非全流土壤排渗过滤装置对黄河含沙水过滤和滴灌堵塞的影响研究

王凯亮，田军仓，2，3，夏 天

（1.宁夏大学土木与工程学院，银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川750021；3.旱区现代农业水资源高校利用教育部工程研究中心，银川750021）

0 引 言

引黄灌区黄河水含沙量大，滴灌灌水器易堵塞，因此对引黄灌区的黄河含沙水过滤尤为关键。

黄河含沙水过滤研究主要集中在过滤器过滤[1,2]、不同类型过滤器组合过滤[3,4]和沉淀池与过滤器组合过滤[5]3 个方面。为了克服以上全流过滤处理高含沙水时能耗较大和泥沙无法入田的缺陷，田军仓教授及其团队对微灌用黄河含沙水非全流过滤方法和装置进行了一系列研究[6−8]，发明了既排又渗、既堵截泥沙又利用泥沙的微灌含沙水土壤排渗过滤(非全流过滤)方法及装置。针对压力全流网式过滤器过滤高含沙水滤网易堵和破裂的问题，田军仓、王新华等[9]在非全流过滤装置的基础上，提出了高含沙水柔性过滤装置。赵佳琦、田军仓[10]针对含沙水微灌灌水器堵塞的问题，设计了“PVC 打孔滤水管+无纺布+石英砂+土壤”非全流过滤装置，研究结果表明，滤水含沙量小，可以用于微灌，除沙效果好。明特、田军仓[11]提出了非饱和土壤条件下的不同非全流过滤装置试验，试验结果表明，滤出水含沙量小于0.4 kg/m3，且过滤后的水质能满足微灌使用。夏天、田军仓[12]利用沙壤土和沙土这两种天然土壤以及地下PVC 排水管进行了含沙水土壤排渗过滤试验，评估了含沙水对两种土壤的影响和土壤孔隙堵塞的原因。范文波[13]等提出一种高含沙地表水处理非全流负压底滤分水自清淤过滤装置，试验表明，该装置过滤效果较好，为干旱地区高含沙地表水微灌提供思路。

本文在明特、田军仓教授[11]进行非饱和土壤条件下的非全流过滤装置研究的基础上，对饱和与非饱和土壤条件下的非全流土壤排渗过滤装置进行了试验研究，旨在为黄河含沙水滴灌过滤装置的研究和生产提供技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验研究区位于宁夏唐徕渠管理所满达桥管理站，属于典型的温带大陆性气候，一年四季多晴少雨，日照时间长，太阳辐射强。试验区域土壤质地为沙壤土，0～20 cm 土层的干容重为1.45 g/cm3。

1.2 试验设计

采用对比试验方法，设计了4种不同非全流土壤排渗过滤装置，即竖直地埋管式（V）、水平地埋管式（L）、辐射井管式（R）和渗水井管式（S），V、L 和R 试验小区长20 m，宽10 m；S 试验小区长2 m，宽2 m。试验设计方案见表1。试验目的是确定饱和与非饱和土壤条件下的非全流土壤排渗过滤装置过滤黄河含沙水对滴灌的适用性。

表1 试验设计方案Tab.1 Test design scheme

1.3 试验装置

试验装置如图1所示，由非全流土壤排渗过滤装置、管网、滴灌带、滤水收集桶、型号ZB−40−7.5的水泵和精密压力表组成。滤水收集桶的容积为500 L，水泵额定扬程为20 m，流量为2.5 m3/h，压力表量程0.16 MPa，精度0.25 级，各滴灌系统装置铺3 条长度20 m 内镶贴片式滴灌带和3 条长度20 m单翼迷宫式滴灌带。饱和土壤处理无砂混凝土管外包350 g/m3无纺布，非饱和处理外包250 g/m3无纺布，长丝针无纺布厂家提供的基本力学参数见表2。

