微噴帶抗堵塞性能影響因素試驗(yàn)研究

魏 榕，王文娥，胡笑濤，王文娟，徐 茹，王 宇

（西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

0 引 言

微噴帶是直接在薄壁塑料軟管上采用激光打孔方法生產(chǎn)的多孔微噴灌節(jié)水灌溉設(shè)備，具有噴水柔和、易于鋪設(shè)卷收、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。與滴灌、噴灌等灌溉技術(shù)相比，單位長(zhǎng)度微噴帶流量是滴灌管（帶）數(shù)倍，單位面積投資低于滴灌系統(tǒng)，工作壓力低于噴灌系統(tǒng)，運(yùn)行成本較低且對(duì)作物的打擊動(dòng)能小，近年來(lái)在小麥等密植矮稈作物及花卉、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物灌溉中得到迅速推廣[3，4]。為提高灌水均勻度、減小噴灑水滴的打擊動(dòng)能，微噴帶的噴孔孔徑較小，多小于1 mm，灌溉水源中含有的沙粒或雜質(zhì)、未溶解的肥料顆粒會(huì)隨水進(jìn)入微噴帶，造成微噴帶噴孔堵塞，降低微噴灌灌水均勻度[5，6]，影響作物產(chǎn)量[7]。通過試驗(yàn)確定影響微噴帶堵塞的原因及規(guī)律，對(duì)提高微噴帶灌溉系統(tǒng)抗堵塞性能及灌水效果有重要實(shí)用價(jià)值。

微灌系統(tǒng)堵塞問題與微灌灌水器、管道布置、運(yùn)行條件直接相關(guān)，目前關(guān)于滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能研究均較多，微噴帶的性能研究主要集中在水力性能方面。張學(xué)軍等[8]通過試驗(yàn)檢測(cè)了國(guó)內(nèi)幾種典型微噴帶的水量分布均勻系數(shù)并分析了水量分布均勻系數(shù)的主要影響因素。張碩、徐茹等[9，10]通過實(shí)驗(yàn)分析了微噴帶單孔噴灑特性及影響因素。邸志剛等[11]通過薄壁微噴帶噴灑水滴直徑試驗(yàn)與噴灑寬度試驗(yàn)，分析了微噴帶噴灑寬度影響因素并建立噴灑水滴運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。吳政文、茍萬(wàn)里等[12，13]通過實(shí)驗(yàn)研究分析了微噴帶沿程水頭損失的影響因素，提出了測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，并得出了微噴帶水頭損失計(jì)算參數(shù)。白珊珊等[14]在作物遮擋條件下，針對(duì)不同類型的微噴帶研究了微噴帶組合灌溉水量分布均勻性。

已有研究多集中在微噴帶水量分布特性、噴灑寬度、灌水均勻度和沿程水頭損失，對(duì)微噴帶堵塞的影響規(guī)律缺乏深入研究。本文選取常見的4種微噴帶，通過不同泥沙濃度、進(jìn)口工作壓力，進(jìn)行渾水灌溉試驗(yàn)，分析微噴帶堵塞的影響因素，為微噴帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

本試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水工水力學(xué)與泥沙實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由水箱、攪拌機(jī)、水泵、精密壓力表、干管和支管等設(shè)備組成。水箱為直徑1.49 m、高1.55 m的圓柱形箱體，水箱上方安裝連接雙層葉輪的攪拌機(jī)；壓力表量程為0～0.25 MPa，精度等級(jí)0.25級(jí)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

微噴帶為山東省臨沂市樂農(nóng)管業(yè)有限公司生產(chǎn)，試驗(yàn)共采用4種型號(hào)微噴帶，材質(zhì)均為聚乙烯，黑色，噴孔為單列斜布置。圖2為試驗(yàn)使用的5 孔微噴帶結(jié)構(gòu)示意圖，微噴帶具體參數(shù)見表1。

試驗(yàn)用水為生活飲用水。泥沙采用沙壤土，風(fēng)干后過1 mm 篩，使用Winner 激光粒度分析儀（量程：0.01～2 000 μm；重現(xiàn)性＜1%）進(jìn)行粒徑分析，得到粒徑范圍為0.275～1.000 mm，見表2。

表1 微噴帶結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameter table of micro-sprinkling hose

表2 泥沙級(jí)配表Tab.2 Sediment gradation table

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過測(cè)定微噴帶孔組流量的變化分析泥沙濃度對(duì)噴孔堵塞的影響，因此首先通過微噴帶的水力性能試驗(yàn)測(cè)定不同壓力條件下微噴帶孔組流量，然后進(jìn)行各壓力下不同泥沙濃度水流通過微噴帶時(shí)沿程流量試驗(yàn)。

（1）壓力流量關(guān)系。按圖1連接試驗(yàn)裝置，取1 m 微噴帶水平安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，選取1 組完整的孔組作為測(cè)試孔組。測(cè)試時(shí)，進(jìn)口壓力為5～60 kPa，每5 kPa 一個(gè)首部壓力，共12 種壓力。每一個(gè)工作壓力下，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，收集5 min 測(cè)試孔組的出水量，用精度為0.01 g 的精密電子天平稱重并換算得出流量值。

