不同类型灌水器在硬水滴灌条件下的堵塞特征

刘燕芳，李 丹，吴普特※,2，张 林，朱德兰，陈俊英

0 引 言

灌溉水水质偏硬是中国许多利用地下水进行滴灌的地区面临的一个重要问题[1-2]。研究发现，使用硬水进行滴灌时，水中发生化学反应生成的化学沉淀会引发灌水器堵塞，影响滴灌系统运行[3-5]，且水质越硬，堵塞越严重[6]。而当硬水滴灌系统中施入化肥时，堵塞的情况会更加严重[7]。

滴灌系统的堵塞主要发生在其核心部件灌水器中。研究表明，灌水器内部结构的形式和尺寸是影响其水力性能和抗堵塞性能的关键因素[8-10]。Van Lier等[11]提出灌水器的抗堵塞性能与其流道尺寸有关，流道尺寸越大，抗堵塞性能越强。Ahmed等[12]研究发现，灌水器的堵塞情况随着流态指数的增大和流量的减小而越发严重。Ravina等[13-15]研究认为，相同的灌水时间内，大流量的灌水器抗堵塞性能优于小流量灌水器。吴显斌等[16]研究发现，再生水滴灌条件下，灌水器流量的降幅与流道长度、流道截面积呈正相关关系。刘海军等[17]研究发现，压力补偿孔口式灌水器更适宜再生水滴灌。而 Dura-Ros等[18]提出大流量灌水器不易堵塞，是否压力补偿与堵塞性能关系不大。另外，有研究还发现，灌水器制造偏差、流道水力直径等因素对灌水器的抗堵塞性能也有一定影响[15,19]。针对齿型迷宫流道灌水器，Li等[20-23]通过室内试验研究了流道结构参数（包括流道宽、流道深、齿间距、齿高度、齿角度，齿尖偏差量等）对灌水器水力性能和抗堵塞性能的影响。魏正英等[24-25]通过对流道内流体进行数值模拟，分析了流体的流场分布和固体颗粒的运动规律，提出流道内水流缓水区、低速区和涡旋区的颗粒物浓度较高，易发生颗粒物沉积继而引发流道堵塞。穆乃君等[26-27]通过对齿型流道进行抗堵塞性能测试发现，用单一的流道结构参数表征灌水器的抗堵塞性能存在局限性，而结构特征参数如断面最小尺寸、水力半径和齿间距则可在不同程度上较好地表征灌水器的抗堵塞性能。可见，灌水器堵塞与灌水器类型、额定流量、内部流道结构尺寸、是否存在水流低速区等因素都有一定的关系，但凭借单一的因素并不能准确判断灌水器的抗堵塞性能，需要综合考虑灌水器的多方面因素才能对其抗堵塞性能做出合理评价。

笔者前期研究了硬水滴灌水质对堵塞的影响[6-7]，本文从灌水器自身结构角度出发，选择了 6种不同类型的灌水器，对其在硬水滴灌条件下的运行状况和抗堵塞性能进行研究，并利用SPSS软件分析了影响堵塞的关键因素，旨在为硬水滴灌系统灌水器的设计和选型提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 灌水器特征参数

本试验选择了市场常见的 5种不同类型的滴灌灌水器和自研的大流量灌水器作为研究对象，规格参数见表1，外形照片见图1。其中min（W,H）为过水截面最小尺寸，指灌水器内所有过水截面（包括进水口栅栏的单个过水截面）里截面宽W和深H中的最小者[26-27]，截面几何参数定义如图2中所示。对于E1和E3，min（W, H）为迷宫流道的深；对于 E2，min（W, H）为进水口栅栏的单个过水截面的宽；对于E4、E5和E6，min（W, H）为灌水器出水口旁泄水小槽的深。各参数中，额定压力和额定流量为厂家给定，流态指数、流量系数和制造偏差系数为清水试验测得，迷宫流道长和过水截面最小尺寸为读数显微镜JC-10（上海力华仪器制造有限公司，测量精度±0.01 mm，量程4 mm）测定，随机挑选3个灌水器测量，取最小值[28]。参考目前研究中广泛采用的影响灌水器抗堵塞性能的特征参数，初步确定5个特征参数：是否压力补偿、额定流量、是否有进水口栅栏、流道长和min（W, H）作为研究因素，这5个参数主要反映了灌水器的类型、过流能力和过滤能力等方面的特征。

