泥沙浓度与进口压力对迷宫流道滴头堵塞的影响

徐路全，李援农，房云杰，银敏华，黄 鹏，王凯瑜，王星垚

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

滴灌是可根据作物需水规律以较小滴头流量给作物均匀灌溉的高效节水技术[1]。滴头作为滴灌系统的精密部件由于流道狭小及灌溉水中杂质的集聚、碰撞容易导致堵塞，影响整个滴灌系统的灌水均匀性[2-6]。Bucks等[7]将滴头堵塞分为化学堵塞、生物堵塞、物理堵塞3种类型。化学堵塞及生物堵塞能通过一系列方法得到有效处理[8]。但是，在实际灌水过程中，即使是水质良好且有较完备的沉淀过滤措施，仍然有粒径小于0.10 mm的泥沙颗粒进入滴头，使滴头在多次灌水后发生物理堵塞[9]。物理堵塞是困扰滴灌技术推广应用的一个难题，因此研究者进行了大量研究。王心阳等[10,11]研究认为泥沙粒径大小影响制紊效应，较小颗粒的制紊效应要优于较大颗粒；进口压力是影响灌溉均匀度的因素、滴头堵塞与压力具有相关性。牛文全等[12]研究认为泥沙粒径小于0.10 mm时，滴头堵塞程度随泥沙含量升高而急剧升高。王建东等[13]，穆乃君等[14]，通过研究压力对滴头堵塞的影响得出，压力是影响滴头堵塞的重要因素，但是堵塞性能并不完全随额定工作压力的增大而提高。曹蒙等[15]通过研究得出流道壁面糙度对颗粒物质的黏附作用，使流道阻力系数增大，同时改变颗粒浓度的分布，使滴头更容易发生堵塞。王文娥等[16]运用计算流体力学方法对粒径小于0.10 mm颗粒在流道中的运移情况进行模拟研究指出，粒径在0.01～0.04 mm范围内不易引起滴头堵塞。闫大壮等[17]采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)模拟迷宫流道内悬浮颗粒运动情况，得出粒径大于0.075 mm的颗粒不能很好地随水流动，是引起堵塞的主要物质。李治勤等[18]，徐文礼等[19]研究指出，对于介于流道尺寸1/3～1/7的泥沙颗粒，粒径是造成迷宫流道滴头堵塞的主要原因。葛令行等[20]利用FLUENT软件对沙粒在迷宫灌水器中运动与沉积规律进行模拟得出，当粒径大于0.05 mm时，滴头堵塞的危险系数急剧增加。马晓鹏等[21]研究指出，滴头流道最小断面尺寸大于等于0.6 mm时，滴头将获得较好的抗堵塞性能；滴头系统在低压运行时，滴头堵塞有一定的可逆性，可通过间歇灌溉来预防和减少滴头堵塞。刘璐等[22]研究指出当粒径小于0.10 mm时，含沙量对灌水器堵塞的影响非常显著，在水质单一的条件下，小于0.10 mm细小颗粒的堵塞敏感粒径为0.031～0.038。

但是以往对滴头堵塞规律研究多集中于采用计算机数值模拟与短时间灌水的方法，长时间、间歇性灌溉研究较少。对于计算机数值模拟与短时间灌溉得出的规律，需要进一步验证。

本试验通过采用不同泥沙浓度、进口工作压力，进行浑水灌溉试验，分析易造成滴头堵塞的泥沙浓度和压力组合。并通过分析相对流量和堵塞滴头泥沙级配，得出滴头易堵塞的泥沙浓度范围，为滴头抗堵塞提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验测试装置由水沙混合设备、压力变频设备、滴灌管网组成。试验水箱为规格为高1 300 mm、底半径500 mm的圆柱形箱体，上部配固定搅拌机(1 400 r/min)，通过搅拌使水沙混合均匀；扬程为35 m的1WZB-35型自行式清水泵；120目筛网式过滤器；量程为0.6 MPa的压力表；调频控制设备控制进口工作压力，控制精度为0.10 m水头。量程为1 000及2 000 mL的量筒。试验收集、测量由量程为2 000 mL的烧杯和量程为1 000及2 000 mL的量筒完成。通过秒表计时测量滴头30 min流量。试验布置见图1。

