冲洗压力及周期对滴灌灌水器堵塞性能的影响

2021-06-02余兴娇解开婷张桂林

农业装备与车辆工程 2021年5期

余兴娇，解开婷，张桂林

（650500云南省昆明市昆明理工大学农业与食品学院）

0 引言

水资源短缺是世界各国面临的重大难题，而浑水滴灌是缓解这一问题的有效途径[1-2]。在甘肃、内蒙古等黄河灌区，由于水源中含沙量高达35 kg/m3，即使采用修建沉砂池和多级过滤，仍然有部分细小颗粒泥沙随水流进入滴管系统，在流道内沉积、固结导致灌水器堵塞[3-6]。为减轻滴头的堵塞，很多学者研究了滴灌灌水器迷宫流道主航道的设计[7]、泥沙的粒径和含量[8-9]、泥沙级配[10]以及浑水表面特征和微生物增长状况[11]等对滴头堵塞的影响，试图揭示滴头堵塞的诱发机制，探寻减缓滴头堵塞的途径。研究认为，毛管冲洗是滴灌系统维护的有效措施，它可移除过滤系统未能滤除而进入毛管中的泥沙。张文倩[12]等人研究发现，冲洗周期对滴头流量有显著影响，认为毛管冲洗可以减少毛管内泥沙淤积，恢复滴头入口截面积，使滴头流量保持在一个较高的水平，定期冲洗毛管能有效降低浑水滴灌中滴头堵塞风险，且其适宜的冲洗周期为5 d；Puigbargués[13]等对地下滴灌系统中的研究结果表明，冲洗压力及周期对滴头流量并无显著影响；Yu[14]等人研究发现，提高冲洗压力能显著提高滴头抗堵塞性能，而冲洗周期和冲洗时间无明显影响。目前，在标准压力下冲洗，对灌水器抗堵塞性能的影响没有统一的定论，冲洗压力和冲洗周期对灌水器抗堵塞性能影响的相关研究不多见，因此本研究的目的是在全试验的基础上，分析滴灌系统中3种冲洗压力和3种冲洗频率对灌水器堵塞的影响；此外，还研究了滴灌系统和滴头残余泥沙的粒径分布，以确定适宜的冲洗方案，延长滴灌系统灌水器的使用寿命。

2 材料与方法

2.1 试验材料与装置

本试验采用广泛应用于甘肃、宁夏等地区的甘肃酒泉市大禹水利有限公司生产的内镶片式迷宫流道滴灌带，在工作压力为0.1 MPa时，额定流量为1.48 L/h；管道外径16 mm，壁厚0.3 mm，滴头迷宫流道齿高0.88 mm，齿宽为1.25 mm，流道宽度为1.01 mm，流道深度为0.6 mm，流态指数0.51，流量系数1.02。试验所用泥沙为云南省昆明市天然砂质红壤土，自然风干研磨后，参考滴灌通常采用120目网式过滤器。因此，该试验所用沙粒过120目筛网，其网眼直径为0.125 mm[3,15]。本试验用于配置浑水及冲洗毛管的水都采用自来水。参照实际灌溉用水的最大含沙量0.8 g/L，为缩短试验周期加快堵塞，人工配制质量浓度为3.0 g/L的浑水。

2.2 试验装置

试验测试平台如图1所示。采用高1.0 m、底径0.5 m的2个水箱分别储存浑水和清水。水箱中各放置一台潜水泵（额定扬程42 m，额定流量1.8 m3/h，功率1.8 kW）提供工作压力。

图1 试验装置Fig.1 Test setup

浑水箱内与水泵相连的管道设一个压力调节阀和压力表Ⅰ，与清水箱内潜水泵相连的管道设有3根并联管，并联管上均装有调节阀和压力表Ⅱ，用于控制不同冲洗压力，压力计量程为0.16 MPa，精密度为0.25%。试验平台（长5.0 m,宽1.5 m,高0.7m）用于支撑毛管和量杯，在试验平台上设置10条毛管，每条毛管的前后端安装了控制阀，每条毛管上布置8个滴头，侧间距为25 cm，滴头间距为30 cm。

2.3 试验过程

试验在室内进行，以避免温度变化对滴头流量和防堵塞性能的影响。由于试验室面积的限制，试验分3次进行，每天进行一轮试验。首次试验于2020年1月8日～2月1日，重复试验2月5日～3月3和3月8日～4月6日的9:00～15:00进行。试验分为2部分：第1部分浑水试验。灌水工作压力为0.1 MPa，灌水持续时间25 min。灌水期间人工搅拌浑水，同时，打开回水管控制阀，90%的流量在高压下返回水箱，通过搅拌和回水的喷射作用使水和砂均匀混合，整个过程中，将1 000 mL的量杯置于每个滴头下方，收集排出的浑水，用数字天平测量浑水质量，数字天平的分精度为0.01 g,利用称重法测其流量，每天的水样均重新配制；第2部分清水试验。冲洗压力和周期每种因素设置3水平。冲洗处理的详细特性包括冲洗压力、冲洗周期（见表1）。在单次实验中，只有一条毛管被冲洗，其余毛管的控制阀均关闭，每次冲洗时间为5 min，依次对毛管进行冲洗。试验结束时，将毛管取下放在通风处晾干后，按照长度为20 cm剪截，统计不同毛管位置的泥沙淤积量，并分析每个粒径段所占比例。每组试验完成后，更换新的滴灌带，将试验系统的管道、水箱冲洗3次,排出干管、支管内淤积的泥沙接着进行后续试验。

