基于流量對(duì)泥沙沉積敏感度的滴灌灌水器水力性能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

王新端，白 丹 ※，宋立勛，郭 霖

（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）

0 引 言

滴灌灌水器的性能直接影響到滴灌系統(tǒng)的灌溉質(zhì)量，目前評(píng)價(jià)灌水器性能的指標(biāo)主要有水力性能和抗堵性能[1]。

灌水器水力性能反映灌水器流量對(duì)進(jìn)口壓力的敏感程度，主要用流態(tài)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)灌水器的水力性能，即流態(tài)指數(shù)越小越好[2]。影響流態(tài)指數(shù)的一個(gè)因素是灌水器的流道形式，主要影響流道的消能方式[3-4]，如常用的迷宮式流道[5]、壓力補(bǔ)償式流道[6]，以及近年來(lái)研發(fā)的繞流式流道[7]、分形流道[8]、分流式流道[9]、雙向流道[10-12]等；另一個(gè)因素是流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要影響流道內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)方式，相同的流道形式、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的灌水器，水力性能差異很大[13-15]。灌水器堵塞問(wèn)題已成為滴灌技術(shù)推廣的一大障礙[16-18]，在實(shí)際應(yīng)用中，即使水質(zhì)良好且有完備的沉淀過(guò)濾措施，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[19-21]。目前對(duì)灌水器抗堵性能還缺乏公認(rèn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在抗堵性能試驗(yàn)研究中，一般是在一個(gè)固定的灌水器進(jìn)口壓力下，經(jīng)過(guò)多次灌水和停水循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試每次渾水試驗(yàn)灌水器的流量值，與其在同一壓力下的清水流量值進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)灌水器的抗堵性能[22]；隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，渾水試驗(yàn)灌水器的流量值總體呈下降趨勢(shì)，所以這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。從灌水器性能的研究過(guò)程來(lái)看，目前對(duì)水力性能和抗堵性能的研究相互獨(dú)立，即在清水條件下研究水力性能及其影響因素[23-24]；在渾水條件下研究引起灌水器堵塞的因素及堵塞機(jī)理[25-29]；灌水器整體性能的優(yōu)劣需要綜合水力性能及抗堵性能的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)[30]。但水力性能和抗堵性能往往相互沖突，利用上述方法難以客觀評(píng)價(jià)灌水器的整體性能。

在滴灌田間管網(wǎng)中受到管網(wǎng)水頭損失和地形高差的影響，在田間管網(wǎng)不同位置，灌水器進(jìn)口壓力差別較大，用某一固定壓力下灌水器渾水流量與清水流量的比值來(lái)評(píng)價(jià)抗堵性能，并不合理；另一方面水力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是針對(duì)清水的，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)細(xì)小顆粒泥沙不可避免地會(huì)進(jìn)入流道，其在流道中的沉積，改變了流道的形狀和糙率，引起水力性能的變化，所以清水條件下測(cè)試的水力性能，即流態(tài)指數(shù)，難以客觀反映滴灌灌水器在田間運(yùn)行的實(shí)際情況。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，借鑒灌水器水力性能和抗堵性能的研究成果，本文以雙向流道和迷宮式流道為研究對(duì)象；通過(guò)渾水試驗(yàn)，研究細(xì)顆粒泥沙在流道中的沉積過(guò)程對(duì)灌水器水力性能的影響，探討灌水器水力性能對(duì)泥沙沉積累積效應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，分析渾水試驗(yàn)中灌水器流態(tài)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化的成因，為評(píng)價(jià)滴灌灌水器整體性能和產(chǎn)品研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

