黄河水滴灌系统灌水器结构-泥沙淤积-堵塞行为的相关关系研究

侯 鹏，肖 洋，吴乃阳，王海军，马永久，李云开

（1.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083；2.唐山致富塑料机械有限公司，河北 唐山 064100；3.甘肃亚盛亚美特节水有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 研究背景

合理利用黄河水进行农业灌溉，已成为缓解黄河沿线灌区水资源紧缺问题的有效途径之一[1]，滴灌因其精量可控的优点而有望成为黄河水灌溉最为高效利用的方式之一，扩大滴灌面积有望成为提高黄河水灌溉效率的重要途径[2]。但黄河水含沙量较高，可达3.7～26.5 kg/m3[3]，由此引起的灌水器堵塞已成为制约黄河水滴灌应用推广的瓶颈问题[4]。

沉淀与过滤是解决高含沙水源滴灌系统灌水器堵塞最为常用的选择[5-6]，但目前仅对粗颗粒泥沙为主的高含沙水源具有较为成熟的模式[7-8]，对于以细颗粒泥沙（＜63 μm）为主的黄河水等高含沙水源仍没有较为成功的解决方案[9]。采用沉淀与过滤措施处理高浓度细颗粒泥沙难度较大，在于细颗粒泥沙沉降速度慢导致沉沙池大且成本高[10]；同时，细颗粒泥沙过滤需求的过滤器目数较高，导致自动反冲洗频繁，能耗高[11]。那么转换思路，利用细颗粒泥沙粒径小的特点使其直接通过灌水器排出，这就需要摸清细颗粒泥沙在灌水器内部的输移、淤积特性。目前主要通过控制水源粒径进行灌水器内部淤积泥沙特征的探究，刘璐等[12]和Niu 等[13]发现当水源中粒径在30～40 μm之间的泥沙较多时灌水器堵塞风险急剧增加。总体而言，目前灌水器流道结构与内部淤积泥沙、堵塞特性参数间的相关关系尚不明确，针对灌水器内部淤积泥沙含量与粒径分布等动态变化的研究也有待深入开展。

为此，本文在内蒙古河套灌区开展了黄河水滴灌灌水器堵塞原位试验，旨在：（1）明确堵塞发生过程中灌水器内部淤积泥沙含量、粒径分布等动态变化特征；（2）确定灌水器结构-淤积泥沙特性-堵塞特性参数间级联关系。

2 材料与方法

2.1 试验设置本试验在内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县北的河套灌区乌兰布和灌域试验站进行（N 40°24′32"，E 107°02′19"），地处干旱、半干旱、半荒漠草原地带，测试平台主要由水源、过滤系统和滴灌带三部分组成，如图1所示。滴灌水源取自续灌渠道-乌审干渠（直接自黄河取水），多月悬移质含沙量在1.8～2.3 kg/m3，试验运行时间为7—10月，该时间段年际泥沙含量较高，经沉沙池沉淀静置24 h 后再引入水池中供试验使用，水质参数如表1所示。过滤系统选用砂石过滤器（粒径滤料1～2 mm）+150 目叠片过滤器组合模式。过滤系统连接2 套滴灌系统，每套系统放置3种滴灌带，且滴灌带首部安装二级分流调压装置与小型叠片过滤器，保持滴灌系统稳定的工作压力（100 kPa）。滴灌带分4层布设，每层布设相同滴灌带8 条，单条长度15 m、包含50个灌水器。测试平台每日运行9 h（7∶00—12∶00，14∶00—18∶00），累积运行60 h进行一次毛管冲洗。冲洗时打开系统尾部冲洗阀门，并通过主管道阀门与电磁流量计控制冲洗流速在0.45 m/s[14]，每次冲洗5 min，冲洗完成后关闭冲洗阀门并调整系统运行压力至100 kPa。