图1 试验布置Fig.1 Test device 1-水沙混合箱；2-变频箱；3-水泵；4-过滤器；5-滴头及收集装置；6-搅拌叶轮；7-滴灌管

滴灌管采用河北龙达滴灌设备有限公司生产的內镶式滴灌管，其基本参数为管外径16 mm，额定流量1.6 L/h，滴头间距50 mm。试验用土采用渭河滩沙壤土，牛文全等[12]、刘璐等[22]研究表明，泥沙粒径小于0.10 mm的浑水堵塞程度随含沙量的增大急剧上升，试验用土泥沙级配见表1，设定浑水含沙量为1.00、1.25、1.50 g/L，毛管入口工作压力取0.025和0.075 MPa。试验处理组合见表2。

表1 泥沙级配表

表2 试验组合表Tab.2 Experimental treatment

1.2 试验方法

试验在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室进行，为模拟实际灌溉情况，采用露天间歇性浑水灌溉，灌水次数根据试验结果采取24或30次不等。滴灌管铺设长度50 m，每间隔5 m设置一个流量测量点。试验采用周期性间歇灌水法，每次试验灌水时间30 min，间隔30 min，滴头流量实时采集测量。每次试验过后冲洗过滤器及干管，保证输水管网无残留泥沙，然后进行后续试验。为深入分析造成滴头堵塞的泥沙粒径，完成全部堵塞试验方案后将堵塞滴头解剖，在自然状态下风干后收集堵塞滴头处泥沙并分析其粒径组成。

1.3 评价指标与方法

一般以实测流量与清水流量的75%对比判定滴头是否发生堵塞[23]。但是对于滴灌系统，目前还没有一个统一的堵塞评判标准和方法，但灌水均匀度是低压滴管设计的重要参数之一，直接影响到低压滴灌系统灌水器工作水头、灌水质量和工程造价[24,25]。因此，本试验采用克里斯琴森均匀度系数[26]和相对流量相结合的方法评价堵塞情况。当滴头发生堵塞时，相对流量小于75%，且克里斯琴森均匀度系数及相对流量均应下降，堵塞越严重，下降幅度越大。当滴头完全堵塞时相对流量为0。克里斯琴森均匀度系数计算公式为：

(1)

本次试验每根滴灌管滴头数量多达97个，试验时每间距5 m取一个测量点。采用克里斯琴森均匀度系数并辅以滴头流量分析滴头堵塞过程及规律。相对流量qr，即各测量点实时的浑水流量与清水流量的比值，%。

(2)

式中：q0为清水流量。

2 试验结果与分析

2.1 滴头堵塞情况分析

为了更加准确分析滴头堵塞变化规律，将每种处理的3组重复试验综合考虑。表3和表4分别为毛管不同进口压力条件下滴头堵塞部位分布试验结果。

表3 0.025 MPa进口压力下滴头堵塞部位分布Tab.3 Clogging distribution of emitter under 0.025 MPa inlet pressure

表4 0.075 MPa进口压力下滴头堵塞部位分布Tab.4 Clogging distribution of emitter under 0.075 MPa inlet pressure

一定的灌水次数，随着进口压力增大，滴头更容易堵塞；除个别情况外(Y1N3)，随着泥沙浓度的增大，滴头更容易堵塞。进口压力为0.025 MPa时，堵塞部位分布较集中，且低泥沙浓度堵塞部位较靠管末；高浓度堵塞部位分布较分散，且均匀地分布在距管首20%～50%管长处。进口压力为0.075 MPa时，滴头堵塞部位分布都较均匀。浓度为1.00 g/L时，除零星几个堵塞点外，其余均匀分布于距管首15%～24%管长处；泥沙浓度为1.25与1.50 g/L时，滴头堵塞部位均匀分布于距管首10%～80%管长处，且泥沙浓度为1.50 g/L时，滴灌管末端较其他浓度时更易堵塞。表3和表4表明泥沙浓度与进口压力是影响滴头堵塞的重要因素，但是关系比较复杂。在现有试验基础上滴头在Y2N2组合时滴头更容易堵塞。

由表5分析知，本次试验共计堵塞滴头74个，其中流量逐渐减小最后变为0的滴头个数为31个(逐渐完全堵塞)；流量逐渐减小最终小于75%清水流量的滴头个数为35个(逐渐部分堵塞)；流量突然减小为0的滴头个数为8个(突然完全堵塞)。就滴头堵塞过程情形分布来看，绝大多数(89.2%)滴头的堵塞都是比较缓慢的渐变过程[27]。

