压力补偿式灌水器水力性能及抗堵塞性能试验研究

张桂林，喻黎明，李莎莎，苏 倩，周 赟，崔宁博，余兴娇

(1.昆明理工大学现代农业工程学院,云南 昆明 650500；2.云南交投生态环境工程有限公司，云南 昆明 650500；3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室 水利水电学院，四川 成都 610065)

灌水器是滴灌系统的重要部件，但由于流道狭窄且灌溉水源中含有的杂质容易碰撞、絮凝，导致灌水器发生堵塞，影响微灌系统的使用寿命、抗堵塞性能和灌水均匀度[1-3]。在西南地区，现实作物灌溉中，坡度陡峭、地形严峻，使灌水均匀度变差，对作物生长造成了极大的影响。虽然综合利用各种物理、化学方法对灌溉水源进行处理，但灌水器仍面临不同程度的堵塞问题[4]。在灌水器堵塞规律和作用、机理等方面，已广泛开展了大量研究。

灌水器是目前滴灌产业发展的瓶颈问题。姜珊等[5]和喻黎明等[6]认为定期对滴灌系统进行冲洗可以有效缓解堵塞。为解决灌水器物理、化学、生物堵塞颇多问题，学者进行了广泛的研究，如吴泽广等[7]研究发现泥沙级配是影响滴头堵塞的主要因素；董爱红等[8]认为泥沙沉积是导致灌水器物理堵塞的主要原因；对于化学堵塞，杜立鹏等[9]认为溶解在水中的化学肥料结晶析出是主要因素。张晓晶等[10]指出造成灌水器生物堵塞可归因于细小颗粒物和微生物形成的絮状结构。此外，泥沙粒径、浑水泥沙浓度也是造成灌水器堵塞的重要因素。孙宝胜等[11]研究表明能够通过灌水器的最大泥沙粒径为0.28 mm，在生产中应用时，建议采用120目过滤网。徐路全等[12]采用周期性间歇灌水试验观测滴头流量得出，0.025 MPa压力下，组合滴灌管能使堵塞部位分布更集中，含沙量为1.25 g·L-1时,组合滴灌管的抗堵塞性能较明显。部分学者[13-14]在研究滴头堵塞机理时，选择的浑水泥沙浓度为2～3 g·L-1；侯鹏等[15]在研究灌水器堵塞及泥沙运行分布机理时，选择的泥沙含量为0.88～2.3 kg·m-3。这些研究为灌水器设计提供了经验，尽管对灌水器堵塞的研究越来越深入，但目前为止，灌水器堵塞问题仍然没有完全解决，且大多数试验均为低浓度泥沙(<3 g·L-1)试验。有研究表明在探究灌水器堵塞规律和机理的试验中，适当增大灌溉水源的泥沙含量，也有利于揭示灌水器堵塞机理。基于此，本文通过不同浓度浑水(3、5 g·L-1和7 g·L-1)试验探究压力补偿灌水器抗堵塞性能，以期为压力补偿灌水器的设计与性能优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 物理模型与试验装置

1.1.1 物理模型 本研究中使用的物理模型是华维节水科技集团有限公司生产的1828型压力补偿灌水器(流量2 L·h-1)。毛管使用华维蓝源生产的LDPE管(外径16 mm，壁厚1 mm，常规工作压力0～0.6M Pa)，压力补偿灌水器结构如图1所示。

1.1.2 试验装置 试验装置如图2所示，包含两个150 L水箱，即清水水箱和浑水水箱，分别用于储存清水和浑水。试验用水为云南省昆明市呈贡区自来水，pH值为7.08±0.07，总硬度75.42±2.02 mg·L-1，电导率317.32±23.61 μS·cm-1。浑水配置试验用土为云南省昆明市呈贡区的砂壤土，由于滴灌系统中通常采用120目网式过滤器，其网眼直径为0.125 mm[16]，因此本试验用土风干后通过电动振筛机(型号8411型，转速400 r·min-1，电压220 V，直径300 mm，功率180 W)过120目筛网而得。水箱内置单相潜水泵提供工作压力，潜水泵产自上海昭升机电有限公司，型号QDX1.5-28-1.1，额定扬程26 m，绝缘等级E级，配管内径25 mm，同步转速3 000 r·min-1。置于浑水水箱内单相潜水泵相连的干管设置回水管，目的是利用回水压力在回水管内产生的射流将水箱内底部泥沙搅拌均匀，防止试验过程中沉沙。进水口处装有杭州鹤山仪表有限公司生产的量程0.4 MPa和精度0.25级的耐震压力表。压力补偿灌水器系统平台长2.7 m、宽2.1 m、高1 m的试验平台用于支撑毛管和1828型压力补偿灌水器。试验平台共布置6条毛管，每条毛管管上含间距为0.3 m的压力补偿灌水器8个，毛管前后端均安装有控制球阀。

