含沙水磁化處理減緩滴頭堵塞機(jī)理研究

牛文全 趙 雪 王照熙 張文倩 呂 暢 董愛紅

(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， 陜西楊凌 712100；2.中國(guó)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

滴灌是最有效的一種節(jié)水灌溉方式，但滴頭堵塞問題一直是制約滴灌應(yīng)用的重要因素，特別是采用黃河水等劣質(zhì)水源進(jìn)行灌溉時(shí)[1-4]。黃河水中細(xì)微粒泥沙含量高，中游地區(qū)粒徑小于0.05 mm泥沙總量高達(dá)70%以上[5]。細(xì)微粒泥沙特殊的電化學(xué)性質(zhì)，在水中易發(fā)生絮凝作用，形成絮團(tuán)，而細(xì)微粒泥沙的絮凝沉降是造成滴頭物理堵塞的根本原因。解決黃河水滴灌的滴頭堵塞問題，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)于延緩滴頭堵塞的措施，主要有過濾、酸液沖洗、壓力疏通、定期維護(hù)管理等，此外，還出現(xiàn)了一些新型水處理技術(shù)，如利用磁化處理水技術(shù)軟化水質(zhì)來進(jìn)行抗堵塞管理[6]。但目前關(guān)于磁化處理水技術(shù)尚處于初級(jí)階段，其減緩滴頭堵塞的作用機(jī)理尚未明晰。研究表明，水以一定的速度(1.2～2.5 m/s)流經(jīng)磁場(chǎng)形成磁化水，磁場(chǎng)給水提供能量，使水分子間氫鍵斷裂，水分子由團(tuán)簇狀變成單個(gè)極性水分子[7]，水的性質(zhì)發(fā)生改變，水中溶解氧含量提高4～6 mg/L，溶解度提高20%～70%，水的電導(dǎo)率至少提高2%，澄清速度提高20%～90%[8]，渾水ξ-電位下降，水中懸浮顆粒碰撞概率增大，水流滲透能力和攜沙能力增強(qiáng)，且水磁化后約6 h內(nèi)，其效果基本保持穩(wěn)定[9]。磁化處理可加速全尾砂沉降、提高污水的澄清速度、溶解去除老垢等[10-12]，并廣泛應(yīng)用于煤泥浮選和水質(zhì)凈化等。因此，含沙水磁化處理后，會(huì)影響水中懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)沉降軌跡，進(jìn)而影響滴頭堵塞。此外，不同磁化強(qiáng)度對(duì)水流性質(zhì)的影響程度也不同[13-14]。

目前關(guān)于含沙水磁化處理對(duì)滴頭堵塞影響的研究較少，也尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于黃河水磁化處理對(duì)滴灌影響的研究報(bào)道。為此，本文擬探究4種磁化強(qiáng)度和4種粒徑級(jí)配泥沙組合下滴頭堵塞的變化情況，并從微觀角度分析懸浮泥沙在滴灌管網(wǎng)中的運(yùn)移沉降過程，以揭示磁化處理對(duì)滴頭堵塞的減緩機(jī)理，并探明減緩滴頭堵塞的最優(yōu)磁化強(qiáng)度，為引黃水滴灌滴頭堵塞防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

本試驗(yàn)采用廣泛應(yīng)用于西北地區(qū)的內(nèi)鑲貼片式迷宮流道滴灌帶(楊凌錦川管業(yè)科技有限公司)，毛管為PE材料，壁厚0.16 mm、管徑為16 mm。滴頭結(jié)構(gòu)為：流道寬度0.60 mm、齒高1.20 mm、齒間距1.50 mm、流道深1.10 mm、流道單元數(shù)為6個(gè)、滴頭間距為30 cm。工作壓力為60 kPa時(shí)，滴頭流量為1.4 L/h。滴頭水力性能曲線如圖1所示，滴頭流態(tài)指數(shù)x為0.430 6，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[15]。

圖1 水力性能曲線Fig.1 Hydraulic performance curve

試驗(yàn)用渾水配制：試驗(yàn)用水為楊凌區(qū)自來水，水質(zhì)參數(shù)如表1所示，符合灌水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 試驗(yàn)用自來水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Water quality parameters of tap water for test

