黃河水滴灌系統灌水器結構-泥沙淤積-堵塞行為的相關關系研究

侯 鵬，肖 洋，吳乃陽，王海軍，馬永久，李云開

（1.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083；2.唐山致富塑料機械有限公司，河北 唐山 064100；3.甘肅亞盛亞美特節水有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 研究背景

合理利用黃河水進行農業灌溉，已成為緩解黃河沿線灌區水資源緊缺問題的有效途徑之一[1]，滴灌因其精量可控的優點而有望成為黃河水灌溉最為高效利用的方式之一，擴大滴灌面積有望成為提高黃河水灌溉效率的重要途徑[2]。但黃河水含沙量較高，可達3.7～26.5 kg/m3[3]，由此引起的灌水器堵塞已成為制約黃河水滴灌應用推廣的瓶頸問題[4]。

沉淀與過濾是解決高含沙水源滴灌系統灌水器堵塞最為常用的選擇[5-6]，但目前僅對粗顆粒泥沙為主的高含沙水源具有較為成熟的模式[7-8]，對于以細顆粒泥沙（＜63 μm）為主的黃河水等高含沙水源仍沒有較為成功的解決方案[9]。采用沉淀與過濾措施處理高濃度細顆粒泥沙難度較大，在于細顆粒泥沙沉降速度慢導致沉沙池大且成本高[10]；同時，細顆粒泥沙過濾需求的過濾器目數較高，導致自動反沖洗頻繁，能耗高[11]。那么轉換思路，利用細顆粒泥沙粒徑小的特點使其直接通過灌水器排出，這就需要摸清細顆粒泥沙在灌水器內部的輸移、淤積特性。目前主要通過控制水源粒徑進行灌水器內部淤積泥沙特征的探究，劉璐等[12]和Niu 等[13]發現當水源中粒徑在30～40 μm之間的泥沙較多時灌水器堵塞風險急劇增加?？傮w而言，目前灌水器流道結構與內部淤積泥沙、堵塞特性參數間的相關關系尚不明確，針對灌水器內部淤積泥沙含量與粒徑分布等動態變化的研究也有待深入開展。

為此，本文在內蒙古河套灌區開展了黃河水滴灌灌水器堵塞原位試驗，旨在：（1）明確堵塞發生過程中灌水器內部淤積泥沙含量、粒徑分布等動態變化特征；（2）確定灌水器結構-淤積泥沙特性-堵塞特性參數間級聯關系。

2 材料與方法

2.1 試驗設置本試驗在內蒙古自治區巴彥淖爾市磴口縣北的河套灌區烏蘭布和灌域試驗站進行（N 40°24′32"，E 107°02′19"），地處干旱、半干旱、半荒漠草原地帶，測試平臺主要由水源、過濾系統和滴灌帶三部分組成，如圖1所示。滴灌水源取自續灌渠道-烏審干渠（直接自黃河取水），多月懸移質含沙量在1.8～2.3 kg/m3，試驗運行時間為7—10月，該時間段年際泥沙含量較高，經沉沙池沉淀靜置24 h 后再引入水池中供試驗使用，水質參數如表1所示。過濾系統選用砂石過濾器（粒徑濾料1～2 mm）+150 目疊片過濾器組合模式。過濾系統連接2 套滴灌系統，每套系統放置3種滴灌帶，且滴灌帶首部安裝二級分流調壓裝置與小型疊片過濾器，保持滴灌系統穩定的工作壓力（100 kPa）。滴灌帶分4層布設，每層布設相同滴灌帶8 條，單條長度15 m、包含50個灌水器。測試平臺每日運行9 h（7∶00—12∶00，14∶00—18∶00），累積運行60 h進行一次毛管沖洗。沖洗時打開系統尾部沖洗閥門，并通過主管道閥門與電磁流量計控制沖洗流速在0.45 m/s[14]，每次沖洗5 min，沖洗完成后關閉沖洗閥門并調整系統運行壓力至100 kPa。

