沖洗壓力及周期對滴灌灌水器堵塞性能的影響

余興嬌，解開婷，張桂林

（650500云南省 昆明市 昆明理工大學 農業(yè)與食品學院）

0 引言

水資源短缺是世界各國面臨的重大難題，而渾水滴灌是緩解這一問題的有效途徑[1-2]。在甘肅、內蒙古等黃河灌區(qū)，由于水源中含沙量高達35 kg/m3，即使采用修建沉砂池和多級過濾，仍然有部分細小顆粒泥沙隨水流進入滴管系統(tǒng)，在流道內沉積、固結導致灌水器堵塞[3-6]。為減輕滴頭的堵塞，很多學者研究了滴灌灌水器迷宮流道主航道的設計[7]、泥沙的粒徑和含量[8-9]、泥沙級配[10]以及渾水表面特征和微生物增長狀況[11]等對滴頭堵塞的影響，試圖揭示滴頭堵塞的誘發(fā)機制，探尋減緩滴頭堵塞的途徑。研究認為，毛管沖洗是滴灌系統(tǒng)維護的有效措施，它可移除過濾系統(tǒng)未能濾除而進入毛管中的泥沙。張文倩[12]等人研究發(fā)現(xiàn)，沖洗周期對滴頭流量有顯著影響，認為毛管沖洗可以減少毛管內泥沙淤積，恢復滴頭入口截面積，使滴頭流量保持在一個較高的水平，定期沖洗毛管能有效降低渾水滴灌中滴頭堵塞風險，且其適宜的沖洗周期為5 d；Puigbargués[13]等對地下滴灌系統(tǒng)中的研究結果表明，沖洗壓力及周期對滴頭流量并無顯著影響；Yu[14]等人研究發(fā)現(xiàn)，提高沖洗壓力能顯著提高滴頭抗堵塞性能，而沖洗周期和沖洗時間無明顯影響。目前，在標準壓力下沖洗，對灌水器抗堵塞性能的影響沒有統(tǒng)一的定論，沖洗壓力和沖洗周期對灌水器抗堵塞性能影響的相關研究不多見，因此本研究的目的是在全試驗的基礎上，分析滴灌系統(tǒng)中3種沖洗壓力和3種沖洗頻率對灌水器堵塞的影響；此外，還研究了滴灌系統(tǒng)和滴頭殘余泥沙的粒徑分布，以確定適宜的沖洗方案，延長滴灌系統(tǒng)灌水器的使用壽命。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與裝置

本試驗采用廣泛應用于甘肅、寧夏等地區(qū)的甘肅酒泉市大禹水利有限公司生產的內鑲片式迷宮流道滴灌帶，在工作壓力為0.1 MPa時，額定流量為1.48 L/h；管道外徑16 mm，壁厚0.3 mm，滴頭迷宮流道齒高0.88 mm，齒寬為1.25 mm，流道寬度為1.01 mm，流道深度為0.6 mm，流態(tài)指數(shù)0.51，流量系數(shù)1.02。試驗所用泥沙為云南省昆明市天然砂質紅壤土，自然風干研磨后，參考滴灌通常采用120目網(wǎng)式過濾器。因此，該試驗所用沙粒過120目篩網(wǎng)，其網(wǎng)眼直徑為0.125 mm[3,15]。本試驗用于配置渾水及沖洗毛管的水都采用自來水。參照實際灌溉用水的最大含沙量0.8 g/L，為縮短試驗周期加快堵塞，人工配制質量濃度為3.0 g/L的渾水。

2.2 試驗裝置

試驗測試平臺如圖1所示。采用高1.0 m、底徑0.5 m的2個水箱分別儲存渾水和清水。水箱中各放置一臺潛水泵（額定揚程42 m，額定流量1.8 m3/h，功率1.8 kW）提供工作壓力。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test setup

渾水箱內與水泵相連的管道設一個壓力調節(jié)閥和壓力表Ⅰ，與清水箱內潛水泵相連的管道設有3根并聯(lián)管，并聯(lián)管上均裝有調節(jié)閥和壓力表Ⅱ，用于控制不同沖洗壓力，壓力計量程為0.16 MPa，精密度為0.25%。試驗平臺（長5.0 m,寬1.5 m,高0.7m）用于支撐毛管和量杯，在試驗平臺上設置10條毛管，每條毛管的前后端安裝了控制閥，每條毛管上布置8個滴頭，側間距為25 cm，滴頭間距為30 cm。

