工作压力对迷宫流道灌水器泥沙分布的影响

钱 龙，余兴娇，吴立峰，裴青宝1，

（1.江西省水利科学院，南昌 330029；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099）

0 引 言

滴灌是一种以低速流动为特征的灌溉技术。水通过管网、控制阀和喷头直接输送到作物根部，减少了蒸发、地表径流和深层渗漏损失，从而有效提高水的利用效率[1,2]。但是，滴灌系统的运行成本较高，严重阻碍了滴灌技术的推广应用[3-5]。滴灌系统的运行压力是决定整个滴灌工程成本的最重要因素，也是影响喷头堵塞的重要原因之一[6]。

目前，国内外的相关研究主要集中在常压下的水力性能和防堵性能方面[7-11]；已经取得了许多有价值的研究结果。近年来，由于各种资源的短缺，美国、以色列、欧洲等国家都对低压灌溉进行了研究和尝试[4,12,13]。采用低压灌溉时，管网的水压可以大大降低。同时，输水材料的强度也会相应降低。可以使用薄壁支管和毛细管，这不仅可以减少能源消耗，还可以降低系统成本。

然而，当工作压力降低时，支管和/或侧管的流速会下降，流速也会下降。水中的细小沉积物更容易沉积在滴管中，增加了滴管堵塞的风险[14]。张国翔等[15]指出，灌水器的工作压力可以降低到50 kPa。徐文礼等[16]研究了3 种压力水平（30、60和90 kPa）和两种颗粒大小对排放器的防堵性能的影响。他们发现，工作压力越高，排放器堵塞的可能性就越大。Zhang等[17]认为，工作压力是影响堵塞的重要因素，但排放器的抗堵塞性能并没有随着额定工作压力的增加而完全改善。上述这些研究只考虑了正常工作压力或低工作压力下的普通水质的防堵性能。对于水质较差的滴灌系统，特别是宁夏、内蒙古等黄河灌区的滴灌系统，灌溉水的平均泥沙含量达到35 kg/m3；即使采取了沉淀和预过滤处理措施，细泥沙的含量仍然极高。对于这种高含沙量的滴灌系统[18,19]，在压力选择和低压灌溉对喷头堵塞的影响方面的研究比较少。此外，滴灌工程运行成本较高，也严重阻碍了滴灌技术的推广应用,滴头运行压力是决定整个滴灌工程造价的最重要因素[20]。为确定合适的滴头运行压力，降低滴灌系统投资和运营成本。许多学者对低压灌溉针对滴头抗堵塞性能的影响进行了研究。张国翔等[15]等研究指出，灌水器的工作压力可以降低，但是工作压力的降低会使水中细小泥沙沉积在灌水器中，增大灌水器堵塞风险。王建东等[21]和穆乃君等[22]，通过研究压力对堵塞的影响得出工作压力是影响堵塞的重要因素，但是堵塞性能并不完全随额定工作压力的增大而提高。对于高含沙滴灌系统，考虑运行压力对滴头堵塞的影响的研究相对较少。

研究主要集中在：研究高含沙量滴灌系统不同压力对喷头堵塞的影响；揭示不同工作压力下喷头堵塞的原因；提出了在泥水灌溉中采用不同泥沙粒径的方法控制喷头堵塞的初步设想。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验中使用了中国甘肃省酒泉市大禹水利有限公司生产的农业灌溉中广泛使用的带无压补偿滴头的滴灌带。灌水器的尺寸如下：侧面外径，16 mm；壁厚0.36 mm；通道深度，0.61 mm；通道宽度，1.02 mm；齿高0.86 mm；齿宽1.25 mm，齿间角度38.5°。

试验装置如图1 所示。使用100-L 圆柱形储水桶储存清水（或泥水）。灌溉水通过潜水泵输送，潜水泵的额定水头为35 m，流速为1.8 m3/h。3 根平行管道连接到泥水桶中的潜水泵。每个管道的前端和后端配备有控制阀和压力表I，其测量范围为200 kPa，精度为25%，用于控制入口压力。该装置有12 个支管（每个操作压力下铺设3 个支管），支管长度为14 m，横向间距为0.3 m，灌水器间距为0.4 m，每个支管配备35 个灌水器，支管两端均配备球阀，同时添加回流管，使得过量的泥水可以返回到存储桶以保持稳定的浓度，分支入口配有压力表Ⅱ，用于监测入口压力。此外，本次试验进行了3次重复试验。

