不同加氣和粒徑條件下渾水滴灌滴頭堵塞特性研究

牛文全 張二信 呂 暢 孫 軍 董愛紅 鄔夢(mèng)龍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

滴灌過程中，滴頭附近作物根區(qū)土壤處于低氧狀態(tài)，易造成植物根系缺氧，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響作物根系的正常生理活動(dòng)。加氣滴灌具有協(xié)同調(diào)節(jié)作物根區(qū)水、肥、氣狀況，改善根系生長環(huán)境，緩解作物根部缺氧問題，提高作物水肥利用效率、果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于蔬菜、大田作物和果樹種植上[1-3]。地下滴灌是加氣灌溉的最佳方法，但滴頭狹窄的流道易被水中的顆粒、化學(xué)沉淀、溶解鹽、微生物和其他雜質(zhì)堵塞[4]，眾多學(xué)者試圖通過過濾設(shè)備配置、滴頭流道優(yōu)化及毛管沖洗等方法解決堵塞問題[5-7]，但該難題至今仍沒有得到很好解決。

灌溉水源的復(fù)雜性決定了滴頭堵塞類型的多樣性，一般有物理、化學(xué)和生物堵塞3種類型。灌溉水中細(xì)小泥沙顆粒(粒徑小于0.1 mm)易在流道內(nèi)發(fā)生聚積、沉降、黏附等行為造成滴頭發(fā)生物理堵塞[8-9]，文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)粒徑為0.031～0.038 mm的泥沙在流道內(nèi)易發(fā)生團(tuán)聚行為形成團(tuán)聚體，黏附于流道壁面不易隨水流輸出，文獻(xiàn)[11]研究表明，毛管中粒徑為0.10～0.15 mm的泥沙主要以推移質(zhì)的形式進(jìn)入灌水器，且易引發(fā)滴頭發(fā)生突然完全堵塞。此外，水力特性的改變會(huì)影響懸浮顆粒運(yùn)移過程中所受的黏滯阻力、摩擦力等，從而對(duì)滴頭抗堵塞性產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)，加氣能夠改變水流水力特性，增大水流流速，文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)，微氣泡破碎時(shí)產(chǎn)生巨大的能量能夠加速周圍顆粒的運(yùn)移，文獻(xiàn)[14]研究表明，加氣能夠減小壁面的摩擦阻力，降低水流能量損失。目前，對(duì)于細(xì)小顆粒造成的滴頭堵塞問題，多采用多級(jí)過濾器組合模式來減緩滴頭堵塞，但這些措施極大增加了滴灌成本和能源損耗[15]。明確細(xì)顆粒泥沙在加氣條件下的輸移、淤積規(guī)律，進(jìn)而采取合理的管控措施來緩解滴頭堵塞，減輕過濾系統(tǒng)負(fù)荷，對(duì)提高滴灌系統(tǒng)運(yùn)行效率具有重要意義。

目前，針對(duì)加氣條件下細(xì)小泥沙對(duì)滴頭堵塞的影響研究較少，且加氣對(duì)滴頭堵塞機(jī)理的影響尚不明確。為此，本文通過研究加氣對(duì)不同粒徑渾水滴灌滴頭堵塞的影響，對(duì)比分析加氣前后滴頭堵塞物結(jié)構(gòu)及毛管淤積泥沙粒徑的變化，以探明加氣滴灌堵塞機(jī)理，為提高加氣滴灌系統(tǒng)滴頭抗堵塞能力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

