加氣對不同流道結構滴頭堵塞的影響

郭 慶，張二信，楊建飛

（1.楊凌職業技術學院，陜西楊凌712100；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100；3.周至縣農業農村局，西安710400）

0 引言

合理利用黃河水灌溉是緩解農業用水短缺的有效途徑之一。然而，目前引黃灌區面臨著水肥利用率低、過度施肥造成的土壤質量與作物品質低下等諸多挑戰[1]。加氣灌溉具有提高水肥利用率、土壤質量、作物品質和產量等優點[2-5]，有助于解決引黃灌區所面臨的問題。加氣灌溉在蔬菜、大田作物和果樹種植上具有廣闊的應用前景，已被廣泛關注和研究。地下滴灌是實現加氣灌溉最有效的灌水方式，但滴頭作為滴灌系統的核心部件，易被水中雜質堵塞，從而降低了滴灌系統使用壽命[6]。因此，探明固體懸浮物質、微生物及化學離子等在流道滯留、累積造成滴頭堵塞的機理，探尋合理的抗堵塞技術一直是該領域的研究重點[7]。

滴頭堵塞一般包括物理、化學和生物堵塞，而泥沙顆粒在流道內發生絮凝沉降造成的物理堵塞最為常見[8]。滴頭流道結構和尺寸大小是影響滴頭堵塞的重要因素[9]。如，楊彬等[10]研究發現圓角梯形滴頭抗堵塞性優于直角梯形。劉燕芳等[11]發現截面尺寸較大的片式滴頭不易發生堵塞。馮吉等[12]發現滴頭齒尖附近顆粒物跟隨性越好，其抗堵塞性越強。王文娥等[13]認為改變流道結構能夠改善流場分布，有助于提高滴頭的抗堵塞能力。除滴頭流道結構外，水質也是影響滴頭堵塞的重要因素，如泥沙粒徑、機械組成和含沙量等不同可能會改變水流對懸浮顆粒的拖拽力，進而改變懸浮顆粒的跟隨性及水流對其的運輸能力，最終影響滴頭的抗堵塞能力[14]。此外，還有研究表明，水中加氣會改變水的密度、黏滯系數及水流流動特性，進而會影響滴頭的堵塞過程。劉安等[15]研究發現，加氣產生的微納米氣泡具有較強的毛細作用力，能夠強化疏水礦物顆粒的上浮過程。趙玉龍等[16]研究表明，加氣改變了微礦物顆粒之間的碰撞概率與黏附作用從而影響著水流對顆粒的輸移。Wang 等[17]發現加氣改變了垂直于壁面的流速梯度，降低了流體對壁面的沖擊從而減小了水流受到壁面的摩擦阻力。

目前，加氣灌溉的研究主要集中在對土壤理化性質影響研究上，而對加氣灌溉條件下不同流道結構滴頭堵塞的研究較少，且其影響機理尚不明確。因此，本文選取了4種不同流道結構的滴頭，通過短周期堵塞試驗，分析加氣條件下不同流道結構滴頭的堵塞過程及主要影響因素，為加氣滴灌系統滴頭的抗堵塞管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 滴 頭

依據劉露等[18]人的研究，內鑲貼片式滴頭更適用于黃河水灌溉，因此本試驗選用抗堵塞性能較好的內鑲貼片式滴頭作為研究對象，其特征參數如表1所示。由于黃河中易造成滴頭堵塞的黏性泥沙顆粒（粒徑小于0.05 mm）占比達80%之多[19]，為此本研究選用最大粒徑為0.05 mm 的高嶺土作為試驗用沙來配置渾水。

