加气对不同流道结构滴头堵塞的影响

2021-12-06张二信杨建飞

节水灌溉 2021年11期

郭庆，张二信，杨建飞

（1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；3.周至县农业农村局，西安710400）

0 引言

合理利用黄河水灌溉是缓解农业用水短缺的有效途径之一。然而，目前引黄灌区面临着水肥利用率低、过度施肥造成的土壤质量与作物品质低下等诸多挑战[1]。加气灌溉具有提高水肥利用率、土壤质量、作物品质和产量等优点[2-5]，有助于解决引黄灌区所面临的问题。加气灌溉在蔬菜、大田作物和果树种植上具有广阔的应用前景，已被广泛关注和研究。地下滴灌是实现加气灌溉最有效的灌水方式，但滴头作为滴灌系统的核心部件，易被水中杂质堵塞，从而降低了滴灌系统使用寿命[6]。因此，探明固体悬浮物质、微生物及化学离子等在流道滞留、累积造成滴头堵塞的机理，探寻合理的抗堵塞技术一直是该领域的研究重点[7]。

滴头堵塞一般包括物理、化学和生物堵塞，而泥沙颗粒在流道内发生絮凝沉降造成的物理堵塞最为常见[8]。滴头流道结构和尺寸大小是影响滴头堵塞的重要因素[9]。如，杨彬等[10]研究发现圆角梯形滴头抗堵塞性优于直角梯形。刘燕芳等[11]发现截面尺寸较大的片式滴头不易发生堵塞。冯吉等[12]发现滴头齿尖附近颗粒物跟随性越好，其抗堵塞性越强。王文娥等[13]认为改变流道结构能够改善流场分布，有助于提高滴头的抗堵塞能力。除滴头流道结构外，水质也是影响滴头堵塞的重要因素，如泥沙粒径、机械组成和含沙量等不同可能会改变水流对悬浮颗粒的拖拽力，进而改变悬浮颗粒的跟随性及水流对其的运输能力，最终影响滴头的抗堵塞能力[14]。此外，还有研究表明，水中加气会改变水的密度、黏滞系数及水流流动特性，进而会影响滴头的堵塞过程。刘安等[15]研究发现，加气产生的微纳米气泡具有较强的毛细作用力，能够强化疏水矿物颗粒的上浮过程。赵玉龙等[16]研究表明，加气改变了微矿物颗粒之间的碰撞概率与黏附作用从而影响着水流对颗粒的输移。Wang 等[17]发现加气改变了垂直于壁面的流速梯度，降低了流体对壁面的冲击从而减小了水流受到壁面的摩擦阻力。

目前，加气灌溉的研究主要集中在对土壤理化性质影响研究上，而对加气灌溉条件下不同流道结构滴头堵塞的研究较少，且其影响机理尚不明确。因此，本文选取了4种不同流道结构的滴头，通过短周期堵塞试验，分析加气条件下不同流道结构滴头的堵塞过程及主要影响因素，为加气滴灌系统滴头的抗堵塞管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 滴头

依据刘露等[18]人的研究，内镶贴片式滴头更适用于黄河水灌溉，因此本试验选用抗堵塞性能较好的内镶贴片式滴头作为研究对象，其特征参数如表1所示。由于黄河中易造成滴头堵塞的黏性泥沙颗粒（粒径小于0.05 mm）占比达80%之多[19]，为此本研究选用最大粒径为0.05 mm 的高岭土作为试验用沙来配置浑水。

表1 试验用滴头特征参数Tab.1 Characteristic parameters of test dripper

1.2 试验装置

试验装置由加气装置和抗堵塞测试平台组成，如图1所示。加气装置为水肥气耦合设备（型号FRGW-10，河南丰润环保科技有限公司生产，加气产生的微气泡最大粒径为15µm）。加气装置的最优加气压力为0.45～0.46 MPa，最优加气时长5 min。加气后水呈乳白色，其溶氧量为8.36～8.45 mg/L（DO200 型溶氧仪测定）。抗堵塞测试平台由操作台（长6 m，高0.6 m，宽0.5 m）、蓄水桶（直径0.6 m，高0.6 m）、搅拌机（功率0.75 kW）、水泵（功率0.75 kW，扬程60 m）、吸水管、回水管、阀门、回水槽、压力表（量程0.2 MPa，精度20%）及铺设的毛管（长度6 m）组成。

1.3 试验方案和方法

本研究将4种滴头的滴灌带分别在2种灌水处理（加气/未加气）下进行试验，试验时间为2020年5-7月，配置含沙量为0.5 g/L 的浑水，进行短周期间歇性灌水试验。工作压力为0.1 MPa，灌水持续时长3 h，间歇时长0.5 h。每次灌水结束前10 min，测定各滴头流量，每组重复3 次，取平均值，每个处理累计灌水10 次。灌水结束后，将滴灌带静置一夜后取下放置通风处晾干，解剖并收集毛管淤积物和滴头堵塞物，清洗测试平台，更换新的毛管进行后续试验。