图1 试验用灌水器Fig.1 Emitters for experiment

图2 过流截面几何参数定义Fig.2 Definition of geometric parameters of flow passage sections

表1 试验用灌水器的特征参数Table 1 Characteristic parameters of tested emitters

1.2 硬水滴灌试验

试验在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院灌溉水力学试验厅内进行，试验装置为循环滴灌系统，如图3所示，该系统由水箱、180目网式过滤器（80 μm）、水泵、供水管道、压力表、阀门、水流回收槽和布置其上的12条毛管构成。毛管长约6 m，每2条毛管安装1种待测灌水器。12条毛管的安装位置随机。对于E1、E4、E5和E6，灌水器安装间距为0.5 m，两条毛管共安装26个灌水器；灌水器E2和E3的安装间距为0.33 m，分别安装36个灌水器。由于安装毛管较短且排列紧密，故忽略灌水器的水力流量偏差，认为所有灌水器的工作条件相同，因此将滴灌系统上的同种灌水器视为相同试验条件下的重复，则E1、E4、E5和E6各为26个重复，E2（滴灌带）和E3（滴灌管）各为36个重复。

滴灌系统灌水时间为2014年10月—2015年1月和2015年5月—2015年7月，期间由于冬季极端气候条件而暂停灌水。系统工作压力为100 kPa，灌水频率为每周灌水1次，每次运行4 h，共进行灌水26次。每次灌水时用水银温度计测量水温，最低和最高温度分别为 14.5和 27.8 ℃，平均温度为 20.5 ℃。为保证灌溉水硬度，每次运行重新配水，运行结束后超纯水清洗水箱和水流回收槽[17]。

滴灌用水设置硬水和超纯水（对照）2个水平，分别记为W1和W2。本试验不关心灌水器内的堵塞物质成分，而关注不同类型灌水器的堵塞规律，因此为了获得明显的试验效果，加速堵塞进程，本试验滴灌用水硬度较高，为500 mg/L，由超纯水和化学试剂CaCl2（554.9 mg/L）、NaHCO3（840.1 mg/L）配制而成。

图3 试验平台布置示意图Fig.3 Layout diagram of experimental platform

1.3 测试指标与方法

由于测试毛管较短（仅6 m）且灌水器制造偏差较小（见表 1），因此可认为灌水器流量下降主要是由堵塞造成的，故可通过监测灌水器流量的变化来评估其堵塞状况。本试验采用称质量法测定灌水器流量，每2周测定1次。待滴灌系统运行稳定后，用电子天平（精度 0.1 g）称取10 min内量杯接取的灌水器出水量，换算为灌水器流量L/h。

将一种灌水器的平均流量占额定流量的百分比定义为该灌水器的平均相对流量

式中qr为一种灌水器的平均相对流量，%；n为灌水器总数；qi为第 i个灌水器的流量，L/h；q0为灌水器额定流量，L/h。

[29]，界定单个灌水器流量降低25%时发生了堵塞。滴灌系统运行期间，记录每个灌水器发生堵塞所需的时间，并对发生堵塞的灌水器数目进行统计，以堵塞率[27]评价该种灌水器的运行状况。灌水器的堵塞率定义为灌水期间发生堵塞的灌水器数目除以该处理下灌水器的总数目所得的比值，%。

