关于微润灌水器流量分布影响及堵塞分析研究

王振忠

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114039)

关于微润灌水器流量分布影响及堵塞分析研究

王振忠

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114039)

微润灌水器在应用过程中,土壤毛管吸力是水分运动的动力,因此,研究田间土壤的实地环境对灌水器性能的影响具有重要意义,微润灌水器在设计时充分考虑到其他微灌灌水器易堵塞的问题,采用导水芯结构,具有可移动的特点,通过移动导水芯位置一方面有利于导水芯纤维束吸附的颗粒淋洗,同时可以清洗缓冲腔内累积的沉淀,从而迅速降低堵塞影响。

流量变异系数;灌水时间;流量分布;堵塞性能

新型微润灌溉系统是一种新型的节水型灌溉系统，本次测试试验对从某厂生产的500个吸力式微润灌水器中，随机抽取25个样品进行检验。试验装置包括水箱、水泵、过滤器、调压阀、压力表、微润灌水器、毛管、集水桶及排气阀等部分，其中将25个微润灌水器等距离地安装在5段同样的输水管上。

1 微润灌水器水力性能测试试验结果与分析

1.1 微润灌水器制造偏差

(1)恒压条件下微润灌水器流量变异系数。图1为随机抽样的新型微润灌溉系统吸力式微润灌水器在工作压力为0.02MP a时的出流情况，流量在6.7～7.2L·h-1之间变化。根据方差分析结果得出，随机抽取的样品之间流量没有显著差异;流量变异系数均在1.7%～7.0%之间变化，均值为5%。参照农用灌溉设备相关标准，滴灌滴头流量变异系数不大于7%，即新型吸力式微润灌水器制造偏差与滴灌相近，符合农用灌溉设备生产标准。

图1 制造偏差对微润灌水器流量的影响

(2)灌水时间对变异系数的影响。微润灌水器流量变异系数随灌水时间的变化如图2所示。从图2可以看出，不同工作压力条件下，流量变异系数均随灌水时间的增加呈现增大的趋势。

图2 灌水时间对微润灌水器流量变异系数的影响

在试验运行的前4d，流量变异系数仍接近滴灌滴头流量变异系数规范，但在运行4d后，流量变异系数高于滴头运行流量变异系数标准，这是由于灌水器运行初期，流量较大，随着灌水器工作运行时间的增加，导水芯在导水过程中长期浸泡膨胀，发生微小的形态变化，或者由于导水芯吸附细小颗粒造成堵塞导致流量变异系数增大，因此，从流量变异系数变化试验结果看，使用吸力式微润灌水器一次连续灌溉宜控制在4d之内。

2.2 微润灌水器压力流量关系

吸力式微润灌水器在不同工作压力下平均流量值如图3所示。

图3 压力流量关系

从图3中可以看出，随着压力的增大，微润灌水器平均流量增大，根据试验所得多组压力和流量值进行回归分析:

式中:q—平均流量，L·h-1;k—流量系数，取K= 130.15;H—工作压力，m;x—流态指数，取x= 0.84＞0.5，即灌水器内水的流态为光滑流或者半紊流，流量受压力变化的影响较大。

2.3 流量分布均匀系数

(1)压力对微润灌水器流量分布的影响。本研究对不同压力下的流量均匀度进行了测试，不同压力下流量均匀分布系数如图4所示。

图4 压力与水量分布均匀系数的关系

通过分析可知随着工作压力的增加，灌溉水分布均匀系数先增大后减小，由于流量变异系数增大，导致灌水器出水流量不均匀增加，因此，在微润灌应用过程中，为保证灌水均匀，工作压力应控制在0.018～0.025MP a之间。

(2)灌水时间对水量分布均匀系数的影响。微润灌水器流量空间分布随灌水时间的变化表明，在工作压力0.01MP a下，第一次灌水结束时，流量在1.05～1.98L·h-1之间变化，变幅为0.93L·h-1; 2.5、4.5和6.5h后，流量分别在1.17～1.76L· h-1、0.96～1.49L·h-1和0.87～1.43L·h-1之间变化，变幅分别为0.59、0.53和0.56L·h-1。工作压力0.02MP a时，流量明显高出0.01MP a时的出流量，第一次灌水结束时，流量在3.39～4.91L·h-1之间变化，变幅为 1.52L·h-1;2.5、4.5和6.5h后，流量分别在3.15～4.70L·h-1、2.91～4.35L·h-1和2.75～4.08L·h-1之间变化，变幅分别为1.55、1.44和1.33L·h-1;说明流量空间变异随着灌水时间的增加而逐渐减小，这主要是由于灌水器出水流量随灌水时间的增加趋于稳定导致。