表5 滴头堵塞情况统计表 个

滴头逐渐完全堵塞或部分堵塞是滴头堵塞的主要情形，滴头突然完全堵塞的情况较少。根据以75%的清水流量作为判定滴头堵塞标准，堵塞情形为逐渐完全堵塞、逐渐部分堵塞、突然完全堵塞所占比例分别为41.89%、47.30%、10.81%。滴头堵塞是流道内泥沙颗粒间相互碰撞，使得颗粒发生不等速沉降并借助颗粒间的黏结力和表面电荷作用胶结成絮团。结成的絮团向前推移，当絮团发展到一定程度时便沉积于管壁上造成滴头堵塞。只有当灌水达到一定次数时，才有可能有足量的颗粒发生碰撞造成堵塞，故滴头突然堵塞的情形较少见。

试验结束后，将自然风干的滴灌管剖开。观察堵塞滴头处泥沙分布情况，利用激光粒度仪分析泥沙级配。堵塞滴头泥沙颗粒粒径分布见表6。

表6 堵塞滴头泥沙粒径分布 %

当堵塞形式为逐渐完全堵塞时(S1)，通过分析Y2N2与Y2N3两试验条件下，堵塞滴头泥沙级配得出，低浓度(N2)堵塞滴头处大粒径(0.05～0.2 mm)明显多于高浓度(N3)，而高浓度(N3)堵塞滴头泥沙粒径更多地处于0.01～0.05 mm之间。表明滴头堵塞是泥沙浓度与粒径共同作用的过程，当泥沙浓度较小时，泥沙粒径成为限制滴头堵塞的因素。当堵塞形式为逐渐部分堵塞时(S2)，通过分析Y2N1与Y2N3两试验条件下，堵塞滴头泥沙级配得出，低浓度(N1)堵塞滴头泥沙级配与高浓度(N3)堵塞滴头泥沙级配基本一致。表明滴头堵塞不仅存在敏感粒径范围[15]，同样存在敏感浓度范围，本试验中1.25 g/L为更易堵塞的浓度。当堵塞形式为突然完全堵塞时(S3)，堵塞滴头泥沙粒径基本处于逐渐完全堵塞滴头泥沙粒径与逐渐部分堵塞滴头泥沙粒径之间。表明突然完全堵塞的发生需要各个粒径交错聚集，达到较为均匀完整的粒径组成。所以突然完全堵塞的情形较少，这也与试验结果相吻合。通过分析堵塞滴头泥沙级配与原状泥沙泥沙级配，发现堵塞滴头泥沙颗粒粒径处于0.02～0.2 mm的比例(68.78%～83.35%)明显高于原状泥沙(53.43%)，尤其以Y2N2试验条件下发生逐渐完全堵塞的情形显著(83.35%)；堵塞滴头泥沙粒径小于0.02 mm的比例(16.65%～31.22%)明显小于原状泥沙(46.57%)。表明本次试验的堵塞过程实际上是小颗粒(<0.02 mm)随水流流出，大颗粒相互碰撞、凝聚、沉降而堵塞流道，造成滴头堵塞[16,17,28]。由此也造成了泥沙颗粒的重新分布。但由于原状泥沙颗粒粒径处于0.02～0.20 mm的比例较小，且灌水时只有小部分颗粒处于流道漩涡区难以逸出，所以流道内累积一定量的泥沙需要经过一定的灌水次数，故堵塞是一个缓慢的过程。

2.2 评价指标与滴头堵塞的关系

采用Origin2015及Spss20.0软件对各取样点流量变化进行双因素方差分析，发现泥沙浓度及进口压力对滴头流量变化的影响达到显著水平(p=0.008、p=0.001)，表明浑水中泥沙浓度及进口压力是滴头堵塞发生的重要因素。不同压力下滴灌管克里斯琴森均匀系数随灌水次数的变化趋势图见图2。

图2 不同压力下克里斯均匀系数随灌水次数变化趋势图Fig.2 Changes of with irrigation frequency under different pressure

从图2分析知，压力一定时，随着泥沙浓度的增大，灌水均匀系数 逐渐下降。但是均匀系数下降程度并不完全随着泥沙浓度的增大而加快，部分泥沙浓度较小的浑水均匀系数下降速度较快于较大浓度的浑水。灌水11次后，Y2N2试验条件下的均匀系数下降了19%，Y2N3试验条件下均匀系数下降了12%；试验结束后Y2N2试验条件下均匀系数下降了40%，Y2N3试验条件下均匀系数下降了36%。Y2N2试验条件下均匀系数下降幅度及速度均快于Y2N3，说明在一定压力下，存在易造成滴头堵塞的泥沙浓度。

图3为3种泥沙浓度与2种进口压力组合下试验各阶段滴头的相对流量随灌水次数的变化曲线。

图3 滴头相对流量随灌水次数变化曲线Fig.3 Changes of relative flow rate of emitter with irrigation frequency