（2）微噴帶抗堵塞性能試驗(yàn)。取5 m微噴帶水平置于測(cè)試臺(tái)架上，按圖1連接測(cè)試裝置。設(shè)定試驗(yàn)渾水含沙量分別為0.5、1.0、1.5 g/L。進(jìn)口壓力分別為30、40、50、60 kPa。每次灌水時(shí)間為40 min，開始通水10 min 后，依次收集10 個(gè)測(cè)試孔組1 min 出水量并換算得出流量。按泥沙濃度從小到大的順序，在每個(gè)泥沙濃度下，首部壓力依次按30、40、50、60 kPa給微噴帶灌水，每種微噴帶用含沙水灌水12次。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微噴帶壓力流量關(guān)系

在《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備微噴帶》（NY/T 1361-2007）中，微噴帶流量壓力關(guān)系可用公式擬合[見式（1）]。根據(jù)流量壓力關(guān)系試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)時(shí)各壓力點(diǎn)的壓力值和對(duì)應(yīng)的流量值按照以下公式（1）進(jìn)行回歸分析（見表3），得到4 種微噴帶的流量壓力關(guān)系如圖3所示。

式中：q為微噴帶每組噴孔流量，m L s；H為微噴帶的工作壓力，kPa；kd為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)。

表3 微噴帶壓力流量關(guān)系Tab.3 Flow-pressure relationship of micro-sprinkling hose

從圖3和表3可以看出，折徑為45，單循環(huán)孔組孔數(shù)為3孔和5 孔的2 種微噴帶，流量系數(shù)分別為0.43 和0.95，流量指數(shù)為0.88 和0.69；而單循環(huán)孔組孔數(shù)為5 孔折徑不同的3 種微噴帶，流量系數(shù)分別為0.95、1.38 和1.07，流量指數(shù)為0.69、0.57和0.61。表明微噴帶單循環(huán)孔組的孔的個(gè)數(shù)對(duì)流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)影響均較大；單循環(huán)孔組微噴帶折徑對(duì)流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)均有影響，但差異較小。

2.2 進(jìn)口壓力與泥沙濃度對(duì)微噴帶堵塞的影響

為了分析堵塞的變化規(guī)律，將單循環(huán)孔組在同一進(jìn)口壓力下的渾水流量qi與清水流量q清的比值稱為相對(duì)流量，記作qr。圖4為4 種微噴帶在不同泥沙濃度不同進(jìn)口壓力條件下沿微噴帶長(zhǎng)度相對(duì)流量的變化。

從圖4可以看出，進(jìn)口壓力相同時(shí)，各微噴帶各孔組出現(xiàn)相對(duì)流量最小的渾水泥沙濃度。N45-3 孔、N45-5 孔、N48-5孔、N60-5孔微噴帶分別在泥沙濃度為1.0、0.5、1.0、1.0 g/L時(shí)，相對(duì)流量降為最低的情況最多；在泥沙濃度為0.5、1.0、1.5、0.5 g/L 時(shí)，相對(duì)流量降為最低的情況最少。分析結(jié)果表明，在一定的壓力下，微噴帶孔組的堵塞程度并不隨泥沙濃度增大而增大，存在易造成微噴帶堵塞的敏感濃度范圍。在本實(shí)驗(yàn)中，1.0 g/L為更易堵塞的濃度。

泥沙濃度為1.5 g/L時(shí)，4種微噴帶沿微噴帶長(zhǎng)度上相對(duì)流量降幅最大多數(shù)發(fā)生在進(jìn)口壓力為30、40 kPa 時(shí)。N45-5 孔、N48-5 孔、N60-5 孔微噴帶中距進(jìn)水口較近的孔組1 均在進(jìn)口壓力為30 kPa 時(shí)，相對(duì)流量降幅最大，其中N45-5 孔微噴帶孔組1 相對(duì)流量降至52.33%，N48-5 孔微噴帶孔組1 完全堵塞。N45-3 孔微噴帶孔組2 和孔組5 在進(jìn)口壓力為40 kPa 時(shí)，相對(duì)流量分別降至51.67%和58.01%。

泥沙濃度為1.0 g/L時(shí)，折徑為45 mm 的2種微噴帶，在進(jìn)口壓力為50 和60 kPa 時(shí)，沿微噴帶長(zhǎng)度上各個(gè)孔組相對(duì)流量降幅較大。N48-5 孔微噴帶和N60-5 孔微噴帶首末端的孔組1和孔組5 均分別在進(jìn)口壓力為30 和40 kPa 時(shí)，相對(duì)流量降至最低。其中，N48-5 孔微噴帶孔組1 相對(duì)流量降至63.95%，N60-5孔微噴帶孔組1相對(duì)流量降至48.72%。

