呂 暢，張二信，張文倩，趙 雪，王彥邦，牛文全

加氣對灌溉水黏性泥沙絮凝沉降的影響

呂 暢1,2，張二信1,2，張文倩1,2，趙 雪1,2，王彥邦1,2，牛文全1,3※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

為研究黃河水水肥氣一體化灌溉時加氣對灌溉水中黏性泥沙沉降能力的影響，配置5種濃度的高嶺土懸濁液（1、3、5、7和10 g/L）和4種肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0、0.2%、0.5%、1.0%）的硫酸鉀肥、復(fù)合肥及尿素渾水，分析了加氣前后的相對含沙量、泥沙中值沉速和沉降泥沙中值粒徑。結(jié)果表明：加氣顯著促進(jìn)濃度為3～10 g/L黏性泥沙的絮凝沉降（<0.05），且促進(jìn)作用隨泥沙濃度的增加而增強(qiáng)。與未加氣處理相比，冬、夏季加氣處理后泥沙中值沉速分別提高48.67%～70.98%和33.04%～57.52%，沉降泥沙中值粒徑增大7.62%～13.95%和6.83%～13.24%。加氣促進(jìn)黏性泥沙絮凝沉降的作用與渾水中施加的肥料類型及濃度有關(guān)，促進(jìn)作用隨肥料濃度的增加而減小。對于肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～1.0%的硫酸鉀肥、復(fù)合肥及尿素渾水，加氣處理后泥沙中值沉速分別提高20.00%～32.12%、18.71%～130.40%和91.19%～170.21%。施加硫酸鉀肥加氣后泥沙中值沉速最大，為0.399～0.450 mm/s，施加復(fù)合肥加氣后泥沙中值沉速最小，為0.288～0.330 mm/s。加氣、肥料類型、肥料濃度分別單獨或交互均極顯著影響泥沙沉降（<0.01）。研究結(jié)果對于明確水肥氣一體化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)泥沙淤積規(guī)律具有重要意義。

灌溉；泥沙；肥料；加氣；黏性泥沙；絮凝沉降

0 引 言

水肥氣一體化灌溉因其能夠顯著提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)，改善作物根區(qū)土壤通氣性，提高水肥利用效率，近年來已成為研究熱點[1]。利用黃河水進(jìn)行水肥氣一體化灌溉能夠在一定程度上緩解水資源緊缺問題。但黃河水含沙量較高且黏性泥沙含量較多，采用沉淀和過濾處理高濃度細(xì)小泥沙難度較大[2]。同時黏性泥沙具有比表面積大、電化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜等特點，受含沙量、礦物成分、電解質(zhì)、溫度、pH值等因素影響極易發(fā)生絮凝[3-4]，泥沙絮凝沉降引起的泥沙淤積會對灌溉系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不利影響。當(dāng)黏性泥沙進(jìn)入到水肥氣一體化灌溉系統(tǒng)時，肥料的存在使水質(zhì)條件發(fā)生改變[5]，加氣使水體粘滯性發(fā)生改變[6]，從而可能影響泥沙的絮凝沉降過程。研究不同條件下加氣對黏性泥沙絮凝沉降的影響，對于后續(xù)采取合理措施減緩水肥氣一體化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)泥沙淤積具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬及理論分析等方法對泥沙絮凝沉降的影響因素進(jìn)行了大量研究。李旺等[7]研究表明加入電解質(zhì)對泥沙絮凝起明顯的促進(jìn)作用，且隨著電解質(zhì)濃度增加，泥沙顆粒表面電位絕對值降低。張宇卓等[8]研究表明水沙體系中泥沙濃度越大，最終形成的絮團(tuán)個數(shù)越少，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)越密實。Wan等[9]研究表明水體鹽度較低時有利于泥沙絮凝，鹽度過高時不利于泥沙絮凝。此外，當(dāng)水沙體系中存在大量微氣泡時，氣泡與顆粒間會發(fā)生碰撞、黏附、脫附等作用過程[10]，改變泥沙顆粒運動軌跡，從而可能對泥沙的絮凝沉降產(chǎn)生影響。目前針對黏性泥沙在加氣作用下的絮凝沉降規(guī)律研究較少，加氣對不同灌溉水質(zhì)、不同濃度泥沙絮凝沉降影響機(jī)制尚不明確，仍需進(jìn)一步探討。明確加氣作用下灌溉水中黏性泥沙的絮凝沉降規(guī)律，對于采取合理措施減緩水肥氣一體化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)泥沙淤積進(jìn)而提高灌溉系統(tǒng)運行效率至關(guān)重要。

