引黄滴灌条件下混配水对堵塞物质表面特征的影响

王天志 郭祖诚 闫 军 申要杰 孙佳琦 王 毅

(1.清华大学环境学院， 北京 100084； 2.中国光大国际有限公司， 香港 999077；3.北京市南水北调大宁管理处， 北京 102442； 4.南京市工程造价管理协会， 南京 210024)

0 引言

微咸水已成为引黄灌区农业灌溉的替代水源之一，但是微咸水中的盐分较高，长期使用微咸水灌溉会抑制作物生长，对土壤环境健康造成威胁[1]。将黄河水和微咸水混配后灌溉不仅可以有效减少黄河水中的泥沙含量[2]，还可以降低微咸水中的盐分，将盐分调节至适宜范围，可改善土壤结构，增加土壤通透性，减小土壤容重，从而起到提高土壤饱和含水率、增加作物根部吸水功能[3]的作用。滴灌被认为是引黄灌区发展高效节水灌溉最为有效和可靠的灌溉方式[4-5]。灌水器是滴灌系统的关键部件之一，由于消能的需要，其流道尺寸一般只有0.5～1.2 mm，极易被水中的颗粒物堵塞而导致整个系统报废[6-7]。因此，发展引黄灌区混配水滴灌技术的前提就是控制黄河水与微咸水混配条件下滴灌灌水器堵塞的发生。

堵塞物质的形成过程受到水力条件、水质、温度、时间等多因素的共同影响，堵塞物质的表面形貌是多重影响因素的综合体现，能够体现堵塞物质的生长、固体颗粒物和有机污染物的沉淀与被捕捉及微生物的生长，堵塞物质的表面形貌特征可通过表面的粗糙度、厚度、孔隙率等微观特征直接衡量[17]，探索混配水条件下灌水器流道内部的堵塞物质表面特征具有重要意义。基于此，本文利用自行设计的滴灌灌水器内部堵塞物质快速培养装置及取样方法，选择黄河水、微咸水、黄河水和微咸水1∶1混配水3种水源，对滴灌灌水器流道内堵塞物质的形成过程进行模拟培养，结合三维白光干涉形貌仪观测灌水器内部堵塞物质表面形貌，分析引黄滴灌条件下黄河水与微咸水混配对堵塞物质表面特征的影响。以期为混配水滴灌系统堵塞机理研究及控制模式的建立提供理论参考，为推广引黄灌区微咸水的使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1水源

本试验采用3种水源(黄河水、微咸水以及黄河水和微咸水1∶1混配水)供水。其中黄河水取自内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区先锋桥下二干渠，含沙量为36.5 kg/m3，电导率(Ec)为0.92 dS/m；参考内蒙古河套灌区的微咸水水质情况，在当地地下水(Ec为1.67 dS/m)的基础上，添加1∶2.27∶5.85(mol)配比的NaHCO3、KCl和NaCl配置微咸水(Ec为4.25 dS/m)。取4℃恒温保存的不同水体样品各500 mL，进行水质检测，结果如表1所示。

表1 水质检测结果Tab.1 Water quality detection results

注：YR表示黄河水；SW表示微咸水；MW表示混配水。

1.1.2模拟系统介绍

本试验包括黄河水、微咸水、混配水的3个模拟系统，每个模拟系统由储水桶、蠕动泵、乳胶管、滴灌系统模拟器等组成。将水储存在储水桶中，为系统提供水源；蠕动泵(BT100L型，保定创锐泵业有限公司)为系统提供工作驱动力，用乳胶管与储水桶连接，从储水桶中提水进入1号模拟器，模拟器(1～4号)采用并联方式连接，蠕动泵通过乳胶管连接1号模拟器的进水口，蠕动泵提水至所有模拟器的内外筒之间充满水后，1号模拟器的出水口通过乳胶管再次回到储水桶中，2、3、4号模拟器与1号模拟器连接情况一致，并联情况如图1所示。模拟器如图2所示，其外筒尺寸Φ130 mm×252 mm，内筒尺寸Φ110 mm×135 mm，进水口和出水口尺寸均为Φ10 mm，电机功率150 W，转速范围0～3 000 r/min。