泥沙取自渭河陜西楊凌段河漫灘地河床泥沙，經(jīng)自然烘干，剔除樹枝、雜草等較大雜質(zhì)后進(jìn)行研磨，結(jié)合前期對(duì)比調(diào)查結(jié)果[16]，本試驗(yàn)?zāi)嗌晨苫灸M引黃灌區(qū)實(shí)際泥沙。泥沙粒徑是引起迷宮灌水器堵塞的主要原因[17-18]，不同河段、不同季節(jié)黃河泥沙含量不同，機(jī)械組成不同，誘發(fā)滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)理不同。研究指出，粒徑D為0.075～0.100 mm和0.030～0.038 mm的泥沙易引起堵塞[19]，為了揭示不同粒徑組成的相互作用，確定影響滴頭堵塞的主導(dǎo)泥沙粒徑范圍，將渭河泥沙顆粒進(jìn)行研磨過篩處理，以過濾后最大粒徑為0.100 mm表征全顆粒級(jí)配泥沙(記為D1)，將過篩后小于0.100 mm的泥沙分為3組，其粒徑范圍分別為0.075～0.100 mm、0.038～0.075 mm和小于0.038 mm，分別記為D2、D3、D4，并用MS2000型激光粒度分析儀(APA2000型，馬爾文公司)測(cè)定試驗(yàn)用泥沙機(jī)械組成，當(dāng)大于0.05 mm的泥沙顆粒含量較高時(shí)，非常容易造成滴頭堵塞，而一般天然沙，泥沙粒徑大于0.03 mm或小于0.01 mm時(shí)絮凝作用不明顯[20]，故為便于后續(xù)滴頭堵塞及絮凝沉降的結(jié)果探討，泥沙機(jī)械組成劃分如表2所示，下文中粗顆粒泥沙指粒徑大于0.05 mm的泥沙，細(xì)顆粒泥沙指粒徑小于0.03 mm的泥沙。

表2 試驗(yàn)用泥沙機(jī)械組成Tab.2 Composition of sediment machinery used in test

試驗(yàn)用磁化器為永久性磁體(包頭鑫達(dá)磁性材料廠生產(chǎn))，采用燒結(jié)汝鐵硼制成，磁體呈方形，對(duì)稱式布置，保證水流能夠垂直通過磁感線，參考農(nóng)業(yè)其他方面關(guān)于磁化強(qiáng)度的影響及永磁體的成本，磁化強(qiáng)度選用0.2、0.4、0.6 T，并經(jīng)數(shù)字特斯拉計(jì)(HT20型，東莞市泰仕電子有限公司)進(jìn)行校準(zhǔn)。

抗堵塞測(cè)試平臺(tái)參照SL/T 67.1—1994《微灌灌水器滴頭》、GB/T 17187—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》[21]搭建而成，如圖2所示。試驗(yàn)平臺(tái)并聯(lián)設(shè)置6條毛管，每條毛管前端設(shè)置控制閥，平臺(tái)左側(cè)布設(shè)儲(chǔ)水桶，儲(chǔ)水桶容積為140.5 L，通過水泵將儲(chǔ)水桶中含沙水抽出進(jìn)行抗堵塞試驗(yàn)，設(shè)置壓力表監(jiān)測(cè)試驗(yàn)水壓。需對(duì)含沙水進(jìn)行磁化處理時(shí)，關(guān)閉毛管進(jìn)口端閥門阻止水流流入毛管，將磁化器固定于輸水管路，確保水流從儲(chǔ)水桶流出流經(jīng)磁場(chǎng)返回儲(chǔ)水桶中，以此進(jìn)行磁化循環(huán)處理。

圖2 抗堵塞測(cè)試平臺(tái)Fig.2 Anti-blocking test platform1.儲(chǔ)水桶 2.攪拌機(jī) 3.輸水管路 4.磁化器 5.水泵 6.壓力表 7.閥門 8.回水槽 9.滴灌帶 10.滴頭 11.磁化循環(huán)裝置

絮凝沉降試驗(yàn)所用含沙水通過磁化循環(huán)裝置進(jìn)行配置(圖2)。磁化循環(huán)裝置右側(cè)布設(shè)儲(chǔ)水桶，其容積為10 L，儲(chǔ)水桶上配置小型攪拌機(jī)(額定轉(zhuǎn)速500 r/min)，左側(cè)布設(shè)自吸式水泵(額定流量4 m3/h)，水泵連接PVC輸水管路(外徑32 mm，內(nèi)徑26 mm)，磁化裝置布設(shè)在回水管外側(cè)，保證水流垂直穿過磁場(chǎng)，未磁化時(shí)，將磁化器移除后重復(fù)上述操作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1抗堵塞試驗(yàn)

