微喷带抗堵塞性能影响因素试验研究

魏 榕，王文娥，胡笑涛，王文娟，徐 茹，王 宇

（西北农林科技大学旱区农业工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

0 引 言

微喷带是直接在薄壁塑料软管上采用激光打孔方法生产的多孔微喷灌节水灌溉设备，具有喷水柔和、易于铺设卷收、价格低廉等优点[1，2]。与滴灌、喷灌等灌溉技术相比，单位长度微喷带流量是滴灌管（带）数倍，单位面积投资低于滴灌系统，工作压力低于喷灌系统，运行成本较低且对作物的打击动能小，近年来在小麦等密植矮秆作物及花卉、蔬菜等经济作物灌溉中得到迅速推广[3，4]。为提高灌水均匀度、减小喷洒水滴的打击动能，微喷带的喷孔孔径较小，多小于1 mm，灌溉水源中含有的沙粒或杂质、未溶解的肥料颗粒会随水进入微喷带，造成微喷带喷孔堵塞，降低微喷灌灌水均匀度[5，6]，影响作物产量[7]。通过试验确定影响微喷带堵塞的原因及规律，对提高微喷带灌溉系统抗堵塞性能及灌水效果有重要实用价值。

微灌系统堵塞问题与微灌灌水器、管道布置、运行条件直接相关，目前关于滴灌灌水器的水力性能和抗堵塞性能研究均较多，微喷带的性能研究主要集中在水力性能方面。张学军等[8]通过试验检测了国内几种典型微喷带的水量分布均匀系数并分析了水量分布均匀系数的主要影响因素。张硕、徐茹等[9，10]通过实验分析了微喷带单孔喷洒特性及影响因素。邸志刚等[11]通过薄壁微喷带喷洒水滴直径试验与喷洒宽度试验，分析了微喷带喷洒宽度影响因素并建立喷洒水滴运动数学模型。吴政文、苟万里等[12，13]通过实验研究分析了微喷带沿程水头损失的影响因素，提出了测试方法和评价指标，并得出了微喷带水头损失计算参数。白珊珊等[14]在作物遮挡条件下，针对不同类型的微喷带研究了微喷带组合灌溉水量分布均匀性。

已有研究多集中在微喷带水量分布特性、喷洒宽度、灌水均匀度和沿程水头损失，对微喷带堵塞的影响规律缺乏深入研究。本文选取常见的4种微喷带，通过不同泥沙浓度、进口工作压力，进行浑水灌溉试验，分析微喷带堵塞的影响因素，为微喷带系统设计和实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与装置

本试验在西北农林科技大学水工水力学与泥沙实验室内进行。试验装置由水箱、搅拌机、水泵、精密压力表、干管和支管等设备组成。水箱为直径1.49 m、高1.55 m的圆柱形箱体，水箱上方安装连接双层叶轮的搅拌机；压力表量程为0～0.25 MPa，精度等级0.25级。试验装置如图1所示。

微喷带为山东省临沂市乐农管业有限公司生产，试验共采用4种型号微喷带，材质均为聚乙烯，黑色，喷孔为单列斜布置。图2为试验使用的5 孔微喷带结构示意图，微喷带具体参数见表1。

试验用水为生活饮用水。泥沙采用沙壤土，风干后过1 mm 筛，使用Winner 激光粒度分析仪（量程：0.01～2 000 μm；重现性＜1%）进行粒径分析，得到粒径范围为0.275～1.000 mm，见表2。

表1 微喷带结构参数Tab.1 Structure parameter table of micro-sprinkling hose

表2 泥沙级配表Tab.2 Sediment gradation table

1.2 试验方法

试验通过测定微喷带孔组流量的变化分析泥沙浓度对喷孔堵塞的影响，因此首先通过微喷带的水力性能试验测定不同压力条件下微喷带孔组流量，然后进行各压力下不同泥沙浓度水流通过微喷带时沿程流量试验。