圖1 試驗系統布置

表1 水源水質參數

依據馮吉[15]等人的研究，片式灌水器更適用于黃河水灌溉，因此本試驗選取馮吉等人試驗中抗堵塞性能較好的6種片式灌水器進行測試，灌水器流道結構參數的測量采用上海光學儀器廠生產的JC-10 讀數顯微鏡（測量精度0.01 mm，量程4 mm）與游標卡尺（測量精度為0.02 mm），每種灌水器重復測試3個。灌水器的流道參數（長度L、深度D、寬度W、斷面面積A、寬深比W/D和面積長度比A1/2/L）、外特性參數（流量Q、斷面平均流速v）如表2所示，流道結構參數示意圖如圖2所示。

表2 灌水器流道結構參數

圖2 灌水器流道結構參數示意

2.2 取樣測試方法

2.2.1 灌水器流量及堵塞特性評估 滴灌系統灌水器運行60 h對滴灌帶（50個灌水器）進行一次流量測試，共計13 次，共計運行780 h。測試采用稱重法[16]，流量校正方法參考Pei 等[17]的方法以消除水溫和局部壓力變化等因素對測試結果的影響，校正后的流量用以計算相對平均流量（Average dis?charge variation rate，Dra）[18]和克里斯琴森均勻系數（Christiansen coefficient of uniformity，CU）[19]，灌水器堵塞程度定義為平均流量下降程度。

2.2.2 灌水器流道內淤積泥沙取樣與干重測試為了分析不同堵塞程度下灌水器內泥沙的淤積特性，參照Li 等[16]的試驗，在灌水器Dra 降至90%、80%、70%、60%、50%左右時，破壞一根滴灌管進行內部淤積泥沙取樣測試。其干重測試方法為：選取3個灌水器，機械剝開后，放置于內含20 mL 去離子水的自封袋中，置于超聲波清洗儀（廠商：超威；型號：GVS10L；工作功率：240W；頻率：60 Hz）中處理1 h，再用毛刷等工具剝落灌水器內部剩余泥沙，采用電子天平（廠商：舜宇恒平；型號：FA2004；精度：10-4g）稱量初始狀態與烘干后的灌水器樣品重量，兩次差值即為沉積泥沙干重。

2.2.3 泥沙分布測試與體積分數的提取 水源、過濾器出口、灌水器內部淤積的泥沙特征參數采用激光粒度分析儀（Mastersizer2000，英國馬爾文公司）測試，其中水源中樣品取自過蓄水池內，過濾器出口樣品取自最后一級過濾器出口，灌水器內部樣品則通過上節方法獲取。分析儀攪拌器速度為2500 r/min，遮光范圍10%～20%。測試前，將0.3～0.4 g 樣品裝入50 mL 三角瓶中，加幾滴去離子水浸潤樣本后，加入H2O2并進行砂浴加熱。在冷卻后的三角瓶中加入1 mL 分散劑（由于供試樣品為堿性，選擇六酸磷酸鈉作為分散劑），35 mL 去離子水，靜置后測試粒徑分布。

為表征灌水器內部淤積泥沙的分布特征，依據美國農業部制粒徑分級[20]劃分黏粒（d≤2 μm）、粉粒（2 μm≤d≤50 μm）和砂粒（d≥50 μm）；D5、D50、D95為累計粒度分布比例分別達到5%、50%、95%時對應的粒徑，D5與D95所對應的粒徑區間內包含90%的泥沙顆粒，因此將其作為灌水器內部沉積細顆粒泥沙粒徑主要粒徑區間，泥沙比表面積淤積量為流道單位表面積上所淤積的泥沙量。為表征淤積粒徑的整體分布特征，引入顆粒物粒徑分布體積分形維數[21]，其計算方法參考管孝艷等[22]的研究。

2.2.4 灌水器之間抗堵塞性能評估 根據Zhou 等[23]的方法來評估灌水器之間抗堵塞能力相對大小，本文將FE1 灌水器作為參考灌水器，通過與其他灌水器的堵塞性能參數（包括Dra、CU）進行相關性分析，線性擬合斜率與1的相對大小即不同灌水器間的堵塞性能差異。

