微灌用含沙水非全流过滤模拟实验研究

赵佳奇，田军仓，夏 天，明 特

(1.中卫市水务局，宁夏 中卫 755000；2.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；4.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

0 引 言

《“十三五”新增1亿亩高效节水灌溉面积实施方案》提出，“十三五”期间，全国将新增微灌面积约260.73 万hm2，2020年全国的高效节水灌溉面积能达到2 400 万hm2左右[1]。我国水资源短缺且区域分布不均，北方缺水现象尤为突出，节水灌溉已是当务之急，微灌等设备已进入广大农业生产领域，但是泥沙对微灌设备的堵塞问题一直困扰着人们，尤其是利用引黄灌区含沙水灌溉更是容易堵塞灌水器，市场上一些过滤设备价格高昂，并且对引黄灌区含沙水过滤效果并不理想，在较短时间内就容易堵塞。

田军仓教授[2-4]首次提出并研究了含沙水的非全流过滤，他发明的非全流过滤方法及装置是将过滤与排沙相结合，除沙效果明显，除沙率可达70%。之后，范文波等人[5]设计研究了非全流负压底滤分水自动反冲洗过滤装置，除沙率40.38%，装置运行过程中在反冲洗时，若想连续不断供清水，需避开所有滤层的同时反冲洗，且存在水泵耗能较大等问题。

在田军仓教授研究成果基础上，本文设计了微灌用含沙水非全流过滤模拟实验，用以处理引黄灌区含沙水容易堵塞微灌灌水器问题。

1 非全流过滤装置与设计

1.1 装置及材料

(1)装置由主体部分、供水部分、排水部分、测量控制部分组成。主体部分由渗流槽、无纺布、石英砂、土壤、PVC管组成；测量控制部分由浊度仪(OBS3+)、水表、精密压力表(精度0.01 MPa)组成；供水部分由自吸泵(功率0.25kW)、蓄水池、进水管组成；排水部分由装置的排水区和排水管组成。渗流槽正面为8 mm厚钢化玻璃板，槽身背面有143根测压管。槽的中间区域为过滤区、左右两端区域为溢流排水区。槽内安装1根长3 m水平管、3根长1 m水平管、3根长1 m竖直管作为滤水管(直径均为32 mm、开孔率均为12.18%)。管外分别缠绕铅丝并裹无纺布，然后外裹石英砂滤料，再外填干土，石英砂与干土之间有1层无纺布。见图1～图3。

①-蓄水池；②-搅拌机；③-螺旋桨；④-进水管；⑤-自吸泵；⑥-精密压力表；⑦-水表；⑧渗流槽；⑨⑩-玻璃板；--竖直滤水管；--水平滤水管；--量筒；--水表；--排水管 图1 过滤装置立体图(单位：mm)Fig.1 Filtering device stereogram

①-装置排水孔；②-④-三根短水平滤水管；⑤-⑦-三根竖直滤水管；⑧-长水平滤水管； ⑨-滤水管出水孔 图2 过滤装置俯视图(单位：mm)Fig.2 Top view of filter device

图3 过滤装置实物图Fig.3 Filter device physical map

(2)含沙水中的泥沙选取。泥沙为贺兰山脚附近离水渠出口处约5 m远的田间土壤表层泥沙，泥沙经筛孔为0.5 mm的筛网后，再风干处理。通过激光粒度分布仪(TB-2003)测得粒径分布，如表1所示。

(3)滤料规格参数。经废弃农田取来土壤过4 mm筛孔后，风干处理。土壤、石英砂、无纺布规格参数如表2、表3所示。

1.2 实验方案

在装置水头、进水量、进水含沙量均相同的情况下，设计了“PVC打孔滤水管+无纺布+石英砂+土壤”过滤装置对引黄灌区渠道含沙水进行过滤实验。通过实验确定装置的滤出水中含沙量、滤出水量、排水量与时间的规律。实验设置了3种不同处理，即处理1为竖直管、处理2为短水平管、处理3为长水平管。处理1分为竖1管(S11)、竖2管(S12)、竖3管(S13)；处理2分为平1管(P21)、平2管(P22)、平3管(P23)；处理3即长水平管，方案[6]如表4。

