基于流量對泥沙沉積敏感度的滴灌灌水器水力性能動態評價

王新端，白 丹 ※，宋立勛，郭 霖

（1.西安理工大學水利水電學院，西安 710048；2.西安工程大學理學院，西安 710048）

0 引 言

滴灌灌水器的性能直接影響到滴灌系統的灌溉質量，目前評價灌水器性能的指標主要有水力性能和抗堵性能[1]。

灌水器水力性能反映灌水器流量對進口壓力的敏感程度，主要用流態指數來評價灌水器的水力性能，即流態指數越小越好[2]。影響流態指數的一個因素是灌水器的流道形式，主要影響流道的消能方式[3-4]，如常用的迷宮式流道[5]、壓力補償式流道[6]，以及近年來研發的繞流式流道[7]、分形流道[8]、分流式流道[9]、雙向流道[10-12]等；另一個因素是流道結構參數，主要影響流道內水流的運動方式，相同的流道形式、不同結構參數的灌水器，水力性能差異很大[13-15]。灌水器堵塞問題已成為滴灌技術推廣的一大障礙[16-18]，在實際應用中，即使水質良好且有完備的沉淀過濾措施，仍然有部分細小顆粒泥沙進入灌水器流道，在流道內沉積、固結導致灌水器堵塞[19-21]。目前對灌水器抗堵性能還缺乏公認的評價指標。在抗堵性能試驗研究中，一般是在一個固定的灌水器進口壓力下，經過多次灌水和停水循環試驗，測試每次渾水試驗灌水器的流量值，與其在同一壓力下的清水流量值進行對比，以評價灌水器的抗堵性能[22]；隨著試驗次數的增加，渾水試驗灌水器的流量值總體呈下降趨勢，所以這是一個動態的評價指標。從灌水器性能的研究過程來看，目前對水力性能和抗堵性能的研究相互獨立，即在清水條件下研究水力性能及其影響因素[23-24]；在渾水條件下研究引起灌水器堵塞的因素及堵塞機理[25-29]；灌水器整體性能的優劣需要綜合水力性能及抗堵性能的結果進行評價[30]。但水力性能和抗堵性能往往相互沖突，利用上述方法難以客觀評價灌水器的整體性能。

在滴灌田間管網中受到管網水頭損失和地形高差的影響，在田間管網不同位置，灌水器進口壓力差別較大，用某一固定壓力下灌水器渾水流量與清水流量的比值來評價抗堵性能，并不合理；另一方面水力性能評價指標是針對清水的，但實際應用時細小顆粒泥沙不可避免地會進入流道，其在流道中的沉積，改變了流道的形狀和糙率，引起水力性能的變化，所以清水條件下測試的水力性能，即流態指數，難以客觀反映滴灌灌水器在田間運行的實際情況。

針對以上存在的問題，借鑒灌水器水力性能和抗堵性能的研究成果，本文以雙向流道和迷宮式流道為研究對象；通過渾水試驗，研究細顆粒泥沙在流道中的沉積過程對灌水器水力性能的影響，探討灌水器水力性能對泥沙沉積累積效應的動態響應機制，分析渾水試驗中灌水器流態指數動態變化的成因，為評價滴灌灌水器整體性能和產品研發提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

與文獻[31]為同一研究，故試驗材料和方法均同文獻[31]。選取3種結構參數不同的雙向流道灌水器（1＃，2＃，3＃）和1種迷宮式流道灌水器（0＃）在同等試驗條件下進行渾水滴灌試驗，研究渾水試驗中 4種灌水器流量及水力性能的變化。雙向流道結構、結構參數的選取及定義見文獻[31]。迷宮式流道寬1 mm，深0.8 mm，長度80 mm，流道單元數為20個；1＃，2＃，3＃這3種雙向流道灌水器的分水裝置與邊壁的間距分別為0.8、0.8、0.9 mm；擋水裝置齒尖與分水裝置的間距分別為0.8、0.7、0.7 mm；擋水裝置與邊壁的間距分別為 0.6、1.0、1.0 mm；擋水裝置與分水裝置最大過水通道寬度分別為1.4、1.3、1.0 mm；擋水裝置底柱高分別為0.3、0、0.9 mm。