與文獻(xiàn)[31]為同一研究，故試驗(yàn)材料和方法均同文獻(xiàn)[31]。選取3種結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的雙向流道灌水器（1＃，2＃，3＃）和1種迷宮式流道灌水器（0＃）在同等試驗(yàn)條件下進(jìn)行渾水滴灌試驗(yàn)，研究渾水試驗(yàn)中 4種灌水器流量及水力性能的變化。雙向流道結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取及定義見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。迷宮式流道寬1 mm，深0.8 mm，長(zhǎng)度80 mm，流道單元數(shù)為20個(gè)；1＃，2＃，3＃這3種雙向流道灌水器的分水裝置與邊壁的間距分別為0.8、0.8、0.9 mm；擋水裝置齒尖與分水裝置的間距分別為0.8、0.7、0.7 mm；擋水裝置與邊壁的間距分別為 0.6、1.0、1.0 mm；擋水裝置與分水裝置最大過(guò)水通道寬度分別為1.4、1.3、1.0 mm；擋水裝置底柱高分別為0.3、0、0.9 mm。

渾水試驗(yàn)用土經(jīng)由自然風(fēng)干、研磨后采用120目（孔徑為0.125 mm）篩網(wǎng)篩出，土樣泥沙顆粒組成見(jiàn)表1。試驗(yàn)渾水含沙率為30 g/L。

表1 渾水泥沙顆粒組成Table 1 Soil mechanical composition in muddy water

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

試驗(yàn)分清水和渾水試驗(yàn)2部分，均在50、75和100 kPa進(jìn)口壓力下分別進(jìn)行。清水試驗(yàn)主要測(cè)量4種灌水器在3個(gè)進(jìn)口壓力下的流量，并計(jì)算其流態(tài)指數(shù)。渾水試驗(yàn)采用周期性間歇灌水測(cè)試方法，主要測(cè)定 4種灌水器在 3個(gè)進(jìn)口壓力下，每次渾水試驗(yàn)的流量，并計(jì)算其流態(tài)指數(shù)，分析灌水器隨灌水次數(shù)增加，流量及流態(tài)指數(shù)的變化規(guī)律。清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方法及步驟，見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。參考 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》[32]的要求及迷宮式流道灌水器抗堵塞試驗(yàn)的相關(guān)研究[33]，搭建試驗(yàn)裝置，用于灌水器清水及渾水試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置及裝置中各部件的具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。

灌水器流態(tài)指數(shù)x、k計(jì)算同文獻(xiàn)[34]。k反映流量波動(dòng)程度，其值越小，流量變動(dòng)越??；x反映灌水器流量對(duì)進(jìn)口壓力變化的敏感程度，是影響灌水均勻度的重要參數(shù)，當(dāng)進(jìn)口壓力偏差一定，較低的流態(tài)指數(shù)意味著較小的流量偏差，即較好的灌水均勻性。

一般用渾水試驗(yàn)灌水器流量與相同進(jìn)口壓力下的清水流量的比值（即相對(duì)流量）來(lái)評(píng)價(jià)灌水器抗堵性能，灌水器的相對(duì)流量越小，其抗堵塞能力越差；當(dāng)相對(duì)流量＜75%，即認(rèn)為灌水器發(fā)生了堵塞[35]。

1.3 灌水器試件加工

灌水器試件加工材料與方法見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為了保證渾水試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，3個(gè)進(jìn)口壓力下，在每個(gè)進(jìn)口壓力試驗(yàn)時(shí)，均采用新的試件進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測(cè)試5個(gè)灌水器試件（結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同），因此每種灌水器共計(jì)加工 3×5=15個(gè)試件，整個(gè)試驗(yàn)共計(jì)加工4×15=60個(gè)試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同壓力下灌水器渾水流量變化

不同進(jìn)口壓力下，將試驗(yàn)結(jié)果繪制為流量-灌水次數(shù)曲線圖，4種灌水器渾水流量隨試驗(yàn)次數(shù)的變化見(jiàn)圖1，其中qi為不同進(jìn)口壓力下，灌水器在第i次(i=1，2，3，…，20)渾水試驗(yàn)時(shí)的流量。

圖1 渾水試驗(yàn)灌水器流量變化過(guò)程Fig.1 Changing process of emitters flow rate over irrigation times in muddy water experiment