設(shè)置4種磁化強(qiáng)度0(M0)、0.2(M1)、0.4(M2)、0.6 T(M3)與4種粒徑級(jí)配的含沙水(表2)全組合處理共計(jì)16組，為突出物理堵塞并減小生物堵塞在堵塞中占比，本試驗(yàn)采用短周期間歇性灌水試驗(yàn)，每組處理共計(jì)6條毛管即6次重復(fù)。以寧夏黃河水引水渠口泥沙質(zhì)量濃度0.6～1.1 g/L之間為依據(jù)[22]，為加速滴頭堵塞縮短試驗(yàn)進(jìn)程，設(shè)置泥沙質(zhì)量濃度3.0 g/L。為增加試驗(yàn)結(jié)果的普適性，選取全顆粒級(jí)配泥沙(泥沙編號(hào)D1)，泥沙質(zhì)量濃度設(shè)置1.0 g/L，磁化強(qiáng)度為M0和M2進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。據(jù)研究，當(dāng)壓力在40～100 kPa變化時(shí)，壓力對(duì)于灌水均勻度的影響不顯著，其變化范圍在1%以內(nèi)，生產(chǎn)實(shí)際中可以適當(dāng)降低毛管的工作壓力以達(dá)到降低造價(jià)的目的[23]，故本試驗(yàn)設(shè)置工作壓力為60 kPa，控制精度為2%。毛管全長(zhǎng)6 m，每條毛管含20個(gè)滴頭，測(cè)試時(shí)間為1 h，灌水間隔30 min，在每次灌水持續(xù)30 min時(shí)，以相鄰兩個(gè)滴頭為一組，采用電子秤(質(zhì)量誤差為0.1 g)采集60個(gè)滴頭的流量，采集時(shí)間為10 min，采集結(jié)束后用溫度計(jì)測(cè)量每次灌水時(shí)的灌溉水溫以進(jìn)行溫度修正。磁化處理組在每次灌水間隔期時(shí)，關(guān)閉毛管前端閥門，將灌溉水源通過磁化器循環(huán)30 min，循環(huán)結(jié)束后，打開閥門，開始灌水，每組處理共計(jì)20次灌水[24]。待灌水結(jié)束后，將每條毛管平均分成前部、中部、后部3組，每組長(zhǎng)2 m，剖開毛管，收集毛管中淤積泥沙，裝入錫紙碗，并置于105℃干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)干燥，將相同處理的土樣混合，平均分成3份，即3次重復(fù)，用MS2000型激光粒度分析儀(APA2000型，馬爾文公司)測(cè)量其機(jī)械組成。

1.2.2絮凝沉降試驗(yàn)

試驗(yàn)因素同抗堵塞試驗(yàn)，每組處理重復(fù)4次，試驗(yàn)溫度(25±1)℃。在10 L儲(chǔ)水桶內(nèi)配置相應(yīng)濃度的含沙水，采用磁化循環(huán)裝置，將試驗(yàn)用含沙水循環(huán)磁化15 min，循環(huán)過程中用攪拌機(jī)對(duì)含沙水進(jìn)行攪拌以使水沙混合均勻，為了避免循環(huán)流動(dòng)過程中溫度及絮凝的影響，非磁化處理組也循環(huán)流動(dòng)15 min。循環(huán)結(jié)束后取上層水樣，置于1 000 mL玻璃量筒(高30 cm，內(nèi)徑6.5 cm)內(nèi)靜置，分別在靜置0、5、10、15、30、45、60、90、120 min時(shí)，采用移液管法在距量筒底1/3處取10 mL水樣，置于濁度儀(AQ3700型，Orion公司)中，測(cè)量含沙水濁度。同時(shí)，從攪拌桶中取適量水樣，置于烏氏粘度計(jì)(合肥申誼玻璃制品有限公司)中測(cè)量含沙水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(μ)，并用水質(zhì)測(cè)試儀(HI5522型，意大利哈納公司)測(cè)量水樣溫度和電導(dǎo)率(EC)等。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為消除溫度對(duì)滴頭流量的影響，采用流量-溫度公式[1]修正，用相對(duì)流量評(píng)價(jià)滴頭堵塞及灌水質(zhì)量情況，平均相對(duì)流量計(jì)算式為