图1 试验系统及模拟系统示意图Fig.1 Test system and simulation system

图2 模拟器Fig.2 Simulator1.电机 2.法兰盘 3.样品槽 4.外筒 5.内筒 6.进水口 7.取样架 8.固定轴承 9.螺钉 10.钢片 11.电机轴 12.连接轴承 13.出水口 14.变压器 15.密封垫片 16.速度控制器 17.散热孔 18.配电盒 19.电线

1.1.3流道内部易堵塞位置的水力剪切力模拟

图3 灌水器类型及流道近壁面水力剪切力CFD计算结果Fig.3 Type of emitter and CFD calculation results of hydraulic shear force near wall of flow path

利用数显卡尺(Mitutoyo，日本，精度0.01 mm)测量直齿直角形迷宫流道尺寸，流道深0.78 mm、宽1.68 mm、齿高1.5 mm、齿宽0.50 mm，如图3a所示，LI等[18]的研究表明，堵塞物质主要集中在d和e位点，因此本文选取这两个位点作为研究对象。运用三维画图软件UGS NX9.0建立三维模型，利用ANSYS 15.0对模型进行网格划分和计算，边界条件为压力入口(额定工作压力0.1 MPa)、压力出口(0 MPa)，计算模型为RNGk-ε湍流模型[19]。得到灌水器流道近壁面水力剪切力CFD计算结果如图3b所示。结果表明a位点(齿尖迎水区)的水力剪切力为2～26 Pa，b位点(齿尖背水区)的水力剪切力为0.3～2 Pa，c位点(主流变形区)的水力剪切力为2.4～6.5 Pa，d(齿跟迎水区)和e位点(齿跟背水区)的水力剪切力为0.3～0.8 Pa。由于堵塞物质主要集中在d和e位点，因此本文选取剪切力区间为0～0.8 Pa。

1.1.4模拟器水力剪切力计算

本试验模拟器采用下端进水上端溢流出水的方式，推荐水力停留时间2 h，模拟器总容积1 210 mL时，进水量为10.08 mL/min，流量很小，可以近似忽略。则反应器中水流对壁面剪切力的计算，可以采用《粘性流体力学》[20]中同轴旋转圆柱间流动的计算公式，即

(1)

式中τr——半径为r这一点的摩擦应力，Pa，其方向与角速度ω1相反

R1、R2——内筒和外筒半径，m

ω1、ω2——内筒和外筒旋转角速度，rad/s

r2——内筒和外筒之间某一圆形切面的半径

μ——液体粘滞系数，20℃水的动力粘滞系数为1.005×10-3Pa·s

结合本试验的具体情况，ω2=0 rad/s；r2=R2；由于摩擦应力为壁面对水流的摩擦力，而此处需讨论水流对壁面的水力剪切力，故可将式(1)简化为

(2)

(3)

式(3)即为本试验模拟器外筒内壁壁面水力剪切力计算公式。由模拟器参数可知，R1=65 mm，R2=55 mm，μ=1.005×10-3Pa·s，因此，模拟器的外筒内壁壁面水力剪切力计算公式为

(4)

1.2 试验处理

试验采用PE毛管切片贴于反应器外筒内壁，为了真实模拟灌水器流道壁面介质，切片采用常用的Φ16滴灌毛管，尺寸为19 cm×1 cm。当模拟器电机工作时，内筒旋转带动水流运动，会带动外筒内壁水流运动，由于带有PE片的取样架固定在外筒内壁，所以在PE片表面会产生剪切力。根据式(4)设置模拟系统模拟位点的水力参数，试验处理编号如表2所示。为避免光照对堵塞物质的影响，系统置于恒温光照培养箱中，温度保持30℃。试验共进行800 h，在系统运行80、320、560、800 h时取样。

