不同結(jié)構(gòu)滴灌雙向流道灌水器抗堵性能對比試驗(yàn)

王新端，白 丹，宋立勛，郭 霖，李嘉露，吳山山

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不同結(jié)構(gòu)滴灌雙向流道灌水器抗堵性能對比試驗(yàn)

王新端1，白 丹1※，宋立勛2，郭 霖1，李嘉露1，吳山山1

（1. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048；2. 西安工程大學(xué)理學(xué)院，西安 710048）

該文開展滴灌雙向流道抗堵性能研究，以提高灌水器對含沙率較高的地表水源的適應(yīng)性。試驗(yàn)渾水含沙率為 30 g/L，經(jīng)20次渾水試驗(yàn)，設(shè)置3種結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的雙向流道灌水器（1＃，2＃，3＃），并對比迷宮式流道灌水器的水力性能和抗堵性能。結(jié)果表明：1＃、2＃、3＃雙向流道渾水流量分別為清水流量的77.44%，83.35%，85.43%，而迷宮式流道在12次試驗(yàn)后完全堵塞。雙向流道灌水器與迷宮式流道灌水器的水力性能及抗堵性能差異顯著，且雙向流道的水力性能及抗堵性能均優(yōu)于迷宮式流道；雙向流道水力性能越好，抗堵性能越差；流道形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響灌水器水力性能及抗堵性能的重要因素。試驗(yàn)結(jié)束后，觀測流道泥沙沉積情況，發(fā)現(xiàn)泥沙沉積程度由前段（進(jìn)口）到后段（出口）逐漸減少；采用電子顯微鏡分別獲取流道前段、中段和后段沉積泥沙樣品掃描圖像，利用Image Pro Plus 6.0軟件分析沉積泥沙樣品的粒徑組成，發(fā)現(xiàn)沿流道方向，粒徑>0.03 mm的泥沙顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，粒徑<0.005 mm的泥沙顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后增加的趨勢；流道沉積泥沙中粒徑<0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占92.23%～97.89%，此粒徑范圍的泥沙顆粒更易在雙向流道內(nèi)沉積，引起堵塞。

泥沙；水力性能；流量；滴灌；雙向流道；抗堵性能

0 引 言

中國干旱半干旱地區(qū)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，成為緩解這一問題的有效途徑之一[1]，但面臨的最大問題就是灌水器堵塞問題，因此如何提高灌水器抗堵性能是近年來的研究熱點(diǎn)問題[2-4]，如一些學(xué)者在研究利用黃河水滴灌中，重點(diǎn)也是如何提高灌水器的抗堵性能[5-6]。

解決灌水器堵塞問題的措施可分為2大類[7-8]：1）源頭措施，即在滴灌工程首部，通過沉淀、過濾等措施，減少水中泥沙含量；2）終端措施，即提高灌水器的抗堵性能。滴灌通常采用120目網(wǎng)式過濾器，其網(wǎng)眼直徑為0.125 mm，渾水經(jīng)過過濾器，仍然有部分細(xì)小顆粒泥沙進(jìn)入灌水器流道，在流道內(nèi)沉積、固結(jié)導(dǎo)致灌水器堵塞[9-12]。目前提高滴灌灌水器抗堵性能的方法有：分析流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對流道內(nèi)懸浮顆粒分布的影響[13]，以選擇合適的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)；面向水力性能和抗堵性能的多目標(biāo)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法[14]；消除灌水器流道內(nèi)漩渦和低流速區(qū)的主航道設(shè)計(jì)[15]；以流道內(nèi)含沙量較低的等值線作為流道邊界的流道優(yōu)化[16]；充分發(fā)展漩渦，增強(qiáng)流道“自清洗”能力等方法[17]。這些方法的目的都是通過選擇合適的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化流道邊界，保證流道具有良好的流態(tài)，提高水流對泥沙顆粒的輸運(yùn)能力。

