shè)備生產(chǎn)標準。

圖1 制造偏差對微潤灌水器流量的影響

(2)灌水時間對變異系數(shù)的影響。微潤灌水器流量變異系數(shù)隨灌水時間的變化如圖2所示。從圖2可以看出，不同工作壓力條件下，流量變異系數(shù)均隨灌水時間的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖2 灌水時間對微潤灌水器流量變異系數(shù)的影響

在試驗運行的前4d，流量變異系數(shù)仍接近滴灌滴頭流量變異系數(shù)規(guī)范，但在運行4d后，流量變異系數(shù)高于滴頭運行流量變異系數(shù)標準，這是由于灌水器運行初期，流量較大，隨著灌水器工作運行時間的增加，導(dǎo)水芯在導(dǎo)水過程中長期浸泡膨脹，發(fā)生微小的形態(tài)變化，或者由于導(dǎo)水芯吸附細小顆粒造成堵塞導(dǎo)致流量變異系數(shù)增大，因此，從流量變異系數(shù)變化試驗結(jié)果看，使用吸力式微潤灌水器一次連續(xù)灌溉宜控制在4d之內(nèi)。

2.2 微潤灌水器壓力流量關(guān)系

吸力式微潤灌水器在不同工作壓力下平均流量值如圖3所示。

圖3 壓力流量關(guān)系

從圖3中可以看出，隨著壓力的增大，微潤灌水器平均流量增大，根據(jù)試驗所得多組壓力和流量值進行回歸分析:

式中:q—平均流量，L·h-1;k—流量系數(shù)，取K= 130.15;H—工作壓力，m;x—流態(tài)指數(shù)，取x= 0.84＞0.5，即灌水器內(nèi)水的流態(tài)為光滑流或者半紊流，流量受壓力變化的影響較大。

2.3 流量分布均勻系數(shù)

(1)壓力對微潤灌水器流量分布的影響。本研究對不同壓力下的流量均勻度進行了測試，不同壓力下流量均勻分布系數(shù)如圖4所示。

圖4 壓力與水量分布均勻系數(shù)的關(guān)系

通過分析可知隨著工作壓力的增加，灌溉水分布均勻系數(shù)先增大后減小，由于流量變異系數(shù)增大，導(dǎo)致灌水器出水流量不均勻增加，因此，在微潤灌應(yīng)用過程中，為保證灌水均勻，工作壓力應(yīng)控制在0.018～0.025MP a之間。

(2)灌水時間對水量分布均勻系數(shù)的影響。微潤灌水器流量空間分布隨灌水時間的變化表明，在工作壓力0.01MP a下，第一次灌水結(jié)束時，流量在1.05～1.98L·h-1之間變化，變幅為0.93L·h-1; 2.5、4.5和6.5h后，流量分別在1.17～1.76L· h-1、0.96～1.49L·h-1和0.87～1.43L·h-1之間變化，變幅分別為0.59、0.53和0.56L·h-1。工作壓力0.02MP a時，流量明顯高出0.01MP a時的出流量，第一次灌水結(jié)束時，流量在3.39～4.91L·h-1之間變化，變幅為 1.52L·h-1;2.5、4.5和6.5h后，流量分別在3.15～4.70L·h-1、2.91～4.35L·h-1和2.75～4.08L·h-1之間變化，變幅分別為1.55、1.44和1.33L·h-1;說明流量空間變異隨著灌水時間的增加而逐漸減小，這主要是由于灌水器出水流量隨灌水時間的增加趨于穩(wěn)定導(dǎo)致。

圖5 不同工作壓力條件下流量均勻分布系數(shù)隨時間的變化

灌水時間對水量分布均勻系數(shù)的影響如圖5所示，從圖中可以看出隨著灌水時間的增加，水量均勻分布系數(shù)有減小的趨勢，故增大水壓有利于維持較高的灌水均勻度。

3 微潤灌水器堵塞性能試驗

3.1 微潤灌水器堵塞性能測試裝置和方法

3.1.1 堵塞性能測試裝置

測試將這5段灌水器輸水管材與供水裝置連接，堵上末端，向管道內(nèi)充水，排氣后逐漸加大水壓至10c m壓力水頭，保壓10m i n，試驗過程中保持壓力波動在2%以內(nèi)。

