基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

王新端，白 丹 ※，宋立勋，郭 霖

（1.西安理工大学水利水电学院，西安 710048；2.西安工程大学理学院，西安 710048）

0 引 言

滴灌灌水器的性能直接影响到滴灌系统的灌溉质量，目前评价灌水器性能的指标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对进口压力的敏感程度，主要用流态指数来评价灌水器的水力性能，即流态指数越小越好[2]。影响流态指数的一个因素是灌水器的流道形式，主要影响流道的消能方式[3-4]，如常用的迷宫式流道[5]、压力补偿式流道[6]，以及近年来研发的绕流式流道[7]、分形流道[8]、分流式流道[9]、双向流道[10-12]等；另一个因素是流道结构参数，主要影响流道内水流的运动方式，相同的流道形式、不同结构参数的灌水器，水力性能差异很大[13-15]。灌水器堵塞问题已成为滴灌技术推广的一大障碍[16-18]，在实际应用中，即使水质良好且有完备的沉淀过滤措施，仍然有部分细小颗粒泥沙进入灌水器流道，在流道内沉积、固结导致灌水器堵塞[19-21]。目前对灌水器抗堵性能还缺乏公认的评价指标。在抗堵性能试验研究中，一般是在一个固定的灌水器进口压力下，经过多次灌水和停水循环试验，测试每次浑水试验灌水器的流量值，与其在同一压力下的清水流量值进行对比，以评价灌水器的抗堵性能[22]；随着试验次数的增加，浑水试验灌水器的流量值总体呈下降趋势，所以这是一个动态的评价指标。从灌水器性能的研究过程来看，目前对水力性能和抗堵性能的研究相互独立，即在清水条件下研究水力性能及其影响因素[23-24]；在浑水条件下研究引起灌水器堵塞的因素及堵塞机理[25-29]；灌水器整体性能的优劣需要综合水力性能及抗堵性能的结果进行评价[30]。但水力性能和抗堵性能往往相互冲突，利用上述方法难以客观评价灌水器的整体性能。

在滴灌田间管网中受到管网水头损失和地形高差的影响，在田间管网不同位置，灌水器进口压力差别较大，用某一固定压力下灌水器浑水流量与清水流量的比值来评价抗堵性能，并不合理；另一方面水力性能评价指标是针对清水的，但实际应用时细小颗粒泥沙不可避免地会进入流道，其在流道中的沉积，改变了流道的形状和糙率，引起水力性能的变化，所以清水条件下测试的水力性能，即流态指数，难以客观反映滴灌灌水器在田间运行的实际情况。

针对以上存在的问题，借鉴灌水器水力性能和抗堵性能的研究成果，本文以双向流道和迷宫式流道为研究对象；通过浑水试验，研究细颗粒泥沙在流道中的沉积过程对灌水器水力性能的影响，探讨灌水器水力性能对泥沙沉积累积效应的动态响应机制，分析浑水试验中灌水器流态指数动态变化的成因，为评价滴灌灌水器整体性能和产品研发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

与文献[31]为同一研究，故试验材料和方法均同文献[31]。选取3种结构参数不同的双向流道灌水器（1＃，2＃，3＃）和1种迷宫式流道灌水器（0＃）在同等试验条件下进行浑水滴灌试验，研究浑水试验中 4种灌水器流量及水力性能的变化。双向流道结构、结构参数的选取及定义见文献[31]。迷宫式流道宽1 mm，深0.8 mm，长度80 mm，流道单元数为20个；1＃，2＃，3＃这3种双向流道灌水器的分水装置与边壁的间距分别为0.8、0.8、0.9 mm；挡水装置齿尖与分水装置的间距分别为0.8、0.7、0.7 mm；挡水装置与边壁的间距分别为 0.6、1.0、1.0 mm；挡水装置与分水装置最大过水通道宽度分别为1.4、1.3、1.0 mm；挡水装置底柱高分别为0.3、0、0.9 mm。

浑水试验用土经由自然风干、研磨后采用120目（孔径为0.125 mm）筛网筛出，土样泥沙颗粒组成见表1。试验浑水含沙率为30 g/L。

表1 浑水泥沙颗粒组成Table 1 Soil mechanical composition in muddy water

1.2 试验设计及计算方法

试验分清水和浑水试验2部分，均在50、75和100 kPa进口压力下分别进行。清水试验主要测量4种灌水器在3个进口压力下的流量，并计算其流态指数。浑水试验采用周期性间歇灌水测试方法，主要测定 4种灌水器在 3个进口压力下，每次浑水试验的流量，并计算其流态指数，分析灌水器随灌水次数增加，流量及流态指数的变化规律。清水试验和浑水试验的具体试验方法及步骤，见文献[31]。参考 GB/T17187-2009《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》[32]的要求及迷宫式流道灌水器抗堵塞试验的相关研究[33]，搭建试验装置，用于灌水器清水及浑水试验。试验装置及装置中各部件的具体参数见文献[31]。