目前迷宮式流道抗堵性能試驗(yàn)中，灌水器堵塞程度一般用渾水流量相對于清水流量的變化量來評價(jià)，試驗(yàn)渾水含沙率一般為0.5、1.0、1.5、2、10 g/L[18]，分析了灌水器堵塞與泥沙粒徑、含沙率的相關(guān)關(guān)系，及引起灌水器堵塞的泥沙顆粒敏感粒徑和臨界含沙率，進(jìn)而可為滴灌水質(zhì)選擇及灌水器結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)[19-20]。利用電子顯微鏡掃描流道沉積泥沙的結(jié)構(gòu)，可分析灌水器堵塞的誘發(fā)機(jī)制[21]。電鏡掃描觀測了沉積泥沙的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上可以對沉積泥沙的顆粒組成以及沉積泥沙沿流道方向的粒徑變化進(jìn)一步研究，分析其對灌水器抗堵性能的影響。

開發(fā)新的灌水器流道形式，依靠流道自身結(jié)構(gòu)提高其性能，是灌水器發(fā)展的新思路[22]。雙向流道的結(jié)構(gòu)不同于迷宮式流道，流道中形成的正、反2股對沖水流強(qiáng)烈混摻，提高了流道消能效果，水力性能較好[23-25]。但其抗堵性能，尤其在含沙率較高條件下的抗堵性能如何，是有待研究的問題。

基于以上認(rèn)識，配置含沙率較高的渾水水樣，進(jìn)行滴灌試驗(yàn)，對比觀測泥沙沉積對雙向流道和迷宮式流道流量變化的影響，觀測雙向流道泥沙沉積部位，同時(shí)分析水流運(yùn)動(dòng)對泥沙沉積的影響；采用電子顯微鏡掃描沉積泥沙的結(jié)構(gòu)，利用粒徑分析軟件計(jì)算沉積泥沙沿流道方向的粒徑分布，分析泥沙粒徑變化對泥沙沉積的影響，明確流道內(nèi)泥沙顆粒易沉積的粒徑范圍，為提高雙向流道抗堵性能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

研究表明，滴灌灌水器水力性能與抗堵性能相互影響[18-20]，為了研究滴灌雙向流道灌水器的抗堵性能，并使研究結(jié)果具有一定代表性，參考文獻(xiàn)[25]雙向流道灌水器水力性能研究結(jié)果，在灌水器流態(tài)指數(shù)變化范圍（0.424 7～0.462 5）內(nèi)，選取流態(tài)指數(shù)最小值（0.424 7）、平均值（0.446 7）及最大值（0.462 5）對應(yīng)的灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)方案（共計(jì)3種結(jié)構(gòu)）作為研究對象，開展渾水試驗(yàn)，研究其抗堵性能。同時(shí)，為了與迷宮式流道的抗堵性能進(jìn)行對比，選用了直徑為16 mm的內(nèi)鑲貼片式滴灌管，其內(nèi)部流道為迷宮式，流道寬1 mm，深0.8 mm，長度80 mm，流道單元數(shù)20個(gè)。

雙向流道結(jié)構(gòu)如圖1所示，相鄰的2個(gè)分水裝置和擋水裝置組成1個(gè)流道單元；為試驗(yàn)制作的3種雙向流道的深度、單元數(shù)及流道單元間距（單元間距見圖2）相同，均為0.9 mm、20個(gè)和1.2 mm。流道其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值見圖2和表1。試驗(yàn)流道由底板和隔水蓋板2部分組成，底板選用PVC材料，與迷宮流道材料接近；隔水蓋板用有機(jī)玻璃材料。采用高精密雕刻機(jī)（制造廠商：北京精雕科技有限公司；型號：EM-G32S-X32）切割成型，制造精度0.01 mm。每種結(jié)構(gòu)參數(shù)組合方案的流道制作5個(gè)試件。

1. 進(jìn)水口 2. 分水裝置 3. 擋水裝置 4. 流道邊壁 5. 出水口

注：S為分水裝置與邊壁的間距，mm；T為擋水裝置齒尖與分水裝置的間距，mm；W為擋水裝置與邊壁的間距，mm；Z為擋水裝置與分水裝置最大過水通道寬度，mm；D為擋水裝置底柱高，mm；L為流道單元間距，mm，下同。

表1 灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)取值及水力性能

配制渾水的試驗(yàn)用土經(jīng)自然風(fēng)干、研磨后，過120目篩網(wǎng)（孔徑為0.125 mm），接近工程實(shí)際中網(wǎng)式過濾器目數(shù)。參照有關(guān)高含沙水源的含沙率[26]，本試驗(yàn)渾水含沙率設(shè)定為30 g/L。