图1 测试平台Fig.1 Test platform

1.2 粒度分布和水源测量

使用Malvern 2000 型激光粒度分析仪（Malvern Instruments Ltd，Malvern，英国）分析泥沙和淤积泥沙的级配及粒径分布，粒度分析仪的尺寸测量范围为0.02～2 000 μm，颗粒尺寸按升序排列，当累积体积为10%、25%、50%、75%、90%时，测得淤积泥沙中的最大粒径分别表示为V10、V25、V50、V75、V90。配制浑水的试验用土采自云南省昆明市呈贡区的砂壤土，由于滴灌系统中通常采用120目网式过滤器，其网眼直径为0.125 mm[23,24]，因此本试验用土经自然风干研磨后过120 目筛网，均匀搅拌后随机选择5 个样品。使用激光粒度分析仪获得水源淤积泥沙的粒度分布。V10 为5.43±0.57 μm，V25 为11.58±0.73 μm，V50 为21.27±0.68 μm，V75为34.36±0.82 μm，V90 为48.84±0.42 μm。V10 的粒度比例分布为11.29±1.22%，V25 为7.40±0.59%，V50 为28.61±0.84%，V75 为13.74±0.74%，V90 为8.96±1.31%。灌水器选取大禹节水集团股份有限公司生产的内嵌式齿形迷宫流道灌水器（图2）进行灌水试验。

图2 迷宫流道灌水器和灌水器内流道的结构参数Fig.2 Labyrinth-channel emitter and parameters of flow path in emitters

1.3 清水灌溉

清水试验是根据ISO/TC23/SC18/WG5（ISO,2003）的标准进行的。测量50～130 kPa,间隔为10 kPa 的滴头流量，测量方法：灌水时在每个滴头下方放置一个1 000 mL 量杯用来收集灌水器排出的清水，每次灌水持续时间30 min，间隔1 h，用数字天平称量滴头流量，其精度为0.01 g，取各流量的平均值作为每个压力点的流量。水力特征可用流量和压力的关系表示为流量和灌水器的压力之间的关系，为以下公式所示：

式中：q清水流量，L/h；h压力水头，m；kd流量系数；x流态指数。

将清水试验中灌水器在不同压力下的流量代入式(2)，通过回归计算可得到流量指数为1.12，流量系数为0.49；50、80、100、130 kPa 下清水流量分别为1.21、1.34、1.39、1.42 L/h。

1.4 浑水灌溉

浑水灌溉是在进口压力分别为50、80、100 和130 kPa 的情况下进行的短周期间歇性灌溉试验。泥浆水的质量浓度为3.0 g/L。试验在2020年11月1日至2021年1月31日的14:00至16:00 进行。在每个灌溉处理期间，随机收集每个侧向的3 个灌水器排出的浑水，并使用激光粒度分析仪测量灌水器排出的泥沙的等级和粒度分布。在每次灌溉试验中测量108 个（12×3×3）从灌水器排出的泥水样本，在每次试验结束时共测量3 240 个（108×30）从灌水器排出的泥水样本。此外，当灌溉系统提供5、10、15、20、25 和30 次灌溉事件时，采集了灌水器样品。方法是在毛细管的开始和尾部收集60 cm 的侧向。横向的每个部分包含两个灌水器。灌水器样品被装入不同的密封袋中，并通过超声波处理去除灌水器中的淤积泥沙。用同样的方法来测量灌水器中淤积泥沙的分级和粒度分布。每个试验中共测量了144 个（4×3×12）灌水器样品。在30 次灌溉活动后，测量了4 320（144×30）个灌水器堵塞的淤积泥沙样品。