从图3(a)分析知，滴头流量波动幅度从小到大的泥沙浓度顺序为1.50、1.00、1.25 g/L。部分时段的部分滴头相对流量高于100%[29,30]，这是由于泥沙颗粒的制紊效应引起的。Y1N2试验条件下，滴头相对流量在第5、11、22次灌水下低于75%；Y1N1试验条件下，滴头相对流量在第15次灌水时低于75%，试验条件为Y1N2及Y1N1下，滴头相对流量分别在第11和15次灌水时达到最小。但是随着后续灌水及流道内冲淤作用滴头相对流量均高于75%。Y1N1试验条件下，滴头相对流量均高于75%。从图3(b)可以看出，3种泥沙浓度下，滴头相对流量都超过了95%，滴头流量波动幅度从小到大的顺序为1.00、1.25、1.50 g/L。滴头相对流量分别在第15、15、24次灌水时达到最小。通过图3(a)与图3(b)比较得出在低压力下(0.025 MPa)，滴头流量波动较大，易发生堵塞；在高压力下(0.075 MPa)，滴头流量变化较平缓，不易发生堵塞。从图3(c)可以看出， Y1N1试验条件下，滴头前10次灌水相对流量逐渐减小，从第11次灌水至第18次灌水滴头发生逐渐部分堵塞，第19和20次灌水相对流量大于75%，第21次灌水滴头流量突然减小至0(验证了文献[20]结论：低压力下，滴头堵塞有一定的可逆性)。Y1N2试验条件下，滴头相对流量在前29次灌水波动地变化，但都维持在75%以上。直到第30次灌水滴头相对流量突然变为0，滴头发生突然完全堵塞。Y1N3试验条件下，除第10次灌水时相对流量小于75%，前19次灌水相对流量都大于75%。第20次灌水开始滴头相对流量突然减小到0，并维持到灌水结束，滴头发生突然完全堵塞。从图3(d)可以看出，Y2N1试验条件下，前12次灌水相对流量波动地减小但都处在75%以上，从第13次灌水开始(除第14～17次灌水流道内冲淤频繁，但相对流量都维持在75%以下)相对流量逐渐减小直至为0。Y2N2试验条件下，当发生逐渐完全堵塞时，前12次灌水相对流量逐渐减小(>75%)，第13～17次灌水流道内冲淤频繁，相对流量由大于75%减小至小于75%直至减小为0，并维持到灌水结束。Y2N2试验条件下，当发生突然完全堵塞时，前4次灌水相对流量逐渐减小，第5次灌水时相对流量由91%突然减小至0，直至灌水结束。Y2N3试验条件下，相对流量由第1次灌水时的93%突然减小至第2次的65%，最后突然减小到0，并维持至灌水结束。高压力(0.075 MPa)下流量比低压力(0.025 MPa)波动频繁，滴头更易发生堵塞，且高压力下滴头发生突然完全堵塞的几率也增大。

3 讨 论

(1)水温对滴头堵塞的影响。压力一定时，滴头堵塞随泥沙浓度增大而更易堵塞。而Y1N3试验条件下，滴头的堵塞情况明显轻于Y1N1与Y1N2。分析原因可能是因为Y1N1与Y1N2试验分别在9月和10月，平均水温在20℃左右，而Y1N3试验主要在12月份完成，平均水温在8 ℃左右。表明滴头堵塞不仅与进口压力、泥沙浓度、流道结构有关，还需要考虑灌溉水温对滴头堵塞的影响。这也与刘璐等[31]、王德次[32]、张建婷等[33]的研究结果相互印证。

(2)泥沙粒径对滴头堵塞的影响。粒径小于0.02 mm时，黏粒较多，颗粒之间较易黏结。但是由于该粒径段颗粒较小、随流性强，颗粒间不能依靠强力链网络形成基础骨架，在连续灌溉或者在团聚体没有固结之前，其黏结体形状易发生变化[34]。且此粒径范围的颗粒很难在自身重力下沉降，故该粒径段不易发生堵塞。当粒径处于0.02～0.10 mm时，相较粒径小于0.02 mm，泥沙较易依靠自身重力发生沉降，在水体紊动作用下碰撞、黏结形成絮团结构，引起滴头堵塞。含沙量直接决定泥沙颗粒在流道内发生碰撞的几率，滴头堵塞是一个粒径重新分布、泥沙逐渐累积的过程，所以堵塞是一个缓慢的过程。吴泽广等[35]研究表明滴头堵塞是一个突然发生的过程，流量会迅速减少。本试验结果与上述结论存在一定的差异，分析原因，进口压力与滴灌管长度对堵塞有一定影响，本次试验选取进口压力为0.025和0.075 MPa，滴灌管长度为50 m，试验参数压力较吴泽广所取压力要小，滴灌管长度较吴泽广所取较大。造成在同一比例管长范围内流速与压力都较小，泥沙颗粒不易逸出流道漩涡区，也加大了泥沙相互碰撞、沉积的几率，随着灌水次数增加沉积泥沙逐渐累积而堵塞滴头。

