加气对灌溉水黏性泥沙絮凝沉降的影响

吕 畅，张二信，张文倩，赵 雪，王彦邦，牛文全

加气对灌溉水黏性泥沙絮凝沉降的影响

吕 畅1,2，张二信1,2，张文倩1,2，赵 雪1,2，王彦邦1,2，牛文全1,3※

（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100）

为研究黄河水水肥气一体化灌溉时加气对灌溉水中黏性泥沙沉降能力的影响，配置5种浓度的高岭土悬浊液（1、3、5、7和10 g/L）和4种肥料质量分数（0、0.2%、0.5%、1.0%）的硫酸钾肥、复合肥及尿素浑水，分析了加气前后的相对含沙量、泥沙中值沉速和沉降泥沙中值粒径。结果表明：加气显著促进浓度为3～10 g/L黏性泥沙的絮凝沉降（<0.05），且促进作用随泥沙浓度的增加而增强。与未加气处理相比，冬、夏季加气处理后泥沙中值沉速分别提高48.67%～70.98%和33.04%～57.52%，沉降泥沙中值粒径增大7.62%～13.95%和6.83%～13.24%。加气促进黏性泥沙絮凝沉降的作用与浑水中施加的肥料类型及浓度有关，促进作用随肥料浓度的增加而减小。对于肥料质量分数为0.2%～1.0%的硫酸钾肥、复合肥及尿素浑水，加气处理后泥沙中值沉速分别提高20.00%～32.12%、18.71%～130.40%和91.19%～170.21%。施加硫酸钾肥加气后泥沙中值沉速最大，为0.399～0.450 mm/s，施加复合肥加气后泥沙中值沉速最小，为0.288～0.330 mm/s。加气、肥料类型、肥料浓度分别单独或交互均极显著影响泥沙沉降（<0.01）。研究结果对于明确水肥气一体化灌溉管网系统泥沙淤积规律具有重要意义。

灌溉；泥沙；肥料；加气；黏性泥沙；絮凝沉降

0 引 言

水肥气一体化灌溉因其能够显著提高作物产量、品质，改善作物根区土壤通气性，提高水肥利用效率，近年来已成为研究热点[1]。利用黄河水进行水肥气一体化灌溉能够在一定程度上缓解水资源紧缺问题。但黄河水含沙量较高且黏性泥沙含量较多，采用沉淀和过滤处理高浓度细小泥沙难度较大[2]。同时黏性泥沙具有比表面积大、电化学性质复杂等特点，受含沙量、矿物成分、电解质、温度、pH值等因素影响极易发生絮凝[3-4]，泥沙絮凝沉降引起的泥沙淤积会对灌溉系统的运行产生不利影响。当黏性泥沙进入到水肥气一体化灌溉系统时，肥料的存在使水质条件发生改变[5]，加气使水体粘滞性发生改变[6]，从而可能影响泥沙的絮凝沉降过程。研究不同条件下加气对黏性泥沙絮凝沉降的影响，对于后续采取合理措施减缓水肥气一体化灌溉管网系统泥沙淤积具有重要意义。

目前国内外学者采用室内试验、现场观测、数值模拟及理论分析等方法对泥沙絮凝沉降的影响因素进行了大量研究。李旺等[7]研究表明加入电解质对泥沙絮凝起明显的促进作用，且随着电解质浓度增加，泥沙颗粒表面电位绝对值降低。张宇卓等[8]研究表明水沙体系中泥沙浓度越大，最终形成的絮团个数越少，絮团结构越密实。Wan等[9]研究表明水体盐度较低时有利于泥沙絮凝，盐度过高时不利于泥沙絮凝。此外，当水沙体系中存在大量微气泡时，气泡与颗粒间会发生碰撞、黏附、脱附等作用过程[10]，改变泥沙颗粒运动轨迹，从而可能对泥沙的絮凝沉降产生影响。目前针对黏性泥沙在加气作用下的絮凝沉降规律研究较少，加气对不同灌溉水质、不同浓度泥沙絮凝沉降影响机制尚不明确，仍需进一步探讨。明确加气作用下灌溉水中黏性泥沙的絮凝沉降规律，对于采取合理措施减缓水肥气一体化灌溉管网系统泥沙淤积进而提高灌溉系统运行效率至关重要。

为此，本文选用黄河水中主要的黏土矿物高岭土作为试验泥沙，通过对比分析加气前后的泥沙相对含沙量、中值沉速及沉降泥沙中值粒径等，探究不同含沙量、不同肥料类型及浓度条件下加气对黏性泥沙絮凝沉降的影响，以明确不同条件下加气处理后泥沙的絮凝沉降规律，为水肥气一体化灌溉管网系统泥沙淤积处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用水为陕西省杨凌示范区居民自来水，水质参数如表1所示，钙、镁、铁等阳离子含量较少。试验用黏性泥沙为煅烧高岭土。本试验选用的煅烧高岭土粒径小于50m的颗粒占比达到94%，粒径小于4m的颗粒占比达到30%。高岭土白度达98.50%，主要成分SiO2和Al2O3质量分数为96.60%，铁、镁、钙质量分数为0.94%，其他成分质量分数为2.46%。