图1 试验系统布置

表1 水源水质参数

依据冯吉[15]等人的研究，片式灌水器更适用于黄河水灌溉，因此本试验选取冯吉等人试验中抗堵塞性能较好的6种片式灌水器进行测试，灌水器流道结构参数的测量采用上海光学仪器厂生产的JC-10 读数显微镜（测量精度0.01 mm，量程4 mm）与游标卡尺（测量精度为0.02 mm），每种灌水器重复测试3个。灌水器的流道参数（长度L、深度D、宽度W、断面面积A、宽深比W/D和面积长度比A1/2/L）、外特性参数（流量Q、断面平均流速v）如表2所示，流道结构参数示意图如图2所示。

表2 灌水器流道结构参数

图2 灌水器流道结构参数示意

2.2 取样测试方法

2.2.1 灌水器流量及堵塞特性评估 滴灌系统灌水器运行60 h对滴灌带（50个灌水器）进行一次流量测试，共计13 次，共计运行780 h。测试采用称重法[16]，流量校正方法参考Pei 等[17]的方法以消除水温和局部压力变化等因素对测试结果的影响，校正后的流量用以计算相对平均流量（Average dis⁃charge variation rate，Dra）[18]和克里斯琴森均匀系数（Christiansen coefficient of uniformity，CU）[19]，灌水器堵塞程度定义为平均流量下降程度。

2.2.2 灌水器流道内淤积泥沙取样与干重测试为了分析不同堵塞程度下灌水器内泥沙的淤积特性，参照Li 等[16]的试验，在灌水器Dra 降至90%、80%、70%、60%、50%左右时，破坏一根滴灌管进行内部淤积泥沙取样测试。其干重测试方法为：选取3个灌水器，机械剥开后，放置于内含20 mL 去离子水的自封袋中，置于超声波清洗仪（厂商：超威；型号：GVS10L；工作功率：240W；频率：60 Hz）中处理1 h，再用毛刷等工具剥落灌水器内部剩余泥沙，采用电子天平（厂商：舜宇恒平；型号：FA2004；精度：10-4g）称量初始状态与烘干后的灌水器样品重量，两次差值即为沉积泥沙干重。

2.2.3 泥沙分布测试与体积分数的提取 水源、过滤器出口、灌水器内部淤积的泥沙特征参数采用激光粒度分析仪（Mastersizer2000，英国马尔文公司）测试，其中水源中样品取自过蓄水池内，过滤器出口样品取自最后一级过滤器出口，灌水器内部样品则通过上节方法获取。分析仪搅拌器速度为2500 r/min，遮光范围10%～20%。测试前，将0.3～0.4 g 样品装入50 mL 三角瓶中，加几滴去离子水浸润样本后，加入H2O2并进行砂浴加热。在冷却后的三角瓶中加入1 mL 分散剂（由于供试样品为碱性，选择六酸磷酸钠作为分散剂），35 mL 去离子水，静置后测试粒径分布。

为表征灌水器内部淤积泥沙的分布特征，依据美国农业部制粒径分级[20]划分黏粒（d≤2 μm）、粉粒（2 μm≤d≤50 μm）和砂粒（d≥50 μm）；D5、D50、D95为累计粒度分布比例分别达到5%、50%、95%时对应的粒径，D5与D95所对应的粒径区间内包含90%的泥沙颗粒，因此将其作为灌水器内部沉积细颗粒泥沙粒径主要粒径区间，泥沙比表面积淤积量为流道单位表面积上所淤积的泥沙量。为表征淤积粒径的整体分布特征，引入颗粒物粒径分布体积分形维数[21]，其计算方法参考管孝艳等[22]的研究。

2.2.4 灌水器之间抗堵塞性能评估 根据Zhou 等[23]的方法来评估灌水器之间抗堵塞能力相对大小，本文将FE1 灌水器作为参考灌水器，通过与其他灌水器的堵塞性能参数（包括Dra、CU）进行相关性分析，线性拟合斜率与1的相对大小即不同灌水器间的堵塞性能差异。