1.4 测定指标与方法

本文采用平均相对流量和克里斯琴森均匀度系数来评价滴头整体的堵塞程度，其计算公式[20,21]如下：

平均相对流量Dra：

克里斯琴森均匀度系数Cu：

堵塞率η：

式中：q0为滴头初始流量（即清水流量），L/h；qi为第i个滴头的流量，L/h；n为滴头总数，个；为滴灌带滴头平均流量，L/h；nc为发生堵塞的滴头个数。

当平均相对流量Dra<75%，灌水均匀系数Cu<85%时，认为滴头发生了堵塞[22]。

2 结果与分析

2.1 加气对滴头堵塞动态变化的影响

滴头平均相对流量及灌水均匀度随灌水次数的变化过程如图2所示。随着灌水次数的增加，加气处理滴头E4 的相对流量和灌水均匀度下降速率小于未加气处理，滴头E1～E3 则相反。试验结束时，加气处理滴头E4 的相对流量和均匀度较未加气处理高30.91% 和10.85%，滴头E1～E3 则分别低20.83%～26.11%和10.27%～43.27%。

在灌水初期，各处理的滴头相对流量和均匀度保持在较高的水平，加气与未加气处理之间无明显的差异，加气对该阶段滴头流量的影响较小。当灌水5 次后，加气处理的滴头E1 和E3 发生明显堵塞，流量小于初始流量的75%，而未加气处理的流量大于75%。灌水10 次后，加气处理的各滴头均发生了严重堵塞，未加气处理的滴头E1、E3和E4也发生严重堵塞，而滴头E2 未发生堵塞。灌水结束时，滴头E1、E2、E3和E4 加气处理的相对流量较未加气处理低26.11%、22.97%、20.83%和-30.91%，均匀度分别低10.27%、43.23%、32.64%和-10.85%。

各处理滴头相对流量方差分析（表2）结果表明，加气处理和流道结构对滴头堵塞具有极显著的影响，且二者交互作用也显著影响滴头堵塞（P<0.01）。

表2 试验结果方差分析Tab.2 Analysis of variance of test results

对滴头堵塞率变化情况进行了统计，结果如表3所示。可以看出，加气加快了滴头E1～E3 堵塞速率，减缓了滴头E4 堵塞速率。滴头E1～E3加气处理的堵塞率比未加气处理高5.5%～33.4%，滴头E4则低44.5%。

表3 不同灌水次数时的滴头堵塞率%Tab.3 Emitter clogging ratio at different irrigation time

灌水4 次后，滴头E3、E4 最先发生堵塞，堵塞率分别为5.6%和11.1%，加气和未加气处理之间无明显差异，表明加气对灌水初期滴头堵塞的影响较小。灌水8次后，所有处理的滴头发生了不同程度的堵塞，其中滴头E3和E4加气处理与未加气处理间的差异性最大，加气处理的堵塞率比未加气处理分别高22.2%和-22.2%，而滴头E1和E2加气与未加气间的差异性较小。这说明此时加气对滴头E3、E4影响大于滴头E1和E2。灌水结束时，滴头E1、E2 和E3 加气处理的堵塞率比未加气处理分别高33.4%、5.5%、27.8%，滴头E4则低44.5%。

2.2 加气对不同结构滴头相对流量与灌水均匀度关系的影响

滴头相对流量和灌水均匀度的拟合结果如图3所示。滴头的灌水均匀度和相对流量具有协同变化趋势，随着灌水次数的增加，灌水均匀度和相对流量基本同步减小。从相对流量和均匀度的拟合斜率可以看出，滴头E1和E4在加气和未加气条件下的斜率均小于1，滴头均匀度下降的速率小于相对流量的下降速率。说明这两种滴头堵塞进程较均匀，滴头E1 加气条件下的斜率为0.685，明显小于未加气条件下的0.995，而滴头E4则相反，滴头E3在加气条件下和未加气条件下的斜率均大于1，且差异性较小，说明该滴头较易出现突发性堵塞现象，滴头E2加气条件下的斜率为1.264，明显大于未加气条件下的0.278。由此可发现加气对滴头的堵塞过程影响很大，而对滴头堵塞的影响结果与流道结构密切相关。