試驗(yàn)測試裝置如圖3所示，主要由水箱、渾水收集桶、攪拌器、精密壓力表及水泵組成。水箱體積為150 L，上方裝有轉(zhuǎn)速為0～700 r/min攪拌器，用于攪拌箱體水流保證水沙混合均勻。水泵額定揚(yáng)程15 m，流量0.72 m3/h。壓力表量程0.16 MPa，精度0.25 級。渾水收集桶容積為150 L。灌水器流量測量部分并聯(lián)安裝了5根支管，每根支管上安裝1個(gè)灌水器試件，共計(jì)5個(gè)試件（5個(gè)試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同）。渾水水樣流經(jīng)灌水器試件后直接流入渾水收集桶，不再循環(huán)使用。試驗(yàn)裝置見圖3。

1. 攪拌器 2. 水箱 3. 水泵 4. 回水支管 5.閥門 6.壓力表 7.灌水器 8. 尾管 9. 渾水收集桶

1. Agitator 2. Water tank 3. Water pump 4. Backwater branch pipe 5. Valve 6. Pressure gauge 7. Emitters 8. Tail pipe 9. Gathering barrel for muddy water

注：圖中箭頭表示水流運(yùn)動(dòng)方向。

Note: Arrows in figure indicate the direction of the flow.

圖3 渾水試驗(yàn)測試裝置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of muddy water testing apparatus

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)2部分。

1.2.1 清水試驗(yàn)及水力性能評價(jià)方法

清水試驗(yàn)參照GB/T17187-2009《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》[27]的要求安排試驗(yàn)，在50～150 kPa進(jìn)口壓力下測試4種灌水器的流量，每次測試時(shí)間均持續(xù)5 min，取各試件流量的平均值作為其在每個(gè)壓力點(diǎn)的流量值。

灌水器壓力和流量關(guān)系為[28]：

對式(1)等式兩邊取自然對數(shù)得：

將清水試驗(yàn)中灌水器在不同進(jìn)口壓力下的流量值，代入式（2），通過回歸計(jì)算即可得到流量系數(shù)及流態(tài)指數(shù)。

1.2.2 渾水試驗(yàn)及抗堵性能評價(jià)方法

渾水試驗(yàn)中灌水器的流量測試分4組進(jìn)行（每組測試試驗(yàn)方法均相同），每組測試1種灌水器，共測試4種，其中3種為雙向流道灌水器，另1種為迷宮式流道灌水器，灌水器測試時(shí)的進(jìn)口壓力均為50 kPa。采用周期性間歇灌水測試方法，每次灌水30 min，其中第25 min開始測量流量，流量測量5 min；每種灌水器并聯(lián)連接5個(gè)試件，每個(gè)試件均由主管道供水，在相同試驗(yàn)條件下（進(jìn)口壓力及含沙率均相同）進(jìn)行試驗(yàn)（相當(dāng)于做了5次重復(fù)），將不同類型、相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的灌水器試件的實(shí)測流量取平均值，作為其在不同試驗(yàn)次數(shù)時(shí)的流量值，灌水間隔30 min；共進(jìn)行20次渾水試驗(yàn)；每組試驗(yàn)測試結(jié)束后，將水箱渾水水樣排出，同時(shí)更換渾水水樣（事先已配制，各物理參數(shù)均相同）。

1.2.3 灌水器流道沉積泥沙粒徑測量方法p

渾水試驗(yàn)后，對灌水器流道內(nèi)的沉積泥沙取樣，采用Quanta-450-FEG+X-MAX50電子顯微鏡（FEI、英國牛津）對所取得的泥沙樣本掃描觀測；將泥沙樣本的掃描圖片導(dǎo)入到粒徑分析軟件Image Pro Plus 6.0測量其粒徑組成，測量的主要步驟如下：

1）對圖片進(jìn)行反相處理。電子顯微鏡掃描時(shí)，泥沙顆粒的亮度較高，圖片顯示為高亮；而顆粒間隙處亮度較低，圖片顯示為暗色。Image Pro Plus 6.0測量時(shí)，將掃描圖片中泥沙顆粒調(diào)為暗色（文中測量時(shí)調(diào)為黑色），將顆粒間隙處調(diào)為亮色（文中測量時(shí)調(diào)為白色），使得泥沙顆粒的輪廓清晰，可提高測量準(zhǔn)確度。