(1)

式中Dra——平均相對(duì)流量，%

n——滴頭總數(shù)

灌水均勻度采用克里斯琴森均勻系數(shù)Cu表示，計(jì)算公式為

(2)

式中qi——第i個(gè)滴頭流量，L/h

采用中值沉速來反映泥沙沉降速度[25]，即根據(jù)各水深h′處濁度降至初始濁度的50%時(shí)所需時(shí)間的平均值t0.5得到的沉速ω50，可表示為

ω50=h′/t0.5

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行顯著性分析及方差分析，不同處理間比較采用最小顯著性差異法進(jìn)行檢驗(yàn)，多重比較采用LSD法，Matlab軟件進(jìn)行曲線擬合，Origin 2020軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化處理對(duì)滴頭平均相對(duì)流量及灌水均勻度的影響

圖3為磁化處理前后，不同粒徑級(jí)配含沙水滴灌滴頭Dra和Cu隨灌水次數(shù)的變化趨勢(shì)，其標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.37%～4.02%。磁化處理減緩了滴頭Dra和Cu的下降趨勢(shì)，提高了中后期灌水(灌水4～14次后)滴頭Dra和Cu(p<0.01)。

圖3 磁化處理下滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度變化曲線Fig.3 Variation curves of average relative flow rate and irrigation uniformity of dripper under magnetization treatments

磁化處理對(duì)含沙水D1滴灌時(shí)滴頭堵塞的減緩作用最大(p<0.01)，當(dāng)以含沙水D1滴灌時(shí)，未磁化組在灌水20次后滴頭Dra和Cu分別降至73.10%和50.67%，而磁化組在灌水20次后，滴頭Dra和Cu僅降至85.83%和74.62%，比未磁化處理分別提高了17.41%和47.27%。含沙水D2和D3分別在灌水6次和12次后，磁化處理與未磁化處理間呈現(xiàn)出極顯著差異(p<0.01)，灌水結(jié)束時(shí)，含沙水D2和D3磁化處理后滴頭Dra和Cu比未磁化處理時(shí)分別平均增加9.26%、11.15%和4.92%、4.26%。灌水前中階段(灌水14次內(nèi))，含沙水D4磁化處理后滴頭Dra和Cu小于未磁化處理，隨后未磁化組的滴頭Dra和Cu快速下降，磁化組則下降緩慢，灌水結(jié)束時(shí)，磁化處理的滴頭Dra和Cu分別比未磁化處理平均提高4.80%和10.60%。

除含沙水D4外，M2處理的磁化效果顯著高于M1和M3處理(p<0.05)，且M1和M3處理間差異不顯著。

2.2 磁化處理對(duì)不同毛管位置滴頭堵塞率的影響

為識(shí)別不同毛管位置滴頭堵塞率，將測(cè)試毛管等距離分成前、中、后3段，不同毛管位置堵塞滴頭的數(shù)量占整條毛管堵塞滴頭數(shù)量百分比即為滴頭堵塞率(N)，不同處理下N的變化情況如圖4(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05))所示。其標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.50%～13.6%。

由圖4可知，磁化處理顯著增加了毛管前段堵塞滴頭的數(shù)量，減少了毛管中后段堵塞滴頭的數(shù)量。未磁化時(shí)，含沙水中細(xì)顆粒或粗顆粒泥沙含量越多時(shí)，毛管前中段N越大，這是由細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用與粗顆粒泥沙較易靠重力作用在毛管中沉積所致；磁化處理后堵塞滴頭在毛管中的分布位置提前，含沙水D1、D2、D3和D4處理下毛管前段N平均值分別提高了11.77%、20.37%、15.56%和23.15%。不同含沙水處理下，毛管前段(含沙水D2、D3、D4)或前中段(含沙水D1)的N均在M2時(shí)最大。

圖4 磁化處理下不同毛管位置滴頭堵塞率Fig.4 Clogging rate of dripper at different capillary positions under magnetization treatment

2.3 磁化處理對(duì)毛管淤積泥沙中值粒徑的影響

表3為磁化處理前后毛管淤積泥沙的中值粒徑，中值粒徑反映了泥沙粒徑的一般水平。由于含沙水D2中泥沙均為粗顆粒泥沙，采用MS2000型激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，泥沙粒徑分布在同一范圍內(nèi)，區(qū)分度過低，無法計(jì)算其中值粒徑。

