不同加气和粒径条件下浑水滴灌滴头堵塞特性研究

2021-12-07牛文全张二信董爱红邬梦龙

农业机械学报 2021年11期

牛文全张二信吕畅孙军董爱红邬梦龙

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100； 2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

滴灌过程中，滴头附近作物根区土壤处于低氧状态，易造成植物根系缺氧，严重时会影响作物根系的正常生理活动。加气滴灌具有协同调节作物根区水、肥、气状况，改善根系生长环境，缓解作物根部缺氧问题，提高作物水肥利用效率、果实产量和品质等优点，被广泛应用于蔬菜、大田作物和果树种植上[1-3]。地下滴灌是加气灌溉的最佳方法，但滴头狭窄的流道易被水中的颗粒、化学沉淀、溶解盐、微生物和其他杂质堵塞[4]，众多学者试图通过过滤设备配置、滴头流道优化及毛管冲洗等方法解决堵塞问题[5-7]，但该难题至今仍没有得到很好解决。

灌溉水源的复杂性决定了滴头堵塞类型的多样性，一般有物理、化学和生物堵塞3种类型。灌溉水中细小泥沙颗粒(粒径小于0.1 mm)易在流道内发生聚积、沉降、黏附等行为造成滴头发生物理堵塞[8-9]，文献[10]发现粒径为0.031～0.038 mm的泥沙在流道内易发生团聚行为形成团聚体，黏附于流道壁面不易随水流输出，文献[11]研究表明，毛管中粒径为0.10～0.15 mm的泥沙主要以推移质的形式进入灌水器，且易引发滴头发生突然完全堵塞。此外，水力特性的改变会影响悬浮颗粒运移过程中所受的黏滞阻力、摩擦力等，从而对滴头抗堵塞性产生影响。文献[12]研究发现，加气能够改变水流水力特性，增大水流流速，文献[13]发现，微气泡破碎时产生巨大的能量能够加速周围颗粒的运移，文献[14]研究表明，加气能够减小壁面的摩擦阻力，降低水流能量损失。目前，对于细小颗粒造成的滴头堵塞问题，多采用多级过滤器组合模式来减缓滴头堵塞，但这些措施极大增加了滴灌成本和能源损耗[15]。明确细颗粒泥沙在加气条件下的输移、淤积规律，进而采取合理的管控措施来缓解滴头堵塞，减轻过滤系统负荷，对提高滴灌系统运行效率具有重要意义。

目前，针对加气条件下细小泥沙对滴头堵塞的影响研究较少，且加气对滴头堵塞机理的影响尚不明确。为此，本文通过研究加气对不同粒径浑水滴灌滴头堵塞的影响，对比分析加气前后滴头堵塞物结构及毛管淤积泥沙粒径的变化，以探明加气滴灌堵塞机理，为提高加气滴灌系统滴头抗堵塞能力提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

据调查[16]，宁夏段黄河引水渠含沙量为0.61～1.1 g/L，故试验配置浑水含沙量为1 g/L，试验泥沙采自渭河漫滩，由于目前滴灌设备中多采用150目的过滤器，即通过过滤器的最大颗粒粒径为0.1 mm[17]，所以本研究选取泥沙最大粒径为0.1 mm，同时根据泥沙颗粒在水中的跟随性[17]、泥沙颗粒对堵塞的危险性[18]以及已有研究确定的滴头堵塞敏感粒径范围[10,19]，将采集的泥沙经自然风干后过筛，分为5种粒径范围，配置5种不同粒径级配的浑水，泥沙颗粒机械组成如表1所示。试验用水为杨凌自来水，pH值为7.83～8.03，悬浮物质量浓度为106～152 mg/L，电导率为217.3～372.6 μS/cm，总硬度为71～81 mg/L，细菌的菌体浓度小于1 CFU/mL，符合灌水标准。

表1 试验用浑水的泥沙机械组成Tab.1 Mechanical composition of sediment particle size of muddy water for experiment

依据文献[20]的研究，内镶贴片式滴头更适用于引黄灌区灌溉，故本试验选用内镶贴片式滴头(图1)进行浑水测试，滴灌带参数为：额定流量2.5 L/h，毛管外径16 mm，壁厚0.2 mm，流道深(Z)0.63 mm，流道宽(W)0.60 mm，流道长18.71 mm，齿间距(L)1.40 mm，齿间角37°。