據(jù)調(diào)查[16]，寧夏段黃河引水渠含沙量為0.61～1.1 g/L，故試驗(yàn)配置渾水含沙量為1 g/L，試驗(yàn)?zāi)嗌巢勺晕己勇?，由于目前滴灌設(shè)備中多采用150目的過濾器，即通過過濾器的最大顆粒粒徑為0.1 mm[17]，所以本研究選取泥沙最大粒徑為0.1 mm，同時(shí)根據(jù)泥沙顆粒在水中的跟隨性[17]、泥沙顆粒對(duì)堵塞的危險(xiǎn)性[18]以及已有研究確定的滴頭堵塞敏感粒徑范圍[10,19]，將采集的泥沙經(jīng)自然風(fēng)干后過篩，分為5種粒徑范圍，配置5種不同粒徑級(jí)配的渾水，泥沙顆粒機(jī)械組成如表1所示。試驗(yàn)用水為楊凌自來水，pH值為7.83～8.03，懸浮物質(zhì)量濃度為106～152 mg/L，電導(dǎo)率為217.3～372.6 μS/cm，總硬度為71～81 mg/L，細(xì)菌的菌體濃度小于1 CFU/mL，符合灌水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 試驗(yàn)用渾水的泥沙機(jī)械組成Tab.1 Mechanical composition of sediment particle size of muddy water for experiment

依據(jù)文獻(xiàn)[20]的研究，內(nèi)鑲貼片式滴頭更適用于引黃灌區(qū)灌溉，故本試驗(yàn)選用內(nèi)鑲貼片式滴頭(圖1)進(jìn)行渾水測(cè)試，滴灌帶參數(shù)為：額定流量2.5 L/h，毛管外徑16 mm，壁厚0.2 mm，流道深(Z)0.63 mm，流道寬(W)0.60 mm，流道長18.71 mm，齒間距(L)1.40 mm，齒間角37°。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由抗堵塞測(cè)試平臺(tái)和加氣裝置組成，如圖2所示?？苟氯麥y(cè)試平臺(tái)由蓄水箱(長度、寬度、高度均為60 cm)、水泵(功率0.75 kW，揚(yáng)程60 m)、過濾器(120目網(wǎng)式過濾器)、攪拌機(jī)(功率0.75 kW)、壓力表(量程0.25 MPa，精度0.001 MPa)、控制閥門、支管以及待測(cè)試毛管等組成。毛管布置于測(cè)試架上(長度6 m、寬度0.5 m、高度1 m)，共3個(gè)測(cè)試架，每個(gè)架子上鋪設(shè)3根長6 m滴灌帶，每根滴灌帶有22個(gè)滴頭，滴頭間距為25 cm。加氣裝置為FRGW-10型水肥氣耦合機(jī)(河南豐潤環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn))，經(jīng)前期測(cè)定，最優(yōu)加氣時(shí)長為5 min，加氣壓力0.45～0.46 MPa，加氣后形成乳白色水氣混合液(水中微氣泡粒徑為15 μm，溶氧量為8.36～8.45 mg/L)。

1.3 試驗(yàn)方案和方法

試驗(yàn)分為清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)兩部分。

1.3.1清水試驗(yàn)

清水試驗(yàn)包括加氣和未加氣清水測(cè)試，測(cè)試壓力為0.02～0.12 MPa，壓力間隔為0.02 MPa。測(cè)試前對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行沖洗，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。測(cè)試方法：打開測(cè)試平臺(tái)閥門，將壓力表的示數(shù)調(diào)節(jié)至測(cè)定壓力，待示數(shù)穩(wěn)定后，將燒杯(1 000 mL)置于毛管下方測(cè)定每個(gè)滴頭的流量，測(cè)定時(shí)長為10 min，每組重復(fù)3次，取均值，清水流量計(jì)算公式為

q=kdhx

(1)

式中q——清水流量，L/h

h——進(jìn)口壓力，kPa

kd——流量系數(shù)

x——流態(tài)指數(shù)

1.3.2渾水試驗(yàn)

選用了1種齒形迷宮流道滴頭的滴灌帶，分別在加氣和不加氣條件下進(jìn)行短周期灌水試驗(yàn)，測(cè)試不同粒徑渾水滴灌滴頭堵塞狀況，渾水泥沙粒徑級(jí)配如表1所示，渾水試驗(yàn)共計(jì)10組。