2.3 统计分析采用回归分析方法量化灌水器结构参数、堵塞特征参数（Dra、CU）和泥沙特性指标（黏粒、粉粒、砂粒比例）间的相关性，在这些过程中，独立变量的显著性在p＜0.05时确定。建立D50与其影响因素的多元线性关系的过程中，使用方差膨胀系数（VIF）排除影响因素间的多重共线性。上述统计过程均使用SPSS（版本17.0，IBM Analytics）进行。

3 结果与分析

3.1 灌水器堵塞特性的动态变化6种灌水器Dra、CU的动态变化如图3（a）（b）所示。从中可以看出，随着运行时间的增加，Dra、CU 均呈现出先缓慢下降后快速下降的趋势，以FE1为例，灌水器运行360 h 后，灌水器Dra、CU 仅下降至88.6%、83.9%，而运行至780 h时，Dra、CU 下降至49.0%、26.1%。系统运行780 h 后，各灌水器Dra 降低至42.9%～50.0%之间，CU 降低至21.2%～38.2%之间。灌水器间Dra、CU 存在明显差异，以FE1为对照，灌水器间Dra和CU 相关关系如图3（c）（d）所示，表明不同灌水器间Dra和CU 存在显著线性相关性（p＜0.05），其中，FE6的Dra和CU与FE1 灌水器拟合斜率相对最小，FE5、FE1、FE3、FE4、FE2 依次次之。

图3 Dra、CU 动态变化

3.2 灌水器内部泥沙淤积的动态变化泥沙特性指标（泥沙含量、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、D5、D50、D95、分形维数）随系统运行时间的动态变化如图4所示，系统运行780 h 后，灌水器内部泥沙比表面积淤积量在2.1～3.9 mg/mm2之间，泥沙的粒径范围主要为0.9～201.9 μm。各工况条件下灌水器内部泥沙均表现为粉粒比例最高（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%的过程中，灌水器中内部淤积泥沙含量增加3.6～6.2倍，D50、D95由18.1～27.11μm、75.5～160.4 μm 增加为22.2～30.5 μm、95.1～201.9 μm，D5无明显变化，泥沙粒径级配也呈现显著变化，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%。

图4 泥沙特性参数动态变化

图5 泥沙特性参数与Dra 相关关系

3.3 灌水器内部淤积泥沙特性与Dra、CU动态变化的相关性分析 Dra、CU与泥沙特性指标（比表面积淤积量、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、D5、D50、D95、分形维数）拟合关系如图5和图6所示，显著性分析结果见表3。

图6 泥沙特性参数与CU 相关关系

表3 泥沙特性参数与Dra、CU 显著性分析

从图5、图6和表3中可以看出，随着泥沙比表面积淤积量增加，灌水器Dra、CU 均呈现显著的下降趋势（p＜0.05）。不同灌水器淤积泥沙粒径组成之间均差异显著（p＜0.05），其中粉粒比例与Dra、CU 显著正相关，砂粒比例与两者显著负相关（p＜0.05），而黏粒比例对Dra、CU 并无显著影响（仅FE2、FE5、FE6 三种灌水器达到显著性水平），综合表现粒径级配的分形维数与Dra、CU 间也未表现出显著相关关系。另一方面，泥沙粒径级配参数D50、D95与Dra、CU 呈显著正相关关系（p＜0.05），但D5的影响不显著。灌水器内部中值粒径D50粒径大小明显差异，表现为FE6中值粒径最大，其次为FE5、FE1、FE3、FE4、FE2，该顺序与Dra、CU的拟合相对斜率顺序一致；不同灌水器D95粒径大小表现为FE4 最大，其次为FE2、FE1、FE6、FE3、FE5。