图5 不同工作压力条件下流量均匀分布系数随时间的变化

灌水时间对水量分布均匀系数的影响如图5所示，从图中可以看出随着灌水时间的增加，水量均匀分布系数有减小的趋势，故增大水压有利于维持较高的灌水均匀度。

3 微润灌水器堵塞性能试验

3.1 微润灌水器堵塞性能测试装置和方法

3.1.1 堵塞性能测试装置

测试将这5段灌水器输水管材与供水装置连接，堵上末端，向管道内充水，排气后逐渐加大水压至10c m压力水头，保压10m i n，试验过程中保持压力波动在2%以内。

3.1.2 堵塞试验设计

根据田间灌溉水中引起滴头堵塞的固体颗粒主要是沙粒，选取沙粒作为试验用固体颗粒，测试分为8个阶段，对于每个阶段，通过逐步增加更粗粒径颗粒和浓度来实现，各阶段颗粒浓度见表1。

表1 各阶段沙粒浓度(mg·L-1)和沙粒粒径的分布情况

测试灌水器滴头数为25个，测试压力分别为0.5和1.0m压力水头，毛管末端流速控制在1m·s -1±20%。测定程序见表2。

表2 滴头堵塞测试程序

3.2 测试试验结果与分析

3.2.1 微润灌水器堵塞性能

由图6可知在0.005MP a压力水头下，灌水器在第1阶段加沙后已经开始堵塞(加入小于53μ m粒径沙粒8.25g，53～75μ m粒径沙粒5.25g，75～90μ m粒径沙粒1.05g，90～106μ m粒径沙粒0.45g)，加沙后灌水器的平均流量为清水时流量的2.52%。第2阶段加沙后(加入小于53μ m粒径沙粒1.95g，53～75μ m粒径沙粒10.35g，75～90μ m粒径沙粒1.35g，90～106μ m粒径沙粒0.9g，106～125μ m粒径沙粒0.45g)，滴头堵塞，出流量接近0。当工作压力为0.01MP a时，微润灌水器抗堵能力和压力0.005MP a时相近，灌水器在第1阶段加沙后已经开始堵塞，加沙后灌水器的平均流量为清水时流量的3.04%。第2阶段加沙后，滴头几近完全堵塞。

图7为不同工作压力和灌水器出流量随沙粒浓度的变化，从图7中可以看出，微润灌水器出流量均随沙粒浓度的增加而递减，但不同工作压力条件下差异不显著。

3.2.2 微润灌水器堵塞分析

吸力式微润灌水器从缓冲腔到接管口有6m m长，泥沙从接管口进入缓冲腔后无法出来，慢慢沉淀在缓冲腔内，堵住缓冲腔和导水芯相接的出水口，并且在导水芯纤维束孔中累积，造成流道减小，灌溉水无法流出，这可能是导致灌水器堵塞的主要原因。吸力式微润灌水器在第1阶段加沙即堵塞，而第1阶段加沙的粒径主要为53μ m，所以在实际运行中，为了减少微润灌水器的堵塞，可以在首部系统加一个270目筛网过滤器，净化灌溉用水，以保证灌水器的正常运行。

图6 各试验阶段灌水器堵塞性能

4 结语

新型微润灌溉系统继承了传统滴灌省水、保持地温的优点，与其他节水灌溉技术相比实现了更进一步的节水。同时，新型微润灌溉设备工作所需压力仅为0.018～0.025Mpa之间，除了蓄水过程需要耗能外，灌溉过程全部可以实现自压式灌溉，进一步实现了节能和节电。通过以上试验研究，恒压条件下，随机抽选的微润灌水器流量变异系数约为5%，接近A级滴灌设备产品指标;为了尽可能保证流量均匀，在工作过程中微润灌工作压力推荐控制在0.018～0.025MP a范围内为宜。同时微润灌水器出流量随沙粒浓度的增加指数递减，在实际运行中，为了减少微润灌水器的堵塞，建议在首部系统加一个270目筛网过滤器，净化灌溉用水，防止堵塞，保证灌水器的正常运行。

S277.9+5

B

1008-1305(2016)05-0090-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.031

2016-01-27

王振忠(1962年—)，男，高级工程师。