2.3 統計分析采用回歸分析方法量化灌水器結構參數、堵塞特征參數（Dra、CU）和泥沙特性指標（黏粒、粉粒、砂粒比例）間的相關性，在這些過程中，獨立變量的顯著性在p＜0.05時確定。建立D50與其影響因素的多元線性關系的過程中，使用方差膨脹系數（VIF）排除影響因素間的多重共線性。上述統計過程均使用SPSS（版本17.0，IBM Analytics）進行。

3 結果與分析

3.1 灌水器堵塞特性的動態變化6種灌水器Dra、CU的動態變化如圖3（a）（b）所示。從中可以看出，隨著運行時間的增加，Dra、CU 均呈現出先緩慢下降后快速下降的趨勢，以FE1為例，灌水器運行360 h 后，灌水器Dra、CU 僅下降至88.6%、83.9%，而運行至780 h時，Dra、CU 下降至49.0%、26.1%。系統運行780 h 后，各灌水器Dra 降低至42.9%～50.0%之間，CU 降低至21.2%～38.2%之間。灌水器間Dra、CU 存在明顯差異，以FE1為對照，灌水器間Dra和CU 相關關系如圖3（c）（d）所示，表明不同灌水器間Dra和CU 存在顯著線性相關性（p＜0.05），其中，FE6的Dra和CU與FE1 灌水器擬合斜率相對最小，FE5、FE1、FE3、FE4、FE2 依次次之。

圖3 Dra、CU 動態變化

3.2 灌水器內部泥沙淤積的動態變化泥沙特性指標（泥沙含量、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、D5、D50、D95、分形維數）隨系統運行時間的動態變化如圖4所示，系統運行780 h 后，灌水器內部泥沙比表面積淤積量在2.1～3.9 mg/mm2之間，泥沙的粒徑范圍主要為0.9～201.9 μm。各工況條件下灌水器內部泥沙均表現為粉粒比例最高（57.1%～71.7%）、砂粒次之（20.1%～37.7%）、黏粒含量最少（5.2%～9.9%）。在Dra 由90%降低至50%的過程中，灌水器中內部淤積泥沙含量增加3.6～6.2倍，D50、D95由18.1～27.11μm、75.5～160.4 μm 增加為22.2～30.5 μm、95.1～201.9 μm，D5無明顯變化，泥沙粒徑級配也呈現顯著變化，黏粒、粉粒比例下降16.1%～18.8%、7.1%～9.1%，砂粒比例增加20.3%～30.5%。

圖4 泥沙特性參數動態變化

圖5 泥沙特性參數與Dra 相關關系

3.3 灌水器內部淤積泥沙特性與Dra、CU動態變化的相關性分析 Dra、CU與泥沙特性指標（比表面積淤積量、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、D5、D50、D95、分形維數）擬合關系如圖5和圖6所示，顯著性分析結果見表3。

圖6 泥沙特性參數與CU 相關關系

表3 泥沙特性參數與Dra、CU 顯著性分析

從圖5、圖6和表3中可以看出，隨著泥沙比表面積淤積量增加，灌水器Dra、CU 均呈現顯著的下降趨勢（p＜0.05）。不同灌水器淤積泥沙粒徑組成之間均差異顯著（p＜0.05），其中粉粒比例與Dra、CU 顯著正相關，砂粒比例與兩者顯著負相關（p＜0.05），而黏粒比例對Dra、CU 并無顯著影響（僅FE2、FE5、FE6 三種灌水器達到顯著性水平），綜合表現粒徑級配的分形維數與Dra、CU 間也未表現出顯著相關關系。另一方面，泥沙粒徑級配參數D50、D95與Dra、CU 呈顯著正相關關系（p＜0.05），但D5的影響不顯著。灌水器內部中值粒徑D50粒徑大小明顯差異，表現為FE6中值粒徑最大，其次為FE5、FE1、FE3、FE4、FE2，該順序與Dra、CU的擬合相對斜率順序一致；不同灌水器D95粒徑大小表現為FE4 最大，其次為FE2、FE1、FE6、FE3、FE5。