為此，本文選用黃河水中主要的黏土礦物高嶺土作為試驗?zāi)嗌常ㄟ^對比分析加氣前后的泥沙相對含沙量、中值沉速及沉降泥沙中值粒徑等，探究不同含沙量、不同肥料類型及濃度條件下加氣對黏性泥沙絮凝沉降的影響，以明確不同條件下加氣處理后泥沙的絮凝沉降規(guī)律，為水肥氣一體化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)泥沙淤積處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用水為陜西省楊凌示范區(qū)居民自來水，水質(zhì)參數(shù)如表1所示，鈣、鎂、鐵等陽離子含量較少。試驗用黏性泥沙為煅燒高嶺土。本試驗選用的煅燒高嶺土粒徑小于50m的顆粒占比達(dá)到94%，粒徑小于4m的顆粒占比達(dá)到30%。高嶺土白度達(dá)98.50%，主要成分SiO2和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.60%，鐵、鎂、鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.94%，其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.46%。

試驗所用肥料包括包膜復(fù)合肥、硫酸鉀肥和尿素。包膜復(fù)合肥（史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司）N、P2O5和K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為19%，絮凝沉降試驗前將包膜復(fù)合肥溶解于玻璃燒杯中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，待肥料完全溶解，包膜浮于水面后，去除白色包膜材料，取?fù)合肥透明溶液配置試驗用肥液；硫酸鉀肥（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司）K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥52.0%，將硫酸鉀肥溶解于玻璃燒杯中，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙?、靜置分層后，濾除溶液底層沉淀，取上清液配置試驗用肥液；尿素（陜西渭河重化工有限責(zé)任公司）總氮≥46.0%，可完全溶解。

表1 自來水水質(zhì)參數(shù)特征

1.2 試驗裝置

文丘里循環(huán)曝氣裝置：采用河南豐潤環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的FRGW-10型文丘里循環(huán)曝氣裝置進(jìn)行加氣試驗（圖1），經(jīng)檢測微氣泡直徑普遍在15m左右。曝氣容器為圓柱形透明塑料桶，桶底直徑為0.8 m，曝氣前初始液面高度為0.55 m。裝置通過文丘里射流器進(jìn)行曝氣，加氣壓力為0.45～0.46 MPa，加氣后形成乳白色均勻水氣混合液。

1.3 試驗設(shè)計與方法

1.3.1 試驗設(shè)計

黃河泥沙粒徑小于50m顆粒達(dá)到90%以上[11]，寧夏段黃河引水渠口含沙量為0.61～1.1 g/L[12]，即使充分沉淀和過濾后，水中還會有大量的懸浮黏性顆粒。本文以寧夏引黃渠口段平均含沙量為參考，按照1～10倍設(shè)置初始含沙量，分別為1、3、5、7和10 g/L，在夏冬兩季進(jìn)行不同含沙量下加氣對黏性泥沙絮凝沉降影響試驗。夏季試驗溫度為（25±2）℃，冬季試驗溫度為（10±2） ℃。加氣時長為5 min，以5種含沙量渾水的未加氣處理作為對照。每組處理3次重復(fù)。

根據(jù)預(yù)試驗，加氣時長對不同含沙量泥沙絮凝沉降影響趨勢基本一致，因此選取上述5種含沙量的中值含沙量（3 g/L）進(jìn)行加氣時長對黏性泥沙絮凝沉降影響試驗。試驗初始溫度為22 ℃。加氣時長設(shè)置為0、2、5、10、30、60、120、240和300 min。用溫度計測定不同加氣時長的水溫。用DO200型便攜式溶解氧測試儀（鄭州達(dá)爾克電子科技有限公司，中國）測定不同加氣時長的溶氧量。每組處理3次重復(fù)。

為了檢測肥料對黏性顆粒絮凝沉降影響的敏感性，選擇較高含沙量（10 g/L）的懸濁液進(jìn)行不同肥料類型及濃度條件下加氣對黏性泥沙絮凝沉降影響試驗。選取3種常用肥料：硫酸鉀肥、復(fù)合肥、尿素。實際灌溉過程中，根據(jù)施肥時間，換算的肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般介于0.2%～1.5%之間，考慮到肥液進(jìn)入主管道系統(tǒng)后還要進(jìn)一步稀釋，因此，配置肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.2%、0.5%和1.0%，此時泥沙懸濁液濁度是肥液自身濁度的30～35倍，肥液濁度可忽略不計。試驗溫度為（18±1）℃。加氣時長為5 min，以未加氣處理作為對照。每組處理3次重復(fù)。