1.2 试验装置

试验装置主要由抗堵塞测试平台和加气装置组成，如图2所示。抗堵塞测试平台由蓄水箱(长度、宽度、高度均为60 cm)、水泵(功率0.75 kW，扬程60 m)、过滤器(120目网式过滤器)、搅拌机(功率0.75 kW)、压力表(量程0.25 MPa，精度0.001 MPa)、控制阀门、支管以及待测试毛管等组成。毛管布置于测试架上(长度6 m、宽度0.5 m、高度1 m)，共3个测试架，每个架子上铺设3根长6 m滴灌带，每根滴灌带有22个滴头，滴头间距为25 cm。加气装置为FRGW-10型水肥气耦合机(河南丰润环保科技有限公司生产)，经前期测定，最优加气时长为5 min，加气压力0.45～0.46 MPa，加气后形成乳白色水气混合液(水中微气泡粒径为15 μm，溶氧量为8.36～8.45 mg/L)。

1.3 试验方案和方法

试验分为清水试验和浑水试验两部分。

1.3.1清水试验

清水试验包括加气和未加气清水测试，测试压力为0.02～0.12 MPa，压力间隔为0.02 MPa。测试前对测试平台进行冲洗，以保证试验数据的可靠性。测试方法：打开测试平台阀门，将压力表的示数调节至测定压力，待示数稳定后，将烧杯(1 000 mL)置于毛管下方测定每个滴头的流量，测定时长为10 min，每组重复3次，取均值，清水流量计算公式为

q=kdhx

(1)

式中q——清水流量，L/h

h——进口压力，kPa

kd——流量系数

x——流态指数

1.3.2浑水试验

选用了1种齿形迷宫流道滴头的滴灌带，分别在加气和不加气条件下进行短周期灌水试验，测试不同粒径浑水滴灌滴头堵塞状况，浑水泥沙粒径级配如表1所示，浑水试验共计10组。

1.3.3试验过程

试验在西北农林科技大学水力学大厅内进行，试验开展时间为2021年4—6月，试验测试时，先按照1.3.1节进行清水试验，后进行短周期间歇性浑水试验。灌水压力控制在0.1 MPa，单次灌水持续时间为1.5 h，相邻灌水间歇时间为0.5 h。每次灌水结束前10 min压力表的示数稳定在0.1 MPa后测定毛管各滴头流量，重复3次取平均值，当累计灌水44次后结束测试。取下毛管置于通风处晾干，剖开毛管收集毛管淤积物和滴头堵塞物，并用S-4800型场发射扫描电镜和APA2000型激光粒度仪对滴头堵塞物结构、毛管淤积物粒径分别进行观测。为保证浑水的均匀性，灌水期间搅拌机持续工作。每个处理灌水结束后，更换新的毛管并对测试平台进行冲洗。

1.4 评价指标和方法

采用平均相对流量Dra和灌水均匀度Cu来评价滴头整体的堵塞程度[21]，一般Dra小于75%或Cu小于80%时判定滴头发生堵塞[22-23]。堵塞率计算公式为

(2)

式中n——滴头总数，个

nc——发生堵塞的滴头数，个

1.5 数据处理

采用SPSS 25.0软件进行统计分析，采用主效应方差分析泥沙粒径和加气对滴头堵塞的影响，用LSD(最小显著差异)法检测各处理组间相对流量及堵塞物的差异性，利用Origin 2021和CAD 2014软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 加气对滴头水力性能的影响

将不同压力下测定的滴头流量代入式(1)，通过曲线拟合得到水力特性曲线如图3所示，可看出加气增大了滴头的流量系数，降低了流态指数。流量系数kd越小说明流量波动越小，而流态指数x越小说明滴头流量对进口压力越不敏感[24]。因此，本试验中加气增大了水流波动，降低了流量与压力之间的敏感度。对比同一压力下不同处理的滴头流量，可发现加气增大了滴头流量。

2.2 加气对滴头平均相对流量及灌水均匀度的影响

滴头Dra和Cu随灌水次数的变化曲线如图4所示。不同粒径浑水加气处理的滴头Dra和Cu下降速率大于未加气处理，其中，D2浑水Dra下降速率最快，易造成滴头堵塞，D1浑水Dra下降速率最慢，不易造成滴头堵塞。试验结束时，加气处理的滴头Dra和Cu比未加气处理低9～18.7个百分点和16.2～36.4个百分点。