2）設(shè)置測量的指標(biāo)。Image Pro Plus 6.0可測量泥沙顆粒的面積、周長等信息，文中選擇測量泥沙顆粒的面積，然后根據(jù)面積反求粒徑。

3）利用軟件的捕捉功能，對圖片中對泥沙顆粒的輪廓進(jìn)行捕捉，然后對照原圖，對捕捉到的輪廓進(jìn)行修正（包括輪廓的分割及合并等）。

4）將測量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中，根據(jù)電子顯微鏡的放大倍數(shù)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及相關(guān)統(tǒng)計(jì)，最后得到泥沙顆粒的不同粒徑組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 清水試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 灌水器水力性能

根據(jù)清水試驗(yàn)結(jié)果及灌水器水力性能計(jì)算方法，計(jì)算可得灌水器的水力性能，4種灌水器的流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)如表1所示。

2.1.2 灌水器水力性能差異的顯著性分析

對灌水器的平均流態(tài)指數(shù)做單因素方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較[30]，分析4種灌水器水力性能差異，結(jié)果見表2。由表2可知，4種灌水器水力性能差異顯著，說明灌水器內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)對灌水器的水力性能有顯著的影響；雙向流道水力性能整體上優(yōu)于迷宮式流道；3種雙向流道中，1＃水力性能最優(yōu)，2＃其次，3＃最差。

表2 灌水器水力性能顯著性分析

注：同一列字母不同者表示差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Values in the same column with different label letter differ significantly (<0.05). Same as below.

2.2 渾水試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 灌水器流量變化

將20次渾水試驗(yàn)的結(jié)果繪制成灌水次數(shù)－相對流量曲線，見圖4。

圖4 灌水器相對流量變化過程

從圖4可以看出，4個(gè)灌水器流量均呈現(xiàn)下降趨勢，表明灌水器都發(fā)生不同程度的堵塞。流量下降過程中均存在波動(dòng)，說明灌水器堵塞存在堵塞-沖洗-再堵塞的反復(fù)過程。20次渾水試驗(yàn)后，1＃、2＃和3＃雙向流道的相對流量分別為77.44%，83.35%，85.43%，均在相同進(jìn)口壓力下清水流量的75%以上，即未到達(dá)堵塞標(biāo)準(zhǔn)。迷宮式流道相對流量降幅較大，在灌水第12次完全堵塞。

2.2.2 灌水器抗堵性能差異的顯著性分析

渾水試驗(yàn)結(jié)束后，對灌水器的相對流量平均值做單因素方差分析及LSD多重比較，分析4種灌水器抗堵性能差異，結(jié)果見表3。由表3可知，4種灌水器的抗堵性能差異顯著，說明灌水器流道的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響其抗堵性能的重要因素；雙向流道抗堵性能整體上優(yōu)于迷宮式流道；3種雙向流道中，3?？苟滦阅茏顑?yōu)，2＃其次，1＃最差。

表3 灌水器抗堵性能顯著性分析

綜上，雙向流道的水力性能與抗堵性能均優(yōu)于迷宮式流道，主要是因?yàn)閮烧叩墓ぷ鳈C(jī)理不同，即迷宮式流道主要依靠流道邊界幾何形狀的突變使水流維持紊流狀態(tài)，而雙向流道主要利用流道中形成的正、反2股水流強(qiáng)烈對沖、混摻，不僅提高了流道消能效果[25]，還有利于泥沙顆粒充分?jǐn)_動(dòng)并離底懸浮，提高水流挾沙能力，增強(qiáng)雙向流道的抗堵塞能力。另外，3種雙向流道中，1＃水力性能最優(yōu)，2＃其次，3＃最差；而抗堵性能1＃最差，2＃其次，3＃最優(yōu)，因此雙向流道水力性能越好，抗堵性能越差，這一點(diǎn)與迷宮式流道是相同的[31]。說明灌水器水力性能和抗堵塞能力是一對相互制約的因素，灌水器設(shè)計(jì)不能單純地以提高水力性能為目標(biāo)，要在保持一定水力性能的基礎(chǔ)上提高抗堵塞能力，以保證灌水器的整體性能。