1.3.2 試驗方法

由于泥沙的絮凝與沉降在水肥氣一體化灌溉灌水期與灌水間歇期均會發(fā)生[13]，無論含沙水流處于運動還是靜止?fàn)顟B(tài)均存在泥沙豎直方向的輸移，研究灌溉系統(tǒng)中所有影響泥沙絮凝沉降的因素難度較大，因此本文采用室內(nèi)控制試驗中常用的靜水沉降試驗，著重研究加氣作用下泥沙的絮凝沉降規(guī)律。本文中靜水沉降試驗在量筒中進(jìn)行，由于量筒透明便于觀察泥沙沉降過程，且量筒體積較小，易做到初始狀態(tài)泥沙顆粒的均勻配制，使試驗更簡潔方便，同時參考文獻(xiàn)[14-15]中泥沙絮凝沉降試驗方法，最終選用1 000 mL量筒進(jìn)行泥沙的靜水沉降試驗。通過用量筒量取文丘里循環(huán)曝氣裝置中的水氣混合液，加氣條件下的泥沙絮凝沉降同樣在量筒中進(jìn)行。試驗前充分?jǐn)嚢枘嗌硲覞嵋?，使泥沙均勻分布。停止攪拌后，根?jù)文獻(xiàn)[15]在液面下2/3處取樣，即本試驗選擇液面下22 cm處（取樣液面高度為11 cm），按照設(shè)置的取樣時間（分別為0、4、8、15、30、45、60、90、120 min）取20 mL懸濁液，用AQ3700型水質(zhì)分析儀（Orion公司，美國）測定懸濁液濁度。試驗前對水質(zhì)分析儀進(jìn)行率定，配置不同初始含沙量的泥沙懸濁液，測定其對應(yīng)濁度，進(jìn)行相關(guān)性分析，率定結(jié)果如圖2所示，擬合程度較好。據(jù)此將測得的濁度換算為含沙量，進(jìn)而換算為泥沙初始含沙量的百分比，即相對含沙量。試驗結(jié)束后采用APA2000型激光粒度儀（Malvern公司，英國）測定沉降泥沙級配和中值粒徑。沉降泥沙中值粒徑為沉降泥沙級配中大于和小于某粒徑泥沙質(zhì)量各占沙樣總質(zhì)量50%的泥沙粒徑。測量過程為：首先測定光強(qiáng)，設(shè)定信息采集時間，確定介質(zhì)和泥沙的光學(xué)參數(shù)，向試樣池加入泥沙樣品，直到滿足規(guī)定的遮光度要求，然后儀器開始測試，輸出泥沙粒度分析成果，包括沉降泥沙級配和沉降泥沙中值粒徑。各指標(biāo)均重復(fù)測試3次取平均值。

1.4 評價指標(biāo)

1.4.1 泥沙相對含沙量

泥沙相對含沙量為泥沙沉降后時刻的含沙量與0時刻初始含沙量的百分比，用于表征含沙量隨沉降時間的變化情況。泥沙相對含沙量計算公式為

1.4.2 泥沙中值沉速

以中值沉速計算法[16]計算泥沙沉降速度，泥沙中值沉速計算公式為

式中50為泥沙中值沉速，mm/s；為取樣深度，mm；0.5為水深處含沙量為初始含沙量50%的沉降歷時平均值，s。

1.4.3 氣含率

式中為氣含率，%；1為曝氣前液位，m；2為曝氣后液位，m。

進(jìn)行多次測量取平均值，經(jīng)計算得到曝氣后平均氣含率為5.42%。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010軟件進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 23.0軟件多重比較方法分析不同處理下泥沙中值沉速及沉降泥沙中值粒徑的顯著性差異。采用Origin 2020軟件作圖，分析不同處理對泥沙相對含沙量等的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 加氣時長對黏性泥沙絮凝沉降的影響

泥沙中值沉速、溶氧量、水溫隨加氣時長的變化如圖3所示。泥沙中值沉速隨加氣時長的增加呈迅速增大后減小再緩慢增大的趨勢，整體而言加氣較未加氣處理提高了泥沙中值沉速。加氣初期（0～5 min），溶氧量、泥沙中值沉速隨加氣時長的增加而增大，短時間內(nèi)持續(xù)加氣有利于提高微氣泡數(shù)量，微氣泡改變了氣液兩相流的局部有效黏度和密度[18]，降低了泥沙沉降過程中受到的粘滯阻力，泥沙中值沉速迅速增大。加氣中后期（5～300 min），長時間通氣使氣泡破裂，釋放熱量并抬高水溫，進(jìn)而造成溶氧量下降[19]。溶氧量在加氣5 min時即達(dá)到最大值，為8.45 mg/L。此后泥沙沉速受到微氣泡數(shù)量及溫度的雙重影響，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，但中后期泥沙沉速整體小于加氣5 min時的泥沙沉速。加氣時長為5 min時，泥沙沉速即達(dá)到峰值（0.297 mm/s）。