1.4 回归分析方法

本试验利用 SPSS 18.0软件对灌水器流量数据进行分析，采用有序回归分析方法（ordinal regression）寻找影响灌水器堵塞的主要因素。以影响灌水器堵塞的灌水器类型（是否压力补偿）和额定流量等特征参数作为自变量，以有序分类的灌水器堵塞发生的时间作为因变量，进行回归分析，用Wald检验自变量对因变量是否有影响，找出硬水滴灌条件下显著影响灌水器堵塞的特征参数。由于滴灌系统运行至第10次灌水后，各类型灌水器的堵塞状况已经基本不变，因此只选取前 2～10次灌水时的流量数据进行分析。

根据灌水器发生堵塞的时间，因变量y可有序的分类为：y=1代表第2次灌水发生堵塞、y=2代表第4次灌水发生堵塞、y=3代表第6次灌水发生堵塞、y=4代表第8次灌水发生堵塞、y=5代表第 10次灌水发生堵塞、y=6代表灌水期间一直未发生堵塞。而表1中的5个特征参数：灌水器类型、额定流量、是否有进水口栅栏、迷宫流道长和过水截面最小尺寸min（W,H）是影响因变量的5个自变量[30-31]。

2 结果与分析

2.1 堵塞规律分析

滴灌系统运行期间灌水器平均相对流量随运行时间的变化过程如图4所示，从图4a中可以看出，超纯水滴灌条件下，6种类型的灌水器在系统运行期间的平均相对流量均未发生明显变化，在额定流量附近波动，说明该条件下未发生灌水器堵塞；而硬水滴灌条件下（图4b），所有类型灌水器的平均相对流量均发生了不同程度的下降。其中灌水器E1和E6在灌水期间平均相对流量以较小的幅度缓慢下降，在系统运行结束时分别降至40.2%和48.0%。而灌水器E2、E3、E4和E5则不同，在前10次灌水期间，它们的平均相对流量以较大的幅度随着灌水次数的增加迅速下降至20%左右；在第10次灌水之后降幅变小，系统运行结束时，4种灌水器的平均相对流量分别仅为10.2%、3.2%、1.2%和1.4%。由此可知，从平均相对流量下降情况来看，灌水器E1和E6在灌水期间的运行状况比E2、E3、E4和E5好。

如表 2所示为硬水滴灌条件下不同灌水次数时的灌水器堵塞率，从图中可以看出，在第2次灌水时，E3和E4最先发生堵塞，堵塞率分别为53.6%和15.4%，在第4次灌水时2种灌水器堵塞率均达到100%，直至第18次灌水结束。故与其他4种灌水器相比，E3和E4的抗堵塞性能最差。其他4种灌水器E1、E2、E5和E6在第4次灌水时出现堵塞，堵塞率分别为4.2%、47.2%、65.4%和27.0%。之后4种灌水器的堵塞率不断上升，其中，E5、E2和 E6的堵塞率分别在第 6、12和 18次灌水时达到100%，而E1的堵塞率一直较低，直至灌水试验结束。由此可知，从堵塞率来看，灌水器E1的抗堵塞性能最优，其次为E6、E2和E5。另外灌水器E2在堵塞率达到100%（第12次灌水）后略有下降，这是因为有个别堵塞的灌水器堵塞部位被冲开、出现流量回升导致的。

图4 试验期间灌水器平均相对流量变化Fig.4 Change in average relative flow rate of emitter during experimental period

表2 不同灌水次数时的灌水器堵塞率Table 2 Emitter clogging ratio at different irrigation time

由图4、表 2可知，在灌水期间，灌水器 E1和 E6的平均相对流量相差不大，而E6的堵塞率却比E1高出许多，这是因为，E6发生堵塞（流量降低 25%）的灌水器个数较多，但发生堵塞的灌水器仍然具有出流能力，保持部分出流量，导致该种灌水器的平均相对流量比较高。

