減緩滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)的毛管首次沖洗時(shí)間及周期的確定

張文倩，牛文全，李學(xué)凱，呂 敏，楊小坤，溫圣林

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌712100； 3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100）

0 引 言

中國引黃灌區(qū)多處于干旱半干旱區(qū)，水資源緊缺，滴灌是該區(qū)發(fā)展速度最快和發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮墓嗨夹g(shù)。在甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古等地段黃河水含沙量非常高，這些地區(qū)滴灌工程一般修建較大的沉砂池+多級過濾裝置，首部過濾設(shè)施和設(shè)備不但占用了土地，而且需要投入大量的人力，花費(fèi)大量的資金。并且即使經(jīng)過多級過濾處理后，仍然有大量粒徑小于76 μm的顆粒進(jìn)入滴灌系統(tǒng)[1]。滴灌系統(tǒng)中，滴頭的流道和進(jìn)、出水口斷面尺寸狹小，極易被水中泥沙或者有機(jī)雜質(zhì)堵塞，因此，滴頭堵塞問題是制約黃河水滴灌最主要的限制性因素。為此，許多學(xué)者研究了黃河水泥沙粒徑級配[2-3]、肥料濃度和種類[4]，以及黃河泥沙表面特征和微生物增長狀況、活性[5]等對滴頭堵塞的影響，試圖揭示滴頭堵塞的誘發(fā)機(jī)制，探尋減緩或者防治滴頭堵塞的主要途徑。一般認(rèn)為，沖洗滴灌帶（毛管）是一種簡易、方便、有效的滴頭抗堵塞方法，Puig-Bargués等[6-8]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)毛管沖洗影響再生水滴灌的滴頭堵塞情況，1次沖洗可使毛管內(nèi)泥沙量大幅度減少，多次沖洗可使泥沙減少效果更佳。Zhou等[9]研究發(fā)現(xiàn)，沖洗可減緩再生水滴灌滴頭內(nèi)部微生物的生長，抑制生物膜的形成，毛管沖洗措施具有緩解滴灌系統(tǒng)堵塞的作用。Song等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)加氯沖洗效果更好，并認(rèn)為 2周沖洗1次效果最佳。但Feng等[12]研究發(fā)現(xiàn)毛管沖洗并不能顯著減緩微咸水滴灌的滴頭堵塞狀況?？傮w而言，毛管沖洗措施影響滴頭堵塞過程，但是對于不同水質(zhì)的作用不同，如可降低再生水滴灌的滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，而對于微咸水效果不明顯。對于毛管沖洗是否可以緩解微生物含量較少、含沙量較多的黃河水滴灌的滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，目前還未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

為了提高滴灌技術(shù)在引黃灌區(qū)適應(yīng)能力，降低黃河水滴灌的滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，本研究采用不同沖洗周期和不同水源進(jìn)行滴灌試驗(yàn)，分析毛管沖洗下滴灌系統(tǒng)不同時(shí)期的運(yùn)行特征，探究毛管沖洗措施對滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)的影響，提出適宜降低寧夏中衛(wèi)段黃河水滴灌堵塞的毛管沖洗方法，擬為寧夏中衛(wèi)段黃河水滴灌灌區(qū)的運(yùn)行管理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

1.1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)實(shí)地考察，寧夏黃河水引水渠口含沙量在0.61～1.10 g/L之間，故試驗(yàn)配置的含沙量為0.8 g/L，采用渭河河灘泥沙，過0.1 mm篩網(wǎng)，基本與寧夏中衛(wèi)黃河段引水渠口過濾后泥沙級配和成分相同，其中黏粒、粉粒和砂粒的體積分?jǐn)?shù)分別為8.17%、23.02%和68.81%；試驗(yàn)用水為楊凌示范區(qū)居民用水。泥沙礦物質(zhì)成分如表1。