试验所用肥料包括包膜复合肥、硫酸钾肥和尿素。包膜复合肥（史丹利农业集团股份有限公司）N、P2O5和K2O质量分数均为19%，絮凝沉降试验前将包膜复合肥溶解于玻璃烧杯中，用玻璃棒充分搅拌，待肥料完全溶解，包膜浮于水面后，去除白色包膜材料，取复合肥透明溶液配置试验用肥液；硫酸钾肥（国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司）K2O质量分数≥52.0%，将硫酸钾肥溶解于玻璃烧杯中，经充分搅拌溶解、静置分层后，滤除溶液底层沉淀，取上清液配置试验用肥液；尿素（陕西渭河重化工有限责任公司）总氮≥46.0%，可完全溶解。

表1 自来水水质参数特征

1.2 试验装置

文丘里循环曝气装置：采用河南丰润环保科技有限公司生产的FRGW-10型文丘里循环曝气装置进行加气试验（图1），经检测微气泡直径普遍在15m左右。曝气容器为圆柱形透明塑料桶，桶底直径为0.8 m，曝气前初始液面高度为0.55 m。装置通过文丘里射流器进行曝气，加气压力为0.45～0.46 MPa，加气后形成乳白色均匀水气混合液。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 试验设计

黄河泥沙粒径小于50m颗粒达到90%以上[11]，宁夏段黄河引水渠口含沙量为0.61～1.1 g/L[12]，即使充分沉淀和过滤后，水中还会有大量的悬浮黏性颗粒。本文以宁夏引黄渠口段平均含沙量为参考，按照1～10倍设置初始含沙量，分别为1、3、5、7和10 g/L，在夏冬两季进行不同含沙量下加气对黏性泥沙絮凝沉降影响试验。夏季试验温度为（25±2）℃，冬季试验温度为（10±2） ℃。加气时长为5 min，以5种含沙量浑水的未加气处理作为对照。每组处理3次重复。

根据预试验，加气时长对不同含沙量泥沙絮凝沉降影响趋势基本一致，因此选取上述5种含沙量的中值含沙量（3 g/L）进行加气时长对黏性泥沙絮凝沉降影响试验。试验初始温度为22 ℃。加气时长设置为0、2、5、10、30、60、120、240和300 min。用温度计测定不同加气时长的水温。用DO200型便携式溶解氧测试仪（郑州达尔克电子科技有限公司，中国）测定不同加气时长的溶氧量。每组处理3次重复。

为了检测肥料对黏性颗粒絮凝沉降影响的敏感性，选择较高含沙量（10 g/L）的悬浊液进行不同肥料类型及浓度条件下加气对黏性泥沙絮凝沉降影响试验。选取3种常用肥料：硫酸钾肥、复合肥、尿素。实际灌溉过程中，根据施肥时间，换算的肥液质量分数一般介于0.2%～1.5%之间，考虑到肥液进入主管道系统后还要进一步稀释，因此，配置肥料质量分数为0、0.2%、0.5%和1.0%，此时泥沙悬浊液浊度是肥液自身浊度的30～35倍，肥液浊度可忽略不计。试验温度为（18±1）℃。加气时长为5 min，以未加气处理作为对照。每组处理3次重复。

1.3.2 试验方法

由于泥沙的絮凝与沉降在水肥气一体化灌溉灌水期与灌水间歇期均会发生[13]，无论含沙水流处于运动还是静止状态均存在泥沙竖直方向的输移，研究灌溉系统中所有影响泥沙絮凝沉降的因素难度较大，因此本文采用室内控制试验中常用的静水沉降试验，着重研究加气作用下泥沙的絮凝沉降规律。本文中静水沉降试验在量筒中进行，由于量筒透明便于观察泥沙沉降过程，且量筒体积较小，易做到初始状态泥沙颗粒的均匀配制，使试验更简洁方便，同时参考文献[14-15]中泥沙絮凝沉降试验方法，最终选用1 000 mL量筒进行泥沙的静水沉降试验。通过用量筒量取文丘里循环曝气装置中的水气混合液，加气条件下的泥沙絮凝沉降同样在量筒中进行。试验前充分搅拌泥沙悬浊液，使泥沙均匀分布。停止搅拌后，根据文献[15]在液面下2/3处取样，即本试验选择液面下22 cm处（取样液面高度为11 cm），按照设置的取样时间（分别为0、4、8、15、30、45、60、90、120 min）取20 mL悬浊液，用AQ3700型水质分析仪（Orion公司，美国）测定悬浊液浊度。试验前对水质分析仪进行率定，配置不同初始含沙量的泥沙悬浊液，测定其对应浊度，进行相关性分析，率定结果如图2所示，拟合程度较好。据此将测得的浊度换算为含沙量，进而换算为泥沙初始含沙量的百分比，即相对含沙量。试验结束后采用APA2000型激光粒度仪（Malvern公司，英国）测定沉降泥沙级配和中值粒径。沉降泥沙中值粒径为沉降泥沙级配中大于和小于某粒径泥沙质量各占沙样总质量50%的泥沙粒径。测量过程为：首先测定光强，设定信息采集时间，确定介质和泥沙的光学参数，向试样池加入泥沙样品，直到满足规定的遮光度要求，然后仪器开始测试，输出泥沙粒度分析成果，包括沉降泥沙级配和沉降泥沙中值粒径。各指标均重复测试3次取平均值。