（1）压力流量关系。按图1连接试验装置，取1 m 微喷带水平安装在试验台架上，选取1 组完整的孔组作为测试孔组。测试时，进口压力为5～60 kPa，每5 kPa 一个首部压力，共12 种压力。每一个工作压力下，待系统运行稳定后，收集5 min 测试孔组的出水量，用精度为0.01 g 的精密电子天平称重并换算得出流量值。

（2）微喷带抗堵塞性能试验。取5 m微喷带水平置于测试台架上，按图1连接测试装置。设定试验浑水含沙量分别为0.5、1.0、1.5 g/L。进口压力分别为30、40、50、60 kPa。每次灌水时间为40 min，开始通水10 min 后，依次收集10 个测试孔组1 min 出水量并换算得出流量。按泥沙浓度从小到大的顺序，在每个泥沙浓度下，首部压力依次按30、40、50、60 kPa给微喷带灌水，每种微喷带用含沙水灌水12次。

2 试验结果与分析

2.1 微喷带压力流量关系

在《农业灌溉设备微喷带》（NY/T 1361-2007）中，微喷带流量压力关系可用公式拟合[见式（1）]。根据流量压力关系试验的结果，对试验时各压力点的压力值和对应的流量值按照以下公式（1）进行回归分析（见表3），得到4 种微喷带的流量压力关系如图3所示。

式中：q为微喷带每组喷孔流量，m L s；H为微喷带的工作压力，kPa；kd为流量系数；x为流态指数。

表3 微喷带压力流量关系Tab.3 Flow-pressure relationship of micro-sprinkling hose

从图3和表3可以看出，折径为45，单循环孔组孔数为3孔和5 孔的2 种微喷带，流量系数分别为0.43 和0.95，流量指数为0.88 和0.69；而单循环孔组孔数为5 孔折径不同的3 种微喷带，流量系数分别为0.95、1.38 和1.07，流量指数为0.69、0.57和0.61。表明微喷带单循环孔组的孔的个数对流量系数和流态指数影响均较大；单循环孔组微喷带折径对流量系数和流态指数均有影响，但差异较小。

2.2 进口压力与泥沙浓度对微喷带堵塞的影响

为了分析堵塞的变化规律，将单循环孔组在同一进口压力下的浑水流量qi与清水流量q清的比值称为相对流量，记作qr。图4为4 种微喷带在不同泥沙浓度不同进口压力条件下沿微喷带长度相对流量的变化。

从图4可以看出，进口压力相同时，各微喷带各孔组出现相对流量最小的浑水泥沙浓度。N45-3 孔、N45-5 孔、N48-5孔、N60-5孔微喷带分别在泥沙浓度为1.0、0.5、1.0、1.0 g/L时，相对流量降为最低的情况最多；在泥沙浓度为0.5、1.0、1.5、0.5 g/L 时，相对流量降为最低的情况最少。分析结果表明，在一定的压力下，微喷带孔组的堵塞程度并不随泥沙浓度增大而增大，存在易造成微喷带堵塞的敏感浓度范围。在本实验中，1.0 g/L为更易堵塞的浓度。

泥沙浓度为1.5 g/L时，4种微喷带沿微喷带长度上相对流量降幅最大多数发生在进口压力为30、40 kPa 时。N45-5 孔、N48-5 孔、N60-5 孔微喷带中距进水口较近的孔组1 均在进口压力为30 kPa 时，相对流量降幅最大，其中N45-5 孔微喷带孔组1 相对流量降至52.33%，N48-5 孔微喷带孔组1 完全堵塞。N45-3 孔微喷带孔组2 和孔组5 在进口压力为40 kPa 时，相对流量分别降至51.67%和58.01%。

泥沙浓度为1.0 g/L时，折径为45 mm 的2种微喷带，在进口压力为50 和60 kPa 时，沿微喷带长度上各个孔组相对流量降幅较大。N48-5 孔微喷带和N60-5 孔微喷带首末端的孔组1和孔组5 均分别在进口压力为30 和40 kPa 时，相对流量降至最低。其中，N48-5 孔微喷带孔组1 相对流量降至63.95%，N60-5孔微喷带孔组1相对流量降至48.72%。