表1 試驗(yàn)用泥沙礦物成分Table 1 Mineral components of tested sedimentation

試驗(yàn)用尿素（云南三環(huán)化工股份有限公司）為直徑1～2 mm的白色顆粒狀，極易溶于水，尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。試驗(yàn)用內(nèi)鑲片式迷宮流道滴灌帶（萊蕪市春雨滴灌技術(shù)有限公司）在工作壓力100 kPa時(shí)，流量為1.80 L/h，流態(tài)指數(shù) 0.492，流量系數(shù) 0.748。滴頭迷宮流道齒高為1.13 mm，齒寬為1.25 mm，流道寬度為1.69 mm，流道深度為0.75 mm（圖1）。毛管管徑為16 mm。

圖1 滴頭迷宮結(jié)構(gòu)Fig.1 Emitter's labyrinth channel structure

1.1.2 試驗(yàn)裝置

測試平臺由蓄水桶（164 L）、水泵（JET100自吸泵，揚(yáng)程45 m，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，額定流量2.4 m3/h）、攪拌機(jī)（單相異步電動(dòng)機(jī)與減速攪拌機(jī)裝配而成）、壓力表、控制閥門以及待測滴灌帶（毛管）和尾部排水管等組成（圖2）。試驗(yàn)1次灌水量約為2.4 m3，為了減小水樣制備工作量，本試驗(yàn)采用循環(huán)供水方式，每天更新 1次水源。攪拌機(jī)在水泵運(yùn)行5 min前開始攪拌，并且在整個(gè)灌水期間持續(xù)保持工作。測試系統(tǒng)中水流流速較緩，不超過0.55 m/s，轉(zhuǎn)速為126 r/min。在這樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，泥沙顆粒相互碰撞后發(fā)生破碎的幾率較小，因此本試驗(yàn)未考慮由于試驗(yàn)過程中泥沙顆粒碰撞引起機(jī)械破碎造成的機(jī)械組成變化。首部利用分流原理調(diào)節(jié)回水流量控制工作壓力，壓力控制精度為 1.25%，壓力表量程為0.25 MPa。本試驗(yàn)設(shè)置含沙量為假定黃河水過濾后情況，滴灌系統(tǒng)未配置過濾設(shè)備。每次測試的毛管為10條。目前大田毛管鋪設(shè)長度一般在60～120 m之間，毛管鋪設(shè)長度越短，灌水均勻度越好[13]，為控制灌水均勻度，本試驗(yàn)滴灌帶長度為 6 m，即實(shí)際大田毛管長度最小值的1/10。每條毛管上有20個(gè)滴頭，滴頭間距為30 cm。

1.蓄水桶 2.攪拌機(jī) 3.吸水管 4.水泵 5.回水管 6.壓力表 7.閥門8.回水槽 9.毛管 10.滴頭 11.排水管1.Water tank 2.Blender 3.Suction pipe 4.Pump 5. Backwater pipe 6.Pressure gauge 7.Valve 8. Backwater groove 9.Laterals 10.Emitter 11.Drain-pipe

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)為室內(nèi)短周期間歇模擬試驗(yàn)，分別測試毛管沖洗對渾水和渾水+尿素滴灌條件下滴頭堵塞的影響。設(shè)定4個(gè)不同的沖洗周期，分別為灌水3、5、7、10 d沖洗1次毛管和不沖洗處理（CK），沖洗時(shí)間為5 min[14-15]。渾水水源為含沙量為0.8 g/L的滴灌水源，渾水+尿素水源為含沙量為0.8 g/L和尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的滴灌水源。試驗(yàn)時(shí)間2017年5月7日—7月6日和9月1日—10月10日，共70 d。所有處理每天灌水1次，每次灌水時(shí)間為6 h。