2.3 雙向流道泥沙沉積部位及成因

研究表明，同種類型、不同結(jié)構(gòu)的灌水器，堵塞的位置及堵塞成因具有一定的相似性[20]。因此，以堵塞較為嚴(yán)重的1＃雙向流道為代表，觀測泥沙沉積情況并分析成因，其泥沙沉積情況見圖5。

圖5 雙向流道（1#）泥沙沉積情況

由圖5可知，雙向流道進(jìn)口、分水和擋水裝置壁面是泥沙沉積的主要部位，出口處沉積較少；流道前段泥沙沉積嚴(yán)重，中段次之，后段沉積較少。

流道進(jìn)口處：泥沙顆粒在表面電荷的作用下彼此黏結(jié)，與流道壁面的粘附應(yīng)力相互作用，沉積于壁面。

流道內(nèi)部：1）水流在分水裝置的作用下分流[32]，水體結(jié)構(gòu)變化，水流重新分配能量以適應(yīng)新流動(dòng)，增加了泥沙顆粒碰撞概率，易形成較大團(tuán)聚體在分水裝置迎水壁面黏結(jié)、沉積。2）在擋水裝置迎水面底部水流流向急轉(zhuǎn)，由于離心慣性力的作用，外側(cè)水流與主流區(qū)水流分離，產(chǎn)生漩渦，而旋渦的中心水流流速很低，困于漩渦中心的泥沙顆粒更容易彼此黏結(jié)增大，最終沉積于流道。3）在擋水裝置背水面，一方面，流道截面突擴(kuò)，水流壓力降低，在突擴(kuò)處不能立即貼附于壁面，形成漩渦，造成泥沙沉積；另一方面，流道截面突擴(kuò)，水流流速降低，沖刷減弱，也增加了泥沙沉積風(fēng)險(xiǎn)。4）在流道混摻處，正向、反向2股水流對沖混摻，水流紊動(dòng)較強(qiáng)，紊動(dòng)的增加有利于泥沙顆粒充分?jǐn)_動(dòng)并離底懸浮[33-34]，并增加流體的剪切速率，促使顆粒聚團(tuán)破碎[35]。同時(shí)，混摻處過水?dāng)嗝媸湛s，流速增大，沖洗強(qiáng)度增大，增加了泥沙顆粒流出的機(jī)會，因此混摻區(qū)泥沙顆粒不易沉積。

流道出口處：水流流速較緩，泥沙顆粒間碰撞幾率較低，不易彼此黏結(jié)形成較大顆粒，沉積概率降低。

3 雙向流道沉積泥沙粒徑分布規(guī)律及成因分析

利用電子顯微鏡，對過篩后的原狀泥沙和流道內(nèi)沉積泥沙進(jìn)行掃描觀測，并利用粒徑分析軟件Image Pro Plus 6.0分析泥沙粒徑組成，其中沉積泥沙是從1＃灌水器流道前段、中段和后段分別取樣，電鏡掃描圖見圖6，泥沙顆粒組成見表4。

圖6 原狀和沉積泥沙電子顯微鏡掃描圖片

從圖6可以看出，原狀泥沙顆粒大小分明，顆粒之間分布松散。流道前段沉積泥沙的結(jié)構(gòu)主要為小顆粒填充于大顆粒之間形成的團(tuán)聚體，結(jié)合表4，在該段沉積泥沙中，粒徑>0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.77%，粒徑<0.005 mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.98%；由于泥沙粒徑>0.03 mm時(shí)絮凝作用不明顯[36]，因此利于大量小顆粒隱藏于大顆粒空隙之間，使得小顆粒受到的水流的拖曳力與上舉力減小，同時(shí)在小顆粒的黏附與大顆粒的基礎(chǔ)骨架作用下，顆粒間的力鏈穩(wěn)定，易形成結(jié)構(gòu)緊實(shí)的團(tuán)聚體[37-38]。流道中段沉積泥沙結(jié)構(gòu)與流道前段類似，粒徑>0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.13%，粒徑<0.005 mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.31%，相對前段均有所減小，形成的團(tuán)聚體緊實(shí)程度降低，容易在水流剪切作用下被破壞，因此該段泥沙沉積程度相對前段降低。流道后段沉積泥沙大部分為小顆粒形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，粒徑>0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到2.11%，粒徑<0.005 mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到69.76%，泥沙顆粒粒徑愈小，其比表面積愈大，顆粒絮凝作用愈強(qiáng)，但該段大粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，絮團(tuán)缺少穩(wěn)定的基礎(chǔ)骨架結(jié)構(gòu)，組成絮團(tuán)的顆粒間的聯(lián)結(jié)力不強(qiáng)，絮團(tuán)不足以克服流體的高剪切速率[39]，容易破碎，進(jìn)而隨水流運(yùn)動(dòng)流出流道，這成為流道該段泥沙沉積程度低于前段和中段的重要原因。