1.3.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水力學(xué)大廳內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)開展時(shí)間為2021年4—6月，試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，先按照1.3.1節(jié)進(jìn)行清水試驗(yàn)，后進(jìn)行短周期間歇性渾水試驗(yàn)。灌水壓力控制在0.1 MPa，單次灌水持續(xù)時(shí)間為1.5 h，相鄰灌水間歇時(shí)間為0.5 h。每次灌水結(jié)束前10 min壓力表的示數(shù)穩(wěn)定在0.1 MPa后測(cè)定毛管各滴頭流量，重復(fù)3次取平均值，當(dāng)累計(jì)灌水44次后結(jié)束測(cè)試。取下毛管置于通風(fēng)處晾干，剖開毛管收集毛管淤積物和滴頭堵塞物，并用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和APA2000型激光粒度儀對(duì)滴頭堵塞物結(jié)構(gòu)、毛管淤積物粒徑分別進(jìn)行觀測(cè)。為保證渾水的均勻性，灌水期間攪拌機(jī)持續(xù)工作。每個(gè)處理灌水結(jié)束后，更換新的毛管并對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行沖洗。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

采用平均相對(duì)流量Dra和灌水均勻度Cu來評(píng)價(jià)滴頭整體的堵塞程度[21]，一般Dra小于75%或Cu小于80%時(shí)判定滴頭發(fā)生堵塞[22-23]。堵塞率計(jì)算公式為

(2)

式中n——滴頭總數(shù)，個(gè)

nc——發(fā)生堵塞的滴頭數(shù)，個(gè)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用主效應(yīng)方差分析泥沙粒徑和加氣對(duì)滴頭堵塞的影響，用LSD(最小顯著差異)法檢測(cè)各處理組間相對(duì)流量及堵塞物的差異性，利用Origin 2021和CAD 2014軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 加氣對(duì)滴頭水力性能的影響

將不同壓力下測(cè)定的滴頭流量代入式(1)，通過曲線擬合得到水力特性曲線如圖3所示，可看出加氣增大了滴頭的流量系數(shù)，降低了流態(tài)指數(shù)。流量系數(shù)kd越小說明流量波動(dòng)越小，而流態(tài)指數(shù)x越小說明滴頭流量對(duì)進(jìn)口壓力越不敏感[24]。因此，本試驗(yàn)中加氣增大了水流波動(dòng)，降低了流量與壓力之間的敏感度。對(duì)比同一壓力下不同處理的滴頭流量，可發(fā)現(xiàn)加氣增大了滴頭流量。

2.2 加氣對(duì)滴頭平均相對(duì)流量及灌水均勻度的影響

滴頭Dra和Cu隨灌水次數(shù)的變化曲線如圖4所示。不同粒徑渾水加氣處理的滴頭Dra和Cu下降速率大于未加氣處理，其中，D2渾水Dra下降速率最快，易造成滴頭堵塞，D1渾水Dra下降速率最慢，不易造成滴頭堵塞。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，加氣處理的滴頭Dra和Cu比未加氣處理低9～18.7個(gè)百分點(diǎn)和16.2～36.4個(gè)百分點(diǎn)。

灌水初期，加氣處理的滴頭Dra和Cu隨時(shí)間增長呈緩慢下降趨勢(shì)，而未加氣處理的滴頭Dra和Cu在95%附近波動(dòng)。當(dāng)灌水15次時(shí)，加氣處理的D3、D4渾水最先引發(fā)滴頭堵塞，流量比未加氣處理分別低17.4、22.0個(gè)百分點(diǎn)，加氣處理的滴頭Dra和Cu下降速度大于未加氣處理。灌水30次后，5種渾水加氣處理的滴頭Dra均小于75%，滴頭發(fā)生嚴(yán)重堵塞，而未加氣處理中只有D2和D4渾水的滴頭發(fā)生了堵塞。5種渾水加氣處理的滴頭Dra分別比未加氣處理低11.3、27.0、11.3、11.9、31.4個(gè)百分點(diǎn)，D5渾水加氣與未加氣處理的差異性最大。灌水結(jié)束時(shí)，D1、D2、D3、D4和D5渾水加氣處理的滴頭Dra分別比未加氣處理低18.6、18.4、9、8.9、18.7個(gè)百分點(diǎn)，Cu分別低36.3、26.8、16.2、28.5、36.4個(gè)百分點(diǎn)。

