微灌用含沙水非全流過濾模擬實(shí)驗(yàn)研究

趙佳奇，田軍倉，夏 天，明 特

(1.中衛(wèi)市水務(wù)局，寧夏 中衛(wèi) 755000；2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

《“十三五”新增1億畝高效節(jié)水灌溉面積實(shí)施方案》提出，“十三五”期間，全國將新增微灌面積約260.73 萬hm2，2020年全國的高效節(jié)水灌溉面積能達(dá)到2 400 萬hm2左右[1]。我國水資源短缺且區(qū)域分布不均，北方缺水現(xiàn)象尤為突出，節(jié)水灌溉已是當(dāng)務(wù)之急，微灌等設(shè)備已進(jìn)入廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但是泥沙對微灌設(shè)備的堵塞問題一直困擾著人們，尤其是利用引黃灌區(qū)含沙水灌溉更是容易堵塞灌水器，市場上一些過濾設(shè)備價格高昂，并且對引黃灌區(qū)含沙水過濾效果并不理想，在較短時間內(nèi)就容易堵塞。

田軍倉教授[2-4]首次提出并研究了含沙水的非全流過濾，他發(fā)明的非全流過濾方法及裝置是將過濾與排沙相結(jié)合，除沙效果明顯，除沙率可達(dá)70%。之后，范文波等人[5]設(shè)計(jì)研究了非全流負(fù)壓底濾分水自動反沖洗過濾裝置，除沙率40.38%，裝置運(yùn)行過程中在反沖洗時，若想連續(xù)不斷供清水，需避開所有濾層的同時反沖洗，且存在水泵耗能較大等問題。

在田軍倉教授研究成果基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了微灌用含沙水非全流過濾模擬實(shí)驗(yàn)，用以處理引黃灌區(qū)含沙水容易堵塞微灌灌水器問題。

1 非全流過濾裝置與設(shè)計(jì)

1.1 裝置及材料

(1)裝置由主體部分、供水部分、排水部分、測量控制部分組成。主體部分由滲流槽、無紡布、石英砂、土壤、PVC管組成；測量控制部分由濁度儀(OBS3+)、水表、精密壓力表(精度0.01 MPa)組成；供水部分由自吸泵(功率0.25kW)、蓄水池、進(jìn)水管組成；排水部分由裝置的排水區(qū)和排水管組成。滲流槽正面為8 mm厚鋼化玻璃板，槽身背面有143根測壓管。槽的中間區(qū)域?yàn)檫^濾區(qū)、左右兩端區(qū)域?yàn)橐缌髋潘畢^(qū)。槽內(nèi)安裝1根長3 m水平管、3根長1 m水平管、3根長1 m豎直管作為濾水管(直徑均為32 mm、開孔率均為12.18%)。管外分別纏繞鉛絲并裹無紡布，然后外裹石英砂濾料，再外填干土，石英砂與干土之間有1層無紡布。見圖1～圖3。

①-蓄水池；②-攪拌機(jī)；③-螺旋槳；④-進(jìn)水管；⑤-自吸泵；⑥-精密壓力表；⑦-水表；⑧滲流槽；⑨⑩-玻璃板；--豎直濾水管；--水平濾水管；--量筒；--水表；--排水管 圖1 過濾裝置立體圖(單位：mm)Fig.1 Filtering device stereogram

①-裝置排水孔；②-④-三根短水平濾水管；⑤-⑦-三根豎直濾水管；⑧-長水平濾水管； ⑨-濾水管出水孔 圖2 過濾裝置俯視圖(單位：mm)Fig.2 Top view of filter device

圖3 過濾裝置實(shí)物圖Fig.3 Filter device physical map

(2)含沙水中的泥沙選取。泥沙為賀蘭山腳附近離水渠出口處約5 m遠(yuǎn)的田間土壤表層泥沙，泥沙經(jīng)篩孔為0.5 mm的篩網(wǎng)后，再風(fēng)干處理。通過激光粒度分布儀(TB-2003)測得粒徑分布，如表1所示。

(3)濾料規(guī)格參數(shù)。經(jīng)廢棄農(nóng)田取來土壤過4 mm篩孔后，風(fēng)干處理。土壤、石英砂、無紡布規(guī)格參數(shù)如表2、表3所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在裝置水頭、進(jìn)水量、進(jìn)水含沙量均相同的情況下，設(shè)計(jì)了“PVC打孔濾水管+無紡布+石英砂+土壤”過濾裝置對引黃灌區(qū)渠道含沙水進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)確定裝置的濾出水中含沙量、濾出水量、排水量與時間的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3種不同處理，即處理1為豎直管、處理2為短水平管、處理3為長水平管。處理1分為豎1管(S11)、豎2管(S12)、豎3管(S13)；處理2分為平1管(P21)、平2管(P22)、平3管(P23)；處理3即長水平管，方案[6]如表4。