图1 压力补偿灌水器结构Fig.1 Structure of pressure compensating emitter

1.水箱；2.潜水泵；3.进水管；4.回流管；5.球阀；6.压力表；7.滴灌管和灌水器；8.量筒1.Water tank;2.Submersible pump;3.Inlet pipe;4.Return pipe;5.Ball valve;6.Pressure gauge;7.Drip pipe and water filler;8.Measuring cylinder图2 试验测试装置Fig.2 Test device

1.2 试验设计与方法

本试验由清水试验和浑水试验两部分组成，在昆明理工大学现代农业工程学院实验室进行。为模拟压力补偿灌水器实际运行状况，清水试验参照GB/T 19812.2-2017标准进行[17]。将48个压力补偿灌水器水平悬吊在试验装置上，每个压力补偿灌水器下放置一个1 000 mL量筒用来收集灌水器滴出的水；向试验组件中充水，排尽空气，进行1 h试验调节。将进水口压力调节到最小工作压力并保持3 min；将进水口压力调节到最大工作压力并保持3 min，反复3次，将进水口压力调节到压力补偿调节范围的中间值，保持42 min至整个试验调节过程结束，用精度为0.01 g的数字天平称量压力补偿灌水器在4 min内的流量。重复进行上述试验，使得连续两次所测流量之差≤2%，并取其平均值。分别计算压力补偿灌水器平均流量、流量标准偏差、变异系数(≤5%)、平均流量相对于额定流量的偏差率(±7%内):

(1)

(2)

(3)

(4)

完成以上试验后，以每次40 kPa的幅度增压，将压力从0增加到所需的最大工作压力。称量48个压力补偿灌水器在每一个压力点的出水量，滴水时间4 min；而后再将压力以每阶段降低40 kPa的幅度从所需的最大工作压力降至0(压力分布点与升压时压力点相同)，称量48个压力补偿灌水器的出水量，滴水时间与升压时相同，并换算成流量，取其平均值。连续两次所测流量之差应≤2%，当试样在某个压力点下两次所测流量之差>2%时，重新称量此压力下的流量。完成以上试验，以压力为横坐标，两次称量的各个压力点对应的平均流量为纵坐标，绘制流量与进水口压力关系曲线，从而确定流态指数和相关系数。

压力补偿灌水器压力与流量的关系一般用下式表示：

(5)

浑水堵塞试验室内平均温度为20.3℃±2.37℃。试验配置浑水浓度分别为3、5 g·L-1和7 g·L-1，灌水时工作压力为100 kPa，灌水时长30 min，间歇2 h，浑水箱内浑水的初始体积为100 L，并保证试验过程中浑水箱内水体积在50～100 L之间，当浑水体积消耗至约50 L时添加事先配置好的浑水，为保证其泥沙的均匀性，每次添加的浑水均单独配置。试验过程中为使浑水箱中的泥沙分布均匀，防止沉沙辅以人工搅拌。提前用电子天平称其48个1 000 mL量筒的重量并记录且置于每个压力补偿灌水器下，灌水结束后，称量每一个量筒以及所盛水的重量。每个浓度试验结束后取下所有毛管放在通风处晾干，取下每个压力补偿灌水器并剖开洗出其灌水器内的含沙量，并经过激光粒度仪分析其粒径。每个浑水浓度试验结束后，更换新的毛管和压力补偿灌水器，并对水箱、水泵进行清洗，以便后续试验。