灌水結(jié)束時(shí)，滴頭流量方差和顯著性分析結(jié)果表明(表2、3)，泥沙粒徑和加氣對(duì)滴頭堵塞具有極顯著性影響(P<0.01)，且交互作用也極顯著，表明加氣加劇了滴頭堵塞，且與泥沙級(jí)配密切相關(guān)(表2)。D1渾水加氣處理的滴頭Dra、Cu與D3、D4、D5渾水處理差異性顯著(表3)，整個(gè)灌水過程中該渾水處理的滴頭Dra、Cu均保持在最高的水平，表明D1渾水相比其他粒徑渾水造成滴頭堵塞的程度較輕，且各滴頭堵塞程度差異性較小。

表2 泥沙粒徑、加氣對(duì)滴頭流量影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of influence of sediment particle size and aeration on flow rate of dripper

表3 不同處理的滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度顯著性分析

2.3 滴頭相對(duì)流量和灌水均勻度的動(dòng)態(tài)變化

從滴頭Cu和Dra擬合結(jié)果(圖5)可以看出，滴頭Dra和Cu具有明顯的協(xié)同性，兩者均隨著灌水次數(shù)的增加而同步減小，D1～D4渾水加氣處理的Cu和Dra擬合斜率為0.312～0.752，明顯小于未加氣處理的0.371～0.915，而D5渾水則相反。斜率越小表明該滴頭越易發(fā)生突然堵塞，因此，加氣加劇了D1～D4渾水滴灌滴頭突然堵塞的發(fā)生，減緩了D5渾水滴灌滴頭突然堵塞的發(fā)生。加氣與未加氣處理斜率的差異性隨泥沙最大粒徑的減小而增大(D2～D5渾水加氣處理的擬合斜率分別是未加氣處理的0.822、0.84、0.87、1.46倍)。這是由于滴頭流道尺寸較小，無論加氣與否，易發(fā)生沉降的大顆粒泥沙均易引發(fā)滴頭發(fā)生突然堵塞，而對(duì)于小顆粒而言，未加氣時(shí)流道內(nèi)沉積的泥沙易隨水流沖出，滴頭Dra和Cu下降速率緩慢，而加氣時(shí)泥沙黏附加劇造成滴頭Dra和Cu下降較快(圖4)，因此，泥沙最大粒徑越小，加氣處理的滴頭Dra和Cu協(xié)同性較未加氣處理差異性越大。

2.4 泥沙粒徑對(duì)滴頭堵塞率的影響

不同處理的滴頭堵塞率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6(圖中不同大寫字母表示不同粒徑之間差異顯著，不同小寫字母表示加氣與未加氣處理之間差異顯著(P<0.05)，下同)所示。加氣處理的滴頭堵塞率顯著高于未加氣處理(P<0.05)，D1～D5渾水未加氣處理的堵塞率為23.9%～46.3%，加氣處理的堵塞率為37.3%～61.2%，比未加氣處理增大13.4～14.9個(gè)百分點(diǎn)。無論是否加氣，5種渾水灌溉滴頭堵塞率從大到小均依次為D2、D4、D5、D3、D1，表明滴頭堵塞的程度主要由泥沙機(jī)械組成所決定。加氣處理下D1渾水的堵塞率與D2～D4渾水的堵塞率差異性顯著(P<0.05)，且其堵塞率最低，表明D1渾水加氣灌溉條件下，滴頭經(jīng)過長時(shí)間的灌溉后仍具有較強(qiáng)的出流能力，這與圖4中D1渾水加氣處理的滴頭Dra和Cu隨時(shí)間變化表現(xiàn)出的規(guī)律一致。