表4 原狀和沉積泥沙顆粒組成

從表4也可以看出，流道沉積泥沙中粒徑>0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，在2.11%～7.77%之間；而粒徑<0.03 mm的顆粒量分?jǐn)?shù)較大，在92.23%～97.89%之間，因此對于雙向流道來說，粒徑<0.03 mm細(xì)小泥沙顆粒更易引起流道堵塞。

流道中沉積泥沙粒徑呈現(xiàn)為大顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，小顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先減小后增加的分布趨勢。這是因?yàn)樗鲯渡硶r(shí)，泥沙顆粒在水流中的懸浮是由水流的紊動(dòng)能量來支持的。在流道前段，水流紊動(dòng)作用較強(qiáng)，高剪切速率不利于絮凝產(chǎn)生[40]，使得大量小顆粒以分散形式填充于大顆粒之間，形成結(jié)構(gòu)緊實(shí)的團(tuán)聚體沉積于流道，導(dǎo)致流道前段大顆粒和小顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)都很高。另一部分小顆粒隨水流運(yùn)動(dòng)，在流道消能作用下，流道后段水流紊動(dòng)能量降低，水流的剪切作用有所減弱，絮凝作用相對增強(qiáng)，由于泥沙顆粒的重力與顆粒的體積成正比，因此所形成的絮團(tuán)容易在重力作用下沉淀堆積，所以流道后段沉積泥沙中小顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加。流道中段顆粒分布情況介于前段和后段之間。

4 結(jié)論與建議

1）在較高的含沙率（30 g/L）條件下，雙向流道灌水器仍具有較好的抗堵塞能力，且抗堵性能優(yōu)于作為對比的迷宮式流道灌水器。雙向流道灌水器與迷宮式流道灌水器的抗堵性能差異顯著，主要是因?yàn)閮烧吡鞯澜Y(jié)構(gòu)形式及工作機(jī)理不同，雙向流道中形成的正、反2股對沖水流強(qiáng)烈混摻，提高了水流的挾沙能力，增強(qiáng)了灌水器的抗堵塞能力。

2）結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的雙向流道灌水器，水力性能及抗堵性能差異顯著；水力性能越好的流道，抗堵性能越差，與迷宮式流道的研究結(jié)果相同；雙向流道灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對其整體性能有顯著影響。

3）雙向流道灌水器堵塞位置主要發(fā)生在流道進(jìn)口、分水和擋水裝置附近，流道前段泥沙沉積嚴(yán)重，中段次之，后段較少。漩渦的存在是泥沙沉積發(fā)生的主要誘因；流道混摻部位水流紊動(dòng)較強(qiáng)、剪切速率大，泥沙不易沉積。

4）雙向流道灌水器沿流道方向，沉積泥沙中粒徑>0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7.77%減小到2.11%，粒徑<0.005 mm的黏性顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)先從65.98%減小到56.31%后增加到69.76%；沉積泥沙粒徑的變化直接影響沉積泥沙結(jié)構(gòu)，流道前段、中段沉積泥沙主要為結(jié)構(gòu)緊實(shí)的團(tuán)聚體，后段沉積泥沙主要為小顆粒形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)。

5）雙向流道沉積泥沙中粒徑﹤0.03 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，此粒徑范圍的泥沙顆粒間的絮凝作用較強(qiáng)，當(dāng)流道水流剪切速率較低時(shí)，易形成較大的絮團(tuán)沉積于流道，從而引起灌水器堵塞發(fā)生。