1.5 评价指标和方法

按照Li 等人[25]的描述，相对流量（Dra）和均匀性系数（Cu）进行了评估，以评价滴灌系统灌水器的抗堵塞性能。灌水器的排量比变化（Dra）的计算公式如下：

式中：qi表示第i 次灌溉时的流出率，L/h；qnew表示灌水器的流出率，L/h；n是各处理中试验灌水器的总数。

Cu是灌溉均匀性的通用表达方式，可适用于整个滴灌系统、分支系统或独立的毛管。它是基于每个灌水器的流量与平均流量之差的绝对值。Cu可由以下公式计算得出：

2 结果与分析

2.1 工作压力对滴头流量的影响

图3 显示了压力水平为50、80、100 和130 kPa 时，灌水器平均流量随灌溉事件的变化，本文3次重复试验的误差范围在±1.5%以内。一般认为，当滴头相对流量减少到初始流量的75%以下时，灌水器就会严重堵塞[26]。随着灌溉次数的增加，所有滴头的流量均呈下降趋势，且流量在下降过程中出现波动，说明灌水器的堵塞呈现出堵塞-冲洗-再堵塞的循环过程。当工作压力为50 和80 kPa 时，滴头流量迅速下降。在10.92～11.87和11.91～12.78的灌溉事件后，滴头流量下降到初始流量的75%以下，滴头发生严重堵塞，导致滴灌系统失效。当工作压力为100 和130 kPa 时，灌水器流量下降相对缓慢，分别在17.87～20.92 和21.89～27.96 次灌溉事件后，滴灌系统出现堵塞，与工作压力为50 kPa 相比，系统正常运行时间延长了38.89%～47.80%、50.11%～60.94%。与工作压力为80 kPa 相比，系统正常运行时间延长了43.56%、48.02%。结果表明，在泥沙含量高的滴灌系统中，工作压力应保持在80 kPa 以上。低于80 kPa 的工作压力会大大降低滴头的抗堵塞性能和滴灌系统的运行时间。

图3 灌水器流量的平均变化与灌溉事件的关系Fig.3 Average change in emitter discharge versus irrigation events

2.2 工作压力对灌水均匀度和相对流量的影响

图4显示，灌水器的相对流量和灌水均匀度随滴灌系统运行时间的增加而下降，即随灌水时间的延长，灌水器发生了不同程度的堵塞。工作压力大于80 kPa时，Dra和Cu在整个灌水期间存在波动变化，最大降幅分别发生在18～21 d，工作压力小于80 kPa时，Dra和Cu在灌水期间下降速率相对较慢，最大降幅发生在9～13 d。工作压力为50、80、100、130 kPa 下，系 统 运 行30 d 后，Cu下 降 到51.74%～61.32%、43.87%～49.67%、9.76%～15.72%、5.58%～8.09%，Dra 下降到49.76%～57.54%、38.79%～45.87%、5.16%～13.04%、4.96%～8.82%，原因是过滤后的泥沙颗粒随灌溉水进入渠道。由于运行压力低，流道内流速低，进入渠道后的泥沙不易排出。此外，灌水器中的细小泥沙含量也很高。在灌溉过程中，大量的淤积泥沙颗粒结块并相互粘连，形成较大的絮状结构，这导致系统在运行压力低于80 kPa时，Dra和Cu在短时间内迅速下降。

图4 滴头相对流量和均匀度随灌水次数的变化Fig.4 Discharge ratio variation and coefficient of uniformity change with irrigation events

图5 和表1 显示了灌水器的Dra 和Cu的线性拟合结果。图5 显示，在不同工作压力下，灌水器的Dra 和Cu的动态变化具有协同性，随着灌溉时间的增加，两者同步下降。所有横向的拟合线R2均大于0.945，表明在整个灌溉期间Dra 和Cu之间存在明显的线性关系。

图5 不同工作压力下滴头相对流量和灌溉均匀度的协同变化过程Fig.5 Dynamic changes in discharge ratio variation and coefficient of uniformity under different operating pressures

表1 滴灌过程中滴头相对流量和灌溉均匀度之间关系Tab.1 Linear fitting results of discharge ratio variation and coefficient of uniformity under different operating pressures Lateral

工作压力为100 和130 kPa 时，拟合线最小斜率分别为1.013 和1.052，均大于1，灌水器的Dra 递减率高于Cu的递减率，说明当工作压力大于80 kPa 时，灌水器之间的堵塞程度有很大差异；突然堵塞是由于泥沙的大颗粒进入通道所致。工作压力为50 和80 kPa 时，灌水器的拟合线最大斜率分别为0.983 和0.989，均小于1，说明灌水器之间的堵塞程度差异很小，灌水器容易出现整体堵塞。