從圖1可以看出，渾水試驗(yàn)中，在50、75和100 kPa進(jìn)口壓力下，4種灌水器的流量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明4種灌水器都發(fā)生不同程度的泥沙沉積，導(dǎo)致流量下降。1#，2#和 3#雙向流道灌水器清水流量、渾水試驗(yàn)后的相對(duì)流量及顯著性分析結(jié)果，見(jiàn)表2。

由表2可知，3個(gè)進(jìn)口壓力下，雙向流道灌水器的渾水流量均在相同進(jìn)口壓力條件下清水流量的 75%以上，即未到達(dá)堵塞標(biāo)準(zhǔn)[35]；而由圖 2可知，迷宮式流道灌水器，分別在第12、13和15次完全堵塞，泥沙沉積較為嚴(yán)重，表明雙向流道在較高含沙率下仍有較好的抗堵塞能力，主要因?yàn)殡p向流道的結(jié)構(gòu)不同于迷宮式流道，雙向流道形成的正、反 2股對(duì)沖水流強(qiáng)烈混摻，提高了水流挾沙能力，增強(qiáng)了雙向流道抗堵塞能力。顯著性分析結(jié)果表明，不同進(jìn)口壓力下，3種雙向流道灌水器的流量及相對(duì)流量差異顯著；清水條件下，3#流量最大，1#其次，2#最??；抗堵性能3#最優(yōu)，2#其次，1#最差；因此，雙向流道灌水器的抗堵性能并不完全隨流量的增大而提高，流道結(jié)構(gòu)是影響抗堵性能的重要因素[31]，改變流道結(jié)構(gòu)從而改善流道內(nèi)流場(chǎng)的分布，提高流道挾沙能力能有效防止堵塞發(fā)生，與迷宮式流道的相關(guān)研究結(jié)果一致[25]。

表2 灌水器清水流量、相對(duì)流量及顯著性分析Table 2 Flow rate and relative flow rate of emitters and difference significance analysis

2.2 渾水試驗(yàn)灌水器流態(tài)指數(shù)變化

4種灌水器每次渾水試驗(yàn)的流態(tài)指數(shù)ix（i為灌水次數(shù)，i=1，2，3，…，20）見(jiàn)圖2。

圖2 渾水試驗(yàn)灌水器流態(tài)指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of flow index in muddy water experiment

同文獻(xiàn)[31]，清水試驗(yàn)時(shí) 0＃～3＃流量系數(shù)分別為0.2393、0.5170、0.4265、0.5100；流態(tài)指數(shù)分別為0.4728、0.4247、0.4467、0.4625。由圖2可知，隨著渾水試驗(yàn)次數(shù)的增加，流態(tài)指數(shù)總體趨勢(shì)是越來(lái)越大，在此條件下，流態(tài)指數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，反映了流道中泥沙沉積的累積效應(yīng)對(duì)其水力性能的動(dòng)態(tài)影響。渾水試驗(yàn)后，迷宮式流道流態(tài)指數(shù)的平均值為 0.8267，相比清水時(shí)流態(tài)指數(shù)的平均值（0.4728）增大74.85%；1#，2#和3#雙向流道流態(tài)指數(shù)的平均值分別為0.5881，0.6310，0.6764，相比清水時(shí)流態(tài)指數(shù)的平均值（分別為0.4247，0.4467，0.4625）增大幅度分別為38.47%，41.26%，46.25%。可見(jiàn)，渾水試驗(yàn)中 4種灌水器的流態(tài)指數(shù)均大于清水試驗(yàn)時(shí)的值，水力性能均變差。

表3 灌水器水力性能顯著性分析Table 3 Significance analysis on hydraulic performance of emitters