1.4 评价指标

1.4.1 泥沙相对含沙量

泥沙相对含沙量为泥沙沉降后时刻的含沙量与0时刻初始含沙量的百分比，用于表征含沙量随沉降时间的变化情况。泥沙相对含沙量计算公式为

1.4.2 泥沙中值沉速

以中值沉速计算法[16]计算泥沙沉降速度，泥沙中值沉速计算公式为

式中50为泥沙中值沉速，mm/s；为取样深度，mm；0.5为水深处含沙量为初始含沙量50%的沉降历时平均值，s。

1.4.3 气含率

式中为气含率，%；1为曝气前液位，m；2为曝气后液位，m。

进行多次测量取平均值，经计算得到曝气后平均气含率为5.42%。

1.5 数据处理方法

采用Excel 2010软件进行前期的数据处理，采用SPSS 23.0软件多重比较方法分析不同处理下泥沙中值沉速及沉降泥沙中值粒径的显著性差异。采用Origin 2020软件作图，分析不同处理对泥沙相对含沙量等的影响。

2 结果与分析

2.1 加气时长对黏性泥沙絮凝沉降的影响

泥沙中值沉速、溶氧量、水温随加气时长的变化如图3所示。泥沙中值沉速随加气时长的增加呈迅速增大后减小再缓慢增大的趋势，整体而言加气较未加气处理提高了泥沙中值沉速。加气初期（0～5 min），溶氧量、泥沙中值沉速随加气时长的增加而增大，短时间内持续加气有利于提高微气泡数量，微气泡改变了气液两相流的局部有效黏度和密度[18]，降低了泥沙沉降过程中受到的粘滞阻力，泥沙中值沉速迅速增大。加气中后期（5～300 min），长时间通气使气泡破裂，释放热量并抬高水温，进而造成溶氧量下降[19]。溶氧量在加气5 min时即达到最大值，为8.45 mg/L。此后泥沙沉速受到微气泡数量及温度的双重影响，呈现出先减小后增大的趋势，但中后期泥沙沉速整体小于加气5 min时的泥沙沉速。加气时长为5 min时，泥沙沉速即达到峰值（0.297 mm/s）。

此外，持续加气5 h，水温提高约5 ℃，说明如果持续加气，则加气对水温提高的影响不可忽视。从水中溶氧量角度考虑，加气5 min的溶氧量最高，此时水温升高接近0 ℃，加气对水温的影响非常小，故后续试验加气时长均为5 min。

清除菌源，应及时锯除重病树和病死树，刨净病树根，除掉根蘖苗，剪除发病枝，刮除病菌的子实体，伤口涂抹石硫合剂消毒。

2.2 不同泥沙浓度下加气对黏性泥沙絮凝沉降影响

冬、夏季加气前后不同初始浓度泥沙的相对含沙量随时间变化过程如图4所示。冬、夏季加气均较未加气处理促进了含沙量的下降，即加气加剧泥沙沉降。当初始泥沙浓度为1、3、5、7和10 g/L时，沉降60 min，冬季加气较未加气处理相对含沙量分别减少2.75、7.81、11.35、13.46和16.86个百分点，夏季分别减少3.29、8.15、10.45、16.72和20.16个百分点。初始泥沙浓度越高，加气后含沙量降幅越大，即加气加剧泥沙沉降的作用越大。此外，温度升高促进了含沙量的下降。沉降60 min时，未加气条件下夏季比冬季相对含沙量减少3.72～9.15个百分点，加气条件下夏季比冬季减少5.80～9.69个百分点，升高温度促进含沙量下降的作用并未随泥沙浓度呈明显变化规律。

表2为冬、夏季加气前后不同初始浓度泥沙的中值沉速及沉降泥沙中值粒径。加气显著提高初始浓度为3～10 g/L泥沙的中值沉速，即加气显著加速浓度为3～10 g/L泥沙的沉降（<0.05）。当初始泥沙浓度为3、5、7和10 g/L时，与未加气处理相比，冬季加气处理后泥沙中值沉速分别提高48.67%、58.20%、60.10%和70.98%，夏季加气处理后分别提高33.04%、37.05%、46.69%和57.52%。加气提高泥沙沉速的作用随初始泥沙浓度的增加而增强。初始泥沙浓度越高，越有利于加气促进泥沙沉降。加气、温度及泥沙浓度对泥沙中值沉速影响方差分析见表3。加气、温度、泥沙浓度以及加气和泥沙浓度交互对泥沙中值沉速的影响均达到极显著水平（<0.01）。而加气、温度及泥沙浓度三者交互并未显著影响泥沙中值沉速，说明三者对泥沙沉降的影响可能存在复杂的拮抗作用。

表2 冬、夏季加气前后不同初始浓度泥沙的中值沉速及沉降泥沙中值粒径

注：同行不同字母表示差异显著（<0.05）。

Note: Different letters in the same row indicate significant differences (<0.05).