由表3可知，磁化處理減小了毛管前中段淤積泥沙的中值粒徑，增大了毛管后段淤積泥沙的中值粒徑，說明磁化處理加劇了細(xì)顆粒泥沙在毛管前段的沉降，即磁化后細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用增強(qiáng)。磁化處理對(duì)毛管前中段淤積泥沙粒徑的影響隨磁化強(qiáng)度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，M2處理下，毛管前中段淤積泥沙的中值粒徑平均變幅最大，為16.58%，M1和M3處理下，其平均變幅分別為9.99%和7.90%。含沙水D1、D4條件下磁化處理對(duì)毛管前中段淤積泥沙中值粒徑的影響達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，其中含沙水D4磁化處理后平均變幅最大，為24.07%。

表3 磁化處理下不同毛管位置淤積泥沙中值粒徑Tab.3 Median particle size of sediment deposited at different capillary positions under magnetization treatment

2.4 磁化處理對(duì)不同粒徑級(jí)配泥沙沉降過程的影響

圖5為磁化處理對(duì)不同粒徑級(jí)配的泥沙顆粒絮凝沉降過程的影響。不同沉降時(shí)間濁度測(cè)試值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.04%～3.34%。

由圖5可以看出，磁化處理后懸液相對(duì)濁度的下降速度增加，即磁化處理加劇了泥沙沉降(p<0.01)。磁化處理對(duì)細(xì)顆粒含量高的含沙水(D1、D4)沉降的加劇趨勢(shì)明顯高于其他含沙水，沉降前中期(30～60 min)，磁化處理對(duì)含沙水D4沉降過程的加劇作用最大，這是因?yàn)楹乘瓺4中泥沙粒徑均為0.05 mm以下，無粗顆粒泥沙，磁化處理對(duì)其加速作用較大，隨著沉降時(shí)間增長(zhǎng)，磁化處理對(duì)含沙水D1沉降過程的加劇作用逐漸變大，因?yàn)榍捌诤乘瓺1中存在部分對(duì)絮凝作用敏感性小的粗顆粒泥沙，隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)粗顆粒泥沙逐漸沉降完全，而含沙水D1中細(xì)顆粒泥沙(粒徑小于0.03 mm)含量最高，故沉降120 min時(shí)其降幅最大為29.44%；磁化處理對(duì)細(xì)顆粒含量少的含沙水(D2)沉降的加劇作用最小，沉降120 min時(shí)濁度降幅為8.85%；含沙水D3和D4靜置結(jié)束時(shí)(120 min)，懸液相對(duì)濁度降幅分別為17.20%和14.96%。除含沙水D3外，M2處理時(shí)加劇沉降的效果顯著大于M1和M3處理時(shí)(p<0.05)，且M1與M3處理間之間差異不顯著。

圖5 磁化處理下不同粒徑級(jí)配泥沙相對(duì)濁度變化曲線Fig.5 Variation curves of relative turbidity of sediment with different particle size gradations under magnetization treatment

表4為磁化處理對(duì)不同粒徑級(jí)配泥沙中值沉速的影響。磁化處理極顯著地增加了泥沙沉降的中值沉速(p<0.01)。細(xì)顆粒泥沙含量較多的含沙水D4磁化處理后中值沉速的增幅最大，平均為30.06%；細(xì)顆粒泥沙含量最少的含沙水D2磁化處理后中值沉速的增幅最小，平均為5.85%；含沙水D1和D3磁化處理后泥沙中值沉速平均增幅分別為16.51%和21.60%。除含沙水D1外，泥沙沉降的中值沉速平均值均在M2處理時(shí)最大；含沙水D1的中值沉速在M1處理時(shí)達(dá)到最大，這可能是因?yàn)楹乘瓺1中同時(shí)包含粗顆粒和細(xì)顆粒2種粒徑泥沙，沉降前期，磁化處理對(duì)含沙水D1中2種粒徑泥沙的影響途徑不同，磁化處理通過影響含沙水中離子濃度等因素影響細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用而通過影響水的粘滯系數(shù)和密度等影響粗顆粒泥沙的沉降，不同的作用機(jī)制下，最優(yōu)磁化強(qiáng)度有所不同。實(shí)際中，磁化處理對(duì)不同粒徑段泥沙絮凝沉降的影響機(jī)制更為復(fù)雜，且隨時(shí)間的變化其最優(yōu)磁化強(qiáng)度也會(huì)存在偏差。

