不同泥沙质量浓度及工作压力对微孔地下渗灌管渗水性能的影响

2020-07-06李梦刚孙兆军焦炳忠李兴强

灌溉排水学报 2020年6期

李梦刚，孙兆军,*，焦炳忠，韩磊，李兴强，李茜

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.宁夏大学环境工程研究院，银川 750021； 3.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川750021； 4.宁夏（中阿）旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川750021）

0 引言

【研究意义】渗灌是继喷灌、滴灌之后的又一项极具发展潜力的新型节水灌溉技术，通过将渗灌管直接铺设在作物根系附近，借助土壤毛管作用直接向作物根系层进行供水，避免传统地面灌溉所带来的蒸发损失，具有节水节肥、改善土壤团粒结构、避免地表板结及抑制杂草生长等优点[1-3]。目前，渗灌类型主要有打孔渗灌管和微孔渗灌管2 大类，打孔渗灌管主要通过在PE 管或橡胶管上按一定距离打孔、划口或安装灌水器；微孔渗灌管主要是沿管壁通身布设孔眼以达到渗水的效果，如瓦灌、陶罐、无砂混凝土管、微孔地下渗灌管等[4]。其中，微孔地下渗灌管孔隙细而丰富，均匀地分布在管壁上，是目前最新、运用范围最广的一种微孔渗灌管类型，广泛应用于温室、果园及绿地灌溉，主要以废旧轮胎末和聚乙烯为原料生产而成[5-6]。由于管道原料组成及结构特点，管道渗水性能受工作压力影响较大，且对灌溉水质要求较高，在不同的应用条件下管道渗水性能发生着变化[1,7]。【研究进展】Teeluck 等[8]研究发现，提高水质能够缩短管道达到渗水稳定所用的时间，并且有利于提高管道渗水均匀性和渗水速率。Lomax 等[9]研究表明，在初始渗水阶段，渗灌管渗水速率急剧下降，后随通水时间延长，最终趋于稳定，管道初始渗水速率显著大于稳定渗水速率。Edwin 等[10]研究发现，管道渗水量与压力呈幂函数关系，渗水速率变异系数（CV）随压力升高而减小，最低为4.40%，与可溶性固体溶液相比，固体悬浮溶液对渗水量影响更大。张书函等[11]对一种早期国产微孔渗灌管进行了渗水性能研究，发现渗水速率随通水时间延长和累积渗水量的增加而降低。梁海军等[12]研究发现，在清水试验条件下，微孔渗灌管存在着一个最优的压力区间，在该压力区间内渗水均匀性最佳。李敏等[13]进行了微孔渗灌管生产工艺对渗水性能的影响研究，为该产品后续规模化生产提供了参考。【切入点】前人主要针对灌溉水质或压力单个因素下微孔渗灌管渗水性能进行了研究，但对灌溉水质和压力共同作用条件下微孔渗灌管渗水性能的研究相对较少。【拟解决的关键问题】本试验对一种微孔地下渗灌管在自来水和2 种浑水条件下，调节进水口压力进行通水试验，明晰灌溉水泥沙浓度和压力对微孔地下渗灌管渗水性能的影响，为微孔地下渗灌管的田间应用提供依据。

1 材料与方法

试验于2018 年7—11 月在宁夏大学国家大学科技园中试基地进行，测试水温为15～20 ℃。采用W1（自来水）和W2（泥沙质量浓度0.5 g/L）、W3（泥沙质量浓度1.0 g/L）1 种清水与2 种浑水为试验水源，浑水用土为风干沙壤土，经500 目筛网筛分处理，粒径小于0.025 mm，试验水源W1 主要理化性质如表1 所示。

1.1 试验样品

试验样品采用轮胎脱硫橡胶颗粒和聚乙烯颗粒粉末按一定比例制造而成，该管道内径16 mm，壁厚2 mm，管道在出水均匀性及抗堵塞能力等方面均有一定提升，具有使用寿命长、耐高温、耐强紫外线辐射等特点。随机选取9 条不同批次生产的微孔地下渗灌管各3 m 长进行试验。

表1 自来水主要理化性质 Table 1 Main physical and chemical properties of tap water

1.2 试验装置

试验系统平台布置如图1 所示。该试验装置由恒压供水部分、渗水收集部分、压力测试部分组成，系统首部由500 L 的不锈钢水箱通过水泵加压向末级管道供水，其中进入末级管道的流量大小及灌水器测试压力由安装在进口压力表前端的控制阀调节，并通过安装在灌水器前端的压力表读取灌水器进水口压力，采用0.001 L 测量精度的量筒进行灌水器渗水速率测试，管道末端连接与进水口同型号的压力表。渗水收集槽全长3 m，上方水平铺盖尼龙塑料网，以保证管道水平放置，渗水收集槽共布置6 个分室，每个长0.5 m，各分室下设置导管通至对应渗水收集桶。