表1 毛管冲洗特性表Tab.1 Flushing pressure and flushing frequency treatment

堵塞性能评价指标：平均相对流量。

灌水器浑水流量与相同进口压力下的清水流量的比值称为相对流量，记作qr(%)。qr越小，说明灌水器的抗堵性能越差，当qr＜75%，则认为灌水器发生堵塞[16]。

相对流量计算公式如下：

式中：qr——灌水器浑水流量，L/h；i——浑水试验次数，共20次；q0——相同进口压力下灌水器清水流量，L/h。

2.4 数据处理方法

所有数据采用Windows版SPSS22.0进行统计分析，采用主效应方差分析评估不同因素对不同响应变量差异的显著性，采用MATLAB R2016a软件作图，分析不同冲洗压力及周期对滴头平均流量的影响。

3 结果与分析

3.1 冲洗压力及周期对滴头流量的影响

图2为浑水滴灌不同冲洗周期和冲洗频率下滴头流量随时间的变化趋势，其中，水平直线代表初始流量的75%。在整个试验期间随着灌水次数的增加，滴头平均流量有不同程度的下降，这意味着滴头产生了不同程度的堵塞。D10（灌溉后无任何冲洗措施）首先达到初始流量的75%。

图2 滴头平均流量随灌水天数的变化Fig.2 Average change in emitter discharge versus irrigating events

在整个灌溉事件中，D10只提供了8.9个灌溉事件，然后完全堵塞，且在实验结束时，其平均流量最小，其它9个灌水处理组平均正常灌水事件为14.49 d，表明灌水前的冲洗处理可以提高灌水器的防堵塞性能，延长灌水器使用时间；D7提供最多的正常灌溉次数（18.7 d）。与D10相比，使用寿命提高了52.41%；D2和D8的冲洗频率均为1次/d，冲洗压力分别为0.003 MPa、0.120 MPa；D7比D1提高13.87%，因此，提高冲洗压力对滴头抗堵塞性能作用明显；冲洗压力相同，冲洗频率分别为1次/d、4次/d和7次/d的D7、D8和D9与未冲洗对照使用时间分别提高了52.41%，48.56%，16.82%；随着冲洗频率增加，滴头有效灌水次数逐渐增加，但是冲洗周期为1次/d和4次/d的滴头使用时间相差不大。为节约系统运行成本，推荐冲洗周期为4 d/次，但是冲洗周期不宜超过7 d，进入了冲洗无效期，冲洗对滴头流量的回升作用较小。

3.2 冲洗压力及周期对滴头使用寿命的方差分析

根据方差分析表2，冲洗压力对灌溉次数有非常显著影响（F ＞F 0.01（2，9）），而冲洗频率对灌溉次数有显著影响（F0.05（2，9）＜F＜F 0.01（2.9）），它们的交互作用不显著。冲洗压力和冲洗频率之间的相互作用具有统计学意义，这说明加强冲洗压力和冲洗频率也可以起到冲洗的作用。如图3（a）所示，随着冲洗压力的增加，灌水器的使用寿命增加，在P0.003，P0.006，P0.012条件下，与非冲洗条件相比，其平均使用寿命分别提高了37.62%，43.86%，51.06%，随着压力的增加，灌水器的使用寿命提高，且提高的幅度较大，因此P0.012是最佳冲洗压力；如图3（b）所示，在冲洗周期为未冲洗，1，4和7次/d时，灌水器使用时间比未冲洗提高52.41%，48.56%，18.82%，这意味着冲洗周期为1和4次/d对灌水器使用寿命提高较小。考虑到节省人力、物力，推荐4 d冲洗一次。

表2 冲洗流速、冲洗频率对滴头使用寿命影响的方差分析Tab.2 Variance analysis of effects of flushing pressure and flushing frequency on service life of emitters

图3 各水平下不同冲洗压力、冲洗频率的滴头平均使用寿命Fig.3 Average service life of emitters at different flushing pressures (a) and frequencies (b)

3.3 滴灌带和滴头内泥沙淤积量的分析

试验结束后，取下所有的滴灌带放在通风处晾干，裁剪得出泥沙在管道内的淤积量。由图4可知，从毛管入水口到尾端，泥沙淤积量均呈先增大后减小的趋势，最差冲洗组合的滴灌带内各段泥沙含量均小于未做冲洗组，可知冲洗能够有效移除管道内淤积的泥沙；最佳冲洗组泥沙淤积量最多段为8.09 g，比未冲洗组最高段12.83 g减少36.94%；未冲洗处理组泥沙淤积部位主要集中在毛管的前中段，而冲洗组泥沙主要淤积在中后段，因此，冲洗毛管可以使毛管内泥沙颗粒在水流的推动下逐渐向毛管尾段推移而使泥沙淤积在毛管的末端。