表3 加气、温度及泥沙浓度对泥沙中值沉速影响方差分析

注：2=0.941（调整后2=0.914），**表示<0.01。

Note:2=0.941(after the adjustment2=0.914); **,<0.01.

中值粒径反映了泥沙絮凝形成絮团大小的一般水平。加气显著增大初始浓度为3～10 g/L泥沙的絮凝沉降后粒径，即加气显著促进浓度为3～10 g/L泥沙的絮凝（<0.05）。当初始泥沙浓度为3、5、7和10 g/L时，与未加气处理相比，冬季加气处理后沉降泥沙中值粒径分别增大7.62%、11.10%、13.67%和13.95%，夏季加气处理后分别增大6.83%、9.38%、13.01%和13.24%，加气增大沉降泥沙粒径的作用随初始泥沙浓度的增加而增强，初始泥沙浓度越高，越有利于加气促进泥沙絮凝。

此外，升高温度显著提高初始浓度为3～10 g/L泥沙的中值沉速，显著增大絮凝沉降后粒径（<0.05）。未加气处理下夏季泥沙中值沉速和沉降泥沙中值粒径分别比冬季增大37.37%～51.33%和7.75%～9.68%，加气处理下夏季比冬季增大25.87%～35.43%和6.95%～7.97%。升高温度促进黏性泥沙絮凝沉降的作用随初始泥沙浓度的不同而有所差异，并未呈现一定规律。

2.3 不同肥料类型及浓度下加气对黏性泥沙絮凝沉降的影响

加气前后不同肥料类型及浓度浑水的泥沙沉降过程如图5所示。施加硫酸钾肥或复合肥质量分数越高，沉降相同时刻的含沙量降幅越大。施加尿素较未施肥处理可减缓含沙量的下降，但不同浓度尿素之间没有显著性规律，且尿素减缓含沙量下降的作用在加气条件下并不明显。此外，加气促进了不同肥料类型及浓度浑水含沙量的下降，即加气促进水肥混合液中泥沙的沉降。沉降15 min时，质量分数0.2%～1.0%的硫酸钾肥、复合肥及尿素浑水加气较未加气处理含沙量分别减少16.15～23.05、7.66～15.82和25.59～33.49个百分点，加气促进尿素浑水泥沙沉降的作用最大。

表4 加气前后不同肥料类型及浓度浑水的泥沙中值沉速及沉降泥沙中值粒径

注：同列不同字母表示差异显著（<0.05）。

Note: Different letters in the same column indicate significant differences (<0.05).

加气增大了不同类型水肥混合液的沉降泥沙中值粒径。质量分数0.2%～1.0%的硫酸钾肥、复合肥及尿素浑水加气较未加气处理沉降泥沙中值粒径分别增大2.47%～11.06%、6.00%～12.87%和13.42%～16.89%。加气促进了不同类型水肥混合液中黏性泥沙的絮凝，且促进尿素浑水泥沙絮凝的作用最大。

表5 加气、肥料类型及浓度对泥沙中值沉速影响方差分析

注：2=0.947（调整后2=0.922），**表示<0.01。

Note:2=0.947 (after the adjustment2=0.922); **,<0.01.

3 讨 论

前人研究结果表明，水中加气可减小水体密度，降低水体粘滞系数，加气后产生的微气泡具有减阻效果[20-21]。同时微气泡在水体中运动，无论破裂与否，都会对周围颗粒运动产生扰动作用[22]。本试验发现加气加速了水体中黏性泥沙的絮凝沉降（图4）。一方面比表面积大、电化学性质复杂的黏性泥沙在范德华引力、颗粒的不等速沉降及物理化学吸附作用下碰撞黏结形成絮体[23]，絮体在重力的作用及微气泡的减阻效应下克服浮力快速沉降。另一方面微气泡的存在其运动增加了水体紊动程度，提高了泥沙颗粒的碰撞频率，促进絮体形成从而加速沉降。此外，对含沙浑水使用文丘里循环曝气装置加气5 min，泥沙中值沉速即可达到最大值（图3）。本试验发现加气5 min时溶氧量最高（图3），南茜等[19]研究表明不同温度状态通气5 min时溶氧量均保持在最高，通气时间越长反而最终溶氧量越低，这与本文结论一致。由于加气5 min时溶氧量最高，此时数量较多的微气泡更有利于降低两相流黏度，降低粘滞阻力，因此提高泥沙沉速的作用也更为明显。刘春等[24]研究表明曝气减缓了污泥的沉降，这与本文试验结果存在差异，原因在于污泥中有机质含量较高，而本试验泥沙中有机质含量几乎为0。有机质的存在提高了污泥混合液黏度，从而增大了微气泡平均直径[25]，使得气体向上散逸并带动污泥絮体上浮。此外有机质含量较高时，包裹在絮团表面的有机质增强了絮团电负性，使絮团之间静电斥力增加，絮凝率降低[26]。