2.3 試驗過程

試驗在室內進行，以避免溫度變化對滴頭流量和防堵塞性能的影響。由于試驗室面積的限制，試驗分3次進行，每天進行一輪試驗。首次試驗于2020年1月8日～2月1日，重復試驗2月5日～3月3和3月8日～4月6日的9:00～15:00進行。試驗分為2部分：第1部分渾水試驗。灌水工作壓力為0.1 MPa，灌水持續(xù)時間25 min。灌水期間人工攪拌渾水，同時，打開回水管控制閥，90%的流量在高壓下返回水箱，通過攪拌和回水的噴射作用使水和砂均勻混合，整個過程中，將1 000 mL的量杯置于每個滴頭下方，收集排出的渾水，用數(shù)字天平測量渾水質量，數(shù)字天平的分精度為0.01 g,利用稱重法測其流量，每天的水樣均重新配制；第2部分清水試驗。沖洗壓力和周期每種因素設置3水平。沖洗處理的詳細特性包括沖洗壓力、沖洗周期（見表1）。在單次實驗中，只有一條毛管被沖洗，其余毛管的控制閥均關閉，每次沖洗時間為5 min，依次對毛管進行沖洗。試驗結束時，將毛管取下放在通風處晾干后，按照長度為20 cm剪截，統(tǒng)計不同毛管位置的泥沙淤積量，并分析每個粒徑段所占比例。每組試驗完成后，更換新的滴灌帶，將試驗系統(tǒng)的管道、水箱沖洗3次,排出干管、支管內淤積的泥沙接著進行后續(xù)試驗。

表1 毛管沖洗特性表Tab.1 Flushing pressure and flushing frequency treatment

堵塞性能評價指標：平均相對流量。

灌水器渾水流量與相同進口壓力下的清水流量的比值稱為相對流量，記作qr(%)。qr越小，說明灌水器的抗堵性能越差，當qr＜75%，則認為灌水器發(fā)生堵塞[16]。

相對流量計算公式如下：

式中：qr——灌水器渾水流量，L/h；i——渾水試驗次數(shù)，共20次；q0——相同進口壓力下灌水器清水流量，L/h。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

所有數(shù)據(jù)采用Windows版SPSS22.0進行統(tǒng)計分析，采用主效應方差分析評估不同因素對不同響應變量差異的顯著性，采用MATLAB R2016a軟件作圖，分析不同沖洗壓力及周期對滴頭平均流量的影響。

3 結果與分析

3.1 沖洗壓力及周期對滴頭流量的影響

圖2為渾水滴灌不同沖洗周期和沖洗頻率下滴頭流量隨時間的變化趨勢，其中，水平直線代表初始流量的75%。在整個試驗期間隨著灌水次數(shù)的增加，滴頭平均流量有不同程度的下降，這意味著滴頭產生了不同程度的堵塞。D10（灌溉后無任何沖洗措施）首先達到初始流量的75%。

圖2 滴頭平均流量隨灌水天數(shù)的變化Fig.2 Average change in emitter discharge versus irrigating events

在整個灌溉事件中，D10只提供了8.9個灌溉事件，然后完全堵塞，且在實驗結束時，其平均流量最小，其它9個灌水處理組平均正常灌水事件為14.49 d，表明灌水前的沖洗處理可以提高灌水器的防堵塞性能，延長灌水器使用時間；D7提供最多的正常灌溉次數(shù)（18.7 d）。與D10相比，使用壽命提高了52.41%；D2和D8的沖洗頻率均為1次/d，沖洗壓力分別為0.003 MPa、0.120 MPa；D7比D1提高13.87%，因此，提高沖洗壓力對滴頭抗堵塞性能作用明顯；沖洗壓力相同，沖洗頻率分別為1次/d、4次/d和7次/d的D7、D8和D9與未沖洗對照使用時間分別提高了52.41%，48.56%，16.82%；隨著沖洗頻率增加，滴頭有效灌水次數(shù)逐漸增加，但是沖洗周期為1次/d和4次/d的滴頭使用時間相差不大。為節(jié)約系統(tǒng)運行成本，推薦沖洗周期為4 d/次，但是沖洗周期不宜超過7 d，進入了沖洗無效期，沖洗對滴頭流量的回升作用較小。