泥沙濃度為0.5 g/L 時(shí)，N45-3 孔微噴帶上的孔組多在30 kPa 時(shí)，相對(duì)流量降至最低；而N45-5 孔微噴帶上的孔組多在40 kPa時(shí)，相對(duì)流量降至最低。

2.3 灌水次數(shù)對(duì)微噴帶堵塞的影響

圖5為4 種微噴帶相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的變化趨勢(shì)。4 種微噴帶第1～4 次、5～8 次、9～12 次灌水是分別在渾水含沙量為0.5、1.0、1.5 g/L 時(shí)，首部壓力依次為30、40、50、60 kPa 的情況下對(duì)微噴帶進(jìn)行灌水。從圖5可以看出微噴帶堵塞程度是在不斷變化的，在3 種泥沙濃度的渾水灌溉時(shí)，4 種微噴帶均出現(xiàn)增大首部壓力，相對(duì)流量回升。其中，N45-3孔微噴帶孔組2 在泥沙濃度為1.0 g/L，首部壓力從40 kPa 增大至60 kPa 與1.5 g/L 時(shí)，首部壓力從50 kPa 增大至60 kPa 的過程中，相對(duì)流量分別增加了46.58%和30.11%；孔組5 在泥沙濃度為1.5 g/L，首部壓力從50 kPa 增大至60 kPa 時(shí)，相對(duì)流量增加了41.98%。N48-5 孔微噴帶孔組1 在泥沙濃度為0.5 g/L，首部壓力從40 kPa 增大至60 kPa 的過程中，相對(duì)流量增幅為31.74%。N60-5 孔微噴帶孔組5 在泥沙濃度為1.5 g/L，首部壓力從50 kPa 增大至60 kPa 的過程中，相對(duì)流量增加30.62%。這是因?yàn)樵谳^低壓力時(shí)，泥沙顆粒相互碰撞，依靠顆粒間的吸附力和表面電荷作用膠結(jié)成絮團(tuán)，在隨水流形成射流噴出孔口時(shí)黏結(jié)在孔口周圍，束窄孔口，從而流量下降甚至堵塞。在低壓灌水之后，增大首部壓力則可以沖開孔口周圍部分粘接不穩(wěn)定的團(tuán)聚體，流量會(huì)有不同幅度的回升。因此，在實(shí)際應(yīng)用微噴帶的過程中，低壓灌溉之后，可以采取增加首部壓力（小于微噴帶的爆破壓力）的措施來(lái)預(yù)防微噴帶堵塞。

泥沙濃度為0.5 g/L的渾水結(jié)束灌溉時(shí)，4種微噴帶堵塞程度最大的孔組分別為孔組5、孔組2、孔組4、孔組4；泥沙濃度為1.0 g/L的渾水結(jié)束灌溉時(shí)，4種微噴帶堵塞程度最大的孔組分別為孔組3、孔組5、孔組1、孔組1；泥沙濃度為1.0 g/L的渾水結(jié)束灌溉時(shí)，4種微噴帶堵塞程度最大的孔組分別為孔組2、孔組1、孔組1、孔組2。這說明4 種微噴帶在含沙水連續(xù)灌溉的過程中，微噴帶首部和尾部更易堵塞。且單循環(huán)孔組孔數(shù)為5孔的3種微噴帶在12次灌水結(jié)束時(shí)，位于微噴帶末端的孔組4 和孔組5 在增大壓力后堵塞程度與其他孔組相比較小，這是因?yàn)樵谖妿锥藴喫心嗌澈看笥谀┒四嗌车暮浚徊糠帜嗌畴S著水流流出，且越靠近微噴帶末端微噴帶內(nèi)部流速則越低，大顆粒泥沙沉降在微噴帶底端，黏結(jié)在微噴帶末端孔口的泥沙團(tuán)體的強(qiáng)度較低，因此在增大進(jìn)口壓力時(shí)，首端孔口泥沙團(tuán)體更易保持團(tuán)體形態(tài)不解體。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要對(duì)常見的4種單循環(huán)孔式微噴帶進(jìn)行了水力性能研究，并針對(duì)小于1.000 mm 的泥沙顆粒，設(shè)置0.5、1.0、1.5 g/L 3 個(gè)泥沙濃度，通過測(cè)量4 種微噴帶上各個(gè)測(cè)點(diǎn)孔組在進(jìn)口壓力為30、40、50、60 kPa 時(shí)的出流量，研究進(jìn)口壓力及泥沙濃度對(duì)微噴帶堵塞的影響，可得出以下結(jié)論。

（1）壓力流量關(guān)系表明流量與工作壓力有較好的冪函數(shù)關(guān)系。

（2）進(jìn)口壓力相同時(shí)，在研究的0.275～1.000 mm 泥沙粒徑范圍內(nèi)，4種微噴帶在泥沙濃度為1.0 g/L時(shí)更易堵塞。

（3）泥沙濃度相同時(shí)，低壓力（30 和40 kPa）比高壓力（50和60 kPa）更容易造成微噴帶噴孔堵塞。