表4 磁化處理下不同粒徑級(jí)配泥沙中值沉速Tab.4 Median settling velocity of sediment with different particle size gradations under magnetization treatment cm/h

對(duì)各組中值沉速計(jì)算值進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。磁化強(qiáng)度、粒徑級(jí)配及兩者間的交互作用對(duì)中值沉速的影響均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。且磁化強(qiáng)度與粒徑級(jí)配對(duì)泥沙沉降中值沉速的影響存在一定的交互作用。

表5 不同磁化強(qiáng)度和粒徑級(jí)配處理下泥沙沉降中值沉速方差分析Tab.5 Variance analysis of sediment settlement median settlement velocity under treatment of different magnetization intensities and particle size gradations

2.5 磁化處理對(duì)水的電導(dǎo)率和粘滯系數(shù)的影響

表6為磁化處理對(duì)水的電導(dǎo)率及粘滯系數(shù)的影響。磁化后，含沙水的電導(dǎo)率和粘滯系數(shù)增加，增幅分別為0.03%～8.05%和0.09%～5.87%，其中磁化處理對(duì)電導(dǎo)率的影響達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。細(xì)顆粒泥沙含量較高的含沙水D4磁化處理后電導(dǎo)率的增幅顯著高于其他含沙水，平均增幅為4.67%；磁化處理對(duì)不同含沙水間粘滯系數(shù)的影響差別不大。4種含沙水的電導(dǎo)率和粘滯系數(shù)均在磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)增幅最大，最大值分別出現(xiàn)在含沙水D4和D3中，變化率分別為8.05%和5.87%。

表6 磁化處理下水的電導(dǎo)率和粘滯系數(shù)Tab.6 Conductivity and viscosity of water treated with magnetization

3 討論

3.1 磁化處理減緩滴頭堵塞的機(jī)理

一般認(rèn)為，灌溉水質(zhì)與灌水器堵塞直接相關(guān)[26]，灌溉水磁化后，水分子平均間距增大，使一部氫鍵的約束力降低，或者直接斷裂，水中自由單體水分子數(shù)量增多，水分子的滲透性和流動(dòng)性增強(qiáng)[27]。磁場(chǎng)給水分子提供部分能量，使水分子熱運(yùn)動(dòng)加劇[8]，水的擴(kuò)散系數(shù)增大，宏觀表現(xiàn)為滴頭流量增加，滴頭抗堵塞性能提高。此外，水磁化后水中離子間存在極化作用，致使離子間的水合外殼被磁場(chǎng)破壞，導(dǎo)致晶粒生成速度加快、體積變小、晶粒量增加，且水中鹽類離子在磁場(chǎng)的作用下存在磁滯效應(yīng)，鹽類的溶解度發(fā)生改變[28]，減小了滴頭化學(xué)堵塞的發(fā)生概率。

本試驗(yàn)為模擬引黃灌區(qū)高含沙流域，泥沙含量較高(3.0 g/L)，細(xì)微粒含量多，顆粒間的絮凝沉降是造成滴頭物理堵塞的根本原因。絮凝形成的直接原因是顆粒間的碰撞[29-30]，小粒徑是泥沙形成絮凝的基本條件，陽(yáng)離子是泥沙能夠形成絮凝的根本動(dòng)力，不同的離子濃度也決定了不同的絮凝程度以及絮團(tuán)尺度[31]。含沙水流經(jīng)磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)對(duì)粒子做功，增大了粒子內(nèi)能[32]，增加了懸浮液中離子的流動(dòng)性和擴(kuò)散遷移率，使粒子更活躍，碰撞概率增加，同時(shí)磁化處理后水中鹽類的溶解度增加，水體陽(yáng)離子含量增加，泥沙顆粒絮凝作用增強(qiáng)。此外，磁場(chǎng)能夠干擾膠體顆粒周圍的雙離子層及其Zeta電位[33-35]，降低顆粒表面的水化膜作用[27]，水化斥力降低，故磁化處理后顆粒絮凝作用增強(qiáng)。