灌水器流态指数x、k计算同文献[34]。k反映流量波动程度，其值越小，流量变动越小；x反映灌水器流量对进口压力变化的敏感程度，是影响灌水均匀度的重要参数，当进口压力偏差一定，较低的流态指数意味着较小的流量偏差，即较好的灌水均匀性。

一般用浑水试验灌水器流量与相同进口压力下的清水流量的比值（即相对流量）来评价灌水器抗堵性能，灌水器的相对流量越小，其抗堵塞能力越差；当相对流量＜75%，即认为灌水器发生了堵塞[35]。

1.3 灌水器试件加工

灌水器试件加工材料与方法见文献[31]。根据试验设计，为了保证浑水试验的准确性，3个进口压力下，在每个进口压力试验时，均采用新的试件进行试验，每次试验测试5个灌水器试件（结构参数均相同），因此每种灌水器共计加工 3×5=15个试件，整个试验共计加工4×15=60个试件。

2 结果与分析

2.1 不同压力下灌水器浑水流量变化

不同进口压力下，将试验结果绘制为流量-灌水次数曲线图，4种灌水器浑水流量随试验次数的变化见图1，其中qi为不同进口压力下，灌水器在第i次(i=1，2，3，…，20)浑水试验时的流量。

图1 浑水试验灌水器流量变化过程Fig.1 Changing process of emitters flow rate over irrigation times in muddy water experiment

从图1可以看出，浑水试验中，在50、75和100 kPa进口压力下，4种灌水器的流量均呈现下降趋势，表明4种灌水器都发生不同程度的泥沙沉积，导致流量下降。1#，2#和 3#双向流道灌水器清水流量、浑水试验后的相对流量及显著性分析结果，见表2。

由表2可知，3个进口压力下，双向流道灌水器的浑水流量均在相同进口压力条件下清水流量的 75%以上，即未到达堵塞标准[35]；而由图 2可知，迷宫式流道灌水器，分别在第12、13和15次完全堵塞，泥沙沉积较为严重，表明双向流道在较高含沙率下仍有较好的抗堵塞能力，主要因为双向流道的结构不同于迷宫式流道，双向流道形成的正、反 2股对冲水流强烈混掺，提高了水流挟沙能力，增强了双向流道抗堵塞能力。显著性分析结果表明，不同进口压力下，3种双向流道灌水器的流量及相对流量差异显著；清水条件下，3#流量最大，1#其次，2#最小；抗堵性能3#最优，2#其次，1#最差；因此，双向流道灌水器的抗堵性能并不完全随流量的增大而提高，流道结构是影响抗堵性能的重要因素[31]，改变流道结构从而改善流道内流场的分布，提高流道挟沙能力能有效防止堵塞发生，与迷宫式流道的相关研究结果一致[25]。

表2 灌水器清水流量、相对流量及显著性分析Table 2 Flow rate and relative flow rate of emitters and difference significance analysis

2.2 浑水试验灌水器流态指数变化

4种灌水器每次浑水试验的流态指数ix（i为灌水次数，i=1，2，3，…，20）见图2。

图2 浑水试验灌水器流态指数变化趋势Fig.2 Change trend of flow index in muddy water experiment

同文献[31]，清水试验时 0＃～3＃流量系数分别为0.2393、0.5170、0.4265、0.5100；流态指数分别为0.4728、0.4247、0.4467、0.4625。由图2可知，随着浑水试验次数的增加，流态指数总体趋势是越来越大，在此条件下，流态指数是动态变化的，反映了流道中泥沙沉积的累积效应对其水力性能的动态影响。浑水试验后，迷宫式流道流态指数的平均值为 0.8267，相比清水时流态指数的平均值（0.4728）增大74.85%；1#，2#和3#双向流道流态指数的平均值分别为0.5881，0.6310，0.6764，相比清水时流态指数的平均值（分别为0.4247，0.4467，0.4625）增大幅度分别为38.47%，41.26%，46.25%。可见，浑水试验中 4种灌水器的流态指数均大于清水试验时的值，水力性能均变差。

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

由表3可知，4种灌水器的水力性能差异显著，且双向流道灌水器的水力性能整体上优于迷宫式流道灌水器。清水试验时，3种双向流道，1#水力性能最优，2#其次，3#较差；浑水试验后，水力性能优劣顺序仍与清水时一致；说明清水条件下水力性能优良的流道结构在浑水条件下仍能保持较好的水力性能；清水条件流道的优化设计对浑水条件的水力性能仍具有重要影响。由2.1的分析可知，3种双向流道，3#抗堵性能最优，2#其次，1#较差，说明双向流道水力性能和抗堵性能相互制约，这与迷宫式流道的研究结果一致[19]。

2.3 浑水试验灌水器流态指数动态变化成因

为了分析浑水试验中灌水器流态指数动态变化的原因，引入灌水器流量变化率的概念，即在设定的压力变化范围内，对第i次浑水试验，灌水器在最大压力与最小压力下的流量差与最小压力下流量的比值称为灌水器第i次浑水试验的流量变化率，见式(1)。