試驗(yàn)開始前先測定工作壓力為 100 kPa時(shí)的額定流量，即滴頭清水流量。清水流量測試結(jié)束后進(jìn)入滴灌運(yùn)行階段，并對滴頭的流量進(jìn)行監(jiān)測和記錄。每個(gè)處理組在運(yùn)行周期結(jié)束時(shí)打開待沖洗毛管的進(jìn)、出口端閥門，關(guān)閉其他不進(jìn)行沖洗毛管的進(jìn)、出口端閥門，沖洗過程中調(diào)節(jié)首部回流閥門保證毛管壓力保持100 kPa，同時(shí)收集毛管末端流出的泥沙，烘干后測試淤積在毛管內(nèi)的泥沙質(zhì)量和機(jī)械組分。相同水質(zhì)滴灌的所有處理總灌水時(shí)間保證相同：渾水滴灌灌水30次停止試驗(yàn)，施加尿素后渾水滴灌由于堵塞程度減輕，因此施加尿素滴灌處理組的灌水次數(shù)適當(dāng)延長，灌水40次結(jié)束試驗(yàn)。由于毛管長度為6 m，毛管內(nèi)不同位置滴頭入口的壓力差異較小，毛管上20個(gè)滴頭可以作為20個(gè)重復(fù)。為了提高測試效率，每次測定每條毛管上 6個(gè)滴頭流量。整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行階段水溫變化如圖3。

圖3 試驗(yàn)期間溫度變化Fig.3 Variation of temperature during experiment period

1.3 評價(jià)指標(biāo)與方法

1.3.1 平均相對流量

平均相對流量可表征整個(gè)滴灌管（帶）的整體堵塞水平，一般以實(shí)測流量與清水流量比值小于 75%判定滴頭發(fā)生堵塞[16]。

式中qi為第i個(gè)滴頭的實(shí)測流量，L/h；q0i為第i個(gè)滴頭的清水流量，L/h；m為毛管上測試滴頭的個(gè)數(shù)；Di為第i個(gè)滴頭的相對流量，%；D為每個(gè)處理的平均相對流量，%。

1.3.2 流量回升速率

用流量回升速率表征沖洗前后流量回升的程度。

式中Daj為第j次沖洗毛管之前的平均相對流量，%；Dbj為第j次沖洗毛管之后的平均相對流量，%；Vrf為流量回升速率，%/次；處理組中 k為總沖洗次數(shù)，未沖洗處理組中k為總灌水次數(shù)。

1.3.3 毛管淤積泥沙沖洗率

沖洗過程中，收集從毛管中排出的淤積泥沙并在105 ℃烘7 h，烘干后稱取質(zhì)量，并計(jì)算毛管淤積泥沙沖洗率（Rs），簡稱沖洗率。

式中Rs為沖洗率，g/h；Ms為從毛管中沖洗收集的泥沙總質(zhì)量，g；t為總灌水時(shí)間，h。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS18.0軟件方差分析不同沖洗周期對相對流量影響差異的顯著性，采用OriginPro8軟件作圖，分析不同沖洗周期對平均相對流量和毛管泥沙沖洗率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖洗對滴頭相對流量的影響

圖4a為渾水滴灌不同沖洗周期下滴頭相對流量隨時(shí)間的變化趨勢。從圖 4可以看出，毛管沖洗處理對滴頭流量隨灌水次數(shù)增加下降趨勢有一定的減緩作用，灌水30次后，毛管沖洗處理的相對流量比未沖洗的對照處理高14.29%～47.77%，未沖洗處理流量下降量顯著大于沖洗周期為3、5和7 d處理（P＜0.05）。沖洗周期為3 d的處理保持滴頭流量穩(wěn)定的效果最明顯，滴頭相對流量基本在95%附近小幅波動(dòng)變化。沖洗周期為5 d處理的滴頭相對流量在灌水前期下降速率較快，灌水15次時(shí)已經(jīng)堵塞（D＜75%），毛管沖洗之后流量恢復(fù)并持續(xù)保持至80%以上。沖洗周期為7 d處理的滴頭相對流量基本保持在85%～90%之間。而沖洗周期為10 d的處理效果較差，灌水10次后，滴頭相對流量就基本下降到75%以下。