图1 试验系统平台布置 Fig.1 Layout of test system platform

1.3 试验方法

在0～100 kPa 压力范围内，以W1、W2、W3 为试验水源对微孔地下渗灌管进行通水试验。将选取的9 条待测管道随机取组，分3 组分别放置于尼龙塑料网上方进行通水试验。与渗水收集槽各分室相对应，渗灌管被自然分隔为6 个渗水管段，记录各管段0（初始）、0.5、1 h 及以后每整时段渗水速率，每次渗水试验持续10 h，各次试验间隔14 h。为避免前次试验影响，每次试验结束后排出管道内残余水量，并在室温条件下将管道置于干燥处自然晾干。

1.4 数据处理

应用Excel、SPSS 软件对试验数据进行统计分析。从渗水速率和渗水速率变异系数等方面评价微孔地下渗灌管的渗水性能，计算方法如下：

式中：CV为渗水速率变异系数（%）；S为渗水速率标准偏差（L/h）；v̅为全部渗水段的平均渗水速率（L/（m·h））；vi为第i个渗水段的渗水速率（i=1，2，...，6）。

2 结果与分析

2.1 渗水速率随通水时间的变化

在H1（20 kPa）、H2（60 kPa）、H3（100 kPa）压力下，采用W1、W2、W3 水源进行通水试验，渗水速率随时间的变化如图2 所示。

图2 渗水速率随通水时间的变化 Fig.2 The changes of emission rate with time of water supply

从图2 可看出，管道初始渗水速率远大于试验结束时渗水速率，随着通水时间的延长，渗水速率总体呈减小趋势，渗水速率在初期渗水阶段下降较快，原因可能是微孔地下渗灌管在渗水初期微观结构重新固化，橡胶颗粒吸水膨胀改变了渗水孔隙和数量，导致渗水速率明显下降，相关研究表明，随着通水时间、次数的增加管道细微结构逐渐稳定，变化幅度逐渐减小[11-12]。W1 条件下，随着通水时间的延长，渗水速率最终趋于相对稳定状态，但在W3 条件下，渗水速率随通水时间的延长持续降低，这可能是因为泥沙在管道内沉积，造成渗水孔堵塞，且随着通水时间延长，渗水孔堵塞情况加剧，从而使得渗水不能进入相对稳定状态。

相同压力下，灌溉水泥沙量对渗灌管渗水速率影响较大，管道渗水速率随通水时间延长减小的幅度随着泥沙质量浓度的增加而增大，以低压力下最为显著，20 kPa 压力条件下，W2、W3 水源至试验结束时，较W1 条件下渗水速率分别下降61.41%、92.74%，管道已基本丧失灌溉性能，且随通水时间的延长渗水速率仍呈下降趋势；高压力下变化较小，100 kPa 压力条件下，W2、W3 水源至试验结束时，较W1 条件下渗水速率分别下降14.92%、46.52%，渗水速率下降幅度明显低于20 kPa 压力条件下。

2.2 不同泥沙质量浓度和压力条件下渗水性能

以W1、W2、W3 为水源，在0～100 kPa 压力范围内调节压力进行通水试验，不同试验水源条件下渗水速率与CV随压力变化如图3 所示。

图3 不同试验水源条件下渗水速率与渗水速率变异系数（CV）随压力变化 Fig.3 coefficients of variation and emission rate with pressure under different test the water

从图3 可以看出，在W1、W2、W3 水源条件下，管道渗水速率均随进水口压力增大呈上升趋势。不同进水口压力条件下，渗水速率均表现为：W1>W2>W3，管道渗水速率随着水中含沙量增大而降低，在20、60、100 kPa 压力条件下，W2 较W1 分别降低46.03%、17.21%、9.80%，W3较W1分别降低68.58%、32.72%、27.06%，可见，随着进水口压力增大，不同试验水源间渗水速率变化的幅度逐渐减小。

在W1、W2、W3 试验水源条件下，CV随进水口压力发生变化。W1 条件下，CV范围为4.54%～12.26%，进水口压力为10～50 kPa 时，CV随着进水口压力的增大而减小，进水口压力为50～100 kPa时，CV随着进水口压力的增大而增大，在40～70 kPa压力范围内，CV均小于7%，50 kPa 时达到最小值，为4.54%。W2 条件下，CV范围为8.68%～28.64%，基本随着进水口压力的增大而减小，80 kPa 时达到最小值，为8.68%。W3条件下，CV范围为19.62%～64.39%，基本随着进水口压力的增大而减小，100 kPa 时达到最小值，为19.45%。W1、W2、W3 条件的CV的差异同样较大，随着含沙量的增加，CV最小值及范围均增大，可见随着含沙量增加，管道渗水均匀性变差。相同压力下，CV均表现为W3>W2>W1，在20、60、100 kPa 压力下，W2 较W1 涨幅分别为14.52%、5.96%、1.46%，W3较W1涨幅分别为35.26%、14.5%、10.27%，可见，随着进水口压力增大，不同试验水源间CV的涨幅逐渐减小。可见增大进水口压力可有效减缓水中泥沙给管道渗水均匀性带来的危害。