表1 試驗用滴頭特征參數Tab.1 Characteristic parameters of test dripper

1.2 試驗裝置

試驗裝置由加氣裝置和抗堵塞測試平臺組成，如圖1所示。加氣裝置為水肥氣耦合設備（型號FRGW-10，河南豐潤環?？萍加邢薰旧a，加氣產生的微氣泡最大粒徑為15μm）。加氣裝置的最優加氣壓力為0.45～0.46 MPa，最優加氣時長5 min。加氣后水呈乳白色，其溶氧量為8.36～8.45 mg/L（DO200 型溶氧儀測定）?？苟氯麥y試平臺由操作臺（長6 m，高0.6 m，寬0.5 m）、蓄水桶（直徑0.6 m，高0.6 m）、攪拌機（功率0.75 kW）、水泵（功率0.75 kW，揚程60 m）、吸水管、回水管、閥門、回水槽、壓力表（量程0.2 MPa，精度20%）及鋪設的毛管（長度6 m）組成。

1.3 試驗方案和方法

本研究將4種滴頭的滴灌帶分別在2種灌水處理（加氣/未加氣）下進行試驗，試驗時間為2020年5-7月，配置含沙量為0.5 g/L 的渾水，進行短周期間歇性灌水試驗。工作壓力為0.1 MPa，灌水持續時長3 h，間歇時長0.5 h。每次灌水結束前10 min，測定各滴頭流量，每組重復3 次，取平均值，每個處理累計灌水10 次。灌水結束后，將滴灌帶靜置一夜后取下放置通風處晾干，解剖并收集毛管淤積物和滴頭堵塞物，清洗測試平臺，更換新的毛管進行后續試驗。

1.4 測定指標與方法

本文采用平均相對流量和克里斯琴森均勻度系數來評價滴頭整體的堵塞程度，其計算公式[20,21]如下：

平均相對流量Dra：

克里斯琴森均勻度系數Cu：

堵塞率η：

式中：q0為滴頭初始流量（即清水流量），L/h；qi為第i個滴頭的流量，L/h；n為滴頭總數，個；為滴灌帶滴頭平均流量，L/h；nc為發生堵塞的滴頭個數。

當平均相對流量Dra<75%，灌水均勻系數Cu<85%時，認為滴頭發生了堵塞[22]。

2 結果與分析

2.1 加氣對滴頭堵塞動態變化的影響

滴頭平均相對流量及灌水均勻度隨灌水次數的變化過程如圖2所示。隨著灌水次數的增加，加氣處理滴頭E4 的相對流量和灌水均勻度下降速率小于未加氣處理，滴頭E1～E3 則相反。試驗結束時，加氣處理滴頭E4 的相對流量和均勻度較未加氣處理高30.91% 和10.85%，滴頭E1～E3 則分別低20.83%～26.11%和10.27%～43.27%。

在灌水初期，各處理的滴頭相對流量和均勻度保持在較高的水平，加氣與未加氣處理之間無明顯的差異，加氣對該階段滴頭流量的影響較小。當灌水5 次后，加氣處理的滴頭E1 和E3 發生明顯堵塞，流量小于初始流量的75%，而未加氣處理的流量大于75%。灌水10 次后，加氣處理的各滴頭均發生了嚴重堵塞，未加氣處理的滴頭E1、E3和E4也發生嚴重堵塞，而滴頭E2 未發生堵塞。灌水結束時，滴頭E1、E2、E3和E4 加氣處理的相對流量較未加氣處理低26.11%、22.97%、20.83%和-30.91%，均勻度分別低10.27%、43.23%、32.64%和-10.85%。

各處理滴頭相對流量方差分析（表2）結果表明，加氣處理和流道結構對滴頭堵塞具有極顯著的影響，且二者交互作用也顯著影響滴頭堵塞（P<0.01）。

表2 試驗結果方差分析Tab.2 Analysis of variance of test results

對滴頭堵塞率變化情況進行了統計，結果如表3所示?？梢钥闯?，加氣加快了滴頭E1～E3 堵塞速率，減緩了滴頭E4 堵塞速率。滴頭E1～E3加氣處理的堵塞率比未加氣處理高5.5%～33.4%，滴頭E4則低44.5%。