2.3 工作压力对灌水器内淤积物质含量的影响

工作压力为50、130 kPa 时，由灌水器流量和浑水质量浓度可获得每次灌水进入毛管的泥沙含量约为63.53 和74.55 g。由图6(a)可知在4 种不同工作压力下，灌水器内淤积物质随系统运行时间的增加呈现先缓慢上升后急剧上升的趋势。系统运行结束时，50、80、100、130 kPa 下，灌水器内淤积物质的质量分别达到52.31、46.73、34.53、29.24 mg，表明工作压力越大，滴头排出的泥沙越多，滞留灌水器内的泥沙越少。工作压力为80、100、130 kPa 下毛管中淤积泥沙的量比工作压力为50 kPa 时毛管内淤积泥沙的量减少了0.69～5.62、1.08～16.92、1.25～22.16 mg。工作压力小于80 kPa 时，曲线坡度较陡，灌水器内淤积物质快速增加，滴头的堵塞进程加快。工作压力大于80 kPa 时，曲线坡度较小，毛管内淤积物质的量增加相对缓慢，滴头不易快速堵塞。图6(b)可知滴头内堵塞物质的积累与系统运行压力之间存在线性关系。系统在相同的运行时间内，压力越大，滴头中堵塞物质的积累越少，工作压力的控制直接影响到滴头内淤积物的积累，从而影响灌水器的抗堵塞性能。

图6 灌水器淤积泥沙含量随灌溉事件的变化和灌水器淤积泥沙含量在不同工作压力下的线性拟合Fig.6 Change in the total amount of emitter-clogging substances with the irrigation event，Total contents of emitter-clogging substances and the linear fitting results among different operating pressures

2.4 工作压力对灌水器内淤积泥沙粒径的影响

图7 为灌水器内淤积泥沙V10、V25、V50、V75、V90 随灌水时间的变化曲线。当工作压力小于80 kPa 时，经过30 次灌溉，淤积泥沙V10 的颗粒大小平均增加了12.41%。操作压力大于80 kPa；30 次灌溉后，淤积泥沙V10 的颗粒直径平均增加了13.39%。经过5 次灌溉事件后，观察到以下结果：当工作压力为80 kPa 时，灌水器内留存的淤积泥沙V25 的粒径为14.72 μm；当工作压力为100 kPa 时，灌水器内留存的淤积泥沙V25 的粒径为15.22 μm。灌溉后，当工作压力为80 和100 kPa时，V25的粒径分别达到18.25和19.94 μm，淤积泥沙粒径增加了19.34%和23.77%。

图7 灌水器内淤积泥沙V10, V25, V50, V75和V90的粒径随系统运行时间变化曲线Fig.7 Particle size V10, V25, V50, V75 and V90 change under different operating pressures

灌溉完成后，当工作压力大于80 kPa 时，淤积泥沙V50的平均粒径为47.92 μm，比工作压力小于80 kPa 时的55.16 μm 减少13.12%。当工作压力为80和100 kPa时，经过30次灌溉，淤积泥沙V75 在灌水器中的粒径分别为76.25 和72.63 μm，而V90 的粒径为107.15 和114.93 μm。在100 kPa 的压力下，淤积泥沙V75 和V90 的颗粒直径分别比80 kPa 的压力低4.75%和6.79%。结果表明，V10、V25、V50、V75 和V90 的粒径随着灌溉时间的延长而增大。其中，V10和V25的粒径增大，而V50、V75和V90的粒径随着工作压力的增加而减小。

原因可能是对于粒径小于V25 的泥沙，流动性较强，当工作压力大于80 kPa 时，流道很快被排出。在工作压力小于80 kPa的情况下，小颗粒的淤积泥沙也能通过该通道。对于相对较高的工作压力，排放速度很慢。另外，当工作压力小于80 kPa时，淤积泥沙的絮凝和粘合比工作压力大于80 kPa时更严重。