图1 非全流土壤排渗过滤装置示意图Fig.1 Schematic diagram of non-full flow filtration unit

表2 长丝针无纺布性能参数Tab.2 Performance parameters of filament needle non-woven fabric

1.4 试验实施

2020年夏、秋灌期间在四十里店村试验基地进行黄河含沙水非全流土壤排渗过滤试验，供试黄河含沙水来自唐徕渠，夏、秋灌期间所测黄河水的平均含沙量分别为5.84 kg/m3和5.47 kg/m3，使用Bettersize−2003激光粒度分布仪所测黄河水中小于某一泥沙颗粒粒径累计百分含量分布见表3。

表3 黄河水小于某一粒径泥沙粒径颗粒径累计百分含量Tab.3 Yellow River water less than a certain particle size sediment particle size particle size cumulative percentage content

从表3可知，唐徕渠黄河含沙水中粘粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）和沙粒（0.020～1.000 mm）的质量百分比分别为17.68%、27.7%和54.62%。

非全流土壤排渗过滤装置结构尺寸根据需要的滤水量、对比需要、场地、施工方便等情况确定。如果需要的滤水量大，装置尺寸可适当加大。黄河高含沙水从唐徕渠进入斗渠，然后从农渠进入试验基地。

（1）竖直地埋管式非全流土壤排渗过滤装置（V）。V1 处理：开挖长度20 m、表面宽5 m、深2 m 和底宽2 m 的地槽，将防渗膜铺在地槽中，每隔4 m埋设长度1 m、直径400 mm的无砂混凝土管，2 根为一组，共计4 组，无砂混凝土管壁外包350 g/m2无纺布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，使用挖掘机将土进行回填。

V2 处理和V1 处理布置过程一样，无砂混凝土管壁外包250 g/m2无纺布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，但没有防渗膜。

（2）水平地埋管式非全流土壤排渗过滤装置（L）。L1 处理：开挖长度20 m、表面宽度5 m、深2 m 和底宽2 m 的地槽，将防渗膜铺在地槽中，水平铺设8 根长度1 m 的无砂混凝土管，外包350 g/m2无纺布和0.5～1.00 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，无砂混凝土管一端密封，一端连接使用集水井，使用挖掘机进行回填。

L2 处理和L1 处理布置过程一样，外包250 g/m2无纺布和0.5～1.0 mm石英砂，石英砂厚度15 cm，但没有防渗膜。

（3）辐射井管式非全流土壤排渗过滤装置（R）。R1 处理：开挖长度10 m、表面宽度10 m、深度2 m 和底宽2 m 的地槽，将防渗膜铺在地槽中，采用长度2 m、直径420 mm 的双壁波纹管作为竖直过滤主管，长度1.5 m、直径110 mm的波纹管作为水平过滤管，在竖直过滤主管距离地槽底部1.1 m 的位置隔60°开直径110 mm 的孔，共6个孔，将水平过滤管插入孔中且与地面成10°的夹角，竖直和水平过滤主管开孔的部分外包350 g/m2无纺布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，使用挖掘机回填土壤。

R2 处理和R1 处理布置过程一样，外包250 g/m2无纺布和0.5～1.0 mm石英砂，石英砂厚度15 cm，但没有防渗膜。

（4）渗水井管式非全流土壤排渗过滤装置（S）。S 处理：开挖长2 m、表面宽度2 m、深2 m 的地槽，铺防渗膜，在中心位置竖直放置2 根长度1 m、直径400 mm 的无砂混凝土管，无砂混凝土管壁外包350 g/m2无纺布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度30 cm，使用挖掘机回填土壤。

竖直地埋管式（V）和渗水井管式（S）非全流土壤排渗过滤装置的区别在于石英砂滤料的厚度，竖直地埋管式（V）石英砂厚度15 cm，渗水井管式（S）石英砂厚度30 cm。选择15 cm 和30 cm 是为了便于对比需要，石英砂规格和铺设厚度可以根据实际情况选择。

根据《水处理用石英砂滤料标准》中单层滤料的石英砂粒径范围，一般在0.5～1.2 mm，石英砂密度不小于2.55 g/cm3，本试验均满足此条件。

2020年夏灌期间6月份进行了第一次非全流土壤排渗过滤试验，由于土壤表面淤积了4.5 cm 的淤泥层，因此将各处理40 cm 土层在翻耕的基础上，在2020年7月份进行第二次非全流土壤排渗过滤试验。