3.1.2 堵塞試驗設(shè)計

根據(jù)田間灌溉水中引起滴頭堵塞的固體顆粒主要是沙粒，選取沙粒作為試驗用固體顆粒，測試分為8個階段，對于每個階段，通過逐步增加更粗粒徑顆粒和濃度來實現(xiàn)，各階段顆粒濃度見表1。

表1 各階段沙粒濃度(mg·L-1)和沙粒粒徑的分布情況

測試灌水器滴頭數(shù)為25個，測試壓力分別為0.5和1.0m壓力水頭，毛管末端流速控制在1m·s -1±20%。測定程序見表2。

表2 滴頭堵塞測試程序

3.2 測試試驗結(jié)果與分析

3.2.1 微潤灌水器堵塞性能

由圖6可知在0.005MP a壓力水頭下，灌水器在第1階段加沙后已經(jīng)開始堵塞(加入小于53μ m粒徑沙粒8.25g，53～75μ m粒徑沙粒5.25g，75～90μ m粒徑沙粒1.05g，90～106μ m粒徑沙粒0.45g)，加沙后灌水器的平均流量為清水時流量的2.52%。第2階段加沙后(加入小于53μ m粒徑沙粒1.95g，53～75μ m粒徑沙粒10.35g，75～90μ m粒徑沙粒1.35g，90～106μ m粒徑沙粒0.9g，106～125μ m粒徑沙粒0.45g)，滴頭堵塞，出流量接近0。當工作壓力為0.01MP a時，微潤灌水器抗堵能力和壓力0.005MP a時相近，灌水器在第1階段加沙后已經(jīng)開始堵塞，加沙后灌水器的平均流量為清水時流量的3.04%。第2階段加沙后，滴頭幾近完全堵塞。

圖7為不同工作壓力和灌水器出流量隨沙粒濃度的變化，從圖7中可以看出，微潤灌水器出流量均隨沙粒濃度的增加而遞減，但不同工作壓力條件下差異不顯著。

3.2.2 微潤灌水器堵塞分析

吸力式微潤灌水器從緩沖腔到接管口有6m m長，泥沙從接管口進入緩沖腔后無法出來，慢慢沉淀在緩沖腔內(nèi)，堵住緩沖腔和導(dǎo)水芯相接的出水口，并且在導(dǎo)水芯纖維束孔中累積，造成流道減小，灌溉水無法流出，這可能是導(dǎo)致灌水器堵塞的主要原因。吸力式微潤灌水器在第1階段加沙即堵塞，而第1階段加沙的粒徑主要為53μ m，所以在實際運行中，為了減少微潤灌水器的堵塞，可以在首部系統(tǒng)加一個270目篩網(wǎng)過濾器，凈化灌溉用水，以保證灌水器的正常運行。

圖6 各試驗階段灌水器堵塞性能

4 結(jié)語

新型微潤灌溉系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)滴灌省水、保持地溫的優(yōu)點，與其他節(jié)水灌溉技術(shù)相比實現(xiàn)了更進一步的節(jié)水。同時，新型微潤灌溉設(shè)備工作所需壓力僅為0.018～0.025Mpa之間，除了蓄水過程需要耗能外，灌溉過程全部可以實現(xiàn)自壓式灌溉，進一步實現(xiàn)了節(jié)能和節(jié)電。通過以上試驗研究，恒壓條件下，隨機抽選的微潤灌水器流量變異系數(shù)約為5%，接近A級滴灌設(shè)備產(chǎn)品指標;為了盡可能保證流量均勻，在工作過程中微潤灌工作壓力推薦控制在0.018～0.025MP a范圍內(nèi)為宜。同時微潤灌水器出流量隨沙粒濃度的增加指數(shù)遞減，在實際運行中，為了減少微潤灌水器的堵塞，建議在首部系統(tǒng)加一個270目篩網(wǎng)過濾器，凈化灌溉用水，防止堵塞，保證灌水器的正常運行。

S277.9+5

B

1008-1305(2016)05-0090-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.031

2016-01-27

王振忠(1962年—)，男，高級工程師。