圖 4b為渾水+尿素滴灌下不同沖洗周期各滴頭流量隨時(shí)間的變化趨勢。從圖4b可以看出，第40次灌水后，沖洗處理的相對流量比未沖洗的對照處理高 12.89%～126.67%，未沖洗處理相對流量顯著低于沖洗周期為3、5和 7d（P＜0.05）沖洗處理。在灌水 28次之前，沖洗周期為3、5和7 d處理滴頭流量變化趨勢基本相同。而沖洗周期為10 d處理在灌水24次至40次流量下降速率為2.61%/次，與不沖洗處理的流量下降速率 2.57%/次基本相同（P=0.33＞0.05）。

圖4 毛管沖洗周期對渾水以及渾水+尿素滴灌滴頭流量的影響Fig.4 Influence of lateral flushing period on flow rate in muddy water and muddy water with urea drip irrigation system

灌水開始階段，不同沖洗周期處理與對照之間的滴頭流量差異非常小，該階段沖洗對滴頭流量的變化幾乎沒有影響，滴頭流量隨灌水次數(shù)的變化趨勢基本一致，滴頭相對流量大于90%。如渾水灌水2次，沖洗周期為3、5、7、10 d和不沖洗處理的滴頭相對流量分別為98.67%，96.84%，96.36%，94.77%和97.04%，為沖洗鈍感期（圖4a）；渾水+尿素滴灌10次，沖洗周期為3、5、7和10 d處理與不沖洗處理之間滴頭流量并無明顯差異（圖4b）。沖洗鈍感期后，不同處理的滴頭流量變化差異增大，毛管沖洗處理的滴頭流量下降速度明顯小于未沖洗的對照處理，即進(jìn)入毛管沖洗對滴頭堵塞的沖洗敏感期。該階段滴頭相對流量維持在 75%以上，毛管沖洗處理的滴頭流量下降速度小于對照處理（P＜0.05），每次毛管沖洗后，下次灌水滴頭流量均有所恢復(fù)。不同沖洗周期處理的沖洗敏感期不同，對于渾水滴灌沖洗周期為3、5和7 d處理超過30次灌水，而沖洗周期為10 d處理不大于20次灌水（圖4a）；對于渾水+尿素滴灌沖洗周期為3、5和7 d處理超過40次灌水，而沖洗周期為10 d處理不超過30次灌水，第10次灌水后，洗周期為3、5和7 d處理滴頭相對流量均在 75%以上，且毛管沖洗后流量分別回升3.67%，12.44%和10.05%（圖4b）。沖洗敏感期結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行沖洗，滴頭流量也可能會有所恢復(fù)，但是總體趨勢為滴頭流量迅速下降，滴頭相對流量小于75%，該階段為沖洗無效期，毛管沖洗處理已經(jīng)無法使滴頭流量恢復(fù)到額定流量的75%以上。如沖洗周期為10 d渾水滴灌處理在灌水 20次之后流量從 75.72%迅速下降至65.14%，雖在灌水30次沖洗后回升至67.24%，仍遠(yuǎn)小于75%（圖4a）；相同沖洗周期的渾水+尿素滴灌處理在灌水20次后，滴頭流量從87.04%迅速下降至45.71%，下降速率與不沖洗處理無明顯差異。

灌水試驗(yàn)結(jié)束后，對每條毛管的所有滴頭進(jìn)行流量測試并進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表 2所示。施加尿素和沖洗周期分別單獨(dú)或交互對滴頭相對流量的影響極顯著，說明在一定泥沙濃度范圍內(nèi)，施加尿素會影響滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，且不同沖洗周期對滴頭相對流量影響也有很大差異，同時(shí)兩者存在交互作用。

表2 不同水質(zhì)和沖洗周期處理下流量方差分析Table 2 Variance analysis on flow rate in different water types and flushing periods