淤积泥沙重量计算方法：试验结束后将滴灌带截为前、中、后三段收集，晒干之后称其重量，与预留滴灌带样品重量进行比较。

1.5 观测指标

（1）保持入渗水头20 cm 的条件下，观测各装置处理的滤水量和滤水含沙量。

（2）土壤孔隙度计算：取试验前后各处理的土壤干容重，根据公式（1）计算土壤孔隙度堵塞度。

式中：ε为土壤孔隙度；ρb为土壤干容重，g/cm3；ρs为土壤固相颗粒密度，g/cm3。一般来讲，ρs的平均值介于2.5～2.8 g/cm3之间，本研究中取ρs=2.65 g/cm3。

（3）滴灌试验用水均来自各装置处理过滤后的水，观测滴灌带中的泥沙颗粒含量。数据分析采用Excel 2016，图像绘制采用Origin 8.0。

2 结果分析

2.1 饱和土壤与非饱和土壤条件下非全流土壤排渗过滤装置滤水量随时间的变化规律

由于各处理过滤面积较小，试验田进水流量大，假定各处理在相同工况下进行试验，认为各处理初始含沙量一致。利用指数函数拟合各处理的滤水量随时间的变化特征曲线，见图2～图5，各装置处理稳渗滤水量如表4所示。

由图2～图5可知，试验初期，滤水量较大，随着入渗时间的推移滤水量逐渐下降且趋于稳定入渗状态，但饱和土壤处理比非饱和土壤处理滤水量达到稳定入渗时所需时间较少，这是由于饱和土壤V1、R1和L1处理进行防渗后由非饱和土壤变成饱和土壤形成隔水层，使含沙水无法向较深土层发生垂直入渗和侧向入渗，非饱和土壤V2、R2和L2处理没有做防渗处于非饱和土壤状态，部分含沙水随水流运动到较深土层。

图2 V装置处理滤水量和时间关系Fig.2 V device treatment of water filtration and time relationship

图3 R装置处理滤水量和时间关系Fig.3 R device treatment of water filtration and time relationship

图4 L装置处理滤水量和时间关系Fig.4 L device treatment of water filtration and time relationship

图5 S装置处理滤水量和时间关系Fig.5 S device treatment of water filtration and time relationship

由表4可知，第一次过滤V1、R1 和L1 处理比V2、R2 和L2处理稳渗滤水量分别大5.87%、5.86%和10.21%，第二次过滤比V2、R2 和L2 处理稳渗滤水量分别大1.49%、13.52%和10.60%。第一次过滤S处理稳渗滤水量比V1、R1和L1处理分别大29.26%、70.48%和68.11%，第二次过滤S 处理稳渗滤水量比V1、R1和L1处理分别大35.60%、74.17%和68.42%。

表4 各装置处理稳渗滤水量 m3/（d·m2）Tab.4 Treatment of stable percolation water by each device

S 处理滤水量最大，稳渗平均滤水量为12.687 m3/（d·m2），渗水井管式S 处理滤水效果最佳。主要原因是V、R、L和S 处理相对于试验前孔隙度堵塞了12.55%、14.13%、10.98%和8.62%。渗水井管式装置S处理比其他装置滤水量大是因为土壤孔隙堵塞率小，R 处理比L 处理滤水量小是因为R处理滤水管采用波纹管，有效滤水孔面积占整个波纹管面积的3.45%，而L 处理滤水管采用无砂混凝土管并且有效滤水孔隙大于15%[14]，因此导致R滤水量较小。

2.2 饱和土壤与非饱和土壤条件下非全流土壤排渗过滤装置滤水含沙量随时间变化规律

各处理滤水含沙量随时间变化如图6～图9所示，各装置处理稳渗时滤水含沙量如表5所示。

表5 各装置处理稳渗滤水含沙量 kg/m3Tab.5 Sand content of stable percolation water treated by each device

图6 V装置处理滤水含沙量和时间关系Fig.6 V device treatment of filtered water sand content and time relationship