加气对泥沙絮凝沉降的影响程度与微气泡在液相中的数量及稳定性等因素有关。本试验发现加气促进黏性泥沙絮凝沉降的作用随泥沙浓度的增加而增强。泥沙浓度越高，加气提高泥沙沉速、增大絮凝沉降后粒径的作用越大（表2）。Kumari等[27]研究表明增加黏土浓度可抑制气体的扩散和聚并从而提高微气泡的稳定性。当微气泡的稳定性较高时，更有利于促进泥沙沉降，同时单位空间体积内黏土颗粒数量较多时，有助于其相互碰撞发展成为絮团，在微气泡的减阻作用下加速沉降。此外，本研究还发现加气促进黏性泥沙絮凝沉降的程度受温度影响较小，加气和温度交互对泥沙沉降影响未达到显著水平（表3）。这可能是因为升高温度降低了液相黏度及表面张力使曝气形成的气泡小而稳定[28]，但同时也降低了饱和溶解氧浓度使水中可溶解的微气泡数量减少，综合作用下加气对不同温度环境下的泥沙絮凝沉降影响差异较小。

黏性泥沙的絮凝沉降过程还会受到pH值、盐离子浓度等因素的影响[4]，肥料会改变pH值、电导率、盐离子种类及含量等水质参数[29]，从而可能影响泥沙的絮凝沉降。本试验发现加气促进黏性泥沙絮凝沉降的作用与浑水中施加的肥料类型及浓度有关，促进作用随肥料浓度的增加而减小。随着硫酸钾肥浓度增加，溶液中阳离子浓度增大，会中和泥沙颗粒表面负电荷，压缩双电层结构，使颗粒之间静电斥力减小，泥沙的絮凝程度增强[30]。随着复合肥浓度增加，肥料成分中含有的少量硫酸钾电解质逐渐发挥作用，同时肥液pH值逐渐减小使黏土颗粒表面电位绝对值降低，颗粒间碰撞概率增大，絮体粒径增大，沉降速度加快[31-32]。浑水中施加硫酸钾肥或复合肥质量分数越高，泥沙颗粒间越容易发生团聚，形成稳定絮团，造成加气促进泥沙颗粒间碰撞粘结的概率降低，加气促进泥沙絮凝沉降的作用减小。另一方面，加气后产生的大量微气泡使水体粘滞系数降低，而尿素浓度的增加会增大水体粘滞系数[29]，进而影响加气对泥沙絮凝沉降的作用。此外，尿素溶液呈碱性，碱性环境有利于提高微气泡稳定性[33]，因此尿素浑水加气后泥沙沉速增幅最大。

本文通过探究不同条件下加气对黏性泥沙絮凝沉降的影响得到了一些初步结论，对于明确水肥气一体化灌溉管网系统泥沙淤积规律具有重要意义。本文的不足之处在于，尚未考虑加气对不同粒径泥沙絮凝沉降的影响，在后续试验中应予以考虑并加以完善。

4 结 论

1）加气显著促进浓度为3～10 g/L黏性泥沙的絮凝沉降（<0.05），且促进作用随泥沙浓度的增加而增强。与未加气处理相比，冬、夏季加气处理后泥沙中值沉速分别提高48.67%～70.98%和33.04%～57.52%；沉降泥沙中值粒径增大7.62%～13.95%和6.83%～13.24%。

2）加气加速不同类型水肥混合液中黏性泥沙的絮凝沉降，且加速作用随肥料浓度的增加而减小。施加质量分数0.2～1.0%的不同类型肥料，加气处理后，尿素浑水泥沙中值沉速增幅最大，为91.19%～170.21%，硫酸钾浑水泥沙中值沉速最大，为0.399～0.450 mm/s，复合肥浑水泥沙中值沉速最小，为0.288～0.330 mm/s。

3）加气、肥料类型、肥料浓度分别单独或交互均极显著影响泥沙沉降（<0.01）。加气、肥料类型、肥料浓度三者对泥沙沉降的影响存在复杂的交互作用。

4）水肥气一体化滴灌值得推荐，但建议适当增加沉降泥沙的冲洗措施，优先选用适宜浓度的复合肥，以减缓灌溉管网系统的泥沙淤积。

[1] 王振华，陈潇洁，吕德生，等. 水肥耦合对加气滴灌加工番茄产量及品质的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(19)：66-75.

Wang Zhenhua, Chen Xiaojie, Lyu Desheng, et al. Effects of water and fertilizer coupling on the yield and quality of processing tomato under aerated drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 66-75. (in Chinese with English abstract)

[2] 侯鹏，肖洋，吴乃阳，等. 黄河水滴灌系统灌水器结构-泥沙淤积-堵塞行为的相关关系研究[J]. 水利学报，2020，51(11)：1372-1382.