2.5 加氣對(duì)毛管泥沙淤積量的影響

不同處理的毛管淤積泥沙參數(shù)如表4、5所示。加氣顯著降低了毛管淤積物質(zhì)量、減小了淤積泥沙中值粒徑、增大了淤積物比表面積，且各處理間差異性顯著(P<0.05)。加氣處理的毛管淤積物質(zhì)量隨著泥沙最大粒徑的減小而增大，未加氣處理無明顯規(guī)律，加氣處理的毛管淤積物質(zhì)量較未加氣降低8.75%～31.92%。泥沙中值粒徑隨著泥沙最大粒徑的減小而減小，比表面積則相反，D1～D5渾水加氣處理的中值粒徑為未加氣處理的0.64、0.88、0.89、0.91、0.93倍，較未加氣減小8.59%～35.64%，比表面積為未加氣處理的1.59、2.33、1.23、1.19、1.01倍，較未加氣增大6.01%～132.81%。泥沙中值粒徑越大，表明沉積的大顆粒泥沙越多，比表面積越大表明沉積的細(xì)顆粒泥沙越多。因此，加氣促進(jìn)了毛管內(nèi)泥沙運(yùn)移和大顆粒的排出，且其對(duì)泥沙運(yùn)移的影響作用隨泥沙最大粒徑的減小而減弱。

表4 不同處理毛管淤積物狀況Tab.4 Status of capillary deposits in different treatments

2.6 加氣對(duì)滴頭堵塞物和流道堵塞位置的影響

加氣顯著影響滴頭堵塞物質(zhì)量(P<0.05)，減少了D1、D2和D3渾水處理的滴頭堵塞物質(zhì)量，增大了D4和D5渾水處理的滴頭堵塞物質(zhì)量，D1、D2和D3渾水加氣處理的滴頭堵塞物質(zhì)量較未加氣處理低8.92%～51.00%，D4和D5渾水則高5%～29.8%(圖7)。加氣增大了流道入口堵塞風(fēng)險(xiǎn)，降低了流道完全堵塞的風(fēng)險(xiǎn)(表6)，5種渾水加氣處理的流道完全堵塞占比分別比未加氣處理低0.6、7.6、6.7、5.0、4.4個(gè)百分點(diǎn)，流道入口堵塞分別高3.3、10.3、10.0、6、2.9個(gè)百分點(diǎn)。加氣增大了水流紊動(dòng)性，促進(jìn)了流道內(nèi)大顆粒泥沙輸移，小顆粒泥沙在氣泡橋力作用下易發(fā)生黏結(jié)不易被水流沖出，因此加氣降低了D1～D3渾水處理的堵塞物質(zhì)量，增大了D4～D5處理的堵塞物質(zhì)量。

表5 毛管沉積泥沙粒徑分布情況Tab.5 Particle size distribution of capillary sediments %

表6 不同處理下滴頭堵塞位置占比統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of proportion of position where dripper was blocked under different treatments %

為確定滴頭堵塞參數(shù)之間的關(guān)系，計(jì)算了相對(duì)流量、灌水均勻度、堵塞率、毛管淤積物質(zhì)量(M)、滴頭堵塞物質(zhì)量(m)、比表面積(SSA)、泥沙中值粒徑(SMS)、滴頭完全堵塞占比(AB)、滴頭入口堵塞占比(EB)、滴頭中部堵塞占比(CB)和滴頭出口堵塞占比(BO)各參數(shù)之間的Spearman相關(guān)系數(shù)(圖8，圖中**表示P<0.01，*表示P<0.05)。Dra和Cu與毛管淤積物質(zhì)量、滴頭堵塞率相關(guān)系數(shù)最大，說明毛管淤積物質(zhì)量和滴頭堵塞率也是影響滴頭抗堵塞性能的重要因素。Dra和Cu與毛管淤積物質(zhì)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.8～1.0,P<0.05)，與滴頭堵塞率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-1.0～-0.8，P<0.05)。毛管淤積泥沙對(duì)滴頭堵塞位置有極顯著的影響(P<0.01)，毛管淤積泥沙中值粒徑越小、泥沙比表面積越大，越易引發(fā)滴頭流道堵塞。