表1 泥沙基本物理性質(zhì)和水力特性參數(shù)Tab.1 Sediment basic physical properties and hydraulic characteristics parameters

表2 土壤基本物理性質(zhì)和水力特性參數(shù)Tab.2 Soil basic physical properties and hydraulic characteristics parameters

表3 針刺無紡?fù)凉た椢镂锢怼⒘W(xué)性能Tab.3 The physical and mechanical properties of the needle-free geotextile fabrics

表4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.4 Experimental scheme design

1.3 觀測指標(biāo)與方法

(1)濾出水量由桶測法每間隔8 h觀測1次。

(2)濾出水中含沙量由濁度儀每間隔8 h檢測1次。

(3)濾出水中泥沙顆粒粒徑由激光粒度分布儀每間隔8 h檢測1次。

(4)進(jìn)水量用水表觀測，進(jìn)水含沙量由濁度儀監(jiān)測。

(5)排水量用水表觀測，排水含沙量由濁度儀每間隔8 h檢測1次。

(6)蓄水池中含沙量由濁度儀監(jiān)測。

(7)裝置內(nèi)水頭損失由背面玻璃管水位差計(jì)算得出。

(8)濕潤鋒運(yùn)移軌跡可每隔一段時間用記號筆畫出相應(yīng)位置。

(9)通過激光粒度儀測出土壤粒徑、環(huán)刀烘干法測出干密度、室內(nèi)常水頭法測得土壤飽和導(dǎo)水率。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)濾料裝填：先在槽內(nèi)安裝好濾水管及TDR管，然后填石英砂，再按田間土壤容重裝填土樣，土樣裝填完畢后密閉靜置48 h。

(2)含沙水的配置：根據(jù)所定濃度2 kg/m3含沙水來計(jì)算所需清水及泥沙量。

(3)進(jìn)、濾、排水含沙濃度測定：用儀器對樣品檢測3次，最終取平均值。

(5)數(shù)據(jù)記錄：及時記錄裝置進(jìn)水含沙量、流量，含沙水初始入滲時間，濾水管濾出水的時間、濾出水的流量、濾出水中的含沙量、濾出水中的泥沙顆粒粒徑，排水管排水流量、排水含沙量等。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤鋒運(yùn)移情況

實(shí)驗(yàn)中，始終保持裝置上方定水頭5 cm，其內(nèi)裝填含水率為10%的風(fēng)干土，根據(jù)濕潤鋒運(yùn)移軌跡，每間隔2 min畫出1條位置線，之后相應(yīng)延長時間標(biāo)記位置線，圖4為濕潤鋒累計(jì)運(yùn)移距離。

圖4 濕潤鋒運(yùn)移隨時間的變化圖Fig.4 The change of wetting front migration over time

由圖4可知，濕潤鋒通過35.8 h的向下運(yùn)移到達(dá)土層底部。濕潤鋒在前2 h運(yùn)移過程中速度最快；2 h后，濕潤鋒開始出現(xiàn)緩慢向下運(yùn)移趨勢。

2.2 含沙水累計(jì)入滲量及入滲率情況

在實(shí)驗(yàn)之初，每間隔2 min觀測1次水表的進(jìn)排水量，后續(xù)階段延長時間觀測。含沙水累計(jì)入滲量、入滲率可計(jì)算得出，其趨勢如圖5、圖6所示。

圖5 含沙水累積入滲量隨時間的變化圖Fig.5 The cumulative infiltration of sand containing water over time

圖6 含沙水入滲率隨時間的變化圖Fig.6 The change of the infiltration rate of sand containing water with time

楊素宜[7]通過渾水入滲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了渾水入滲過程同清水入滲過程一樣，均可用考斯珈克夫土壤入滲經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Kostiakov-Lewis)兩參數(shù)或三參數(shù)反應(yīng)土壤水分入滲過程。公式(1)為選用兩參數(shù)反應(yīng)土壤水分入滲過程。

H=ktα

(1)

式中：H為累計(jì)入滲量，cm；t為入滲時間，h；k、α為入滲時間參數(shù)。

擬合結(jié)果可通過最小二乘法擬合得出：H=7.275 7t0.504 8。

2.3 實(shí)驗(yàn)中水頭損失情況

裝置內(nèi)水頭損失可通過測壓管水位差計(jì)算得出。含沙水向下入滲時，由于下滲緩慢，且過水?dāng)嗝娴乃σ夭蛔儯鞯南聺B過程則可認(rèn)為只有沿程水頭損失 (忽略不計(jì)局部水頭損失)。

hf=Δh

(2)

式中：Δh為測壓管水位差，cm。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)濾出水穩(wěn)定時，可計(jì)算出土壤向下每10 cm深度處水頭損失，水頭損失隨土層深度的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 水頭損失隨土層深度的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between head loss and soil depth

達(dá)西定律：

V=kJ

(3)