Hou Peng, Xiao Yang, Wu Naiyang, et al. Cascade relationship between the emitter structure-sedimentation- clogging behavior in drip irrigation systems with Yellow River water[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(11): 1372-1382. (in Chinese with English abstract)

[3] 刘俊秀，吉祖稳，王党伟. 黏性细颗粒泥沙絮凝试验研究综述[J]. 泥沙研究，2019，44(2)：63-68.

Liu Junxiu, Ji Zuwen, Wang Dangwei. Review on the flocculation test of cohesive sediment[J]. Journal of Sediment Research, 2019, 44(2): 63-68. (in Chinese with English abstract)

[4] 郭超，何青. 黏性泥沙絮凝研究综述与展望[J]. 泥沙研究，2021，46(2)：66-73.

Guo Chao, He Qing. Review of the research on cohesive sediment flocculation[J]. Journal of Sediment Research, 2021, 46(2): 66-73. (in Chinese with English abstract)

[5] 李云开，周博，杨培岭. 滴灌系统灌水器堵塞机理与控制方法研究进展[J]. 水利学报，2018，49(1)：103-114.

Li Yunkai, Zhou Bo, Yang Peiling. Research advances in drip irrigation emitter clogging mechanism and controlling methods[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(1): 103-114. (in Chinese with English abstract)

[6] 吴浩，吴卫国，陈克强. 船舶气泡减阻研究进展[J]. 中国造船，2019，60(1)：212-227.

Wu Hao, Wu Weiguo, Chen Keqiang. Review of research on air bubble drag reduction on ships[J]. Shipbuilding of China, 2019, 60(1): 212-227. (in Chinese with English abstract)

[7] 李旺，祖波，李嘉雯. 电解质对三峡库区泥沙Zeta电位及絮凝特性影响[J]. 科学技术与工程，2021，21(12)：5071-5075.

Li Wang, Zu Bo, Li Jiawen. Influence of electrolyte on Zeta potential and flocculation characteristics of sediment in the Three Gorges Reservoir area[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(12): 5071-5075. (in Chinese with English abstract)

[8] 张宇卓，张根广. 黏性泥沙絮团形态的模拟研究[J]. 泥沙研究，2021，46(3)：16-19，42.

Zhang Yuzhuo, Zhang Genguang. Simulation study on flocculation morphology of cohesive sediment[J]. Journal of Sediment Research, 2021, 46(3): 16-19, 42. (in Chinese with English abstract)

[9] Wan Y Y, Wu H L, Roelvink D, et al. Experimental study on fall velocity of fine sediment in the Yangtze Estuary, China[J]. Ocean Engineering, 2015, 103: 180-187.

[10] 王超，孙春宝，寇珏. 浮选过程中颗粒-气泡黏附作用机理及研究进展[J]. 工程科学学报，2018，40(12)：1423-1433.

Wang Chao, Sun Chunbao, Kou Jue. Mechanism and research progress of the bubble-particle attachment in flotation[J]. Chinese Journal of Engineering, 2018, 40(12): 1423-1433. (in Chinese with English abstract)

[11] 王伟楠，徐飞鹏，周博，等. 引黄滴灌水源中泥沙表面附生生物膜的分形特征[J]. 排灌机械工程学报，2014，32(10)：914-920.

Wang Weinan, Xu Feipeng, Zhou Bo, et al. Structural and fractal characteristics of biofilm attached on surfaces of sediments in Yellow River for drip irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(10): 914-920. (in Chinese with English abstract)

[12] 张文倩，牛文全，李学凯，等. 减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定[J]. 农业工程学报，2019，35(7)：70-77.

Zhang Wenqian, Niu Wenquan, Li Xuekai, et al. Determination of first lateral flushing time and period to mitigate risk of emitter clogging in drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(7): 70-77. (in Chinese with English abstract)

[13] 牛文全，刘璐. 浑水特性与水温对滴头抗堵塞性能的影响[J]. 农业机械学报，2012，43(3)：39-45.

Niu Wenquan, Liu Lu. Influences of sediment concentration and water temperature of muddy water on emitter clogging[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2012, 43(3): 39-45. (in Chinese with English abstract)

[14] 陈永平，罗雯，许春阳，等. 高浓度黏性泥沙絮团微观结构及其对沉降特性的影响[J]. 泥沙研究，2020，45(6)：8-14.

Chen Yongping, Luo Wen, Xu Chunyang, et al. Microstructure of cohesive sediment flocs with high concentration and its influence on the deposition characteristics[J]. Journal of Sediment Research, 2020, 45(6): 8-14. (in Chinese with English abstract)

[15] 李学凯，牛文全，张文倩，等. 硫酸钾肥对静止黄河水泥沙絮凝沉降的影响[J]. 水土保持学报，2019，33(4)：140-146，227.

Li Xuekai, Niu Wenquan, Zhang Wenqian, et al. Effect of potassium sulfate fertilizer on flocculation and sedimentation of static Yellow River Water[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(4): 140-146, 227. (in Chinese with English abstract)

[16] 陈曦. 长江口细颗粒泥沙静水沉降试验研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2013.