式中riq 为灌水器第i次浑水试验的流量变化率(i=1，2，3，…，20)，%；max_,piq 、min_,piq 分别为浑水试验中，灌水器在最大、最小进口压力下，第i次浑水试验时的实测流量值，L/h。

将4种灌水器在最大（100 kPa）、最小（50 kPa）进口压力下，每次浑水试验的流量值，代入式（1），即可得到每次浑水试验灌水器的流量变化率，见表4。

当进口压力为50 kPa时，0#灌水器在第12次浑水试验时发生了完全堵塞，因此表4中从第12次灌水试验开始不再讨论其在整个压力区间的流量变化率。由表 4可知，进口压力从50 kPa提高到100 kPa时，4种灌水器流量变化率波动较大，亦即流量对压力变化的敏感性动态变化，因此导致其流态指数波动也较大（有时大有时小，由图2验证）。如0#迷宫式流道灌水器流量变化率在最小值48.21%和最大值79.64%之间波动，导致其流态指数在0.5664和0.8267之间波动；双向流道灌水器流态指数波动程度整体上低于迷宫式流道，其动态变化情况类似于迷宫式流道灌水器。

分析原因认为，浑水试验中流道的泥沙沉积不完全是一直累积增加的，流道中同时存在泥沙沉积、水流冲刷的反复过程，有时在较低的进口压力下流道泥沙沉积程度加剧，流量降低程度增大；而在较高的进口压力下，流道沉积泥沙被水流冲刷，沉积程度减弱，流量降低程度减小（由图1验证）。两方面的综合作用，使得灌水器流量变化率增大，流态指数增大[32]。相反的情况同样存在，使得灌水器流量变化率减小，流态指数减小。浑水试验中流量变化率的动态波动（有时大有时小），导致流态指数出现相同的波动趋势。

表4 浑水试验灌水器流量变化率Table 4 Rate of emitter discharge change in muddy water experiment%

清水试验后流道流量变化率记作清,rq，计算方法如下：

式中q清,p_max和q清,p_min分别为清水试验中，流道在最大、最小进口压力下的实测流量值，L/h。

将清水试验结果代入式（2）即可得到清水试验后 4种灌水器的流量变化率。依据表4，可分别获取第11次迷宫式流道灌水器和第20次双向流道灌水器浑水试验的流量变化率，如图3所示。由图3可知，试验设定的进口压力范围内，4种灌水器浑水流量变化率均大于清水试验，说明流道泥沙沉积后，流量对进口压力变化的敏感程度增加，即在相同的压力变动范围内，灌水器的流量变化率均增大，水力性能下降。迷宫式流道灌水器清水试验时流量变化率为39.21%，浑水试验后增加到79.64%，相比清水时增大40.43%；1#，2#和3#双向流道灌水器清水试验时流量变化率分别为：34.92%，36.33%，37.97%，浑水试验后分别增加到52.15%，55.76%，60.30%，相比清水时分别增大17.23%，19.43%，22.33%；迷宫式流道灌水器流量变化率增大程度大于双向流道灌水器，说明迷宫式流道灌水器水力性能受泥沙沉积程度的影响大于双向流道灌水器，这是其水力性能相对双向流道灌水器下降较大的重要原因。

图3 清水和浑水试验后灌水器流量变化率对比Fig.3 Comparison of rate of emitter discharge change after rinsing and muddy water experiment

3 结论与建议

研究不同灌水器水力性能，结论如下：

1） 灌水器堵塞进程随灌水次数动态变化，在一定的进口压力变化范围内，每次灌水时灌水器的流量变化并不相同，进而引起灌水器浑水流态指数动态波动。文中提出的基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法，可为客观评价滴灌灌水器在田间运行的实际性能提供参考。

2）随着灌水次数增加，灌水器流道中泥沙沉积的累积效应导致其水力性能越来越差；浑水试验后，迷宫式流道灌水器浑水流态指数比清水时增大74.85%，1#，2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%，41.26%，46.25%；泥沙沉积对双向流道灌水器水力性能的影响小于迷宫式流道灌水器。

3）双向流道灌水器的水力性能整体上优于迷宫式流道灌水器；清水条件下水力性能优良的流道结构在浑水条件下仍能保持较好的水力性能；灌水器流道结构形式及结构参数对灌水器整体性能有显著影响，为进一步提高双向流道灌水器性能提供了科学依据。

文中初步研究了滴灌灌水器流道泥沙沉积引起水力性能变化的动态过程，结果表明流道中泥沙的沉积导致其水力性能下降较大，泥沙沉积对灌水器水力性能有重要影响。提出的基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法，可综合反映灌水器浑水流量对进口压力变化和泥沙沉积的敏感程度，对评价灌水器性能具有参考意义。进一步可研究浑水条件下灌水器水力性能的变化规律，为优化滴灌双向流道结构参数提供科学依据，提升双向流道对多泥沙地表水源的适应性。