2.3 加气对滴头及毛管淤积物质量的影响

不同处理毛管淤积物及滴头堵塞物统计结果如图4所示。加气处理滴头堵塞物和毛管淤积物与未加气处理差异性显著(P<0.05)。加气处理滴头E1～E3 流道和毛管淤积泥沙质量大于未加气处理。未加气处理滴头流道淤积物和毛管淤积物质量分别为18.34～36.29 mg/mm2和5.64～10.17 g，加气处理的则为33.89～41.78 mg/mm2和9.85～14.53 g，较未加气处理分别增加10.94%～88.71%和36%～74.65%。加气处理滴头E4 毛管淤积泥沙质量大于未加气处理，流道淤积物则相反。未加气处理滴头E4 流道内淤积物和毛管淤积物质量分别为42.29 mg/mm2和8.04 g，加气处理的则为16.13 mg/mm2和11.42 g，较未加气处理分别降低162.2%和-42.04%。

2.4 影响加气灌溉滴头堵塞的主要因素

滴头特征参数与滴头平均相对流量的相关性分析结果如表4所示。未加气处理滴头流道类型、流道长和入口栅栏面积对滴头堵塞的影响达到显著水平（P<0.05），滴头流量不显著。加气处理滴头流量、流道长、入口栅栏面积和滴头类型对滴头堵塞影响均达到了显著水平。加气处理入口栅栏面积的相关性系数大于未加气处理，滴头入口栅栏面积顺序为E4>E2>E3>E1（表1），未加气处理滴头堵塞程度顺序为E2>E3>E1>E4，加气处理滴头堵塞程度顺序则为E4≈E2>E3≈E1（图2）。说明入口栅栏面积对未加气处理滴头堵塞的影响较小，而对加气处理滴头堵塞的影响较大，滴头栅栏面积越大，加气处理滴头越不易发生堵塞。

表4 特征参数与平均相对流量相关性分析Tab.4 Correlation Analysis of characteristic parameters and average relative flow

3 讨论

前人研究发现，加气能够改变水流的湍流特性，增大水流流速，有助于提升泥沙启动强度、减缓泥沙沉积[23-25]。本研究发现加气加速了泥沙在毛管内的沉积，增加了毛管沉积泥沙质量，加剧了E1～E3 滴头堵塞（图2 和图4），这与前人研究结果存在差异，这可能泥沙特性不同导致的。周雅慧等[26]研究发现，加气产生的微气泡对粒径为500µm 的微颗粒具有夹带作用，能够降低该颗粒在水流中发生沉降的风险。本研究使用最大粒径为50µm 的黏粒，因其黏结力较强[27]，随水流易黏附于流道和毛管内壁，因而表现为加气增大了泥沙在毛管内的沉积。李成祥等[28]研究发现，微气泡对泥沙颗粒的作用受其表面活性物质的影响，活性物质特性决定了微气泡流动速度及对固体颗粒的传质效率。陈文胜等[29]发现微细粒粒径会影响颗粒与微气泡之间的碰撞、吸附作用，进而影响微颗粒之间的团聚。此外，加气对泥沙输移的影响还与微气泡粒径有关。荆树励等[30]发现，泥沙絮团密度随着微纳米气泡的平均粒径的增大呈现出先增大后减小再逐渐趋于平缓的趋势，絮团与气泡的碰撞效率和吸附效率随着微纳米气泡平均粒径的增加呈现出先增长后减小的趋势。因此，水流中微气泡粒径不同使得局部水流的流速以及水力特性不同，从而对泥沙颗粒表现出不同的运移规律[31]。

王逍遥等[32]研究了加气对滴头堵塞的影响，发现加气能够提高滴头的抗堵塞性，这与本试验结论不完全相同。本研究中加气虽然增大了泥沙颗粒在毛管内的沉积，但对于不同流道结构滴头的流道淤影响不同，加气增大了直齿形流道滴头E1～E3 流道泥沙淤积量，减少了弧齿形流道滴头E4 流道淤积量。这是因为弧齿形结构能够减缓流道边界的突变程度，减少流道内低速形成区所占的比重，同时齿尖圆弧化使的漩涡充分发展，降低齿尖处湍动能的耗损，提高了水流的流速，减缓了堵塞物在流动滞止区的附着和淤积，提升水流对流道壁面的自清洗能力[33]。因此，滴头E4 表现出流量变幅较小、稳定性、抗堵塞性能较强的特性（图2和表2）。武鹏等[34]研究发现弧形迷宫流道抗堵塞性能优于齿形，并且其抗堵性随滴头直线段增长而降低。本研究还发现加气灌溉条件下入口栅栏面积是决定加气对滴头堵塞影响的重要因素，且滴头的抗堵塞性能随着栅栏面积的增大而增大。刘燕芳等[35]也发现滴头入口栅栏尺寸较大的滴头抗堵塞性较强，这与本试验观点相同。

因此，建议加气灌溉选择流道入口栅栏面积较大的滴头，为避免毛管淤积堵塞，可以考虑毛管铺设时，让滴头在毛管顶部位置。