由以上结果可知，进水口压力和泥沙质量浓度均会对微孔地下渗灌管渗水均匀性产生影响。通过对不同条件下管道CV值进行方差分析，确定影响微孔地下渗灌管渗水均匀性的主要因素。不同泥沙质量浓度和压力条件下CV方差计算结果见表2。

表2 微孔地下渗灌管渗水速率变异系数（CV）方差 Table 2 Variance analysis of coefficients of variation of microporous subsurface infiltration pipe

由表2 可知，压力和泥沙质量浓度对渗水均匀度的影响程度不同，压力和泥沙质量浓度对微孔地下渗灌管CV的影响均达到极显著水平，其中泥沙质量浓度对CV的影响更为显著。因此，影响微孔地下渗灌管渗水均匀度的主要因素为灌溉水泥沙质量浓度，其次是进水口压力。

2.3 渗水速率拟合关系

根据图3 渗水速率随压力变化散点分布图确定回归直线，对H-V曲线进行拟合[14-15]：

式中：V为渗水速率（L/（m·h））；k为渗水速率系数；H为进水口压力（kPa）；x为流态指数。

k反映渗水速率波动程度，其值越小，渗水速率变动越小；x是渗水速率随压力变化的敏感性指标，体现了渗灌管流态特征及渗水速率与压力的关系[16]，不同试验水源条件下H-V拟合关系如表3 所示。

由表3 可看出，W1、W2、W3 条件下，H-V拟合曲线具有较好的相关性，相关系数R2均达0.98 以上。W1、W2、W3 条件下，渗灌管流量系数分别为0.270 3、0.047 6、0.013 2，随着水中泥沙质量浓度的增加而减小；流态指数均大于1，分别为1.053 3、1.416 1、1.665 0，随着水中泥沙质量浓度的增加而增大，W2、W3 较W1 增大幅度分别为34.44%、58.07%。可见，随着灌溉水含泥沙量的增加，管道渗水速率对压力的变化越敏感，渗水性能变差。

表3 不同试验水源下H-V 拟合关系 Table 3 H-V fitting relationship of under different test the water

3 讨论

灌溉水中泥沙颗粒的存在会使得管道渗水速率降低，但不同压力条件下影响效果存在差异。其中，低压力下对灌溉水源的要求更高，泥沙量增加可能会导致管道丧失灌溉性能，高压力下，管道渗水速率随着泥沙量增加变化较小。这与滴灌、陶瓷渗灌等灌水器条件下存在区别[17-18]，主要是由于微孔地下渗灌管自身具有一定的弹性，渗水孔孔径和数量受压力变化敏感，高压力下，微孔隙膨胀，管道渗水孔数量和孔径均有所增加，能排出部分泥沙，从而降低了泥沙颗粒对渗灌管渗水性能的影响；而低压力下，渗水孔孔径较小、数量较少，泥沙大量沉积于管道内壁，致使渗水孔堵塞，渗水孔数量持续减少，从而严重影响渗灌管渗水性能。在灌水过程中，灌水器堵塞情况由压力和灌溉水质耦合作用引起[19]，因此，在微孔地下渗灌管田间应用时，应尽量采用管道输水及安装过滤装置，减少灌溉水中固体颗粒量，提高微孔地下渗灌管渗水性能和使用寿命，当灌溉水源中含有少量泥沙时，可通过增大灌溉系统压力来保障渗灌管灌溉性能。

灌溉水含泥沙量和压力通过影响灌水器渗水速率和均匀度，从而影响灌水器渗水性能[20-21]。受管道原料组成及结构特点影响，地下微孔渗灌管道流态指数大于1，渗水速率受压力变化敏感，但工作压力对渗水均匀度影响较小。与之相比，灌溉水泥沙量对管道渗水性能影响更大。研究表明，灌溉水泥沙量增多会造成管道渗水速率大幅度减小，根据渗水速率和压力关系拟合结果，灌溉水含沙量越大，其流态指数越大，从而使得不同管段渗水速率差异增大，渗水均匀度降低，当泥沙质量浓度过高的情况下甚至会导致管道丧失灌溉性能。灌溉水源中泥沙颗粒在管壁沉积，造成灌水器堵塞，泥沙质量浓度增加，管道内泥沙颗粒沉积速度加快，渗水均匀度随之降低，管道堵塞程度加剧，严重影响管道渗水性能[22]。