3.4 灌水器結構與淤積泥沙特征參數的相關性分析灌水器結構參數（灌水器流道長度L、深度D、寬度W、斷面面積A、流道寬深比W/D和流道面積長度比A1/2/L）、外特性參數（流量Q、斷面平均流速v）與泥沙特性參數（泥沙比表面積淤積量、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、D5、D50、D95、分形維數）的擬合相關系數R2如表4所示。灌水器結構參數L、W、D、A 以及外特性參數Q與8種泥沙特性參數間均無顯著相關關系；無量綱參數W/D 以及v與中值粒徑D50、比表面積淤積量具有顯著相關關系（p＜0.05），A1/2/L也與中值粒徑D50顯著相關，分形維數僅在50%堵塞程度下與無量綱參數W/D、A1/2/L以及v 顯著相關（p＜0.05），與其他泥沙特性參數間無顯著相關關系?？紤]到v與W/D、A1/2/L 存在共線性（VIF＞10），將W/D、A1/2/L 作為變量與50%堵塞程度下的D50進行定量擬合分析，結果如式4所示（R2＞0.70，p＜0.05）。

表4 泥沙特性參數與結構參數顯著性分析

4 討論

4.1 不同粒徑泥沙在灌水器內部的淤積與排出行為差異在本文采用的過濾措施下，發現灌水器內部泥沙比表面積淤積量在2.1～3.9 mg/mm2（淤積總量為0.1～0.3 g），運行時間內進入滴灌毛管中的泥沙總量（灌水器出流流量與水源固體懸浮顆粒物濃度乘積） 約為315.2～1230.7 g，且吳乃陽[24]等人的研究表明單位長度（1 m）毛管中泥沙淤積量為3個灌水器泥沙淤積總量的2.7～9.7倍，同時，假設毛管沖洗可以排出了毛管內所有的泥沙，則毛管沖洗排出的泥沙總量為3.4～4.9 g，也意味著99%以上的細顆粒泥沙通過灌水器排出體外，這說明灌水器具有非常好的排沙能力，但究竟哪些泥沙淤積下來，都還不明確。本文研究發現灌水器內部沉積顆粒主要以粉粒為主，黏粒、砂粒比例較少，淤積泥沙粉粒、砂粒、黏粒含量分別為57.1%～71.7%、20.1%～37.7%、5.2%～9.9%，對比過濾器出口泥沙粒徑分布而言（表5），粉粒含量明顯降低而砂粒和粉粒占比明顯增加。這可能是由于灌水器排出砂粒對水的跟隨性相對較差，因而排出能力相比黏粒和粉粒較弱，致使其在流道內部大量淤積所致[12]。同時，6種灌水器內部淤積泥沙的主要粒徑范圍在0.9～201.9 μm，明顯高于毛管入口泥沙的粒徑范圍0.4～71.0 μm（表5），表明灌水器內部還存在著極為顯著的泥沙聚集行為，這也是造成砂粒比例增加的原因之一。其聚集行為主要由于泥沙顆粒在碰撞過程中會產生絮凝黏結[25-26]，通過該作用聚集的細顆粒泥沙在通過激光粒度分析儀分析的這種分析方法下泥沙不易被分散開[27-28]，在這與泥沙顆粒表面的雙電層結構以及顆粒間的范德華力密切相關[29]，同時也受到微生物、介質離子等因素的影響[27，30]?？紤]到本研究粒徑測試過程中經過H2O2沙浴加熱，則可能會導致大部分微生物造成的黏結被破壞[31]，但也會一定程度上增強泥沙顆粒間的黏結力[32]。除此之外，泥沙聚集的主要原因為細顆粒泥沙比表面積較大，在表面負電荷的作用下表面形成吸附水膜，并相互接觸產生較強的黏結力作用[33]使顆粒之間相互結形成粒徑較大的團聚體[34]；同時，水中的各種陽離子與負電荷特性的泥沙形成雙電層結構，產生鹽絮凝現象[29]，隨著時間推進泥沙聚集行為更明顯，團聚體粒徑也會逐步增大[26]。