Chen Xi. Experimental Study on Deposition in Static Water of Fine Sediment of Yangtze River Estuary[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2013. (in Chinese with English abstract)

[17] 韩继康，王伟之，张伟，等. 浮选设备流体力学特征参数研究现状[J]. 过程工程学报，2020，20(10)：1121-1133.

Han Jikang, Wang Weizhi, Zhang Wei, et al. Research status of hydrodynamic characteristic parameters of flotation equipment[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2020, 20(10): 1121-1133. (in Chinese with English abstract)

[18] 莫梦婷，赵文杰，陈子飞，等. 海洋减阻技术的研究现状[J]. 摩擦学学报，2015，35(4)：505-515.

Mo Mengting, Zhao Wenjie, Chen Zifei, et al. Research status of marine drag reduction technologies[J]. Tribology, 2015, 35(4): 505-515. (in Chinese with English abstract)

[19] 南茜，黄修桥，韩启彪，等. 两种典型微灌加气装置溶解氧效果试验研究[J]. 灌溉排水学报，2018，37(4)：59-64.

Nan Xi, Huang Xiuqiao, Han Qibiao, et al. Experimental study on oxygen dissolution in two micro-devices for aerated irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(4): 59-64. (in Chinese with English abstract)

[20] 王二平，田军林，朱瑞平. 低弗氏掺气水流的阻力效应研究[J]. 华北水利水电大学学报：自然科学版，2014，35(1)：11-16.

Wang Erping, Tian Junlin, Zhu Ruiping. Research of the resistance effect of low freund aerated flow[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power: Natural Science Edition, 2014, 35(1): 11-16. (in Chinese with English abstract)

[21] 赵晓杰，宗智，姜宜辰. 基于OpenFOAM的平板微气泡减阻数值分析[J]. 船舶力学，2020，24(8)：989-996.

Zhao Xiaojie, Zong Zhi, Jiang Yichen. Numerical analysis of micro-bubble drag reduction of plates using OpenFOAM[J]. Journal of Ship Mechanics, 2020, 24(8): 989-996. (in Chinese with English abstract)

[22] 黄豆豆，计时鸣，陈国达，等. 气液固三相湍流环境中气泡破裂对SiC颗粒的影响研究[J]. 机电工程，2017，34(9)：965-970.

Huang Doudou, Ji Shiming, Chen Guoda, et al. Effect of bubble burst on SiC particles in gas-liquid-solid three-phase turbulent environment[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2017, 34(9): 965-970. (in Chinese with English abstract)

[23] 郭超. 粘性泥沙絮凝沉降过程与控制机制研究[D]. 上海：华东师范大学，2018.

Guo Chao. Cohesive Sediment Flocculation and Settling Processes and the Controlling Mechanisms[D]. Shanghai: East China Normal University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[24] 刘春，马锦，张磊，等. 微气泡及其产生方式对活性污泥混合液性质的影响[J]. 环境科学，2013，34(1)：198-203.

Liu Chun, Ma Jin, Zhang Lei, et al. Influence of microbubble and its generation process on mixed liquor properties of activated sludge[J]. Environmental Science, 2013, 34(1): 198-203. (in Chinese with English abstract)

[25] Kukizaki M, Goto M. Spontaneous formation behavior of uniform-sized microbubbles from shirasu porous glass (SPG) membranes in the absence of water-phase flow[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2007, 296(1-3): 174-181.

[26] Chai Z H, Yang G L, Chen M. Treating urban dredged silt with ethanol improves settling and solidification properties[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2013, 30(1): 105-110.

[27] Kumari R, Subrata K M. Studies on stability and properties of micro and nano-particle-laden ionic microbubbles[J]. Powder Technology, 2018, 335: 77-90.

[28] Arani M A, Hatamipour M S, Rahimi A. Experimental determination of gas holdup and volumetric mass transfer coefficient in a jet bubbling reactor[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2021, 34(6): 61-67.

[29] 刘璐，牛文全，武志广，等. 施肥滴灌加速滴头堵塞风险与诱发机制研究[J]. 农业机械学报，2017，48(1)：228-236.

Liu Lu, Niu Wenquan, Wu Zhiguang, et al. Risk and inducing mechanism of acceleration emitter clogging with fertigation through drip irrigation systems[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 228-236. (in Chinese with English abstract)

[30] 柴朝晖，李昊洁，王茜，等. 黏性泥沙絮凝研究进展[J]. 长江科学院院报，2016，33(2)：1-9，18.

Chai Zhaohui, Li Haojie, Wang Xi, et al. Advances in research of cohesive sediment flocculation[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2016, 33(2): 1-9, 18. (in Chinese with English abstract)

[31] 黄磊，方红卫，陈明洪，等. 粘性细颗粒泥沙的表面电荷特性研究进展[J]. 清华大学学报：自然科学版，2012，52(6)：747-752.

Huang Lei, Fang Hongwei, Chen Minghong, et al. Review of surface charge characteristics of fine sediments[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2012, 52(6): 747-752. (in Chinese with English abstract)

[32] Mietta F, Chassagne C, Manning A J, et al. Influence of shear rate, organic matter content, pH and salinity on mud flocculation[J]. Ocean Dynamics, 2009, 59: 751-763.