灌水初期，加气处理的滴头Dra和Cu随时间增长呈缓慢下降趋势，而未加气处理的滴头Dra和Cu在95%附近波动。当灌水15次时，加气处理的D3、D4浑水最先引发滴头堵塞，流量比未加气处理分别低17.4、22.0个百分点，加气处理的滴头Dra和Cu下降速度大于未加气处理。灌水30次后，5种浑水加气处理的滴头Dra均小于75%，滴头发生严重堵塞，而未加气处理中只有D2和D4浑水的滴头发生了堵塞。5种浑水加气处理的滴头Dra分别比未加气处理低11.3、27.0、11.3、11.9、31.4个百分点，D5浑水加气与未加气处理的差异性最大。灌水结束时，D1、D2、D3、D4和D5浑水加气处理的滴头Dra分别比未加气处理低18.6、18.4、9、8.9、18.7个百分点，Cu分别低36.3、26.8、16.2、28.5、36.4个百分点。

灌水结束时，滴头流量方差和显著性分析结果表明(表2、3)，泥沙粒径和加气对滴头堵塞具有极显著性影响(P<0.01)，且交互作用也极显著，表明加气加剧了滴头堵塞，且与泥沙级配密切相关(表2)。D1浑水加气处理的滴头Dra、Cu与D3、D4、D5浑水处理差异性显著(表3)，整个灌水过程中该浑水处理的滴头Dra、Cu均保持在最高的水平，表明D1浑水相比其他粒径浑水造成滴头堵塞的程度较轻，且各滴头堵塞程度差异性较小。

表2 泥沙粒径、加气对滴头流量影响的方差分析Tab.2 Variance analysis of influence of sediment particle size and aeration on flow rate of dripper

表3 不同处理的滴头平均相对流量和灌水均匀度显著性分析

2.3 滴头相对流量和灌水均匀度的动态变化

从滴头Cu和Dra拟合结果(图5)可以看出，滴头Dra和Cu具有明显的协同性，两者均随着灌水次数的增加而同步减小，D1～D4浑水加气处理的Cu和Dra拟合斜率为0.312～0.752，明显小于未加气处理的0.371～0.915，而D5浑水则相反。斜率越小表明该滴头越易发生突然堵塞，因此，加气加剧了D1～D4浑水滴灌滴头突然堵塞的发生，减缓了D5浑水滴灌滴头突然堵塞的发生。加气与未加气处理斜率的差异性随泥沙最大粒径的减小而增大(D2～D5浑水加气处理的拟合斜率分别是未加气处理的0.822、0.84、0.87、1.46倍)。这是由于滴头流道尺寸较小，无论加气与否，易发生沉降的大颗粒泥沙均易引发滴头发生突然堵塞，而对于小颗粒而言，未加气时流道内沉积的泥沙易随水流冲出，滴头Dra和Cu下降速率缓慢，而加气时泥沙黏附加剧造成滴头Dra和Cu下降较快(图4)，因此，泥沙最大粒径越小，加气处理的滴头Dra和Cu协同性较未加气处理差异性越大。

2.4 泥沙粒径对滴头堵塞率的影响

不同处理的滴头堵塞率统计结果如图6(图中不同大写字母表示不同粒径之间差异显著，不同小写字母表示加气与未加气处理之间差异显著(P<0.05)，下同)所示。加气处理的滴头堵塞率显著高于未加气处理(P<0.05)，D1～D5浑水未加气处理的堵塞率为23.9%～46.3%，加气处理的堵塞率为37.3%～61.2%，比未加气处理增大13.4～14.9个百分点。无论是否加气，5种浑水灌溉滴头堵塞率从大到小均依次为D2、D4、D5、D3、D1，表明滴头堵塞的程度主要由泥沙机械组成所决定。加气处理下D1浑水的堵塞率与D2～D4浑水的堵塞率差异性显著(P<0.05)，且其堵塞率最低，表明D1浑水加气灌溉条件下，滴头经过长时间的灌溉后仍具有较强的出流能力，这与图4中D1浑水加气处理的滴头Dra和Cu随时间变化表现出的规律一致。