2.5 工作压力对灌水器内不同粒径泥沙占比的影响

图8 显示了在灌溉系统中经过10、20 和30 次灌溉后，不同粒径的淤积泥沙在灌水器中的比例。随着灌溉次数的增加，淤积泥沙V10 和V25 的比例下降，而V50、V75 和V90 的比例上升。在4种不同的工作压力下，粒径小于V25的泥沙具有很强的流动性和流畅性，容易随灌溉水排出。30次灌溉活动后，灌水器中粒径为V10的泥沙含量降至1.87%以下。灌水器中泥沙粒径V25 的含量降至15.03%以下，工作压力的变化对小于V25的泥沙粒径的影响不大。

在整个灌溉周期中，当工作压力小于80 kPa 时，灌水器中淤积泥沙V50 的含量相较于初始状态提高了24.25%，当工作压力大于80 kPa 时，V50 的含量增加17.39%。工作压力对灌水器中粒径为V50 的淤积泥沙有明显影响。灌溉结束时，当工作压力大于80 kPa 时，截留在灌水器中的V75 含量大于工作压力小于80 kPa 时的含量，但淤积泥沙V90 含量则相反。当工作压力小于80 kPa 时，淤积泥沙V90 的比例为20.55%，当工作压力大于80 kPa时，淤积泥沙V90的比例为16.57%。

原因是随着滴灌系统中灌溉次数的增加，灌水器中的淤积泥沙容易形成团块。当工作压力低于80 kPa 时，灌溉器通道中的水流速度很低。小颗粒的泥沙不能及时排出流道，这些小颗粒的泥沙与大颗粒的泥沙结块、絮凝，形成相对稳定的聚集体，不易分散[27-29]，使大颗粒的泥沙比例增加。当工作压力大于80 kPa 时，细小的泥沙被及时排出通道，聚集体由粗大的泥沙组成，颗粒之间的间隙较大，结合不紧密；因此，在湍流剪切作用下，灌水器中的质量容易被破坏。

2.6 工作压力对灌水器排出泥沙粒径的影响

表2～表4 显示了在不同工作压力下，随着灌溉事件的发生，灌水器排出泥沙的粒度分布趋势。在不同的工作压力下，随着灌溉事件次数的增加，灌水器的淤积泥沙V90、V50、V10的粒径都有所下降。随着系统运行时间的增加，灌水器排出的淤泥V90 平均下降40.53%，V50 平均下降39.27%，V10平均下降24.49%。结果显示，在灌溉过程中，小颗粒泥沙的变化较小，大颗粒泥沙的变化较大。

表2 不同的工作压力下从灌水器排出泥沙粒径V90的分布变化 μmTab.2 Changes in the distribution of the particle size V90 of the sediment discharged from the emitter under different operating pressures

表3 不同的工作压力下从灌水器排出泥沙粒径V50的分布变化 μmTab.3 Changes in the distribution of the particle size V50 of the sediment discharged from the emitter under different operating pressures

表4 不同的工作压力下从灌水器排出泥沙粒径V10的分布变化 μmTab.4 Changes in the distribution of the particle size V10 of the sediment discharged from the emitter under different operating pressures

滴灌系统运行1 d后，得到以下结果：当工作压力大于80 kPa 时，从灌水器排出的泥沙V90 的尺寸为26.69 μm。与压力小于80 kPa 时的19.74 μm 相比，泥沙V90 的颗粒直径减少了26.04%。当压力为100 kPa 时，灌水器排出的泥沙V50 颗粒直径为8.04 μm，当压力为80 kPa 时，灌水器排出的泥沙V50 的颗粒直径为7.17 μm，泥沙颗粒大小减少了10.82%。当压力为80 kPa 时，灌水器排出的泥沙V10 颗粒尺寸仅比100 kPa 时减少3.87%，说明工作压力对粗粒径泥沙的排放影响较大，对小粒径泥沙的影响较小。这是因为细小泥沙具有较好的流动性和流动性，即使在较低的压力水平下也能将灌溉水排出灌水器，而粗粒径泥沙的阻力较大，流动性相对较差，提高工作压力有利于粗粒沉积物的排放。