計(jì)算毛管沖洗前后毛管流量回升速率（表3）可知，在渾水滴灌條件下，流量回升速率分為 3個(gè)梯度：沖洗周期為5 d的處理組流量回升速率最高，與其他沖洗周期以及對照處理之間及有顯著性差異；沖洗周期為3、7和10 d處理滴頭的平均流量回升速率約為 0.36%/次～0.41%/次之間，不同沖洗周期之間無顯著性差異；未沖洗對照組流量持續(xù)下降（Vrf＜0）。說明在渾水滴灌條件下，沖洗處理對流量恢復(fù)起重要作用。渾水+尿素滴灌條件下，沖洗周期為3、5和7 d處理滴頭流量均有不同程度恢復(fù)，沖洗周期為 10 d的處理組和未沖洗對照組流量持續(xù)下降（Vrf＜0），但沖洗周期為10 d處理組的下降速率顯著小于未沖洗對照組。

表3 沖洗后毛管流量回升速率Table 3 Recovery rate of flow after flushing events%·次-1

2.2 沖洗周期對毛管淤積泥沙的影響

2.2.1 泥沙沖洗率

從表4中2種水質(zhì)滴灌條件下不同沖洗周期內(nèi)的泥沙沖洗率可以看出，在 2種水質(zhì)滴灌條件下，泥沙沖洗率整體上呈現(xiàn)隨沖洗周期增加而降低的趨勢，表明毛管內(nèi)泥沙沉降累積主要發(fā)生在灌水初期，隨著灌水時(shí)間的的延長逐漸減小。

表4 毛管泥沙沖洗率Table 4 Flushing rate of sediment in laterals g·h-1

2.2.2 泥沙粒徑

對 2種水源滴灌條件下毛管淤積泥沙粒徑組成的方差分析結(jié)果表明：沖洗周期對沉降泥沙有較大影響，不同沖洗周期對沉降泥沙組成的影響不同（表5）。相同水質(zhì)滴灌不同處理之間毛管淤沙的黏粒、粉粒和砂粒含量均具有顯著性差異（P＜0.05）。渾水滴灌毛管淤積泥沙中黏粒含量較初始值（體積百分?jǐn)?shù) 8.17%）高 8.51%～21.23%，渾水+尿素滴灌毛管淤積泥沙中黏粒含量比初始含量顯著高22.78%～30.88%。說明在灌水過程中細(xì)顆粒泥沙容易在毛管內(nèi)沉降。多重比較分析結(jié)果表明渾水+尿素滴灌毛管淤積泥沙中黏粒和粉粒含量分別顯著高于相同沖洗周期處理渾水滴灌的黏粒和粉粒含量，而砂粒含量顯著降低（P＜0.05）。說明尿素的施加使毛管中沉降的黏性細(xì)顆粒增多，而粗顆粒成分則相應(yīng)減少。

表5 2種水質(zhì)滴灌條件不同沖洗周期下淤沙粒徑組成體積百分?jǐn)?shù)Table 5 Particle composition of sediment under different flushing periods and 2 types of drip irrigation water%

2.3 沖洗周期對滴頭堵塞的影響

2.3.1 毛管沖洗減緩黃河水滴灌滴頭堵塞的機(jī)理

滴頭物理堵塞的主要原因是灌溉水中懸浮固體顆粒物發(fā)生絮凝、吸附作用，容易附著在迷宮流道入口以及流道壁面上，附著物不斷發(fā)育造成流道入口以及格柵過流面積逐漸減小最終完全堵塞。通過對堵塞滴頭的剖切觀察到滴頭堵塞主要為入口堵塞和流道堵塞，入口堵塞率大于50%，且堵塞主要發(fā)生在入水口位置（表6）這與仵峰等[17]的研究結(jié)果一致。計(jì)算可知，本文毛管流速為0.003～0.55 m/s，根據(jù)沉降速率公式[18-19]可以計(jì)算得到本文中泥沙沉降速度約為0.401 m/s，較大顆粒的泥沙容易沉降，覆蓋在滴頭進(jìn)水口柵格處，導(dǎo)致滴頭流量下降。另外，水流進(jìn)入迷宮流道后，邊界條件變化，水流流線發(fā)生改變，當(dāng)進(jìn)口處有泥沙淤積時(shí)，由于水流擾動(dòng)，迷宮流道內(nèi)的水流含沙量會瞬間增加很多，滴頭迅速堵塞的風(fēng)險(xiǎn)也會很高[20]。采取毛管沖洗措施，打開毛管尾端，尾端壓強(qiáng)迅速降低，流速增大，水力剪切力可能變大，流量增大，絕大部分沉積在毛管底端的泥沙攜裹輸出毛管，恢復(fù)流道入口截面積，同時(shí)也降低含沙量瞬間升高的機(jī)會，因此，適當(dāng)頻率的毛管沖洗處理可以降低渾水滴灌滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，延長有效灌水次數(shù)。