3.4 灌水器结构与淤积泥沙特征参数的相关性分析灌水器结构参数（灌水器流道长度L、深度D、宽度W、断面面积A、流道宽深比W/D和流道面积长度比A1/2/L）、外特性参数（流量Q、断面平均流速v）与泥沙特性参数（泥沙比表面积淤积量、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、D5、D50、D95、分形维数）的拟合相关系数R2如表4所示。灌水器结构参数L、W、D、A 以及外特性参数Q与8种泥沙特性参数间均无显著相关关系；无量纲参数W/D 以及v与中值粒径D50、比表面积淤积量具有显著相关关系（p＜0.05），A1/2/L也与中值粒径D50显著相关，分形维数仅在50%堵塞程度下与无量纲参数W/D、A1/2/L以及v 显著相关（p＜0.05），与其他泥沙特性参数间无显著相关关系。考虑到v与W/D、A1/2/L 存在共线性（VIF＞10），将W/D、A1/2/L 作为变量与50%堵塞程度下的D50进行定量拟合分析，结果如式4所示（R2＞0.70，p＜0.05）。

表4 泥沙特性参数与结构参数显著性分析

4 讨论

4.1 不同粒径泥沙在灌水器内部的淤积与排出行为差异在本文采用的过滤措施下，发现灌水器内部泥沙比表面积淤积量在2.1～3.9 mg/mm2（淤积总量为0.1～0.3 g），运行时间内进入滴灌毛管中的泥沙总量（灌水器出流流量与水源固体悬浮颗粒物浓度乘积） 约为315.2～1230.7 g，且吴乃阳[24]等人的研究表明单位长度（1 m）毛管中泥沙淤积量为3个灌水器泥沙淤积总量的2.7～9.7倍，同时，假设毛管冲洗可以排出了毛管内所有的泥沙，则毛管冲洗排出的泥沙总量为3.4～4.9 g，也意味着99%以上的细颗粒泥沙通过灌水器排出体外，这说明灌水器具有非常好的排沙能力，但究竟哪些泥沙淤积下来，都还不明确。本文研究发现灌水器内部沉积颗粒主要以粉粒为主，黏粒、砂粒比例较少，淤积泥沙粉粒、砂粒、黏粒含量分别为57.1%～71.7%、20.1%～37.7%、5.2%～9.9%，对比过滤器出口泥沙粒径分布而言（表5），粉粒含量明显降低而砂粒和粉粒占比明显增加。这可能是由于灌水器排出砂粒对水的跟随性相对较差，因而排出能力相比黏粒和粉粒较弱，致使其在流道内部大量淤积所致[12]。同时，6种灌水器内部淤积泥沙的主要粒径范围在0.9～201.9 μm，明显高于毛管入口泥沙的粒径范围0.4～71.0 μm（表5），表明灌水器内部还存在着极为显著的泥沙聚集行为，这也是造成砂粒比例增加的原因之一。其聚集行为主要由于泥沙颗粒在碰撞过程中会产生絮凝黏结[25-26]，通过该作用聚集的细颗粒泥沙在通过激光粒度分析仪分析的这种分析方法下泥沙不易被分散开[27-28]，在这与泥沙颗粒表面的双电层结构以及颗粒间的范德华力密切相关[29]，同时也受到微生物、介质离子等因素的影响[27，30]。考虑到本研究粒径测试过程中经过H2O2沙浴加热，则可能会导致大部分微生物造成的黏结被破坏[31]，但也会一定程度上增强泥沙颗粒间的黏结力[32]。除此之外，泥沙聚集的主要原因为细颗粒泥沙比表面积较大，在表面负电荷的作用下表面形成吸附水膜，并相互接触产生较强的黏结力作用[33]使颗粒之间相互结形成粒径较大的团聚体[34]；同时，水中的各种阳离子与负电荷特性的泥沙形成双电层结构，产生盐絮凝现象[29]，随着时间推进泥沙聚集行为更明显，团聚体粒径也会逐步增大[26]。