文中從沉積泥沙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與粒徑分布角度出發(fā)，分析雙向流道灌水器泥沙沉積規(guī)律。灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響流道內(nèi)水流的流態(tài)，從而影響流道內(nèi)泥沙的運(yùn)動(dòng)，因此，更多結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的灌水器抗堵性能測試及各結(jié)構(gòu)參數(shù)對灌水器流道泥沙沉積的影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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Contrast experiment on anti-clogging performance of bidirectional flow channel emitters with different structures in drip irrigation

Wang Xinduan1, Bai Dan1※, Song Lixun2, Guo Lin1, Li Jialu1, Wu Shanshan1

(1.,,710048,; 2.,,710048,)

The clogging of drip emitters is of great concern to many researchers. A bidirectional flow channel is different from a labyrinth flow channel and it is mainly composed of a structure for dividing water and a structure for blocking water. The main working principle comprises mixing the forward flow and the reverse flow created by the above mentioned structures, and the hydraulic performance is thus enhanced. Although a bidirectional flow channel provides better hydraulic performance, its anti-clogging performance, in particular in cases when muddy water with a high sediment concentration is used, needs to be researched in depth. Hence, periodic intermittent drip irrigation experiments were carried out using muddy water containing sediment particles with different sizes (all less than 0.125 mm), which were screened by a sieving method, and sediment particles were added to give a concentration of 30 g/L muddy water. To provide a contrast, a type of drip irrigation tube with an embedded labyrinth channel was chosen to compare the anti-clogging performance of the channels. Each test comprised 20 irrigation procedures, each for a period of 30 min, which was the same as the test interval. In the 25th minute the emitter flow was recorded in real time, and the measurement was continued for 5 min. After the end of each group of treatments, the test specimens were replaced with new specimens and the system was flushed to ensure that no sediment remained. In these experiments, changes in flow rate were measured under a pressure of 50 kPa. After the end of the trial, the clogged emitters were cut and dried to their natural state, and then the sediment deposited in the bidirectional flow channel was collected; the locations in which sediment was deposited were observed. The structure of the sediment deposits was also observed using an electron microscopy, and the sediment particle size was calculated using Image Pro Plus 6.0 software to analyze the mechanisms that caused clogging by sediment particles with sizes in different ranges. The results showed that the relative flow rates in the bidirectional flow channel were all greater than 75% of the rinsing flow rate; however, the labyrinth channel was completely clogged after 12 irrigation procedures. The significance analysis showed that there were remarkable differences on hydraulic and anti-clogging performance of the 4 types of emitters. The hydraulic performance and anti-clogging performance of the bidirectional flow channel were all better than that of the contrasting labyrinth channel. However, for the emitters with different bidirectional flow channel structures, the better the hydraulic performance of the bidirectional flow channel was, the worse its anti-clogging performance was. The pattern and structural parameters of flow channel significantly influenced the overall performance of emitters in drip irrigation. The concentration of sediment deposits decreased gradually from anterior segments to posterior segments of the bidirectional flow channel. Along the direction of the flow channel, the proportion of sediment particles of which the sizes were greater than 0.03 mm decreased from 7.77% to 2.11%, and the proportion of particles with sizes of less than 0.005 mm decreased from 65.98% to 56.31% and then increased to 69.76%. The variations in particle size along the flow channel directly affected the structure of the sediment deposits. In the anterior and middle segments of the flow channel sediment particles mainly condensed into aggregates, but these underwent flocculation in the posterior segments. The results also confirmed that sediment was easily deposited in the bidirectional flow channel when the sediment particle size was less than 0.03 mm.

sediments; hydraulics; flow rate; drip irrigation; bidirectional flow channel; anti-clogging performance

王新端，白 丹，宋立勛，郭 霖，李嘉露，吳山山.不同結(jié)構(gòu)滴灌雙向流道灌水器抗堵性能對比試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(14)：78－85. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.010 http://www.tcsae.org

Wang Xinduan, Bai Dan, Song Lixun, Guo Lin, Li Jialu, Wu Shanshan.Contrast experiment on anti-clogging performance of bidirectional flow channel emitters with different structures in drip irrigation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 78－85. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.010 http://www.tcsae.org

2018-01-17

2018-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41571222、51279156）

王新端，河南南陽人，博士生，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。 Email：wxdcdyan@163.com

白 丹，重慶開州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email：baidan@xaut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.010

S275.6

A

1002-6819(2018)-14-0078-08