1.3 堵塞物质表面三维形貌测定

利用三维白光干涉形貌仪(Phase Shift Micro

表2 水源类型及样品编号Tab.2 Sampling locations and number

XAM-3D型，布鲁克海文仪器公司，美国)对堵塞物质样品形貌特征进行测试，采集的图像利用SPIP(Scaning probe image processor)软件进行分析，考虑到需要对堵塞物质样品表面的平均厚度、表面粗糙度、表面稳定程度、表面对水流作用等方面进行分析，故根据2005年产品尺寸和几何规范及检验技术委员会颁布的ISO/TC213N756 参数表征体系筛选出区域表面平均厚度、表面均方根偏差(Sq)、表面高度分度的峭度(Sku)、中心液体滞留指数(Sci)、表面的展开面积比率(Sdr)5个参数。参数的计算方法参照文献[21-22]。其中平均厚度反映了堵塞物质的生长情况，Sq反映了堵塞物质表面的粗糙度，Sku可以用于识别堵塞物质表面的稳定性，Sci反映了表面对液体的滞留能力，Sdr表示堵塞物质表面的综合性能信息，可以用来衡量堵塞物质表面能量，值越大说明堵塞物质表面对固体颗粒物质、微生物团体、微生物等的吸附和捕捉作用越强[23]。

2 结果与分析

2.1 堵塞物质形成过程中表面形貌特征

本试验对不同水源不同剪切力条件下堵塞物质形成过程中80、320、560、800 h时的样品进行分析，表面形貌的测试结果如图4～7所示。

图4 系统运行80 h时堵塞物质表面形貌Fig.4 Surface morphology of clogging substance after running of 80 h

图5 系统运行320 h时堵塞物质表面形貌Fig.5 Surface morphology of clogging substance after running of 320 h

图6 系统运行560 h时堵塞物质表面形貌Fig.6 Surface morphology of clogging substance after running of 560 h

从图4～7可以看出，灌水器内壁附着的堵塞物质表面并不是平坦的，均呈现高低起伏的山丘分布状。此外，还能明显看出黄河水与微咸水的混配对堵塞物质表面的影响，即混配水条件下的堵塞物质表面凸起少，较为平坦。

在系统运行初期，不同水源条件下堵塞物质表面较为光滑，仅出现局部凸起。黄河水条件下的堵塞物质表面的局部凸起明显高于微咸水和混配水条件下，说明黄河水中的泥沙颗粒物初始含量较高，容易沉淀，被微生物吸附或者粘附于介质表面。在系统运行中期，不同水源条件下堵塞物质表面变得较为粗糙，凸起增加。黄河水条件下的堵塞物质表面结构较紧密，微咸水条件下堵塞物质表面紧密度次之，混配水条件下堵塞物质表面空隙较多，高低起伏较大，仅有一些独立的凸起。随着系统运行到800 h时，堵塞物质表面结构变得非常粗糙，微咸水条件下堵塞物质表面结构紧密，空隙较少，表面的“沟壑”多；黄河水条件下堵塞物质表面凸起较多，十分粗糙；混配水条件下堵塞物质表面较为平坦，高低起伏不大。

在灌水器流道易堵塞位点上，剪切力为0.05 Pa的区域内，堵塞物质表面出现局部凸起，剪切力为0.20～0.40 Pa的区域内堵塞物质结构较紧密，高低起伏不大，独立的凸起少，剪切力为0.70 Pa的区域内堵塞物质表面结构很紧密，局部凸起少，但表面的“沟壑”较多。