(3)泥沙浓度对滴头堵塞的影响。从图3(c)和图3(d)经Spss方差显著性分析结果表明，滴头堵塞程度并不完全随泥沙浓度增大加快，部分浓度较小的浑水堵塞发展较快于浓度较大的浑水，表明在一定的压力下，存在易造成滴头堵塞的敏感浓度范围。方差显著性分析结果表明，压力为0.075 MPa时，1.25 g/L的泥沙浓度对滴头堵塞的显著性高于泥沙浓度为1.00与1.50 g/L。从图3(d)分析知，随着泥沙浓度由1.00 g/L增大到1.25 g/L，相应的滴头相对流量分别由首次浑水灌溉的99%逐渐减小到第14次的0%，再由0%上升到69%最后逐渐由第17次灌水的16%减小到0%；首次浑水灌溉的101%逐渐减小到第17次灌溉的78%(除第13次相对流量为6%)，最后逐渐减小到0(逐渐完全堵塞S1)；首次浑水灌溉的102%减小到第4次的91%，之后突然减小到0，直至灌水结束(突然完全堵塞S3)。泥沙浓度由1.00 g/L增大到1.25 g/L不仅滴头堵塞速率加快且堵塞滴头数目增多。当泥沙浓度增加到1.50 g/L时，相对流量由首次浑水灌溉的93%减小到第2次的65%，再突然减小到0%直至灌水结束。虽然滴头堵塞速率加快但是堵塞滴头数目却不及1.25 g/L。所以，在压力为0.075 MPa时，浓度为1.25 g/L相较1.00和1.50 g/L滴头更易堵塞。即压力一定时，存在敏感堵塞浓度。

(4)滴头堵塞位置的规律。从整个试验过程得出，相同的灌水次数，随着试验压力的增大，滴头更容易堵塞；除个别情况外(Y1N3)，随着泥沙浓度的增加，滴头更容易堵塞。低压力下(0.025 MPa)，堵塞部位分布较集中，且低泥沙浓度堵塞部位较靠管末；高浓度堵塞部位分布较分散，且均匀地分布在距管首20%～50%管长处。高压力下(0.075 MPa)，各浓度滴头堵塞部位分布都较均匀。浓度为1.00 g/L时，除零星几个堵塞点外，其余均匀分布于距管首15%～24%管长处；泥沙浓度为1.25与1.50 g/L时，滴头堵塞部位均均匀分布于距管首10%～80%管长处，但泥沙浓度为1.50 g/L时，滴灌管末端较其他浓度时等易堵塞。

4 结 语

本文针对小于0.10 mm的泥沙颗粒，设置了0.025及0.075 MPa 2个进口压力和1.00、1.25、1.50 g/L 3个泥沙浓度，采用完全试验方法，通过测量滴头的出流量及滴头堵塞情况的监测。研究进口压力及泥沙浓度对滴头堵塞的影响，现得出以下结论。

(1)泥沙浓度相同时，高压力(0.075 MPa)比低压力(0.025 MPa)更容易造成滴头堵塞。进口压力为0.025 MPa时，滴头堵塞位置分布较分散；进口压力为0.075 MPa时，随着泥沙浓度由1.00 g/L增加为1.25、1.50 g/L，堵塞位置均匀地由距管首15%～24%变为10%～80%管长。

(2)在压力一定时，泥沙浓度越大，滴头越容易堵塞。但泥沙浓度对滴头堵塞影响的显著性并不随浓度变大而线性增加。在本试验，当泥沙浓度为1.25 g/L时，泥沙浓度对滴头堵塞的显著性最大。

(3)滴头堵塞是泥沙颗粒重新分布的过程。本试验中，大于0.02 mm的泥沙经过碰撞、沉积是造成滴头堵塞的主要原因。滴头堵塞存在敏感浓度。在本试验中，滴头堵塞的敏感浓度是1.25 g/L。

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