表5 引黃滴灌過濾系統逐級泥沙分布特征

除此之外，隨著堵塞程度的加劇，也會導致灌水器內部淤積泥沙中黏粒、粉粒比例降低，砂粒比例增加。這可能是由于泥沙的累積導致灌水器流道斷面面積減小，在相同的工作壓力下流道斷面平均流速增大，水流挾沙能力增強[35]，但砂粒在流道內部的水流跟隨性的提升與黏粒和粉粒的提升相比較小，導致黏粒、粉粒在灌水器內的沉積比例進一步減小。同時，灌水器Dra、CU與粉粒比例、砂粒比例顯著相關，與黏粒比例無顯著關系，主要由于粉粒、砂粒比例較高，黏粒比例較低。

4.2 不同類型灌水器的泥沙淤積差異大量研究表明流道結構參數顯著影響著灌水器的抗堵塞能力[15，36-37]，目前也建立了綜合灌水器結構參數的CRI[38]、Ia[39]等灌水器抗堵塞性能評價指標。本文也發現灌水器流道結構參數和外特性參數對泥沙淤積影響顯著，灌水器v、W/D 以及A1/2/L 三項參數與沉積泥沙中值粒徑呈顯著相關關系。灌水器流道中，較大的流速v 意味著較大的流動剪切力，更易將流道中淤積的泥沙沖刷掉[15]；流道W/D 越小，意味著流道主流區域較小，水流對流道壁面的沖刷面積較小，泥沙顆粒易在流道中淤積，相反流道W/D 越大，受到水流沖刷而脫落的泥沙顆粒較多[15，40]。

不同灌水器中，Dra、CU與D50、D95顯著相關，與D5無顯著關系，主要由于D5粒徑較小，在湍流作用下較易隨水排出[23]。對于D95與D50，均可在一定程度上表征灌水器內部淤積泥沙粒徑大小，從而間接表征灌水器的挾沙能力，但與D95不同，不同灌水器中D50的對比排序與灌水器Dra、CU 較為一致，由此，本文采用D50間接表征灌水器的相對排沙能力；同時，建立了通過W/D、A1/2/L對灌水器間接排沙能力評估參數（D50）的預測方法（式（4）），基于該方法對灌水器結構參數W/D、A1/2/L進行適配優化來提升灌水器排出粒徑，并且高含沙水滴灌灌水器流道進水口與拐角處泥沙堵塞較為嚴重[12，40]，因此結合漩渦洗壁設計理念[41]，有望設計出具備高自排沙能力的適用于引黃灌溉系統的灌水器。在此基礎上，可以進一步調控灌水器內部聚集的泥沙閾值，提升引黃滴灌灌水器的抗堵塞能力。

然而，本研究僅探究了單一過濾模式下的灌水器內部淤積泥沙特性，并未建立可表征灌水器排沙能力的參數。建議進一步研究黃河水不同粒徑級配及不同過濾組合模式對灌水器內部沉積泥沙的影響，建立適宜黃河水滴灌系統的灌水器排沙能力評估指標。

5 結論

本文通過在內蒙古河套灌區開展黃河水滴灌灌水器堵塞原位試驗，在一種常規過濾模式下，探究了灌水器內部淤積泥沙含量和粒徑分布的動態變化，得到的主要結論如下：（1）黃河水滴灌系統灌水器內部泥沙粒徑的主要范圍為0.9～201.9 μm，其中粉粒、砂粒、黏粒比例依次為57.1%～71.7%、20.1%～37.7%、5.2%～9.9%；隨著運行時間的增加，黏粒、粉粒比例相對下降，而砂粒比例相對增加；（2）淤積泥沙含量、砂粒比例、D50、D95與滴灌系統Dra、CU 呈顯著負相關關系（p＜0.05），粉粒比例與Dra、CU 呈現正相關關系（p＜0.05），其余泥沙特性指標與Dra、CU 無顯著關系；（3）無量綱參數W/D 以及v與D50、比表面積淤積量具有顯著相關關系（p＜0.05），無量綱參數A1/2/L 僅與中值粒徑D50顯著相關，其余結構參數與泥沙特性指標并無顯著相關關系。