3 討論

泥沙顆粒相互碰撞后發(fā)生凝聚、沉降行為堵塞流道被認(rèn)為是造成滴頭堵塞的根本原因[8]。文獻(xiàn)[25-26]發(fā)現(xiàn)水中加氣能夠改變毛管內(nèi)水動(dòng)力特性，降低壁面對(duì)泥沙顆粒的阻力，從而有效提升輸沙效率，減緩泥沙沉降。文獻(xiàn)[27]研究表明，微納米氣泡橋接過程會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的長程疏水作用力，可提高粗顆粒與氣泡的粘附能力，減小脫落概率，促進(jìn)水流對(duì)泥沙顆粒的運(yùn)移，這與本研究結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)加氣對(duì)泥沙輸移的促進(jìn)作用隨著泥沙最大粒徑的減小而逐漸減弱(表4)。由于沉積的大顆粒在毛管運(yùn)移時(shí)主要受內(nèi)壁摩擦阻力的影響[28]，當(dāng)泥沙顆粒沉積時(shí)會(huì)與毛管內(nèi)壁發(fā)生碰撞導(dǎo)致沉積平均速度反向，而大顆粒的反向速度大于小顆粒[29]，從而降低了大顆粒的沉積、減小了毛管內(nèi)壁摩擦阻力。此外，加氣增大了水流波動(dòng)，提高了水流流速(圖3)，進(jìn)一步促進(jìn)了大顆粒的運(yùn)移，而細(xì)小顆粒(粒徑小于0.031 mm)在其負(fù)電荷作用下易在毛管內(nèi)壁發(fā)生絮凝堆積，堆積物黏附力較強(qiáng)不易隨水流沖動(dòng)，增大了內(nèi)壁摩擦阻力[30-31]，減緩了泥沙在毛管內(nèi)的運(yùn)移。同時(shí)，細(xì)顆粒泥沙在微氣泡的橋接作用下易形成絮團(tuán)，增加了泥沙與氣泡的接觸面積，從而提升了泥沙顆粒碰撞概率、增大了顆粒與氣泡的黏附概率，加速了細(xì)顆粒泥沙在毛管內(nèi)壁的黏附，有效提高了毛管絮團(tuán)泥沙密度[32-33]，因此，加氣減緩了大顆粒泥沙沉積，而增大小顆粒沉積(表5)。文獻(xiàn)[34]研究表明，微氣泡能夠吸附水中懸浮顆粒，增大大顆粒的沉降，減緩小顆粒的沉降。這與本研究結(jié)果存在差異，文獻(xiàn)[34]試驗(yàn)研究泥沙為微細(xì)粉塵顆粒，其黏性顆粒占比較高，大顆粒發(fā)生絮凝沉降后形成密實(shí)度較高、體積較大的沉積物，沉積物粘附性較強(qiáng)且形狀不易發(fā)生破碎。而本研究中使用的河沙孔隙率較大，黏粒占比較低，發(fā)生沉降的泥沙顆粒之間黏結(jié)力較弱，較易隨水流以懸移質(zhì)形式向前運(yùn)移[35]。因此，加氣對(duì)泥沙輸移的影響與泥沙性質(zhì)、粒徑等密切相關(guān)。

此外，文獻(xiàn)[36]研究結(jié)果表明，泥沙顆粒與氣泡之間存在的長程疏水力在顆粒間的團(tuán)聚、氣泡與顆粒的碰撞吸附過程中發(fā)揮了重要的作用，而泥沙顆粒大小是影響長程疏水力的最主要因素。本研究發(fā)現(xiàn)不同粒徑渾水灌溉時(shí)，加氣減少了D1、D2和D3渾水處理的滴頭堵塞物，增大了D4和D5渾水處理的滴頭堵塞物(圖7)。這是因?yàn)榧託庠龃鬁喫写箢w粒泥沙的運(yùn)移的同時(shí)，導(dǎo)致小顆粒泥沙被滯留于毛管和流道內(nèi)(表5)，隨著灌水時(shí)間的增加，沉積的細(xì)小顆粒逐漸增多，而細(xì)小顆粒在微氣泡的絮凝促進(jìn)作用下逐漸發(fā)生聚團(tuán)[37]，當(dāng)隨水流進(jìn)入流道時(shí)，流道入口處流速驟減，使得一部分泥沙在此沉積，隨著泥沙粒徑減小，黏性泥沙占比逐漸增多，流道入口處沉積黏附泥沙增多，形成粗糙的壁面粘附層造成滴頭堵塞[8]。而D1～D3渾水機(jī)械組成主要以沙粒為主，水流對(duì)該粒徑段(0.05～0.1 mm)泥沙大顆粒輸移大于小顆粒的沉降，從而減少了流道淤積物質(zhì)量，而D4、D5渾水則相反。因此，加氣加劇了小顆粒在流道入口黏附，加速了流道入口堵塞(表6)是造成滴頭堵塞的主要原因(圖4)。文獻(xiàn)[28]研究表明，通過沖洗可以減少細(xì)顆粒泥沙沉積，降低絮凝率，抑制堵塞物的形成從而降低流道入口堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。建議進(jìn)行毛管沖洗以減緩流道入口堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