1.3 试验验证

由图3可以看出，压力补偿灌水器在一定的工作压力下，其出流量基本保持稳定，出水均匀度高；压力补偿灌水器的压力补偿区间定义为压力-流量曲线上曲率半径最小点的横坐标之间的范围[18-20]，目前一般用压力-流量关系曲线法确定压力补偿区间，找出压力-流量关系曲线上曲率半径最小点所对应的横坐标(压力坐标)所得到的压力范围即为压力补偿灌水器的补偿区间[20]，因此运用UG(Unigraphics NX)曲线分析得出曲率半径最小和最大的点分别为36.41和903.63，据此确定压力补偿区间为110～350 kPa，符合GB/T19812.2-2017国家标准。灌水器的压力补偿特性由流量指数x表示，当x<0.4时，灌水器为压力补偿灌水器，当x趋近于0时，说明灌水器的补偿性能强[21]。由表1可以看出，压力补偿灌水器的流态指数为0.006，说明补偿效果极强，这与李永光[22]的研究相符合。

图3 压力补偿灌水器压力与流量关系Fig.3 Relationship between pressure and flow of pressure compensating emitter

表1 压力补偿灌水器主要特征参数Table 1 Main characteristic parameters of pressure compensating emitters

1.4 评价指标与数据处理

1.4.1 评价指标

(1)压力补偿灌水器的抗堵塞性采用相对流量Qr(即实测平均流量与灌水器额定流量之比)进行评定。按照国际抗堵塞性标准，当Qr<75%时，认为压力补偿灌水器发生堵塞[23]。

(6)

式中，qi为第i次试验灌水器实测流量平均值(L·h-1)；q0为100 kPa下灌水器清水流量(L·h-1)；n为压力补偿灌水器个数。

(2)压力补偿灌水器流量系数、流态指数是其衡量其优劣的两个重要指标，流态指数应在±0.2范围内。

1.4.2 数据处理 数据采用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析，利用Origin 8.5软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 浑水浓度对压力补偿灌水器流量的影响

图4显示了压力补偿式灌水器在3种不同浓度浑水与0.1 MPa压力条件试验下的灌水器各毛管实测平均流量随灌水次数的变化过程。随着灌水次数的增加，所有灌水器流量均呈波动下降趋势。在前20次灌水期间，不同浓度浑水实测平均流量虽有一定程度降低，3、5 g·L-1和7 g·L-1处理降幅分别为0～19.20%、0～18.31%和0～20.10%，灌水器个数堵塞率分别为12.5%、16.6%和25%；灌水20～40次时，不同浓度浑水实测平均流量的降幅分别为14.17%～24.74%、10.24%～26.35%、13.50%～37.14%，灌水器个数堵塞率分别为20.8%、29.2%和52.1%，浑水浓度为3 g·L-1时灌水器堵塞率比5 g·L-1和7 g·L-1处理分别下降了8.4%和31.3%；灌水40次后，不同浓度浑水相对流量达到相应额定流量的75%以下甚至更小，所有灌水器发生不同程度的堵塞，滴灌系统失效。3种不同浑水浓度下有效灌水次数分别为74、52次和43次，浑水浓度为3 g·L-1时灌水器的使用时间比5 g·L-1和7 g·L-1处理分别延长29.73%和41.89%。表明灌水器抗堵塞随浑水中泥沙含量的增加显著降低。

2.2 压力补偿灌水器抗堵塞性能分析

由图5可以看出，Qr随灌水次数的增加逐渐减小，浑水浓度为7 g·L-1时，Qr下降速率较大，经历20次灌水后灌水器发生堵塞，与浓度3 g·L-1和5 g·L-1相比，灌水次数分别减少了36次和23次。灌水前期，Qr随灌水次数的增加而呈缓慢波动下降趋势，均未降到75%额定流量以下，随着浑水浓度的增加，Qr呈现波动变化，这是由于压力补偿灌水器的补偿区域和迷宫流道结构的作用。当浑水泥沙含量为3 g·L-1时，灌水50次前，Qr≥75%，说明灌水器未发生严重堵塞；当浑水泥沙含量为5 g·L-1时，灌水41次后，Qr开始在堵塞的临界值波动；当浑水泥沙含量为7 g·L-1时，灌水20次时，Qr突然下降到75%，灌水25次后，灌水器发生严重堵塞。从Qr的变化趋势看，不同浓度浑水对灌水器的抗堵塞性能存在较大差异，表现为泥沙含量越高则堵塞率越高。