表6 滴頭堵塞位置統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of position of clogging emitters

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)不同，毛管沖洗處理對降低滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)的效果不同。當(dāng)每3、5和7 d灌水沖洗1次時(shí)時(shí)，渾水+尿素滴灌的沖洗率均小于渾水滴灌（表 4），每灌水10 d沖洗1次時(shí)，渾水+尿素滴灌的有效灌水次數(shù)大于渾水滴灌，在30次灌水期間，不同沖洗周期處理下渾水+尿素滴灌的有效灌水次數(shù)均不小于渾水滴灌（圖4）。這可能是不同水質(zhì)滴灌條件下毛管內(nèi)不同粒徑泥沙的淤積沉降速率不同導(dǎo)致淤積泥沙的機(jī)械組成不同的緣故。如本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)渾水+尿素滴灌毛管淤積泥沙中黏粒和粉粒體積百分比均大于渾水滴灌的，砂粒體積百分比則相反（表5）。這表明在灌水過程中施加尿素可能會減少泥沙沉降量，同時(shí)降低了渾水的黏滯系數(shù)（黏滯系數(shù)測試結(jié)果表明在肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0和1%時(shí)溶液的黏滯系數(shù)分別為 1.51×10-3和 1.31×10-3Pa·s），可見，細(xì)小泥沙顆粒在含尿素水中更易沉降，粘附在入口格柵的堵塞結(jié)構(gòu)中細(xì)顆粒含量成分增加，顆粒骨料間的咬合作用以及內(nèi)摩擦角降低，結(jié)構(gòu)抗沖切承載力降低[21-22]，更易被破壞，這些導(dǎo)致淤積泥沙更容易被沖出毛管。因此，毛管沖洗措施對于渾水+尿素滴灌維持滴頭流量的效果略好于渾水滴灌。這種現(xiàn)象在再生水滴灌中也有表現(xiàn)[10-11]，在灌水停歇周期靜水環(huán)境中細(xì)菌容易大量滋生，在灌水時(shí)進(jìn)入滴頭的細(xì)菌增多，增加了生物堵塞的幾率。毛管沖洗措施可以將毛管內(nèi)細(xì)菌團(tuán)排出毛管，抑制了細(xì)菌的持續(xù)增長，因此，毛管沖洗措施可以減小堵塞風(fēng)險(xiǎn)。但是在硬水和微咸水滴灌過程中，由于 CaCO3、CaSO4和MgCO3等化學(xué)沉淀[23]易形成緊密的化學(xué)垢[24]，同時(shí)粘附在流道入口迷宮流道壁面上，毛管沖洗措施幾乎不可能減少化學(xué)垢，改變化學(xué)垢的增長率，因此，毛管沖洗對這類水質(zhì)滴灌的滴頭幾乎沒有抗堵塞作用[12]。

因此，在灌水過程中，對于易在毛管內(nèi)產(chǎn)生泥沙淤積或者其他附著物堆積減小滴頭進(jìn)口斷面面積，并可以通過毛管沖洗消除或者減緩滴頭入口堆積物的水質(zhì)滴灌系統(tǒng)，可以采取一定沖洗周期的毛管沖洗措施，降低滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)，延長滴灌系統(tǒng)的有效灌水次數(shù)，提高滴灌系統(tǒng)的使用壽命。