图7 R装置处理滤水含沙量和时间关系Fig.7 R device treatment of filtered water sand content and time relationship

图8 L装置处理滤水含沙量和时间关系Fig.8 L device treatment of filtered water sand content and time relationship

图9 S装置处理滤水含沙量和时间关系Fig.9 S device treatment of filtered water sand content and time relationship

从图6～图9可以看出，试验初期滤水含沙量较大，但随着过滤时间的推移滤水含沙量逐渐减小且趋于稳定。试验初期，土壤容重小，土壤孔隙度大，通气性好，含沙水中泥沙颗粒及土壤中细小颗粒随水流运动较快地进入滤水管，试验后期，一部分泥沙颗粒沉积在土壤表面，另一部分随着水流运动填充在土壤孔隙中，与试验初期相比，土壤容重相对变大，土壤结构密实，孔隙度相对变小，滤水管壁包裹的无纺布孔隙也逐渐变小，使含沙水中的大颗粒无法随水流运动进入滤水管，因此滤水含沙量随着入渗时间的推移而减小且逐渐稳定。

由表5可知，第一次过滤L1 处理比V1、R1 和S 处理稳渗滤水含沙量分别小14.04%、13.60%和3.51%；L2 处理比V2、R2处理滤水含沙量分别小14.41%、20.09%。第二次过滤L1处理比V1、R1 和S 处理稳渗滤水含沙量分别小21.95%、20.49%和18.54%；L2 处理比V2、R2 处理稳渗滤水含沙量分别小23.58%和17.92%。各装置处理稳渗滤水含沙量均低于0.3 kg/m3，最大颗粒粒径为0.129 mm，大于0.1 mm 的颗粒仅占0.58%。

2.3 非全流土壤排渗过滤装置对不同深度土壤颗粒组成的运移变化

试验结束后，取30 cm 和90 cm 处的土壤进行颗粒组成分析，土壤颗粒变化如图10和图11所示。试验后30 cm 处比试验前30 cm 处的土壤颗粒粒径在102.4～1 000 μm 之间的累计质量含量减少了28.03%，在6.899～102.4 μm 之间的质量含量增加了3.32%，表明30 cm 处的土壤颗粒粒径组成中细颗粒含量增加、粗颗粒含量减少；试验后90 cm 处比试验前90 cm 处的颗粒粒径在102.4～1 000 μm 之间的累计质量百分数增加了38.56%，在6.899～102.4 μm 之间的累计质量百分含量减少了3.64%，表明90 cm 处的土壤颗粒粒径组成中细颗粒含量减少，粗颗粒含量增加。30 cm 处的土壤颗粒粒径组成中细颗粒比重增加、粗颗粒比重减小的主要原因为含沙水中的泥沙颗粒比土壤颗粒粒径小，在非全流土壤排渗过滤试验过程中，含沙水中的细颗粒通过土壤孔隙随着水流运动入渗到土壤不同深度停滞，从而在一定程度上改变了土壤颗粒的组成结构。90 cm 处的土壤颗粒粒径组成中细颗粒比重减少、粗颗粒比重增加的原因是在试验开始过滤时土壤结构中原始的细颗粒随着水流运动入渗到更深土壤或者进入滤水管，一定程度上改变了土壤颗粒原始组成结构，这也是导致试验初期滤水比较浑浊和含沙量较大的原因。

图10 试验前后30 cm土壤颗粒运移Fig.10 Soil particle transport at 30 cm soil depth before and after the experiment

图11 试验前后90 cm土壤颗粒运移Fig.11 Soil particle transport at 90 cm soil depth before and after the experiment

2.4 非全流土壤排渗过滤装置对滴灌灌水器堵塞的影响

不同类型滴灌带第15 次灌水试验的相对流量和均匀系数见表6，小于某一泥沙粒径质量百分比分布见表7。

表6 不同类型滴灌带第15次试验时的相对流量和均匀系数 %Tab.6 Relative flow rate and uniformity coefficient at the 15th irrigation test for different types of drip irrigation belts

表7 不同处理滴灌带中小于某一泥沙粒径质量百分比Tab.7 Cumulative mass percentages of drip irrigation tapes smaller than a certain sediment size in different treatments