2.5 加气对毛管泥沙淤积量的影响

不同处理的毛管淤积泥沙参数如表4、5所示。加气显著降低了毛管淤积物质量、减小了淤积泥沙中值粒径、增大了淤积物比表面积，且各处理间差异性显著(P<0.05)。加气处理的毛管淤积物质量随着泥沙最大粒径的减小而增大，未加气处理无明显规律，加气处理的毛管淤积物质量较未加气降低8.75%～31.92%。泥沙中值粒径随着泥沙最大粒径的减小而减小，比表面积则相反，D1～D5浑水加气处理的中值粒径为未加气处理的0.64、0.88、0.89、0.91、0.93倍，较未加气减小8.59%～35.64%，比表面积为未加气处理的1.59、2.33、1.23、1.19、1.01倍，较未加气增大6.01%～132.81%。泥沙中值粒径越大，表明沉积的大颗粒泥沙越多，比表面积越大表明沉积的细颗粒泥沙越多。因此，加气促进了毛管内泥沙运移和大颗粒的排出，且其对泥沙运移的影响作用随泥沙最大粒径的减小而减弱。

表4 不同处理毛管淤积物状况Tab.4 Status of capillary deposits in different treatments

2.6 加气对滴头堵塞物和流道堵塞位置的影响

加气显著影响滴头堵塞物质量(P<0.05)，减少了D1、D2和D3浑水处理的滴头堵塞物质量，增大了D4和D5浑水处理的滴头堵塞物质量，D1、D2和D3浑水加气处理的滴头堵塞物质量较未加气处理低8.92%～51.00%，D4和D5浑水则高5%～29.8%(图7)。加气增大了流道入口堵塞风险，降低了流道完全堵塞的风险(表6)，5种浑水加气处理的流道完全堵塞占比分别比未加气处理低0.6、7.6、6.7、5.0、4.4个百分点，流道入口堵塞分别高3.3、10.3、10.0、6、2.9个百分点。加气增大了水流紊动性，促进了流道内大颗粒泥沙输移，小颗粒泥沙在气泡桥力作用下易发生黏结不易被水流冲出，因此加气降低了D1～D3浑水处理的堵塞物质量，增大了D4～D5处理的堵塞物质量。

表5 毛管沉积泥沙粒径分布情况Tab.5 Particle size distribution of capillary sediments %

表6 不同处理下滴头堵塞位置占比统计Tab.6 Statistics of proportion of position where dripper was blocked under different treatments %

为确定滴头堵塞参数之间的关系，计算了相对流量、灌水均匀度、堵塞率、毛管淤积物质量(M)、滴头堵塞物质量(m)、比表面积(SSA)、泥沙中值粒径(SMS)、滴头完全堵塞占比(AB)、滴头入口堵塞占比(EB)、滴头中部堵塞占比(CB)和滴头出口堵塞占比(BO)各参数之间的Spearman相关系数(图8，图中**表示P<0.01，*表示P<0.05)。Dra和Cu与毛管淤积物质量、滴头堵塞率相关系数最大，说明毛管淤积物质量和滴头堵塞率也是影响滴头抗堵塞性能的重要因素。Dra和Cu与毛管淤积物质量呈显著正相关关系(r=0.8～1.0,P<0.05)，与滴头堵塞率呈显著负相关关系(r=-1.0～-0.8，P<0.05)。毛管淤积泥沙对滴头堵塞位置有极显著的影响(P<0.01)，毛管淤积泥沙中值粒径越小、泥沙比表面积越大，越易引发滴头流道堵塞。

3 讨论

泥沙颗粒相互碰撞后发生凝聚、沉降行为堵塞流道被认为是造成滴头堵塞的根本原因[8]。文献[25-26]发现水中加气能够改变毛管内水动力特性，降低壁面对泥沙颗粒的阻力，从而有效提升输沙效率，减缓泥沙沉降。文献[27]研究表明，微纳米气泡桥接过程会产生很强的长程疏水作用力，可提高粗颗粒与气泡的粘附能力，减小脱落概率，促进水流对泥沙颗粒的运移，这与本研究结果一致。此外，本研究还发现加气对泥沙输移的促进作用随着泥沙最大粒径的减小而逐渐减弱(表4)。由于沉积的大颗粒在毛管运移时主要受内壁摩擦阻力的影响[28]，当泥沙颗粒沉积时会与毛管内壁发生碰撞导致沉积平均速度反向，而大颗粒的反向速度大于小颗粒[29]，从而降低了大颗粒的沉积、减小了毛管内壁摩擦阻力。此外，加气增大了水流波动，提高了水流流速(图3)，进一步促进了大颗粒的运移，而细小颗粒(粒径小于0.031 mm)在其负电荷作用下易在毛管内壁发生絮凝堆积，堆积物黏附力较强不易随水流冲动，增大了内壁摩擦阻力[30-31]，减缓了泥沙在毛管内的运移。同时，细颗粒泥沙在微气泡的桥接作用下易形成絮团，增加了泥沙与气泡的接触面积，从而提升了泥沙颗粒碰撞概率、增大了颗粒与气泡的黏附概率，加速了细颗粒泥沙在毛管内壁的黏附，有效提高了毛管絮团泥沙密度[32-33]，因此，加气减缓了大颗粒泥沙沉积，而增大小颗粒沉积(表5)。文献[34]研究表明，微气泡能够吸附水中悬浮颗粒，增大大颗粒的沉降，减缓小颗粒的沉降。这与本研究结果存在差异，文献[34]试验研究泥沙为微细粉尘颗粒，其黏性颗粒占比较高，大颗粒发生絮凝沉降后形成密实度较高、体积较大的沉积物，沉积物粘附性较强且形状不易发生破碎。而本研究中使用的河沙孔隙率较大，黏粒占比较低，发生沉降的泥沙颗粒之间黏结力较弱，较易随水流以悬移质形式向前运移[35]。因此，加气对泥沙输移的影响与泥沙性质、粒径等密切相关。