式中：V為過水?dāng)嗝嫫骄魉伲琧m/min；J為水力坡度；k為滲透系數(shù)。

若滲流的水力梯度J以微分形式表示，則J=-dH/ds，dH為兩斷面間測壓管水位差，ds為流程。由含沙水入滲率隨時間的變化圖可知，入滲率隨時間的變化呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，入滲率先迅速減小再緩慢減小。由達(dá)西定律知，滲透系數(shù)k是一個定值，若過水?dāng)嗝嫫骄魉贉p小，則水力坡度J在減小，實(shí)驗(yàn)中上下每相鄰兩個測壓管間的距離為10 cm，即流程是個定值，所以土層由上到下每相鄰兩斷面間測壓管水頭差會變小，水頭損失則隨土壤深度增大呈逐漸增大趨勢。

2.4 濾出水流量、含沙量變化規(guī)律及濾出水中的泥沙顆粒粒徑分布

每根濾水管單獨(dú)濾水時經(jīng)每天每隔8h觀測1次濾出水流量、含沙量，所得3個處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 三個處理濾出水流量隨時間的變化圖Fig.8 Three process filtered water flow rates over time

圖9 裝置濾出水含沙量隨時間的變化圖Fig.9 Device's filtered water sediment content change over time

圖10 裝置濾出水中泥沙顆粒粒徑分布圖Fig.10 Device to filter out sediment particles in water

由圖8可知，每個處理以每小時每米計(jì)算濾出水流量，處理2濾出水流量最大。由圖9可知，裝置濾出水含沙量最大值為0.43 kg/m3，可用于微灌[8]。濾出水含沙量隨時間延長呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢。由于每根濾水管濾出水含沙量太低，無法用激光粒度分布儀分別觀測其粒徑分布，所以將每根濾水管濾出水收集在一起，自然蒸發(fā)，待其濃度較大時，再觀測總體濾出水中泥沙顆粒粒徑分布，其結(jié)果如圖10所示。劉璐等人[9]研究發(fā)現(xiàn)泥沙粒徑在0.1 mm以下時，敏感堵塞粒徑為0.03～0.04 mm，本實(shí)驗(yàn)中，在此范圍內(nèi)泥沙僅占10%。任改萍等人[10]研究發(fā)現(xiàn)對于微灌灌水器來說，0.10～0.15 mm為敏感堵塞范圍，0.10～0.075 mm與小于0.058 mm粒徑的泥沙相互混合后還有助于減緩灌水器堵塞，本實(shí)驗(yàn)中0.1 mm以上粒徑泥沙僅占0.4%左右，所以裝置濾出水可用于微灌。

2.5 排水量、排水含沙量變化規(guī)律

裝置內(nèi)含沙水的進(jìn)水流量為0.69 m3/h，經(jīng)每天每隔8 h觀測1次排水流量、含沙量，其趨勢如圖11、圖12所示。

圖11 裝置排水流量隨時間的變化圖Fig.11 Diagram of the drainage flow rate of the device over time

圖12 裝置排水含沙量隨時間的變化圖Fig.12 Variation diagram of sediment concentration in plant drainage with time

由圖11可知，排水流量隨時間的延長呈微弱上升趨勢，因?yàn)檠b置的進(jìn)水流量是定值，而濾出水流量總體呈微弱下降趨勢。圖12中排水含沙量呈現(xiàn)出上升趨勢，因?yàn)檫M(jìn)入到裝置中的含沙水會被排水區(qū)排走一部分泥沙，土層表面會沉積另一部分泥沙，且沉積的泥沙會逐漸增多，減小了土壤上部水頭，縮短了含沙水中懸浮泥沙的沉淀時間，進(jìn)而易排走，因此排水含沙量逐漸增大，多數(shù)泥沙通過非全流過濾方式排走，降低了裝置堵塞發(fā)生率。

2.6 濾出水含沙量與排水含沙量之比

將裝置的濾出水含沙量與排水含沙量作比值，得到圖13所示結(jié)果。結(jié)果表明，濾出水含沙量與排水含沙量的比值隨時間的延長，呈現(xiàn)出減小趨勢，因?yàn)檠b置濾出水中含沙量不斷減小，排水中含沙量在不斷增大。

圖13 濾出水與排水含沙量比值隨時間的變化圖Fig.13 The variation diagram of the ratio of filtrated water and drainage sediment with time

3 結(jié) 語

通過“PVC打孔濾水管+無紡布+石英砂+土壤”過濾裝置做5 cm定水頭引黃灌區(qū)含沙水(進(jìn)水含沙量2 kg/m3、流量0.69 m3/h)非全流過濾模擬實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)以單位時間、單位長度管道濾出水流量觀測，短水平管濾出水流量最大；

(2)裝置濾出水含沙量較低，可用于微灌；

(3)裝置濾出水中大于0.1 mm泥沙僅占0.4%左右，裝置除沙效果較好。

□