3.2 沖洗壓力及周期對滴頭使用壽命的方差分析

根據(jù)方差分析表2，沖洗壓力對灌溉次數(shù)有非常顯著影響（F ＞F 0.01（2，9）），而沖洗頻率對灌溉次數(shù)有顯著影響（F0.05（2，9）＜F＜F 0.01（2.9）），它們的交互作用不顯著。沖洗壓力和沖洗頻率之間的相互作用具有統(tǒng)計學意義，這說明加強沖洗壓力和沖洗頻率也可以起到沖洗的作用。如圖3（a）所示，隨著沖洗壓力的增加，灌水器的使用壽命增加，在P0.003，P0.006，P0.012條件下，與非沖洗條件相比，其平均使用壽命分別提高了37.62%，43.86%，51.06%，隨著壓力的增加，灌水器的使用壽命提高，且提高的幅度較大，因此P0.012是最佳沖洗壓力；如圖3（b）所示，在沖洗周期為未沖洗，1，4和7次/d時，灌水器使用時間比未沖洗提高52.41%，48.56%，18.82%，這意味著沖洗周期為1和4次/d對灌水器使用壽命提高較小。考慮到節(jié)省人力、物力，推薦4 d沖洗一次。

表2 沖洗流速、沖洗頻率對滴頭使用壽命影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of effects of flushing pressure and flushing frequency on service life of emitters

圖3 各水平下不同沖洗壓力、沖洗頻率的滴頭平均使用壽命Fig.3 Average service life of emitters at different flushing pressures (a) and frequencies (b)

3.3 滴灌帶和滴頭內泥沙淤積量的分析

試驗結束后，取下所有的滴灌帶放在通風處晾干，裁剪得出泥沙在管道內的淤積量。由圖4可知，從毛管入水口到尾端，泥沙淤積量均呈先增大后減小的趨勢，最差沖洗組合的滴灌帶內各段泥沙含量均小于未做沖洗組，可知沖洗能夠有效移除管道內淤積的泥沙；最佳沖洗組泥沙淤積量最多段為8.09 g，比未沖洗組最高段12.83 g減少36.94%；未沖洗處理組泥沙淤積部位主要集中在毛管的前中段，而沖洗組泥沙主要淤積在中后段，因此，沖洗毛管可以使毛管內泥沙顆粒在水流的推動下逐漸向毛管尾段推移而使泥沙淤積在毛管的末端。

圖4 毛管內沉積泥沙Fig.4 Sediment deposition in the pipeline

4 結論

本文的研究比較了在不同沖洗壓力、沖洗周期下，9種沖洗組合和未沖洗方式對滴頭流量和泥沙粒徑分布的影響，探討了灌水器的有效使用壽命，得到以下結論：

（1）9種沖洗處理的滴頭進行正常灌溉時間平均為14.49 d，與不沖洗相比，灌水器壽命提高了38.58%，在本試驗中，沖洗壓力及周期對灌水器有效使用時間均有影響，考慮系統(tǒng)的運行成本及沖洗效果，推薦使用的灌水壓力和灌水周期分別為0.012 MPa，4 d。

（2）沖洗處理對灌水器發(fā)生局部堵塞的位置有影響，未沖洗處理組77.5%～82.2%的局部滴頭堵塞發(fā)生在管道的前、中段，沖洗組70.3%～85.6%發(fā)生在中后段。

（3）毛管沖洗能有效移除管道內沉積泥沙，恢復滴頭入口截面積，降低小粒徑泥沙膠結絮凝成大顆粒的機率，從而提高滴頭抗堵塞性能。

本文通過探究渾水滴灌條件下沖洗壓力及周期對灌水器堵塞的影響得到一些結論，但僅限于考慮不同的定壓和沖洗頻率對滴頭使用，未考慮動壓沖洗對滴頭的作用，在后續(xù)的試驗中應加以完善。