2.2 堵塞物质形成过程中表面厚度变化特征

不同水源不同剪切力条件下堵塞物质表面平均厚度的变化特征如图8所示。从图8可以看出，堵塞物质的平均厚度随着时间的增加均表现为先缓慢增加后快速增加的趋势，在缓慢增长期(0～560 h)时，黄河水条件下堵塞物质厚度增加最快，为0.27 μm/d，微咸水条件下次之，为0.17 μm/d，混配水条件下堵塞物质增加最慢，为0.10 μm/d。在快速增长期(560～800 h)时，同样是黄河水条件下堵塞物质厚度增加最快，微咸水次之，混配水最慢，增速分别为0.73、0.23、0.19 μm/d。系统运行结束时(系统运行800 h)，不同水源条件下堵塞物质的平均厚度均值为7.85 μm，其中，混配水条件下堵塞物质的平均厚度为4.39 μm，分别比黄河水、微咸水条件下低65.32%、32.51%。这说明黄河水和微咸水混配不仅显著降低了堵塞物质的厚度，还延缓了堵塞物质的生长速度。此外，对于不同剪切力而言，0.05～0.40 Pa条件下的堵塞物质厚度随着剪切力的增加而增加，高于0.40 Pa时，堵塞物质厚度随着剪切力增加而减小。系统运行结束时，0.40 Pa剪切力条件下堵塞物质厚度最大，均值为10.83 μm，分别比0.05、0.20、0.70 Pa剪切力条件下高52.20%、16.33%、160.26%。

2.3 堵塞物质形成过程中的表面三维形貌参数

利用三维形貌评价理论(采用ISO/TC213N756参数表征体系)，分析不同水源条件下堵塞物质三维形貌特征参数，如表3～6所示。

由表可知，随着时间的增加，堵塞物质表面均方根偏差和表面展开面积比率均显著增加，这说明随着时间的增加堵塞物质表面的粗糙度增加，表面能量增加，堵塞物质对固体颗粒物、微生物团体、有机物等的吸附和捕捉能力越来越强；表面高度分度峭度减小，说明堵塞物质的表面稳定性低于PE材料；中心液体滞留指数基本不变，说明堵塞物质表面对液体的滞留能力相对稳定。黄河水和微咸水的混配对堵塞物质三维形貌特征参数的影响主要体现在表面均方根偏差和表面展开面积比率两个参数上，混配水条件下堵塞物质表面的Sq、Sdr均显著小于其他两种水源，这说明黄河水和微咸水混配会降低堵塞物质表面粗糙度和表面能量，降低堵塞物质对固体颗粒物、微生物团体、有机物等的吸附和捕捉能力，抑制堵塞物质进一步形成。这与三维形貌特征图的直观表现一致。此外，对于不同剪切力而言，表面均方根偏差和表面展开面积比率随剪切力变化趋势相似，都是随着剪切力上升，出现一个峰值后再下降，其中Sq在0.40 Pa剪切力条件下最大，Sdr在0.20 Pa剪切力条件下最大。

3 讨论

堵塞物质的表面形貌特征是环境多重因素的共同影响下的整体体现，本文研究发现：堵塞物质表面形貌呈现一种典型的膜结构，表面均呈现高低起伏的山丘分布状，并且堵塞物质的平均厚度随着时间的增加均表现为先缓慢增加后快速增加的趋势，这是由于水中含有微生物、营养盐、有机物及大量的阴阳离子，水中的阳离子和阴离子发生化学反应形成不可溶的沉淀物质，微生物分泌大量的胞外聚合物，水源中的固体颗粒物、微生物、有机质及化学沉淀等多物质在水动力学条件下通过碰撞、絮凝、生物粘附过程附着在PE介质表面，并不断吸附或捕捉固体颗粒及其他絮凝体形成膜结构；此时PE片内壁表面水流一方面为膜结构的形成输送基质[24]，但堵塞物质在形成初期需要适应此时的水力条件，另一方面已经形成的膜在水力剪切力的作用下不断发生脱落[25]，因此，该阶段灌水器内部堵塞物质平均厚度缓慢增加。随着系统运行，水中化学反应逐渐发生及膜结构中的微生物基数增加，沉淀物质沉积及有机质团聚体附着在PE片内壁的同时，还增加了壁面粗糙度，改变了固体泥沙颗粒与壁面的碰撞特性，加剧了颗粒物及微生物的附着沉积[26]，虽然这期间也伴随着膜的脱落，但新膜的生长量大于膜的脱落量，堵塞物质的平均厚度呈现快速增加的趋势。