渾水試驗用土經由自然風干、研磨后采用120目（孔徑為0.125 mm）篩網篩出，土樣泥沙顆粒組成見表1。試驗渾水含沙率為30 g/L。

表1 渾水泥沙顆粒組成Table 1 Soil mechanical composition in muddy water

1.2 試驗設計及計算方法

試驗分清水和渾水試驗2部分，均在50、75和100 kPa進口壓力下分別進行。清水試驗主要測量4種灌水器在3個進口壓力下的流量，并計算其流態指數。渾水試驗采用周期性間歇灌水測試方法，主要測定 4種灌水器在 3個進口壓力下，每次渾水試驗的流量，并計算其流態指數，分析灌水器隨灌水次數增加，流量及流態指數的變化規律。清水試驗和渾水試驗的具體試驗方法及步驟，見文獻[31]。參考 GB/T17187-2009《農業灌溉設備滴頭和滴灌管技術規范和試驗方法》[32]的要求及迷宮式流道灌水器抗堵塞試驗的相關研究[33]，搭建試驗裝置，用于灌水器清水及渾水試驗。試驗裝置及裝置中各部件的具體參數見文獻[31]。

灌水器流態指數x、k計算同文獻[34]。k反映流量波動程度，其值越小，流量變動越小；x反映灌水器流量對進口壓力變化的敏感程度，是影響灌水均勻度的重要參數，當進口壓力偏差一定，較低的流態指數意味著較小的流量偏差，即較好的灌水均勻性。

一般用渾水試驗灌水器流量與相同進口壓力下的清水流量的比值（即相對流量）來評價灌水器抗堵性能，灌水器的相對流量越小，其抗堵塞能力越差；當相對流量＜75%，即認為灌水器發生了堵塞[35]。

1.3 灌水器試件加工

灌水器試件加工材料與方法見文獻[31]。根據試驗設計，為了保證渾水試驗的準確性，3個進口壓力下，在每個進口壓力試驗時，均采用新的試件進行試驗，每次試驗測試5個灌水器試件（結構參數均相同），因此每種灌水器共計加工 3×5=15個試件，整個試驗共計加工4×15=60個試件。

2 結果與分析

2.1 不同壓力下灌水器渾水流量變化

不同進口壓力下，將試驗結果繪制為流量-灌水次數曲線圖，4種灌水器渾水流量隨試驗次數的變化見圖1，其中qi為不同進口壓力下，灌水器在第i次(i=1，2，3，…，20)渾水試驗時的流量。

圖1 渾水試驗灌水器流量變化過程Fig.1 Changing process of emitters flow rate over irrigation times in muddy water experiment

從圖1可以看出，渾水試驗中，在50、75和100 kPa進口壓力下，4種灌水器的流量均呈現下降趨勢，表明4種灌水器都發生不同程度的泥沙沉積，導致流量下降。1#，2#和 3#雙向流道灌水器清水流量、渾水試驗后的相對流量及顯著性分析結果，見表2。

由表2可知，3個進口壓力下，雙向流道灌水器的渾水流量均在相同進口壓力條件下清水流量的 75%以上，即未到達堵塞標準[35]；而由圖 2可知，迷宮式流道灌水器，分別在第12、13和15次完全堵塞，泥沙沉積較為嚴重，表明雙向流道在較高含沙率下仍有較好的抗堵塞能力，主要因為雙向流道的結構不同于迷宮式流道，雙向流道形成的正、反 2股對沖水流強烈混摻，提高了水流挾沙能力，增強了雙向流道抗堵塞能力。顯著性分析結果表明，不同進口壓力下，3種雙向流道灌水器的流量及相對流量差異顯著；清水條件下，3#流量最大，1#其次，2#最小；抗堵性能3#最優，2#其次，1#最差；因此，雙向流道灌水器的抗堵性能并不完全隨流量的增大而提高，流道結構是影響抗堵性能的重要因素[31]，改變流道結構從而改善流道內流場的分布，提高流道挾沙能力能有效防止堵塞發生，與迷宮式流道的相關研究結果一致[25]。