2.2 影响灌水器抗堵塞性能的主要特征参数

对灌水器多个特征参数的有序回归分析结果如表 3所示。从表3“显著性”一列中可以看到，5个影响因素里，min（W, H）对应的P<0.01，达到极显著水平，说明灌水器min（W, H）是影响灌水器堵塞的关键因素；min（W, H）的参数估计值8.424为正值，说明min（W, H）越大，因变量y的取值也越大，意为min（W, H）越大，其发生堵塞需要经历的灌水次数越多，即越难发生堵塞。这与文献[26-27]的研究结果是一致的。表3中还可看出，其他影响因素均未达到显著水平，说明其他因素在本试验中对灌水器堵塞的影响不明显，即灌水器类型、额定流量、迷宫流道长度不是影响灌水器堵塞的主要因素，但不能据此认为这些因素对灌水器堵塞没有影响。

再用SPSS 18.0软件对因变量y和min（W, H）进行相关性分析，结果显示两变量在置信度（双侧）为 0.01时，相关性是显著的，相关系数r为0.722，这与有序回归分析的结果一致。

表3 以特征参数为自变量以堵塞发生时间为因变量的有序回归分析结果Table 3 Ordinal regression results with characteristic parameters as independent variables and with time when clogging occurred as dependent variable

2.3 灌水器内min(W, H)截面处的堵塞情况

灌水试验结束后，将所有的灌水器进行解剖，观察内部堵塞情况并统计，用相机（Canon PowerShot SX500 IS，1 600万像素，日本佳能）对典型堵塞灌水器拍照（见图 5）。

从图 5中可以看到灌水器内部水流经过的地方都有白色物质的沉积和附着，尤其在图5a中的流道内壁上可以清楚地看到白色物质形成的附着层，这与文献[6]中提到的情况一样。根据文献[6]可知，试验所用的硬水中发生了化学反应，生成了白色沉淀物。在灌溉水流经灌水器内部时，这些化学沉淀附着于灌水器内壁，经过一定时间的累积形成附着层。

对于E1，灌水器内部主要结构为迷宫流道，发生堵塞的位置多为流道的进水口处，如图5a所示，占所有堵塞情况的 75%。通过测量可知，此处截面与齿型迷宫流道齿尖处截面同为min（W, H）截面，流道宽、深分别为1.0、0.8 mm。但对比两处发现，相同截面条件下，流道进水口结构有一定长度，形成了一个狭长的过水通道，通道中由于边壁条件稳定，靠近壁面的水流流速较低且紊动不足，导致固体颗粒易在内壁附着，发育成了较厚的附着层堵塞过水断面，从图5a中也可以看到此段流道附着层较流道其他部分略厚；而在齿尖处，由于齿尖偏差量非常小[23]，同时此处水流流速大、紊动剧烈[24]，附着层不宜发育，故此处不宜发生堵塞。

对于E2，灌水器内部主要结构包括进水栅栏和迷宫流道 2部分，但所有的灌水器均在栅栏处发生了堵塞，如图5b所示。观察发现，所有E2灌水器的进水栅栏前都发生了如图 6中所示的严重堵塞，这正是由于进水栅栏的单个过流截面尺寸过小造成的。对比E1的堵塞情况可知，虽然进水栅栏的过流截面并没有形成狭长通道，但由于截面的min（W, H）值过小，仅为0.5 mm，仍然导致了比较严重的堵塞。

E3灌水器同 E2一样，主要包括进水栅栏和迷宫流道 2部分结构，灌水器内最小过水截面为迷宫流道的过流截面，尺寸为1.0 mm×1.0 mm。由于进水栅栏的单个过流截面尺寸较大（见表 1），故此处并未发生堵塞。但在进水栅栏之后、迷宫流道的首部处发生了严重的堵塞（见图5c），占所有堵塞情况的97.2%。观察此处发现，虽然迷宫流道宽深尺寸一定，但流道首部（即进水栅栏和迷宫流道两部分的连接处，见图 7a）的截面形状是一个不规则的菱形，如图7b矩形框中所示。该截面形状的内角中有两个角度较小的锐角，由于水的黏滞性，锐角区域内的水流流速较慢，成为“低速区”（或称“缓水区”），而根据魏正英等[24-25]的研究结果，此区域极易发生颗粒物沉积附着继而引发流道堵塞。由此可见，除截面尺寸外，截面的形状也是影响堵塞发生的一个因素。