此外，文献[36]研究结果表明，泥沙颗粒与气泡之间存在的长程疏水力在颗粒间的团聚、气泡与颗粒的碰撞吸附过程中发挥了重要的作用，而泥沙颗粒大小是影响长程疏水力的最主要因素。本研究发现不同粒径浑水灌溉时，加气减少了D1、D2和D3浑水处理的滴头堵塞物，增大了D4和D5浑水处理的滴头堵塞物(图7)。这是因为加气增大浑水中大颗粒泥沙的运移的同时，导致小颗粒泥沙被滞留于毛管和流道内(表5)，随着灌水时间的增加，沉积的细小颗粒逐渐增多，而细小颗粒在微气泡的絮凝促进作用下逐渐发生聚团[37]，当随水流进入流道时，流道入口处流速骤减，使得一部分泥沙在此沉积，随着泥沙粒径减小，黏性泥沙占比逐渐增多，流道入口处沉积黏附泥沙增多，形成粗糙的壁面粘附层造成滴头堵塞[8]。而D1～D3浑水机械组成主要以沙粒为主，水流对该粒径段(0.05～0.1 mm)泥沙大颗粒输移大于小颗粒的沉降，从而减少了流道淤积物质量，而D4、D5浑水则相反。因此，加气加剧了小颗粒在流道入口黏附，加速了流道入口堵塞(表6)是造成滴头堵塞的主要原因(图4)。文献[28]研究表明，通过冲洗可以减少细颗粒泥沙沉积，降低絮凝率，抑制堵塞物的形成从而降低流道入口堵塞的风险。建议进行毛管冲洗以减缓流道入口堵塞风险。

从滴头堵塞物结构观测图可以看出(图9)，加气条件下的堵塞物结构较为紧密，而未加气较为松散，这是由于加气增大了细小颗粒沉积造成的。5种浑水中，D1、D2、D3浑水大颗粒泥沙占比较高(表1)，易在重力作用下沉降形成堆积体，引起滴头堵塞。同时由于微气泡吸附泥沙颗粒的负电荷，增大了微气泡的界面电位和颗粒间的非键能，促进了细小颗粒在大颗粒表面黏附[38-39]，减小了颗粒间孔隙(图9)，增大了堆积体密实度，滴头堵塞后堆积体不易在水流剪切作用下发生破坏，因此，加气处理的滴头堵塞更为严重(图4)。而D4、D5浑水小颗粒泥沙占比较高，细小颗粒在微气泡的桥力作用、颗粒间的吸附水膜促进作用下形成团聚体的机率相比其他粒径泥沙较大[38,40]，同时加气水流紊动性较大提升了颗粒间碰撞频率，增大了团聚体的密实度，从而加剧了滴头堵塞。D5浑水加气处理的堵塞物团聚体体积虽然最大，但形成的团聚体缺少大颗粒骨架，沉积泥沙颗粒易被水流夹带流出流道[41]，这也是该粒径浑水流量下降较为缓慢的主要原因。D2浑水加气处理的堵塞物中基础骨架颗粒较多，且颗粒间孔隙率较小密实度高，不易随水流带出流道，从而表现出D2浑水加气处理的流量下降速率最快(图4)。D1浑水沙粒占比小于D2浑水，黏粒占比小于D3和D4浑水，因此，其沉积泥沙堆积和絮凝作用较为缓和，从而表现出D1浑水流量下降最慢(图4)。