表2 灌水器清水流量、相對流量及顯著性分析Table 2 Flow rate and relative flow rate of emitters and difference significance analysis

2.2 渾水試驗灌水器流態指數變化

4種灌水器每次渾水試驗的流態指數ix（i為灌水次數，i=1，2，3，…，20）見圖2。

圖2 渾水試驗灌水器流態指數變化趨勢Fig.2 Change trend of flow index in muddy water experiment

同文獻[31]，清水試驗時 0＃～3＃流量系數分別為0.2393、0.5170、0.4265、0.5100；流態指數分別為0.4728、0.4247、0.4467、0.4625。由圖2可知，隨著渾水試驗次數的增加，流態指數總體趨勢是越來越大，在此條件下，流態指數是動態變化的，反映了流道中泥沙沉積的累積效應對其水力性能的動態影響。渾水試驗后，迷宮式流道流態指數的平均值為 0.8267，相比清水時流態指數的平均值（0.4728）增大74.85%；1#，2#和3#雙向流道流態指數的平均值分別為0.5881，0.6310，0.6764，相比清水時流態指數的平均值（分別為0.4247，0.4467，0.4625）增大幅度分別為38.47%，41.26%，46.25%。可見，渾水試驗中 4種灌水器的流態指數均大于清水試驗時的值，水力性能均變差。

表3 灌水器水力性能顯著性分析Table 3 Significance analysis on hydraulic performance of emitters

由表3可知，4種灌水器的水力性能差異顯著，且雙向流道灌水器的水力性能整體上優于迷宮式流道灌水器。清水試驗時，3種雙向流道，1#水力性能最優，2#其次，3#較差；渾水試驗后，水力性能優劣順序仍與清水時一致；說明清水條件下水力性能優良的流道結構在渾水條件下仍能保持較好的水力性能；清水條件流道的優化設計對渾水條件的水力性能仍具有重要影響。由2.1的分析可知，3種雙向流道，3#抗堵性能最優，2#其次，1#較差，說明雙向流道水力性能和抗堵性能相互制約，這與迷宮式流道的研究結果一致[19]。

2.3 渾水試驗灌水器流態指數動態變化成因

為了分析渾水試驗中灌水器流態指數動態變化的原因，引入灌水器流量變化率的概念，即在設定的壓力變化范圍內，對第i次渾水試驗，灌水器在最大壓力與最小壓力下的流量差與最小壓力下流量的比值稱為灌水器第i次渾水試驗的流量變化率，見式(1)。

式中riq 為灌水器第i次渾水試驗的流量變化率(i=1，2，3，…，20)，%；max_,piq 、min_,piq 分別為渾水試驗中，灌水器在最大、最小進口壓力下，第i次渾水試驗時的實測流量值，L/h。

將4種灌水器在最大（100 kPa）、最小（50 kPa）進口壓力下，每次渾水試驗的流量值，代入式（1），即可得到每次渾水試驗灌水器的流量變化率，見表4。

當進口壓力為50 kPa時，0#灌水器在第12次渾水試驗時發生了完全堵塞，因此表4中從第12次灌水試驗開始不再討論其在整個壓力區間的流量變化率。由表 4可知，進口壓力從50 kPa提高到100 kPa時，4種灌水器流量變化率波動較大，亦即流量對壓力變化的敏感性動態變化，因此導致其流態指數波動也較大（有時大有時小，由圖2驗證）。如0#迷宮式流道灌水器流量變化率在最小值48.21%和最大值79.64%之間波動，導致其流態指數在0.5664和0.8267之間波動；雙向流道灌水器流態指數波動程度整體上低于迷宮式流道，其動態變化情況類似于迷宮式流道灌水器。