3 讨 论

3.1 工作压力对灌水器堵塞的影响

正确使用工作压力可以减少能耗，节约成本。然而，滴灌设计和运行压力不当可能导致喷头排量迅速下降，甚至大大缩短灌溉系统的使用寿命。最近的研究发现，喷头堵塞受工作压力的影响，低压力下喷头堵塞的风险增加[30]。Fan 等人[31]发现，工作压力直接影响喷头的堵塞过程。当工作压力低于50 kPa 时，水中的细小淤积泥沙容易加速堵塞。王心阳等人[32]用泥沙含量为0.5 g/L的泥水进行试验，发现当低压灌溉的工作压力低于75 kPa时，粒径小于45 μm的泥沙在灌水器中出现的概率明显增加。

灌溉试验采用的是3.0 g/L 的高含沙水。当工作压力高于80 kPa 时，在17.87～27.96 次灌溉事件后，灌水器突然堵塞，灌水器之间的堵塞情况差异较大，灌水器中的淤积泥沙积累缓慢。当工作压力低于80 kPa 时，灌水器的使用寿命明显下降，滴灌系统提供10.92～12.78 次的灌溉事件，并发生严重堵塞。对于泥沙含量较高的滴灌系统，应适当提高低压灌溉的工作压力，以避免灌水器过早堵塞，压力应控制在80 kPa 以上。这是因为在泥沙含量较高的滴灌系统中，当工作压力为80 kPa或更低时，灌水器中的流速下降，较低的流速不能有效清除灌水器中的堵塞物质[33]。Zhang 等人[11]比较了不同压力水平对迷宫流道的抗堵塞性能影响。他们发现，适当提高系统的工作压力可以减少堵塞，增加灌水器的排量，这与本研究的结果一致。此外，如前所述，泥水中细小沉积物的含量非常高，占过滤后泥沙的48.69%，粒径小于11.58 μm。泥沙可以作为单个颗粒通过过滤器进入灌水器的侧部，但随后发生絮凝，附着在管道内壁和/或有机残留物上，形成较大的堵塞物质，从而堵塞灌水器[34,35]。在高泥沙含量的水的灌溉试验中，得到了以下结果：当工作压力降低到80 kPa 以下时，灌水器部分的平均排量明显减少，水力剪切力进一步降低，灌水器的堵塞过程加快。

3.2 工作压力对相对流量和灌水均匀度的影响

在灌溉初期，管道的Dra 和Cu在4 个不同的工作压力下呈缓慢下降趋势。在灌溉中期，Dra和Cu的下降速度加快，在灌溉末期，下降速度减慢。Feng 等[36]也发现，在灌溉初期，Dra和Cu变化不大。随着灌溉事件的增加，Dra和Cu急剧下降，然后缓慢变化，这与本研究的表现一致。在灌溉过程中，本文对灌水器的Dra 和Cu进行了拟合和分析。结果显示，Dra 和Cu之间存在线性关系。灌水器的拟合线相关系数大于0.945，拟合度较高。Dra 和Cu随着灌水器平均堵塞度的增加而线性下降。Li等人[37]报告了类似的结果。他们研究了使用再生水和地下水作为滴灌水源的6 种类型的灌水器。Dra 和Cu随着灌水器的堵塞呈线性下降。同时，使用再生水的滴灌系统对Dra和Cu的影响比使用地下水的滴灌系统更明显；灌水器堵塞越严重，Dra 和Cu的线性关系越明显。刘燕芳等[9]和周博等[38]采用两种不同浓度的泥浆水进行间歇式泥浆水灌溉试验，结果相似。

此外，Niu 等[39]和Zhou 等[40]发现灌水器的Dra 和Cu的变化有3 个时期的不同特性。第一个是波动平衡期，Dra 和Cu反复波动5%，线性关系不明显。横向的单个灌水器的放电量开始减少，接着是最初的线性期。大部分灌水器的Dra和Cu的变化与线性线一致。此外，灌水器被不同程度地阻断，然后进入加速的线性期。Dra 和Cu急剧下降，最大降幅为10.6%，灌水器出现严重堵塞。在灌溉初期，Dra 和Cu的线性关系并不明显，在Liu 等人的试验中，灌溉水的泥沙含量较低，泥沙级配相对单一，导致滴灌系统运行初期所有喷头的排量较大。Li等人的研究表明，泥水灌溉中灌水器的堵塞主要是由于微生物的繁殖和生长引起的生物堵塞，而不是由于物理堵塞，灌水器的堵塞机理也不同。