表1 泥沙基本物理性质和水力特性参数Tab.1 Sediment basic physical properties and hydraulic characteristics parameters

表2 土壤基本物理性质和水力特性参数Tab.2 Soil basic physical properties and hydraulic characteristics parameters

表3 针刺无纺土工织物物理、力学性能Tab.3 The physical and mechanical properties of the needle-free geotextile fabrics

表4 实验方案设计Tab.4 Experimental scheme design

1.3 观测指标与方法

(1)滤出水量由桶测法每间隔8 h观测1次。

(2)滤出水中含沙量由浊度仪每间隔8 h检测1次。

(3)滤出水中泥沙颗粒粒径由激光粒度分布仪每间隔8 h检测1次。

(4)进水量用水表观测，进水含沙量由浊度仪监测。

(5)排水量用水表观测，排水含沙量由浊度仪每间隔8 h检测1次。

(6)蓄水池中含沙量由浊度仪监测。

(7)装置内水头损失由背面玻璃管水位差计算得出。

(8)湿润锋运移轨迹可每隔一段时间用记号笔画出相应位置。

(9)通过激光粒度仪测出土壤粒径、环刀烘干法测出干密度、室内常水头法测得土壤饱和导水率。

1.4 实验步骤

(1)滤料装填：先在槽内安装好滤水管及TDR管，然后填石英砂，再按田间土壤容重装填土样，土样装填完毕后密闭静置48 h。

(2)含沙水的配置：根据所定浓度2 kg/m3含沙水来计算所需清水及泥沙量。

(3)进、滤、排水含沙浓度测定：用仪器对样品检测3次，最终取平均值。

(5)数据记录：及时记录装置进水含沙量、流量，含沙水初始入渗时间，滤水管滤出水的时间、滤出水的流量、滤出水中的含沙量、滤出水中的泥沙颗粒粒径，排水管排水流量、排水含沙量等。

2 结果与分析

2.1 湿润锋运移情况

实验中，始终保持装置上方定水头5 cm，其内装填含水率为10%的风干土，根据湿润锋运移轨迹，每间隔2 min画出1条位置线，之后相应延长时间标记位置线，图4为湿润锋累计运移距离。

图4 湿润锋运移随时间的变化图Fig.4 The change of wetting front migration over time

由图4可知，湿润锋通过35.8 h的向下运移到达土层底部。湿润锋在前2 h运移过程中速度最快；2 h后，湿润锋开始出现缓慢向下运移趋势。

2.2 含沙水累计入渗量及入渗率情况

在实验之初，每间隔2 min观测1次水表的进排水量，后续阶段延长时间观测。含沙水累计入渗量、入渗率可计算得出，其趋势如图5、图6所示。

图5 含沙水累积入渗量随时间的变化图Fig.5 The cumulative infiltration of sand containing water over time

图6 含沙水入渗率随时间的变化图Fig.6 The change of the infiltration rate of sand containing water with time

杨素宜[7]通过浑水入渗实验验证了浑水入渗过程同清水入渗过程一样，均可用考斯珈克夫土壤入渗经验模型(Kostiakov-Lewis)两参数或三参数反应土壤水分入渗过程。公式(1)为选用两参数反应土壤水分入渗过程。

H=ktα

(1)

式中：H为累计入渗量，cm；t为入渗时间，h；k、α为入渗时间参数。

拟合结果可通过最小二乘法拟合得出：H=7.275 7t0.504 8。

2.3 实验中水头损失情况

装置内水头损失可通过测压管水位差计算得出。含沙水向下入渗时，由于下渗缓慢，且过水断面的水力要素不变，水流的下渗过程则可认为只有沿程水头损失 (忽略不计局部水头损失)。

hf=Δh

(2)

式中：Δh为测压管水位差，cm。

当实验滤出水稳定时，可计算出土壤向下每10 cm深度处水头损失，水头损失随土层深度的变化关系如图7所示。

图7 水头损失随土层深度的变化关系Fig.7 The relationship between head loss and soil depth

达西定律：

V=kJ

(3)