分析原因認為，渾水試驗中流道的泥沙沉積不完全是一直累積增加的，流道中同時存在泥沙沉積、水流沖刷的反復過程，有時在較低的進口壓力下流道泥沙沉積程度加劇，流量降低程度增大；而在較高的進口壓力下，流道沉積泥沙被水流沖刷，沉積程度減弱，流量降低程度減小（由圖1驗證）。兩方面的綜合作用，使得灌水器流量變化率增大，流態指數增大[32]。相反的情況同樣存在，使得灌水器流量變化率減小，流態指數減小。渾水試驗中流量變化率的動態波動（有時大有時小），導致流態指數出現相同的波動趨勢。

表4 渾水試驗灌水器流量變化率Table 4 Rate of emitter discharge change in muddy water experiment%

清水試驗后流道流量變化率記作清,rq，計算方法如下：

式中q清,p_max和q清,p_min分別為清水試驗中，流道在最大、最小進口壓力下的實測流量值，L/h。

將清水試驗結果代入式（2）即可得到清水試驗后 4種灌水器的流量變化率。依據表4，可分別獲取第11次迷宮式流道灌水器和第20次雙向流道灌水器渾水試驗的流量變化率，如圖3所示。由圖3可知，試驗設定的進口壓力范圍內，4種灌水器渾水流量變化率均大于清水試驗，說明流道泥沙沉積后，流量對進口壓力變化的敏感程度增加，即在相同的壓力變動范圍內，灌水器的流量變化率均增大，水力性能下降。迷宮式流道灌水器清水試驗時流量變化率為39.21%，渾水試驗后增加到79.64%，相比清水時增大40.43%；1#，2#和3#雙向流道灌水器清水試驗時流量變化率分別為：34.92%，36.33%，37.97%，渾水試驗后分別增加到52.15%，55.76%，60.30%，相比清水時分別增大17.23%，19.43%，22.33%；迷宮式流道灌水器流量變化率增大程度大于雙向流道灌水器，說明迷宮式流道灌水器水力性能受泥沙沉積程度的影響大于雙向流道灌水器，這是其水力性能相對雙向流道灌水器下降較大的重要原因。

圖3 清水和渾水試驗后灌水器流量變化率對比Fig.3 Comparison of rate of emitter discharge change after rinsing and muddy water experiment

3 結論與建議

研究不同灌水器水力性能，結論如下：

1） 灌水器堵塞進程隨灌水次數動態變化，在一定的進口壓力變化范圍內，每次灌水時灌水器的流量變化并不相同，進而引起灌水器渾水流態指數動態波動。文中提出的基于流道泥沙沉積過程的滴灌灌水器水力性能動態評價方法，可為客觀評價滴灌灌水器在田間運行的實際性能提供參考。

2）隨著灌水次數增加，灌水器流道中泥沙沉積的累積效應導致其水力性能越來越差；渾水試驗后，迷宮式流道灌水器渾水流態指數比清水時增大74.85%，1#，2#和3#雙向流道灌水器分別增大38.47%，41.26%，46.25%；泥沙沉積對雙向流道灌水器水力性能的影響小于迷宮式流道灌水器。

3）雙向流道灌水器的水力性能整體上優于迷宮式流道灌水器；清水條件下水力性能優良的流道結構在渾水條件下仍能保持較好的水力性能；灌水器流道結構形式及結構參數對灌水器整體性能有顯著影響，為進一步提高雙向流道灌水器性能提供了科學依據。

文中初步研究了滴灌灌水器流道泥沙沉積引起水力性能變化的動態過程，結果表明流道中泥沙的沉積導致其水力性能下降較大，泥沙沉積對灌水器水力性能有重要影響。提出的基于流道泥沙沉積過程的滴灌灌水器水力性能動態評價方法，可綜合反映灌水器渾水流量對進口壓力變化和泥沙沉積的敏感程度，對評價灌水器性能具有參考意義。進一步可研究渾水條件下灌水器水力性能的變化規律，為優化滴灌雙向流道結構參數提供科學依據，提升雙向流道對多泥沙地表水源的適應性。