李建軍等[36]研究表明，泥沙絮團(tuán)在水中的沉降速度主要取決于絮團(tuán)密度、含沙水密度和粘滯系數(shù)，磁化后絮團(tuán)密度變大、水密度減小[37]，絮團(tuán)沉速加快。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁化處理后含沙水粘滯系數(shù)升高(表6)，一方面，粘滯系數(shù)升高會(huì)阻礙懸浮泥沙的沉降，但由于阻礙作用十分微小，還不足以改變絮凝沉降的加劇趨勢(shì)，另一方面，粘滯系數(shù)升高增強(qiáng)了水流的拖曳能力，泥沙顆粒容易隨水排出，不易在滴頭流道內(nèi)淤積造成堵塞。

3.2 磁化處理對(duì)不同粒徑級(jí)配泥沙渾水的作用機(jī)理

滴頭堵塞由泥沙沉降和泥沙輸出共同決定，為了更好地分析含沙水磁化處理對(duì)滴頭堵塞的減緩機(jī)理，本試驗(yàn)以不同粒徑級(jí)配的泥沙為研究對(duì)象，探究磁化后其滴頭堵塞及絮凝沉降等的變化規(guī)律。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)富含不同粒徑級(jí)配的含沙水磁化后，滴頭堵塞的減緩情況不同，渾水中細(xì)顆粒泥沙含量越多，磁化處理對(duì)滴頭堵塞的減緩作用及絮凝沉降的加劇作用越大。這是因?yàn)榇呕幚砗竽嗌愁w粒表面電位下降，泥沙顆粒趨向凝聚，形成絮團(tuán)，特別是對(duì)細(xì)顆粒泥沙。研究表明，泥沙表面電荷數(shù)量隨著泥沙粒徑的減小明顯增加[38]，故磁化處理對(duì)細(xì)顆粒泥沙絮凝作用的影響更大。此外，細(xì)顆粒泥沙表面張力較大，灌水期時(shí)，易在水流紊動(dòng)作用下形成絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，灌水停止時(shí)，滯留在流道中的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)在重力作用下沉降并依附在流道壁面造成滴頭堵塞[24]，而粗顆粒泥沙的絮凝作用較弱，主要依靠重力作用沉積在流道內(nèi)造成滴頭堵塞。磁化處理后，含沙水D1、D4絮凝沉降明顯加劇，這是因?yàn)槠淞叫∮?.03 mm的泥沙顆粒占比均達(dá)到60%以上，細(xì)顆粒泥沙表面帶有更多的負(fù)電荷，磁化處理后對(duì)其絮凝沉降的影響更大，但此粒徑泥沙受水的布朗運(yùn)動(dòng)作用明顯，很難依靠自身重力自然沉降，易隨水流走[39]，故灌水前期，含沙水D4滴頭流量下降緩慢；但含沙水D1中不僅含有65.3%的細(xì)顆粒泥沙且含有20%左右粒徑大于0.05 mm的粗顆粒泥沙，一方面，粗顆粒泥沙易在迷宮流道內(nèi)沉降淤積造成滴頭堵塞，故含沙水D1在灌水初期，滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度下降較為明顯，另一方面，含沙水D1中同時(shí)包含粗顆粒泥沙和細(xì)顆粒泥沙，這種粒徑級(jí)配的泥沙顆粒在隨水流運(yùn)動(dòng)中易形成以大顆粒為骨架、小顆粒填充的穩(wěn)定堵塞物且這種堵塞物間重疊緊密，孔隙小，穩(wěn)定性強(qiáng)[40]。此外，由于磁化處理后泥沙絮凝作用增強(qiáng)，渾水D1中形成了較多大尺徑的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，改變了原有泥沙粒徑級(jí)配，泥沙粒徑趨向單一，不易形成穩(wěn)定的堵塞結(jié)構(gòu)，且泥沙絮團(tuán)結(jié)構(gòu)較為松散，穩(wěn)定性差，下次灌水時(shí)易被水流沖散，難以造成嚴(yán)重堵塞，故含沙水D1磁化處理后滴頭堵塞情況減緩最明顯。而含沙水D4中無粗顆粒泥沙，泥沙顆粒難以在毛管中沉降，易隨水流走，磁化處理后，泥沙顆粒的絮凝作用增強(qiáng)，故在灌水前期，磁化處理加劇了滴頭堵塞，但隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，沉降在毛管前端的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)逐漸增多堆積成泥沙床，阻礙泥沙運(yùn)動(dòng)，且磁化處理后水流的拖曳能力增強(qiáng)，促使部分泥沙顆粒隨水排出滴頭，進(jìn)而減緩滴頭堵塞。