式中：V为过水断面平均流速，cm/min；J为水力坡度；k为渗透系数。

若渗流的水力梯度J以微分形式表示，则J=-dH/ds，dH为两断面间测压管水位差，ds为流程。由含沙水入渗率随时间的变化图可知，入渗率随时间的变化呈现幂函数关系，入渗率先迅速减小再缓慢减小。由达西定律知，渗透系数k是一个定值，若过水断面平均流速减小，则水力坡度J在减小，实验中上下每相邻两个测压管间的距离为10 cm，即流程是个定值，所以土层由上到下每相邻两断面间测压管水头差会变小，水头损失则随土壤深度增大呈逐渐增大趋势。

2.4 滤出水流量、含沙量变化规律及滤出水中的泥沙颗粒粒径分布

每根滤水管单独滤水时经每天每隔8h观测1次滤出水流量、含沙量，所得3个处理实验结果如图8、图9所示。

图8 三个处理滤出水流量随时间的变化图Fig.8 Three process filtered water flow rates over time

图9 装置滤出水含沙量随时间的变化图Fig.9 Device's filtered water sediment content change over time

图10 装置滤出水中泥沙颗粒粒径分布图Fig.10 Device to filter out sediment particles in water

由图8可知，每个处理以每小时每米计算滤出水流量，处理2滤出水流量最大。由图9可知，装置滤出水含沙量最大值为0.43 kg/m3，可用于微灌[8]。滤出水含沙量随时间延长呈现出逐渐减小趋势。由于每根滤水管滤出水含沙量太低，无法用激光粒度分布仪分别观测其粒径分布，所以将每根滤水管滤出水收集在一起，自然蒸发，待其浓度较大时，再观测总体滤出水中泥沙颗粒粒径分布，其结果如图10所示。刘璐等人[9]研究发现泥沙粒径在0.1 mm以下时，敏感堵塞粒径为0.03～0.04 mm，本实验中，在此范围内泥沙仅占10%。任改萍等人[10]研究发现对于微灌灌水器来说，0.10～0.15 mm为敏感堵塞范围，0.10～0.075 mm与小于0.058 mm粒径的泥沙相互混合后还有助于减缓灌水器堵塞，本实验中0.1 mm以上粒径泥沙仅占0.4%左右，所以装置滤出水可用于微灌。

2.5 排水量、排水含沙量变化规律

装置内含沙水的进水流量为0.69 m3/h，经每天每隔8 h观测1次排水流量、含沙量，其趋势如图11、图12所示。

图11 装置排水流量随时间的变化图Fig.11 Diagram of the drainage flow rate of the device over time

图12 装置排水含沙量随时间的变化图Fig.12 Variation diagram of sediment concentration in plant drainage with time

由图11可知，排水流量随时间的延长呈微弱上升趋势，因为装置的进水流量是定值，而滤出水流量总体呈微弱下降趋势。图12中排水含沙量呈现出上升趋势，因为进入到装置中的含沙水会被排水区排走一部分泥沙，土层表面会沉积另一部分泥沙，且沉积的泥沙会逐渐增多，减小了土壤上部水头，缩短了含沙水中悬浮泥沙的沉淀时间，进而易排走，因此排水含沙量逐渐增大，多数泥沙通过非全流过滤方式排走，降低了装置堵塞发生率。

2.6 滤出水含沙量与排水含沙量之比

将装置的滤出水含沙量与排水含沙量作比值，得到图13所示结果。结果表明，滤出水含沙量与排水含沙量的比值随时间的延长，呈现出减小趋势，因为装置滤出水中含沙量不断减小，排水中含沙量在不断增大。

图13 滤出水与排水含沙量比值随时间的变化图Fig.13 The variation diagram of the ratio of filtrated water and drainage sediment with time

3 结 语

通过“PVC打孔滤水管+无纺布+石英砂+土壤”过滤装置做5 cm定水头引黄灌区含沙水(进水含沙量2 kg/m3、流量0.69 m3/h)非全流过滤模拟实验，得出以下结论：

(1)以单位时间、单位长度管道滤出水流量观测，短水平管滤出水流量最大；

(2)装置滤出水含沙量较低，可用于微灌；

(3)装置滤出水中大于0.1 mm泥沙仅占0.4%左右，装置除沙效果较好。

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