由表3可知，4種灌水器的水力性能差異顯著，且雙向流道灌水器的水力性能整體上優(yōu)于迷宮式流道灌水器。清水試驗(yàn)時(shí)，3種雙向流道，1#水力性能最優(yōu)，2#其次，3#較差；渾水試驗(yàn)后，水力性能優(yōu)劣順序仍與清水時(shí)一致；說(shuō)明清水條件下水力性能優(yōu)良的流道結(jié)構(gòu)在渾水條件下仍能保持較好的水力性能；清水條件流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)渾水條件的水力性能仍具有重要影響。由2.1的分析可知，3種雙向流道，3#抗堵性能最優(yōu)，2#其次，1#較差，說(shuō)明雙向流道水力性能和抗堵性能相互制約，這與迷宮式流道的研究結(jié)果一致[19]。

2.3 渾水試驗(yàn)灌水器流態(tài)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化成因

為了分析渾水試驗(yàn)中灌水器流態(tài)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化的原因，引入灌水器流量變化率的概念，即在設(shè)定的壓力變化范圍內(nèi)，對(duì)第i次渾水試驗(yàn)，灌水器在最大壓力與最小壓力下的流量差與最小壓力下流量的比值稱為灌水器第i次渾水試驗(yàn)的流量變化率，見(jiàn)式(1)。

式中riq 為灌水器第i次渾水試驗(yàn)的流量變化率(i=1，2，3，…，20)，%；max_,piq 、min_,piq 分別為渾水試驗(yàn)中，灌水器在最大、最小進(jìn)口壓力下，第i次渾水試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測(cè)流量值，L/h。

將4種灌水器在最大（100 kPa）、最?。?0 kPa）進(jìn)口壓力下，每次渾水試驗(yàn)的流量值，代入式（1），即可得到每次渾水試驗(yàn)灌水器的流量變化率，見(jiàn)表4。

當(dāng)進(jìn)口壓力為50 kPa時(shí)，0#灌水器在第12次渾水試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了完全堵塞，因此表4中從第12次灌水試驗(yàn)開(kāi)始不再討論其在整個(gè)壓力區(qū)間的流量變化率。由表 4可知，進(jìn)口壓力從50 kPa提高到100 kPa時(shí)，4種灌水器流量變化率波動(dòng)較大，亦即流量對(duì)壓力變化的敏感性動(dòng)態(tài)變化，因此導(dǎo)致其流態(tài)指數(shù)波動(dòng)也較大（有時(shí)大有時(shí)小，由圖2驗(yàn)證）。如0#迷宮式流道灌水器流量變化率在最小值48.21%和最大值79.64%之間波動(dòng)，導(dǎo)致其流態(tài)指數(shù)在0.5664和0.8267之間波動(dòng)；雙向流道灌水器流態(tài)指數(shù)波動(dòng)程度整體上低于迷宮式流道，其動(dòng)態(tài)變化情況類似于迷宮式流道灌水器。

分析原因認(rèn)為，渾水試驗(yàn)中流道的泥沙沉積不完全是一直累積增加的，流道中同時(shí)存在泥沙沉積、水流沖刷的反復(fù)過(guò)程，有時(shí)在較低的進(jìn)口壓力下流道泥沙沉積程度加劇，流量降低程度增大；而在較高的進(jìn)口壓力下，流道沉積泥沙被水流沖刷，沉積程度減弱，流量降低程度減小（由圖1驗(yàn)證）。兩方面的綜合作用，使得灌水器流量變化率增大，流態(tài)指數(shù)增大[32]。相反的情況同樣存在，使得灌水器流量變化率減小，流態(tài)指數(shù)減小。渾水試驗(yàn)中流量變化率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)（有時(shí)大有時(shí)?。?，導(dǎo)致流態(tài)指數(shù)出現(xiàn)相同的波動(dòng)趨勢(shì)。

表4 渾水試驗(yàn)灌水器流量變化率Table 4 Rate of emitter discharge change in muddy water experiment%