表5 引黄滴灌过滤系统逐级泥沙分布特征

除此之外，随着堵塞程度的加剧，也会导致灌水器内部淤积泥沙中黏粒、粉粒比例降低，砂粒比例增加。这可能是由于泥沙的累积导致灌水器流道断面面积减小，在相同的工作压力下流道断面平均流速增大，水流挟沙能力增强[35]，但砂粒在流道内部的水流跟随性的提升与黏粒和粉粒的提升相比较小，导致黏粒、粉粒在灌水器内的沉积比例进一步减小。同时，灌水器Dra、CU与粉粒比例、砂粒比例显著相关，与黏粒比例无显著关系，主要由于粉粒、砂粒比例较高，黏粒比例较低。

4.2 不同类型灌水器的泥沙淤积差异大量研究表明流道结构参数显著影响着灌水器的抗堵塞能力[15，36-37]，目前也建立了综合灌水器结构参数的CRI[38]、Ia[39]等灌水器抗堵塞性能评价指标。本文也发现灌水器流道结构参数和外特性参数对泥沙淤积影响显著，灌水器v、W/D 以及A1/2/L 三项参数与沉积泥沙中值粒径呈显著相关关系。灌水器流道中，较大的流速v 意味着较大的流动剪切力，更易将流道中淤积的泥沙冲刷掉[15]；流道W/D 越小，意味着流道主流区域较小，水流对流道壁面的冲刷面积较小，泥沙颗粒易在流道中淤积，相反流道W/D 越大，受到水流冲刷而脱落的泥沙颗粒较多[15，40]。

不同灌水器中，Dra、CU与D50、D95显著相关，与D5无显著关系，主要由于D5粒径较小，在湍流作用下较易随水排出[23]。对于D95与D50，均可在一定程度上表征灌水器内部淤积泥沙粒径大小，从而间接表征灌水器的挟沙能力，但与D95不同，不同灌水器中D50的对比排序与灌水器Dra、CU 较为一致，由此，本文采用D50间接表征灌水器的相对排沙能力；同时，建立了通过W/D、A1/2/L对灌水器间接排沙能力评估参数（D50）的预测方法（式（4）），基于该方法对灌水器结构参数W/D、A1/2/L进行适配优化来提升灌水器排出粒径，并且高含沙水滴灌灌水器流道进水口与拐角处泥沙堵塞较为严重[12，40]，因此结合漩涡洗壁设计理念[41]，有望设计出具备高自排沙能力的适用于引黄灌溉系统的灌水器。在此基础上，可以进一步调控灌水器内部聚集的泥沙阈值，提升引黄滴灌灌水器的抗堵塞能力。

然而，本研究仅探究了单一过滤模式下的灌水器内部淤积泥沙特性，并未建立可表征灌水器排沙能力的参数。建议进一步研究黄河水不同粒径级配及不同过滤组合模式对灌水器内部沉积泥沙的影响，建立适宜黄河水滴灌系统的灌水器排沙能力评估指标。

5 结论

本文通过在内蒙古河套灌区开展黄河水滴灌灌水器堵塞原位试验，在一种常规过滤模式下，探究了灌水器内部淤积泥沙含量和粒径分布的动态变化，得到的主要结论如下：（1）黄河水滴灌系统灌水器内部泥沙粒径的主要范围为0.9～201.9 μm，其中粉粒、砂粒、黏粒比例依次为57.1%～71.7%、20.1%～37.7%、5.2%～9.9%；随着运行时间的增加，黏粒、粉粒比例相对下降，而砂粒比例相对增加；（2）淤积泥沙含量、砂粒比例、D50、D95与滴灌系统Dra、CU 呈显著负相关关系（p＜0.05），粉粒比例与Dra、CU 呈现正相关关系（p＜0.05），其余泥沙特性指标与Dra、CU 无显著关系；（3）无量纲参数W/D 以及v与D50、比表面积淤积量具有显著相关关系（p＜0.05），无量纲参数A1/2/L 仅与中值粒径D50显著相关，其余结构参数与泥沙特性指标并无显著相关关系。