2.3.2 適宜的首次沖洗時(shí)間和周期

按照毛管沖洗對滴頭流量的恢復(fù)情況，可將沖洗過程劃分為3個(gè)階段，即沖洗鈍感期，沖洗敏感期和沖洗無效期。采用黃河渾水滴灌或者渾水+尿素滴灌初期階段，毛管與滴頭迷宮流道都非常潔凈，當(dāng)灌水次數(shù)和灌水時(shí)間較小時(shí)，毛管內(nèi)淤積物非常少，迷宮流道壁面黏附的物質(zhì)也較少。沖洗對于毛管內(nèi)淤積物和滴頭流量的影響可以忽略，在該階段采用毛管沖洗對于滴頭流量幾乎沒有影響。水質(zhì)不同，沖洗鈍感期也不同。本試驗(yàn)中，由于渾水+尿素的粘滯系數(shù)較大[25]，泥沙跟隨性較好[26-28]，且不利于形成大的團(tuán)聚體，泥沙顆粒易隨水出流[29]，毛管內(nèi)淤積泥沙較少，滴頭也保持較高的流量，因此，渾水+尿素滴灌的沖洗鈍感期較長（圖4b），渾水滴灌的沖洗鈍感期小于3次灌水，渾水+尿素滴灌條件下沖洗鈍感期約為10次灌水。

隨著灌水時(shí)間的延長和灌水次數(shù)的增多，滴頭入口格柵被沉積物覆蓋后非常容易被堵塞（圖5a和圖5b），造成流量下降。但此時(shí)沉積泥沙黏附力較小，可以借助毛管沖洗時(shí)產(chǎn)生的水力剪切力將沉積物沖走恢復(fù)入口截面積從而達(dá)到恢復(fù)滴頭流量的目的；同時(shí)毛管內(nèi)淤積泥沙會在水泵啟動(dòng)瞬間的脈動(dòng)壓強(qiáng)下造成含沙量的極不均勻，高含沙量水進(jìn)入滴頭極易導(dǎo)致滴頭的瞬間堵塞，在此之前沖洗可改善毛管內(nèi)淤積泥沙的環(huán)境，減小堵塞風(fēng)險(xiǎn)，此階段為沖洗敏感期。

注：圈出位置代表滴頭堵塞部位；圖a和圖b為沖洗周期為5 d處理組的滴頭，圖c和圖d為沖洗周期為10 d處理組的滴頭。Note: Circled positions represent blocked areas of the emitters; Emitters in the treatments of 5 d flushing period are shown in Fig.5a and Fig.5b, while those of 10 d flushing period are shown in Fig. 5c and Fig.5d.

采取毛管沖洗措施降低黃河水滴灌滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，如果在沖洗鈍感期結(jié)束開始沖洗，則會顯著降低沖洗效果。如渾水滴灌沖洗周期為10 d處理（圖4a）和尿素+滴灌沖洗周期為10 d處理（圖4b）首次沖洗時(shí)間均為第10次灌水后進(jìn)行，此時(shí)，毛管內(nèi)有較多的泥沙，迷宮流道內(nèi)也逐漸附著了一定量的泥沙，毛管沖洗雖然對于滴頭流量有所回升（表3），但滴頭迷宮流道內(nèi)壁面附著物進(jìn)入快速增長階段，已無法通過沖洗毛管從根本上改變滴頭流量快速下降的趨勢。分別在灌水10～20和28次后，滴頭相對流量小于 75%，有效灌水次數(shù)遠(yuǎn)低于其他周期的沖洗處理。因此，對于黃河水滴灌，或者尿素+黃河水滴灌時(shí)，首次毛管沖洗應(yīng)分別在第2次和第9次灌水后進(jìn)行，防止沖洗鈍感期進(jìn)入迷宮流道泥沙量過多，迷宮流道入口過早發(fā)生堵塞。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然沖洗周期對滴頭相對流量有極顯著影響（表2），但渾水滴灌沖洗周期為3、5和7 d處理，和渾水+尿素滴灌的沖洗周期為3、5和7 d處理在沖洗敏感期對滴頭流量的保持能力差異不十分明顯，有效灌水次數(shù)分別均超過30次（圖4a）和40次（圖4b）。雖然沖洗周期越短，對于毛管內(nèi)泥沙的沖洗率越高，但沖洗周期在一定范圍內(nèi)，進(jìn)入迷宮流道的含沙量和迷宮流道壁面泥沙的附著和累積速度差異并不明顯，因此，應(yīng)選擇適宜的沖洗周期。從本試驗(yàn)的 2種水質(zhì)分析，綜合考慮流量恢復(fù)效果和操作簡便性，適宜的沖洗周期應(yīng)為分別為5和7 d。