灌水器E4和E5为同类型压力补偿式灌水器，内部结构主要包括弹性垫片、压力补偿腔和泄水小槽3部分。供水压力改变时，灌水器通过弹性垫片的微小形变、不同程度地封堵泄水小槽的过流截面来保持流量的稳定，该泄水小槽的过流截面是灌水器内过流的min（W, H）截面。统计显示，这 2种灌水器的堵塞均发生在此处，如图5d、5e所示。灌水器E4和E5在此处的截面尺寸分别为 1.0 mm×0.1 mm、1.0 mm×0.2 mm。虽然截面具有1.0 mm的宽度，但0.1 mm和0.2 mm的截面深度过小，且当灌水器工作时，由于弹性垫片的封堵，流道深度会进一步减小，故这种类型的灌水器易在此处发生堵塞。

E6灌水器与E4和E5的结构类似，只是E6灌水器在腔体结构之前增加了迷宫流道。解剖后发现，化学沉淀在迷宫流道内壁形成了较均匀的附着层，但由于其过流截面尺寸较大，为2.0 mm×2.0 mm，故附着层的厚度并未对流道的过流产生明显影响，亦未发生沉积物堵塞流道的情况。而在泄水小槽处，由于过流截面尺寸较小，为0.5 mm×1.5 mm，附着层的厚度影响了过流截面尺寸，导致了灌水器流量发生下降，如图5f所示。可以推测，随着系统运行时间的增加，不断增厚的附着层终将堵塞该截面。

综上所述，6种灌水器的堵塞均发生在了具有min（W,H）的截面处，这与本文回归分析的结果一致。但是，当灌水器内多处具有min（W, H）的截面时，堵塞发生在易沉积附着固体颗粒的“低速区”或“缓水区”，例如狭长的过流结构、截面形状的锐角区域。因此在灌水器内过流结构设计中，应当避免 2个问题，一个是过小的 min（W, H）尺寸，即W、H的实际尺寸不能过小；另一个就是水流的“低速区”或“缓水区”，在沿水流方向上，保证水流紊动，减少颗粒物沉积附着，在过水截面形状上，中心点距各边的距离要接近，当截面形状为矩形时，W和H的差值要尽量小。

图5 不同灌水器内部的堵塞照片Fig.5 Clogging photo inside different emitters

图6 E2灌水器进水口栅栏堵塞Fig.6 Clogging on water inlet fence of emitter E2

图7 E3灌水器迷宫流道入水口Fig.7 Water inlet of labyrinth passage on emitter E3

3 结 论

研究了硬水滴灌条件下 6种灌水器的流量变化和堵塞情况，分析了影响灌水器堵塞的特征参数，得到如下结果：

1）硬水滴灌条件下，6种灌水器的平均相对流量随着灌水时间增加逐渐降低，堵塞率随着灌水时间增加逐渐升高。其中，E1和 E6平均相对流量下降幅度较小，相较于其他4种灌水器表现出较好的抗堵塞性能，而E1堵塞率在灌水期间一直保持较低水平，是运行状况最优的灌水器；E3和 E4在灌水期间最早发生堵塞，且堵塞率一直较高，是抗堵塞性能最差的2种灌水器。

2）有序回归分析显示，影响灌水器堵塞的主要特征参数为过水截面最小尺寸min（W, H）（P<0.01）；且灌水器发生堵塞需要的时间与min（W, H）成正相关关系，即min（W, H）越大，越难发生堵塞，灌水器的抗堵塞性能越好。灌水器解剖结果显示堵塞主要发生在灌水器内过水截面最小尺寸min（W, H）处，印证了回归分析结果。而当灌水器内存在多处具有min（W, H）截面的区域时，堵塞发生在易沉积附着固体颗粒的“低速区”或“缓水区”。

建议，硬水滴灌时，应选择过水截面最小尺寸 min（W, H）较大的灌水器，同时灌水器中应避免出现易引发固体物沉积的截面形状和过流结构。

[参 考 文 献]

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