图5 灌水器相对流量随灌水次数的变化过程Fig.5 Variation process of relative flow of emitters with irrigation times

2.3 压力补偿灌水器相对流量与灌水均匀度的动态变化

将灌水器的灌水均匀度(Cu)和Qr进行拟合分析，如图6和表2所示，所有毛管Cu和Qr变化趋势所示，整体表现出先增加至100%临界值再降低趋势，说明有颗粒进入到灌水器流道造成突然堵塞现象，随灌水次数增加，细小颗粒絮凝成大颗粒泥沙缓慢累积进而造成灌水器堵塞。对Cu和Qr进行拟合发现，二者符合三次函数关系(R2>0.9)，各曲线残差分别为0.81、2.71、0.88、2.34、3.50、0.67。

图6 压力补偿灌水器相对流量与灌水均匀度多项式拟合曲线Fig.6 Polynomial fitting curve of relative flow (Qr) and irrigation uniformity of pressure compensating emitters

表2 灌水器滴灌过程中灌水器相对流量与灌水均匀度之间的关系Table 2 Relationship between emitter relative flow Qr and irrigation uniformity Cu during emitter drip irrigation

2.4 毛管与灌水器滞留泥沙粒径分析

图7显示了3种不同浓度浑水试验中毛管与灌水器滞留泥沙D10(累计粒度分布百分数达到10%时所对应的粒径。其余类似)、D25、D50、D75、D90均值。由图7a可知，在不同浑水浓度下毛管内沉积泥沙D10、D25、D50和D75均值均随浑水浓度的增加而下降，D90均值随浑水浓度的增加而上升。浓度为3 g·L-1时，D10、D50、D90分别为24.89、57.08、96.95μm，比浓度为7 g·L-1D10、D50分别降低了30.90%、11.28%，较D90上升了26.34%，表明在浑水灌溉中，泥沙颗粒不停地做无规则运动，不断地随机撞击悬浮颗粒，浓度增加使得毛管内泥沙颗粒碰撞絮凝的概率增加，致使泥沙大颗粒物质随着液体的运动和停止而堆积在管道内。由图7b可知，在不同浑水浓度下灌水器内泥沙D10、D25、D50、D75和D90的平均值分别为14.34、26.63、42.80、66.51 μm和85.65 μm，进入灌水器的细小泥沙少部分絮凝形成大颗粒泥沙不易随水流排出灌水器，随灌水次数和浓度的增加，灌水器内滞留泥沙含量上升，使得高浓度浑水灌溉中灌水器提前发生堵塞，使用寿命缩短。

图7 不同浓度浑水滞留泥沙D10、D25、D50、D75、D90均值Fig.7 average value of sediment D10,D25,D50,D75 and D90 retained by muddy water with different concentrations

3 讨 论

3.1 不同浑水浓度对压力补偿灌水器堵塞的影响

压力补偿灌水器抗堵塞性能随浑水浓度的升高而降低，浑水浓度升高导致其堵塞进程变快，灌水器使用寿命缩短。本试验适当增大灌溉水源的泥沙含量来作为滴灌水源，评估了3种泥沙浓度对灌水器抗堵塞性能的影响，发现浑水浓度为7 g·L-1时灌水器的堵塞率较3 g·L-1处理提高了58.10%。刘璐等[24]对8种粒径小于0.1 mm的泥沙颗粒进行浑水测试，发现浑水浓度和泥沙粒径是造成灌水器堵塞的主要原因。牛文全等[25]对含沙水磁化处理减缓滴头堵塞机理进行研究，发现细颗粒泥沙浑水浓度越高，灌水器堵塞进程加快，且磁化处理加速作用越大，这与本研究结果一致。说明高浓度浑水里细小悬浮颗粒随水流进入灌水器，细小悬浮颗粒在不断冲击下，使彼此互相粘结形成大颗粒堵塞灌水器。李治勤等[26]通过浑水滴灌试验表明灌水器堵塞是一个很快的过程，浑水含沙量对灌水器堵塞没有产生明显影响,只是在堵塞发生后,会影响灌水器被堵死的速度。这与本研究结果略有差异，分析原因认为这是由选用流道结构差异所致，本试验使用的流道是环状齿形迷宫流道压力补偿灌水器，而李治勤使用的是单侧压边薄壁滴灌带迷宫灌水器，其流道结构单一，泥沙能够快速通过灌水器；而环状齿形迷宫流道结构复杂，水流携泥沙得经过橡胶膜片的调压，再经过流道流出流道进入橡胶膜片背面，从而流出灌水器。因此，随着灌水次数的增加以及灌水间歇2 h时，浑水中的泥沙随水流的停止而附着在灌水器内，再次灌水时停留在灌水器内的泥沙与再次灌水的泥沙发生絮凝，循环往复，最终造成灌水器堵塞。