泥沙浓度为0.5 g/L 时，N45-3 孔微喷带上的孔组多在30 kPa 时，相对流量降至最低；而N45-5 孔微喷带上的孔组多在40 kPa时，相对流量降至最低。

2.3 灌水次数对微喷带堵塞的影响

图5为4 种微喷带相对流量随灌水次数的变化趋势。4 种微喷带第1～4 次、5～8 次、9～12 次灌水是分别在浑水含沙量为0.5、1.0、1.5 g/L 时，首部压力依次为30、40、50、60 kPa 的情况下对微喷带进行灌水。从图5可以看出微喷带堵塞程度是在不断变化的，在3 种泥沙浓度的浑水灌溉时，4 种微喷带均出现增大首部压力，相对流量回升。其中，N45-3孔微喷带孔组2 在泥沙浓度为1.0 g/L，首部压力从40 kPa 增大至60 kPa 与1.5 g/L 时，首部压力从50 kPa 增大至60 kPa 的过程中，相对流量分别增加了46.58%和30.11%；孔组5 在泥沙浓度为1.5 g/L，首部压力从50 kPa 增大至60 kPa 时，相对流量增加了41.98%。N48-5 孔微喷带孔组1 在泥沙浓度为0.5 g/L，首部压力从40 kPa 增大至60 kPa 的过程中，相对流量增幅为31.74%。N60-5 孔微喷带孔组5 在泥沙浓度为1.5 g/L，首部压力从50 kPa 增大至60 kPa 的过程中，相对流量增加30.62%。这是因为在较低压力时，泥沙颗粒相互碰撞，依靠颗粒间的吸附力和表面电荷作用胶结成絮团，在随水流形成射流喷出孔口时黏结在孔口周围，束窄孔口，从而流量下降甚至堵塞。在低压灌水之后，增大首部压力则可以冲开孔口周围部分粘接不稳定的团聚体，流量会有不同幅度的回升。因此，在实际应用微喷带的过程中，低压灌溉之后，可以采取增加首部压力（小于微喷带的爆破压力）的措施来预防微喷带堵塞。

泥沙浓度为0.5 g/L的浑水结束灌溉时，4种微喷带堵塞程度最大的孔组分别为孔组5、孔组2、孔组4、孔组4；泥沙浓度为1.0 g/L的浑水结束灌溉时，4种微喷带堵塞程度最大的孔组分别为孔组3、孔组5、孔组1、孔组1；泥沙浓度为1.0 g/L的浑水结束灌溉时，4种微喷带堵塞程度最大的孔组分别为孔组2、孔组1、孔组1、孔组2。这说明4 种微喷带在含沙水连续灌溉的过程中，微喷带首部和尾部更易堵塞。且单循环孔组孔数为5孔的3种微喷带在12次灌水结束时，位于微喷带末端的孔组4 和孔组5 在增大压力后堵塞程度与其他孔组相比较小，这是因为在微喷带首端浑水中泥沙含量大于末端泥沙的含量，一部分泥沙随着水流流出，且越靠近微喷带末端微喷带内部流速则越低，大颗粒泥沙沉降在微喷带底端，黏结在微喷带末端孔口的泥沙团体的强度较低，因此在增大进口压力时，首端孔口泥沙团体更易保持团体形态不解体。

3 结 语

本文主要对常见的4种单循环孔式微喷带进行了水力性能研究，并针对小于1.000 mm 的泥沙颗粒，设置0.5、1.0、1.5 g/L 3 个泥沙浓度，通过测量4 种微喷带上各个测点孔组在进口压力为30、40、50、60 kPa 时的出流量，研究进口压力及泥沙浓度对微喷带堵塞的影响，可得出以下结论。

（1）压力流量关系表明流量与工作压力有较好的幂函数关系。

（2）进口压力相同时，在研究的0.275～1.000 mm 泥沙粒径范围内，4种微喷带在泥沙浓度为1.0 g/L时更易堵塞。

（3）泥沙浓度相同时，低压力（30 和40 kPa）比高压力（50和60 kPa）更容易造成微喷带喷孔堵塞。