此外，灌水器流道内堵塞物质主要集中位置的水力剪切力为0.20～0.40 Pa，这是因为水源中含有一定量的粘性细小颗粒，这些粘性颗粒形成絮团，絮团发育成长，互相搭接形成网状结构，当剪切力较小时，不利于这些小颗粒之间相互碰撞和吸引[28]，同时也不利于水中的阴阳离子的更新，进而不利于化学沉淀的产生[29]。同时泥沙表面附着生物膜后，微生物分泌的胞外聚合物(EPS)覆盖在颗粒物表面，颗粒物之间的粘结作用增强，剪切力较低时不利于胞外多糖的产生[30]，所形成的堵塞物质结构为多孔且宽松[31]，不利于在PE内壁表面附着。当水力剪切力很大，会显著地影响堵塞物质的脱落[25,32]，RITTMANN[33]在较早的研究中发现管道壁面附着物的脱落速率与水力剪切力的0.58次方成比例，而BAKKE等[34]研究发现管道壁面附着物的脱落速率与剪切力之间存在线性关系，同时当剪切力较大时，不利于水中颗粒物之间的絮团与絮网结构的形成，对已经形成的絮团也具有破坏作用[35]。堵塞物质的厚度随水力剪切力变大有上升的趋势，然而水力剪切力变大也会增大水流对膜结构的侵蚀作用，加速堵塞物质的脱落，当两者达到动态平衡时堵塞物质会表现出较大的积累量，使得剪切力为0.20 Pa和0.40 Pa条件下堵塞物质结构较紧密，表面厚度、表面均方根偏差和表面展开面积比率均较大。

图8 不同水源条件下堵塞物质平均厚度动态变化特征Fig.8 Dynamic variation characteristics of average thickness of clogging substance

剪切力/Pa水源类型表面均方根偏差/μm表面高度分度峭度中心液体滞留指数表面展开面积比率/%YR0.93262.00.502.170.05SW0.3966.61.400.98MW0.57171.00.990.64YR0.3069.70.851.440.20SW0.9551.81.564.31MW0.7039.01.618.61YR0.838.62.045.730.40SW0.4339.31.392.56MW0.6934.01.494.96YR0.5813.21.995.720.70SW0.3924.41.191.00MW0.228.91.490.32

表4 系统运行320 h时不同水源条件下堵塞物质三维形貌特征参数Tab.4 Surface characteristic parameters of clogging substance after running of 320 h

表5 系统运行560 h时不同水源条件下堵塞物质三维形貌特征参数Tab.5 Surface characteristic parameters of clogging substance after running of 560 h

4 结论

(1)通过白光干涉形貌显微镜能够获取清晰真实的堵塞物质表面三维形貌，堵塞物质表面并不是平坦的，均呈现高低起伏的山丘分布状。

(2)黄河水与微咸水混配后堵塞物质表面凸起少，较为平坦；堵塞物质的厚度、表面均方根偏差、表面展开面积比率显著降低，充分说明黄河水和微咸水混配后不仅可以有效减少黄河水中的泥沙含量，还可以降低微咸水中的盐分，可有效缓解灌水器堵塞现象。

表6 系统运行800 h时不同水源条件下堵塞物质三维形貌特征参数Tab.6 Surface characteristic parameters of clogging substance after running of 800 h

(3)灌水器流道内堵塞物质主要集中位置的水力剪切力为0～0.8 Pa，在0.20～0.40 Pa剪切力范围内堵塞物质结构较紧密，表面厚度、表面均方根偏差和表面展开面积比率均较大。