清水試驗(yàn)后流道流量變化率記作清,rq，計(jì)算方法如下：

式中q清,p_max和q清,p_min分別為清水試驗(yàn)中，流道在最大、最小進(jìn)口壓力下的實(shí)測(cè)流量值，L/h。

將清水試驗(yàn)結(jié)果代入式（2）即可得到清水試驗(yàn)后 4種灌水器的流量變化率。依據(jù)表4，可分別獲取第11次迷宮式流道灌水器和第20次雙向流道灌水器渾水試驗(yàn)的流量變化率，如圖3所示。由圖3可知，試驗(yàn)設(shè)定的進(jìn)口壓力范圍內(nèi)，4種灌水器渾水流量變化率均大于清水試驗(yàn)，說(shuō)明流道泥沙沉積后，流量對(duì)進(jìn)口壓力變化的敏感程度增加，即在相同的壓力變動(dòng)范圍內(nèi)，灌水器的流量變化率均增大，水力性能下降。迷宮式流道灌水器清水試驗(yàn)時(shí)流量變化率為39.21%，渾水試驗(yàn)后增加到79.64%，相比清水時(shí)增大40.43%；1#，2#和3#雙向流道灌水器清水試驗(yàn)時(shí)流量變化率分別為：34.92%，36.33%，37.97%，渾水試驗(yàn)后分別增加到52.15%，55.76%，60.30%，相比清水時(shí)分別增大17.23%，19.43%，22.33%；迷宮式流道灌水器流量變化率增大程度大于雙向流道灌水器，說(shuō)明迷宮式流道灌水器水力性能受泥沙沉積程度的影響大于雙向流道灌水器，這是其水力性能相對(duì)雙向流道灌水器下降較大的重要原因。

圖3 清水和渾水試驗(yàn)后灌水器流量變化率對(duì)比Fig.3 Comparison of rate of emitter discharge change after rinsing and muddy water experiment

3 結(jié)論與建議

研究不同灌水器水力性能，結(jié)論如下：

1） 灌水器堵塞進(jìn)程隨灌水次數(shù)動(dòng)態(tài)變化，在一定的進(jìn)口壓力變化范圍內(nèi)，每次灌水時(shí)灌水器的流量變化并不相同，進(jìn)而引起灌水器渾水流態(tài)指數(shù)動(dòng)態(tài)波動(dòng)。文中提出的基于流道泥沙沉積過(guò)程的滴灌灌水器水力性能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，可為客觀評(píng)價(jià)滴灌灌水器在田間運(yùn)行的實(shí)際性能提供參考。

2）隨著灌水次數(shù)增加，灌水器流道中泥沙沉積的累積效應(yīng)導(dǎo)致其水力性能越來(lái)越差；渾水試驗(yàn)后，迷宮式流道灌水器渾水流態(tài)指數(shù)比清水時(shí)增大74.85%，1#，2#和3#雙向流道灌水器分別增大38.47%，41.26%，46.25%；泥沙沉積對(duì)雙向流道灌水器水力性能的影響小于迷宮式流道灌水器。

3）雙向流道灌水器的水力性能整體上優(yōu)于迷宮式流道灌水器；清水條件下水力性能優(yōu)良的流道結(jié)構(gòu)在渾水條件下仍能保持較好的水力性能；灌水器流道結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)灌水器整體性能有顯著影響，為進(jìn)一步提高雙向流道灌水器性能提供了科學(xué)依據(jù)。

文中初步研究了滴灌灌水器流道泥沙沉積引起水力性能變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，結(jié)果表明流道中泥沙的沉積導(dǎo)致其水力性能下降較大，泥沙沉積對(duì)灌水器水力性能有重要影響。提出的基于流道泥沙沉積過(guò)程的滴灌灌水器水力性能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，可綜合反映灌水器渾水流量對(duì)進(jìn)口壓力變化和泥沙沉積的敏感程度，對(duì)評(píng)價(jià)灌水器性能具有參考意義。進(jìn)一步可研究渾水條件下灌水器水力性能的變化規(guī)律，為優(yōu)化滴灌雙向流道結(jié)構(gòu)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)，提升雙向流道對(duì)多泥沙地表水源的適應(yīng)性。