3.2 压力补偿灌水器相对流量与灌水均匀度的动态变化

本研究发现毛管相对流量和灌水均匀度的降幅缓慢，在灌水20次后灌水初期下降速度加快，灌水结束后，所有灌水器的相对流量和灌水均匀度均下降到75%以下。Feng等[27]研究发现在灌水前期相对流量变化不大，随后相对流量显著减少，最后缓慢下降，这一变化过程与本研究的表现一致。

试验中对灌水器的相对流量和灌水均匀度进行拟合分析，可知相对流量与灌水均匀度之间呈较好的非线性关系，相对流量和灌水均匀度呈现正态分布曲线关系表明压力补偿式灌水器的平均堵塞程度随灌溉时间的延长呈非线性减小。Li等[28]将再生水和地下水作为滴灌水源研究了六种类型的灌水器，发现相对流量和灌水均匀度随灌水器的堵塞程度呈线性下降且使用再生水的滴灌系统对灌水均匀度的影响比使用地下水的滴灌系统更为明显，即堵塞的程度越严重，相对流量和灌水均匀度之间线性关系越显著。温圣林等[13]利用两种不同浓度的浑水进行间歇性的灌溉试验，发现滴头相对流量与灌水均匀度动态变化具有协同性，且二者变化呈一定的线性关系，这与本研究的结果不同。这可能是本试验中使用的灌水器为压力补偿式，而上述研究中使用的滴头为非压力补偿式灌水器，压力补偿式灌水器对灌水均匀度的调节能力较强，使得灌水器在整个灌溉周期中保持较高的灌溉均匀度。

3.3 滞留泥沙粒径对灌水器的影响

本试验中毛管内和灌水器内滞留泥沙粒径最大为122.49 μm和100.87 μm，灌水器排出粒径<30.19 μm的泥沙占96.0%，说明造成灌水器堵塞的原因有两点，即灌溉水中的泥沙含量和泥沙粒径，滞留泥沙粒径>30.19 μm可造成灌水器堵塞，以使得水流携泥沙不能很好地通过灌水器流出，导致泥沙颗粒在毛管内随水流不停运动并最终堆积在管内。牛文全等[29]采用分段粒径浑水周期间歇滴灌的试验方法，得出粒径<31 μm时颗粒对堵塞最为敏感。王静等[30]对一种管上式压力补偿灌水器综合运用流固耦合与欧拉液固两相流的数值模拟方法,发现颗粒在环形流道入口处及流道外侧浓度增大,容易产生沉积造成灌水器发生堵塞。仵峰等[31]通过对地下滴灌灌水器堵塞问题调查表明，尽管该地下滴灌系统采用生活用自来水并在首部加上120目的网式过滤装置,但由于水中仍有小微粒和细小毛状物 (自来水中的线状纤维) ,通过过滤器进入滴灌系统,这些毛状物一旦附着在滴头流道内,与流入系统的微小颗粒进一步发育长大,最终将堵塞流道。除此之外，本试验经过刨开1828型灌水器发现，一些毛状物附着在灌水器进口处，与进入的微小颗粒混合一起，形成阻碍物，导致灌水器堵塞。

4 结 论

1)压力补偿式灌水器堵塞率随浑水浓度的增加而上升，浓度大于5 g·L-1堵塞进程显著加快。

2)压力补偿式灌水器的相对流量随灌水次数增加呈波动性减小；相对流量和灌水均匀度在整个灌水期内呈非线性关系，二者近似于正态分布。

3)压力补偿式灌水器内滞留泥沙粒径D10、D50、和D90的平均值分别为14.34、42.80 μm和85.65 μm，与毛管滞留泥沙粒径相比减小了18.95%～28.87%，灌水器的堵塞主要是因为泥沙颗粒相互碰撞、絮凝。