從滴頭堵塞物結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖可以看出(圖9)，加氣條件下的堵塞物結(jié)構(gòu)較為緊密，而未加氣較為松散，這是由于加氣增大了細(xì)小顆粒沉積造成的。5種渾水中，D1、D2、D3渾水大顆粒泥沙占比較高(表1)，易在重力作用下沉降形成堆積體，引起滴頭堵塞。同時(shí)由于微氣泡吸附泥沙顆粒的負(fù)電荷，增大了微氣泡的界面電位和顆粒間的非鍵能，促進(jìn)了細(xì)小顆粒在大顆粒表面黏附[38-39]，減小了顆粒間孔隙(圖9)，增大了堆積體密實(shí)度，滴頭堵塞后堆積體不易在水流剪切作用下發(fā)生破壞，因此，加氣處理的滴頭堵塞更為嚴(yán)重(圖4)。而D4、D5渾水小顆粒泥沙占比較高，細(xì)小顆粒在微氣泡的橋力作用、顆粒間的吸附水膜促進(jìn)作用下形成團(tuán)聚體的機(jī)率相比其他粒徑泥沙較大[38,40]，同時(shí)加氣水流紊動(dòng)性較大提升了顆粒間碰撞頻率，增大了團(tuán)聚體的密實(shí)度，從而加劇了滴頭堵塞。D5渾水加氣處理的堵塞物團(tuán)聚體體積雖然最大，但形成的團(tuán)聚體缺少大顆粒骨架，沉積泥沙顆粒易被水流夾帶流出流道[41]，這也是該粒徑渾水流量下降較為緩慢的主要原因。D2渾水加氣處理的堵塞物中基礎(chǔ)骨架顆粒較多，且顆粒間孔隙率較小密實(shí)度高，不易隨水流帶出流道，從而表現(xiàn)出D2渾水加氣處理的流量下降速率最快(圖4)。D1渾水沙粒占比小于D2渾水，黏粒占比小于D3和D4渾水，因此，其沉積泥沙堆積和絮凝作用較為緩和，從而表現(xiàn)出D1渾水流量下降最慢(圖4)。

4 結(jié)論

(1)加氣和泥沙粒對(duì)滴頭堵塞具有極顯著影響(P<0.01)，加氣加劇了滴頭堵塞。泥沙粒徑為0.075～0.100 mm的渾水流量下降速率最快，粒徑為0～0.100 mm的渾水流量下降速率最慢，與未加氣處理相比，加氣處理滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度低9～18.7個(gè)百分點(diǎn)和16.2～36.4個(gè)百分點(diǎn)。

(2)加氣增大了水流波動(dòng)，促進(jìn)了毛管內(nèi)泥沙運(yùn)移和大顆粒的排出，減小淤積泥沙中值粒徑，且加氣對(duì)泥沙運(yùn)移的影響作用隨泥沙最大粒徑的減小而減弱。與未加氣處理相比，加氣處理毛管淤積物質(zhì)量降低8.75%～31.92%，淤積泥沙中值粒徑減小8.59%～35.64%。

(3)加氣對(duì)流道淤積物影響顯著(P<0.05)，加氣對(duì)0.050～0.100 mm粒徑渾水中大顆粒的運(yùn)移作用大于小顆粒的沉降作用，減少了流道淤積物，而對(duì)0～0.050 mm粒徑渾水作用則相反：加氣加劇渾水中細(xì)小顆粒在流道入口黏附，是造成滴頭堵塞的主要原因。