3.3 工作压力对灌水器中淤积和排放泥沙的影响

在4 种工作压力下，细小泥沙V10 和V25 在灌水器中的滞留量较小，压力的变化对细小沉积物的滞留影响不大。当工作压力小于80 kPa 时，灌水器中的沉积物V50、V75 和V90 的粒径较大，当大于80 kPa 时，灌水器中的相应粒径减小。系统的工作压力对粗大的沉积物有很大影响，因为水流对淤积泥沙的阻力与投影面积成正比，颗粒越大，阻力就越大。因此，压力的变化对粗粒径泥沙的沉积和迁移有很大影响[41]。

此外，当工作压力低于80 kPa 时，灌水器中的流速很低。同时，渠道中的颗粒难以被冲出，细小的泥沙不能及时排出渠道。在灌溉过程中，渠道中的沉积物颗粒絮凝并积累成较大的聚集体。聚合体的颗粒紧密相连，因此在低速流动的干扰下很难分散成单个颗粒[42]。当运行压力大于80 kPa时，灌水器中沉积物V10和V25的比例迅速下降，渠道中的小颗粒泥沙随着灌溉水迅速排出。在灌溉的间歇期，粗颗粒泥沙在重力沉降的作用下积累和絮凝[43]。然而，由于颗粒之间有较大的间隙，在高流速的干扰下，积累的颗粒很容易被分散。Niu 等人[39]认为，在泥沙含量高的水中，颗粒的数量相当大，在无扰动或小扰动的情况下，这些颗粒容易聚集形成较大的泥沙。当水力剪切力较大时，大量的沉积物颗粒被排出，从而有效防止细小沉积物的絮凝和排放物的沉积。

Wu等[41]和刘璐等[8]发现，小于20 μm的颗粒很容易随灌溉水排入渠道，这种尺寸的泥沙很难造成堵塞。Zhang 等[17]认为细颗粒的流动性比粗颗粒好，颗粒直径越大，越容易造成堵塞。上述研究表明，细小的淤积泥沙不容易造成灌水器堵塞；粗粒径泥沙的滞留是造成灌水器堵塞的重要原因。本研究也报告了同样的结果。在滴灌系统初期，当工作压力大于80 kPa时，从喷头排出的泥沙V90 的平均粒径为26.45 μm，当工作压力低于80 kPa 时，V90 的平均粒径为20.19 μm。灌溉结束后，V90 的粒径小于20 μm。这一发现表明，直径大于20 μm的颗粒被截留在迷宫通道中，这证实了V10和V25截留在灌水器中的泥沙颗粒大小和泥沙含量。此外，滞留在灌水器中的粗粒径泥沙的含量更高。同时，在4 种工作压力下，V50、V75和V90的平均粒径都大于初始的粒径，说明迷宫通道中颗粒的絮凝和沉淀仍是造成灌水器堵塞的主要原因。

4 结 论

本文采用浑水灌溉试验方法，研究了4 种工作压力50、80、100、130 kPa对灌水器抗堵塞性能的影响，分析了灌水器内淤积泥沙、排出泥沙的粒径占比及颗粒级配，得到结论如下：

当压力大于80 kPa，灌水器的堵塞过程与泥沙淤积相对缓慢，在17.87～27.96 次灌溉事件后，灌水器突然堵塞；当压力小于80 kPa，灌水器堵塞和灌水器中泥沙淤积过程加快。在4种不同工作压力下，粒径小于V25 泥沙在灌水器中淤积含量最少（小于1.87%），不易造成灌水器堵塞；粒径范围在V75～V90 的粗粒径泥沙容易造成灌水器堵塞，但系统工作压力的增加对该类泥沙的淤积影响不大；粒径范围为V50 的泥沙的堵塞情况介于上述两者之间，工作压力对该粒径泥沙有较大影响，且压力的增加有利于减少这种泥沙的淤积和滞留。最后，工作压力的增加有利于粒径大于18.72 μm 的粗泥沙从灌水器中排出，但工作压力的变化对粒径小于8.52 μm 的细泥沙从灌水器中排出仅有轻微影响。因此，在泥沙含量高的滴灌系统中，迷宫流道灌水器在低压灌溉时的工作压力建议控制在80 kPa以上。