表3 不同灌水次數時的滴頭堵塞率%Tab.3 Emitter clogging ratio at different irrigation time

灌水4 次后，滴頭E3、E4 最先發生堵塞，堵塞率分別為5.6%和11.1%，加氣和未加氣處理之間無明顯差異，表明加氣對灌水初期滴頭堵塞的影響較小。灌水8次后，所有處理的滴頭發生了不同程度的堵塞，其中滴頭E3和E4加氣處理與未加氣處理間的差異性最大，加氣處理的堵塞率比未加氣處理分別高22.2%和-22.2%，而滴頭E1和E2加氣與未加氣間的差異性較小。這說明此時加氣對滴頭E3、E4影響大于滴頭E1和E2。灌水結束時，滴頭E1、E2 和E3 加氣處理的堵塞率比未加氣處理分別高33.4%、5.5%、27.8%，滴頭E4則低44.5%。

2.2 加氣對不同結構滴頭相對流量與灌水均勻度關系的影響

滴頭相對流量和灌水均勻度的擬合結果如圖3所示。滴頭的灌水均勻度和相對流量具有協同變化趨勢，隨著灌水次數的增加，灌水均勻度和相對流量基本同步減小。從相對流量和均勻度的擬合斜率可以看出，滴頭E1和E4在加氣和未加氣條件下的斜率均小于1，滴頭均勻度下降的速率小于相對流量的下降速率。說明這兩種滴頭堵塞進程較均勻，滴頭E1 加氣條件下的斜率為0.685，明顯小于未加氣條件下的0.995，而滴頭E4則相反，滴頭E3在加氣條件下和未加氣條件下的斜率均大于1，且差異性較小，說明該滴頭較易出現突發性堵塞現象，滴頭E2加氣條件下的斜率為1.264，明顯大于未加氣條件下的0.278。由此可發現加氣對滴頭的堵塞過程影響很大，而對滴頭堵塞的影響結果與流道結構密切相關。

2.3 加氣對滴頭及毛管淤積物質量的影響

不同處理毛管淤積物及滴頭堵塞物統計結果如圖4所示。加氣處理滴頭堵塞物和毛管淤積物與未加氣處理差異性顯著(P<0.05)。加氣處理滴頭E1～E3 流道和毛管淤積泥沙質量大于未加氣處理。未加氣處理滴頭流道淤積物和毛管淤積物質量分別為18.34～36.29 mg/mm2和5.64～10.17 g，加氣處理的則為33.89～41.78 mg/mm2和9.85～14.53 g，較未加氣處理分別增加10.94%～88.71%和36%～74.65%。加氣處理滴頭E4 毛管淤積泥沙質量大于未加氣處理，流道淤積物則相反。未加氣處理滴頭E4 流道內淤積物和毛管淤積物質量分別為42.29 mg/mm2和8.04 g，加氣處理的則為16.13 mg/mm2和11.42 g，較未加氣處理分別降低162.2%和-42.04%。

2.4 影響加氣灌溉滴頭堵塞的主要因素

滴頭特征參數與滴頭平均相對流量的相關性分析結果如表4所示。未加氣處理滴頭流道類型、流道長和入口柵欄面積對滴頭堵塞的影響達到顯著水平（P<0.05），滴頭流量不顯著。加氣處理滴頭流量、流道長、入口柵欄面積和滴頭類型對滴頭堵塞影響均達到了顯著水平。加氣處理入口柵欄面積的相關性系數大于未加氣處理，滴頭入口柵欄面積順序為E4>E2>E3>E1（表1），未加氣處理滴頭堵塞程度順序為E2>E3>E1>E4，加氣處理滴頭堵塞程度順序則為E4≈E2>E3≈E1（圖2）。說明入口柵欄面積對未加氣處理滴頭堵塞的影響較小，而對加氣處理滴頭堵塞的影響較大，滴頭柵欄面積越大，加氣處理滴頭越不易發生堵塞。

表4 特征參數與平均相對流量相關性分析Tab.4 Correlation Analysis of characteristic parameters and average relative flow