根据《滴灌工程技术规范》（GB/T 50485−2009）规定相对流量和均匀系数分别降低25%和20%时，认为灌水器发生堵塞[15]。由表4可以看出，灌水试验第15 次时，R 处理单翼迷宫灌水器相对流量和均匀系数分别降低了40.14%和34.58%，表明单翼迷宫灌水器发生堵塞；L、S 和V 处理相对流量和均匀系数均未降低25%和20%，单翼迷宫和内镶贴片灌水器均未堵塞。从灌水器塞情况考虑，V、L 和S 非全流土壤排渗过滤装置过滤的水质均满足作物生育期内滴灌灌溉使用，但R非全流土壤排渗过滤装置过滤的水质不能满足作物生育期内滴灌灌溉使用，原因是R 非全流土壤排渗过滤装置的过滤管是波纹管打孔少且孔径较大，V、L 和S 处理是采用无砂混凝土管孔径较小。

通过表5可以看出，L 处理单翼迷宫和内镶贴片滴灌带中沉积泥沙颗粒在50～200 μm 的含量最低，在10～50 μm 的含量最高；R 处理沉积泥沙颗粒在50～200 μm 的含量最高，在10～50 μm 的含量最低。由于R 处理滴灌试验第15 次时单翼迷宫灌水器发生堵塞，而L 处理滴灌试验单翼迷宫灌水器没有堵塞，说明小于50 μm不是引起灌水器堵塞的敏感粒径。结果表明，大于50 μm 且小于200 μm 的颗粒粒径更容易引发这两种灌水器堵塞，这与任改萍[16]、姜珊[17]、牛全文[18]等人在含沙水滴灌试验得出的结论一致，大颗粒含量越高越容易引发灌水器堵塞的几率。

3 结 论

（1）S、V、L、R 处理两次过滤稳渗平均滤水量分别为12.687、8.404、3.812 和3.340 m3/（d·m2），饱和土壤V1、L1、R1 处理比非饱和土壤V2、L2、R2 处理两次过滤的平均滤水量分别提高3.74%、9.52%和10.56%；渗水井管式（S）非全流土壤排渗过滤装置处理滤水量最大。

（2）S、V、L、R 处理两次过滤稳渗平均滤水含沙量分别为0.240、0.259、0.219 和0.258 kg/m3，V1、L1 和R1 处理比V2、L2、R2处理两次过滤的平均滤水含沙量分别降低2.74%、3.95%和1.84%；水平地埋管式（L）非全流土壤排渗过滤装置处理过滤平均含沙量最小。

（3）各处理稳渗滤水含沙量均小于0.3 kg/m3，最大颗粒粒径为0.129 mm，大于0.1 mm 的颗粒仅占0.58%。试验前后不同土层深度土壤颗粒粒径组成发生变化，30 cm 处的颗粒组成细小颗粒比重增加、粗颗粒比重减小；90 cm 处的颗粒组成粗颗粒比重增加、细小颗粒比重减小。

（4）经滴灌试验验证，S、V、L装置处理过滤的水质使灌水器相对流量和均匀系数分别大于75%和80%，说明均满足滴灌使用，尤其是L处理抗堵塞效果最好，原因是粘粒被自然土壤拦截，50 μm以上的颗粒粒径较少。

（5）综合考虑滤水量、滤水含沙量、滤水泥沙粒径和土壤颗粒粒径变化，建议在实践应用中推荐渗水管井式（S）和水平地埋管式（L）非全流土壤排渗过滤装置，为引黄灌区高效节水灌溉的黄河高含沙水过滤提供了技术支撑。

在工程应用中，随着非全流土壤排渗过滤时间的增加，土壤中细小颗粒增加，滤水量降低到初始值的50%时，对土壤上层滤料深度40～50 cm 进行深翻，可以使装置滤水量恢复到初始滤水量的80%～90%，如此反复，预计可以使装置运行5年以上。同时，当非耕地土壤滤料功能丧失时，在该非耕地邻近地块再增加非耕地面积作为新的土壤滤料，又可实现非耕地的耕地化。