當(dāng)灌水時(shí)間過長（沖洗周期大于10 d）時(shí)，滴頭迷宮流道大部分被堵塞（圖5c和圖5d），毛管沖洗只能減少毛管內(nèi)淤積泥沙量，而無法改變迷宮入口和流道壁面淤積泥沙量，進(jìn)入沖洗無效期，可以考慮更換毛管或者采用加酸加氯或者微生物等措施保證滴灌系統(tǒng)正常運(yùn)行[30-31]。采用不同周期的沖洗措施的意義在于有效延長沖洗敏感期和延緩沖洗無效期。

但是，滴頭堵塞是與滴頭結(jié)構(gòu)，灌溉水質(zhì)，灌水環(huán)境和運(yùn)行管理等各方面因素密切關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。如在渾水滴灌第15次灌水之前，沖洗周期為5 d的滴頭流量下降速率遠(yuǎn)高于沖洗周期為7 d的，導(dǎo)致其流量在整個(gè)灌水期間基本小于沖洗周期為7 d的，這可能是由于滴頭制造偏差過大滴頭抗堵塞性能減弱導(dǎo)致滴頭在沖洗之前即發(fā)生快速下降。這并不意味著沖洗周期為7 d的處理必然優(yōu)于沖洗周期為5 d的處理，相反沖洗周期為5 d的處理流量回升速率最大（表3）。因此，在對滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的過程中應(yīng)當(dāng)綜合各方面因素。

3 結(jié) 論

1）在寧夏中衛(wèi)段黃河水滴灌區(qū)，采取毛管沖洗措施可以減少毛管內(nèi)淤積的泥沙量，恢復(fù)滴頭格柵入口截面積，使滴頭流量在較長時(shí)間保持在較高的水平，毛管沖洗措施具有明顯降低黃河水滴灌滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)的作用。

2）毛管沖洗對滴頭相對流量作用可以分為3個(gè)階段：沖洗鈍感期，沖洗敏感期以及沖洗無效期。滴灌系統(tǒng)毛管的首次沖洗應(yīng)在沖洗鈍感期結(jié)束之前，當(dāng)進(jìn)入沖洗無效期時(shí)，需要更換毛管或者采取其他抗堵措施。

3）寧夏中衛(wèi)段黃河水滴灌過程中，對于渾水滴灌系統(tǒng)應(yīng)該在最初 2次灌水后進(jìn)行首次毛管沖洗，而對于渾水+尿素滴灌系統(tǒng)應(yīng)在灌水9次后進(jìn)行首次毛管沖洗，適宜的沖洗周期為分別為5和7 d。

綜上，本文通過探究黃河水滴灌條件下毛管沖洗周期對滴灌滴頭堵塞的作用得到了一些初步結(jié)論，為探究黃河水滴灌區(qū)滴頭堵塞機(jī)理以及有效的系統(tǒng)堵塞控制提供了一定的理論依據(jù)。本文的不足之處在于：沖洗對于滴頭堵塞物質(zhì)的移送作用僅限于沖洗結(jié)束前后靜態(tài)結(jié)果觀測，未有動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)，此外還應(yīng)考慮不同沖洗周期下不同灌水器類型對堵塞的敏感性，在后續(xù)試驗(yàn)中應(yīng)予以考慮并加以完善。