3 討 論

前人研究發現，加氣能夠改變水流的湍流特性，增大水流流速，有助于提升泥沙啟動強度、減緩泥沙沉積[23-25]。本研究發現加氣加速了泥沙在毛管內的沉積，增加了毛管沉積泥沙質量，加劇了E1～E3 滴頭堵塞（圖2 和圖4），這與前人研究結果存在差異，這可能泥沙特性不同導致的。周雅慧等[26]研究發現，加氣產生的微氣泡對粒徑為500μm 的微顆粒具有夾帶作用，能夠降低該顆粒在水流中發生沉降的風險。本研究使用最大粒徑為50μm 的黏粒，因其黏結力較強[27]，隨水流易黏附于流道和毛管內壁，因而表現為加氣增大了泥沙在毛管內的沉積。李成祥等[28]研究發現，微氣泡對泥沙顆粒的作用受其表面活性物質的影響，活性物質特性決定了微氣泡流動速度及對固體顆粒的傳質效率。陳文勝等[29]發現微細粒粒徑會影響顆粒與微氣泡之間的碰撞、吸附作用，進而影響微顆粒之間的團聚。此外，加氣對泥沙輸移的影響還與微氣泡粒徑有關。荊樹勵等[30]發現，泥沙絮團密度隨著微納米氣泡的平均粒徑的增大呈現出先增大后減小再逐漸趨于平緩的趨勢，絮團與氣泡的碰撞效率和吸附效率隨著微納米氣泡平均粒徑的增加呈現出先增長后減小的趨勢。因此，水流中微氣泡粒徑不同使得局部水流的流速以及水力特性不同，從而對泥沙顆粒表現出不同的運移規律[31]。

王逍遙等[32]研究了加氣對滴頭堵塞的影響，發現加氣能夠提高滴頭的抗堵塞性，這與本試驗結論不完全相同。本研究中加氣雖然增大了泥沙顆粒在毛管內的沉積，但對于不同流道結構滴頭的流道淤影響不同，加氣增大了直齒形流道滴頭E1～E3 流道泥沙淤積量，減少了弧齒形流道滴頭E4 流道淤積量。這是因為弧齒形結構能夠減緩流道邊界的突變程度，減少流道內低速形成區所占的比重，同時齒尖圓弧化使的漩渦充分發展，降低齒尖處湍動能的耗損，提高了水流的流速，減緩了堵塞物在流動滯止區的附著和淤積，提升水流對流道壁面的自清洗能力[33]。因此，滴頭E4 表現出流量變幅較小、穩定性、抗堵塞性能較強的特性（圖2和表2）。武鵬等[34]研究發現弧形迷宮流道抗堵塞性能優于齒形，并且其抗堵性隨滴頭直線段增長而降低。本研究還發現加氣灌溉條件下入口柵欄面積是決定加氣對滴頭堵塞影響的重要因素，且滴頭的抗堵塞性能隨著柵欄面積的增大而增大。劉燕芳等[35]也發現滴頭入口柵欄尺寸較大的滴頭抗堵塞性較強，這與本試驗觀點相同。

因此，建議加氣灌溉選擇流道入口柵欄面積較大的滴頭，為避免毛管淤積堵塞，可以考慮毛管鋪設時，讓滴頭在毛管頂部位置。

4 結論

（1）加氣增大了滴頭E1～E4 毛管淤積物質量，較未加氣處理增加36%～74.65%；加氣增大了滴頭E1～E3 流道淤積物質量，較未加氣增加10.94%～88.71%，降低了滴頭E4 流道堵塞物質量，較未加氣減少162.2%。

（2）加氣加劇了黏性顆粒在毛管內的沉降，加快了入口柵欄面積較小的滴頭（E1、E2 和E3）堵塞，減緩了入口柵欄面積較大的滴頭（E4）堵塞。灌水結束時，加氣處理的滴頭E1～E3 相對流量比未加氣處理低20.83%～26.11%，滴頭E4 則高30.91%。

（3） 加氣處理的滴頭堵塞狀況與額定流量、迷宮流道長、入口柵欄面積、流道類型密切相關，但與入口柵欄面積的相關性最高，入口柵欄面積越大，滴頭越不易發生堵塞，而未加氣處理沒有此現象。