[33] 李永健. 体相微纳米气泡的生成及特性表征研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2020.

Li Yongjian. Formation and Characterization of Bulk Micro-Nanobubbles[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2020. (in Chinese with English abstract)

Effects of aeration on the flocculation and sedimentation of cohesive sediment in irrigation water

Lyu Chang1,2, Zhang Erxin1,2, Zhang Wenqian1,2, Zhao Xue1,2, Wang Yanbang1,2, Niu Wenquan1,3※

(1.7121002.7121003.712100)

An integrated irrigation of water, fertilizer, and gas has been one of the most effective ways to alleviate the shortage of water resources in the reaches of the Yellow River. However, high content of cohesive sediment in the Yellow River has posed a great challenge on the water quality, as well as the flocculation and sedimentation of sediment resulting from the fertilizer solution and bubbles. This study aims to explore the influence of aeration on the flocculation and settlement of cohesive sediment during irrigation. A typical clay mineral of kaolin in the Yellow River was selected as the experimental sediment, and tap water was used as the experimental water. A water quality test proved that there was a fewer content of iron and other cations easy to form sediment flocculation. A Venturi circulation aeration device was used to fabricate the milky uniform mixture of water and air. The diameter of bubbles produced by the device was generally 15m, and the average gas holdup was 5.42%. The experiments were then carried out under various sediment concentrations (1, 3, 5, 7, and 10 g/L), the different types of fertilizers (potassium sulfate fertilizer, compound fertilizer, and urea), and the mass fraction of fertilizer (0, 0.2%, 0.5%, and 1.0%). Some parameters were measured, including the relative concentration of sediment, the median settling velocity of sediment, and the average particle size of the settling sediment before and after aeration. The results showed that the 5-minute aeration in the Venturi circulation device significantly promoted the flocculation and sedimentation of cohesive sediment with a concentration of 3-10 g/L (<0.05). After the aeration, the median settling velocity of sediment increased by 48.67%-70.98% in winter, and 33.04%-57.52% in summer, while, the average particle size of settling sediment increased by 7.62%-13.95% in winter, and 6.83%-13.24% in summer, where the differences were significant (<0.05). There was an enhanced effect of the aeration on the sediment flocculation and settlement, with the increase of initial sediment concentration. Subsequently, the promotion effect decreased with the increase of fertilizer concentration, closely relating to the type and concentration of fertilizer applied in muddy water. When the potassium sulfate fertilizer, compound fertilizer, and urea muddy water with the fertilizer mass fraction of 0.2%-1.0% were aerated, the median settling velocity of sediment increased by 20.00%-32.12%, 18.71%-130.40%, and 91.19%-170.21%, respectively, while the average particle size of settling sediment increased by 2.47%-11.06%, 6.00%-12.87%, and 13.42%-16.89%, respectively. The aeration was greatly contributed to promoting the sediment flocculation and settlement in the muddy water containing urea. The variance analysis indicated that the aeration, fertilizer concentration, fertilizer type, and the interaction presented significant effects on the median settling velocity of sediment (<0.01). There was also an outstanding interaction among the aeration, fertilizer type, and fertilizer concentration on the sediment deposition. Prior to the aeration, there was the largest value in the median settling velocity of the sediment in the potassium sulfate fertilizer muddy water, whereas, the smallest in the compound fertilizer and urea muddy water. After aeration, there was the largest value of 0.399-0.450 mm/s in the median settling velocity of the sediment in the potassium sulfate fertilizer muddy water, whereas, the smallest of 0.288-0.330 mm/s in the compound fertilizer muddy water. Consequently, the compound fertilizer with the appropriate concentration can be expected to be preferentially selected in the integrated irrigation of water, fertilizer, and gas, further slowing down the sediment deposition in the irrigation pipe network system. The findings are of great significance to clarify the sediment deposition of the water, fertilizer, and gas integrated irrigation system. A sound theoretical basis can be also offered to take reasonable measures for the sediment deposition in the pipe networks during irrigation.

irrigation; sediment; fertilizer; aeration; cohesive sediment; flocculation sedimentation

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.008

S275.6

A

1002-6819(2021)-22-0066-09

吕畅，张二信，张文倩，等. 加气对灌溉水黏性泥沙絮凝沉降的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(22)：66-74.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.008 http://www.tcsae.org

Lyu Chang, Zhang Erxin, Zhang Wenqian, et al. Effects of aeration on the flocculation and sedimentation of cohesive sediment in irrigation water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 66-74. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.008 http://www.tcsae.org

2021-09-01

2021-11-12

国家自然科学基金资助项目（52079112，51679205）

吕畅，研究方向为节水灌溉新技术。Email：LV102192@163.com

牛文全，博士，研究员，博士生导师，研究方向为水土资源高效利用与节水灌溉技术。Email：nwq@vip.sina.com

中国农业工程学会会员：牛文全（E041200504S）