上述試驗(yàn)結(jié)果是在泥沙質(zhì)量濃度為3.0 g/L條件下取得的，但實(shí)際滴灌工程中泥沙濃度較低。在泥沙質(zhì)量濃度為1.0 g/L、磁化強(qiáng)度為0.4 T條件下，也發(fā)現(xiàn)磁化處理在灌溉30次后，滴頭的平均相對(duì)流量依然大于75%，而未磁化處理在灌水24次后，平均相對(duì)流量則小于75%(圖6)。

圖6 磁化處理下滴頭平均相對(duì)流量Fig.6 Average relative flow of dripper under magnetization

由圖6可知，磁化處理顯著減緩了滴頭平均相對(duì)流量的下降趨勢(shì)，抑制了滴頭堵塞的發(fā)展速度。泥沙質(zhì)量濃度為1.0 g/L的試驗(yàn)結(jié)果與較高泥沙含量(3.0 g/L)的基本一致，說明本試驗(yàn)結(jié)果能夠反映磁化對(duì)于滴頭堵塞的影響趨勢(shì)。

3.3 不同磁化強(qiáng)度對(duì)滴頭堵塞的減緩機(jī)理

本試驗(yàn)結(jié)果表明，磁化強(qiáng)度為M2時(shí)，對(duì)滴頭堵塞的減緩作用最大，但M1和M3處理時(shí)差別不顯著，說明隨著磁化強(qiáng)度的增加，其作用效果存在一個(gè)峰值，而峰值約在0.4 T。這是因?yàn)榇呕幚砗?，水的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，但其變化程度并非隨磁化強(qiáng)度的增加而增加，而是隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，呈周期性的變化，這一現(xiàn)象可用拉摩定律來解釋[41]。劉芳玲等[13]通過探究磁化強(qiáng)度與水表面張力系數(shù)的關(guān)系指出，溶液表面張力系數(shù)并不是隨磁化強(qiáng)度的增加呈直線變化，而是存在多個(gè)谷值，說明磁化處理的效果隨磁化強(qiáng)度的增加呈波動(dòng)變化。王全九等[14]研究了磁化強(qiáng)度為0.1、0.2、0.4、0.8 T對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，發(fā)現(xiàn)磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)土壤累積入滲量最大、入滲用時(shí)最短，磁電一體活化水的含水率、脫鹽率、鹽分淋洗效率達(dá)到最大，含鹽量和土壤滯留鹽分濃度最低。徐莉等[42]發(fā)現(xiàn)，不同對(duì)象的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，與磁化強(qiáng)度也不呈正相關(guān)關(guān)系，且不同試驗(yàn)對(duì)象最適宜的最佳磁化強(qiáng)度不同，今后還需要進(jìn)行進(jìn)一步深入探究。

綜上，建議采用黃河水等細(xì)顆粒泥沙含量高的水源滴灌時(shí)，采用磁化強(qiáng)度為0.4 T的磁體進(jìn)行磁化處理，并定期進(jìn)行毛管沖洗，以減緩滴頭的堵塞。

4 結(jié)論

(1)磁化處理減緩了滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度的下降趨勢(shì)，且其減緩作用隨磁化強(qiáng)度的增加呈先增后減的趨勢(shì)，磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，減緩滴頭堵塞的效果最大。

(2)磁化處理對(duì)不同粒徑級(jí)配泥沙渾水的影響不同，對(duì)細(xì)顆粒泥沙含量較多的含沙水滴灌的影響最顯著。磁化處理后毛管前中段淤積泥沙中值粒徑減小，沉降過程加劇，泥沙粒徑越小，效果越大。磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，磁化處理后泥沙沉降速度的增幅最大。

(3)磁化處理增加了毛管前段堵塞滴頭的數(shù)量，不同含沙水處理下毛管前段滴頭堵塞率分別提高了11.77%、20.37%、15.56%和23.15%，且磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，毛管前中段滴頭堵塞率最大。建議采用磁化水進(jìn)行滴灌，并定期沖洗毛管，以減緩滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。