此外，持續(xù)加氣5 h，水溫提高約5 ℃，說明如果持續(xù)加氣，則加氣對水溫提高的影響不可忽視。從水中溶氧量角度考慮，加氣5 min的溶氧量最高，此時水溫升高接近0 ℃，加氣對水溫的影響非常小，故后續(xù)試驗加氣時長均為5 min。

清除菌源，應(yīng)及時鋸除重病樹和病死樹，刨凈病樹根，除掉根蘗苗，剪除發(fā)病枝，刮除病菌的子實體，傷口涂抹石硫合劑消毒。

2.2 不同泥沙濃度下加氣對黏性泥沙絮凝沉降影響

冬、夏季加氣前后不同初始濃度泥沙的相對含沙量隨時間變化過程如圖4所示。冬、夏季加氣均較未加氣處理促進(jìn)了含沙量的下降，即加氣加劇泥沙沉降。當(dāng)初始泥沙濃度為1、3、5、7和10 g/L時，沉降60 min，冬季加氣較未加氣處理相對含沙量分別減少2.75、7.81、11.35、13.46和16.86個百分點，夏季分別減少3.29、8.15、10.45、16.72和20.16個百分點。初始泥沙濃度越高，加氣后含沙量降幅越大，即加氣加劇泥沙沉降的作用越大。此外，溫度升高促進(jìn)了含沙量的下降。沉降60 min時，未加氣條件下夏季比冬季相對含沙量減少3.72～9.15個百分點，加氣條件下夏季比冬季減少5.80～9.69個百分點，升高溫度促進(jìn)含沙量下降的作用并未隨泥沙濃度呈明顯變化規(guī)律。

表2為冬、夏季加氣前后不同初始濃度泥沙的中值沉速及沉降泥沙中值粒徑。加氣顯著提高初始濃度為3～10 g/L泥沙的中值沉速，即加氣顯著加速濃度為3～10 g/L泥沙的沉降（<0.05）。當(dāng)初始泥沙濃度為3、5、7和10 g/L時，與未加氣處理相比，冬季加氣處理后泥沙中值沉速分別提高48.67%、58.20%、60.10%和70.98%，夏季加氣處理后分別提高33.04%、37.05%、46.69%和57.52%。加氣提高泥沙沉速的作用隨初始泥沙濃度的增加而增強(qiáng)。初始泥沙濃度越高，越有利于加氣促進(jìn)泥沙沉降。加氣、溫度及泥沙濃度對泥沙中值沉速影響方差分析見表3。加氣、溫度、泥沙濃度以及加氣和泥沙濃度交互對泥沙中值沉速的影響均達(dá)到極顯著水平（<0.01）。而加氣、溫度及泥沙濃度三者交互并未顯著影響泥沙中值沉速，說明三者對泥沙沉降的影響可能存在復(fù)雜的拮抗作用。

表2 冬、夏季加氣前后不同初始濃度泥沙的中值沉速及沉降泥沙中值粒徑

注：同行不同字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters in the same row indicate significant differences (<0.05).

表3 加氣、溫度及泥沙濃度對泥沙中值沉速影響方差分析

注：2=0.941（調(diào)整后2=0.914），**表示<0.01。

Note:2=0.941(after the adjustment2=0.914); **,<0.01.

中值粒徑反映了泥沙絮凝形成絮團(tuán)大小的一般水平。加氣顯著增大初始濃度為3～10 g/L泥沙的絮凝沉降后粒徑，即加氣顯著促進(jìn)濃度為3～10 g/L泥沙的絮凝（<0.05）。當(dāng)初始泥沙濃度為3、5、7和10 g/L時，與未加氣處理相比，冬季加氣處理后沉降泥沙中值粒徑分別增大7.62%、11.10%、13.67%和13.95%，夏季加氣處理后分別增大6.83%、9.38%、13.01%和13.24%，加氣增大沉降泥沙粒徑的作用隨初始泥沙濃度的增加而增強(qiáng)，初始泥沙濃度越高，越有利于加氣促進(jìn)泥沙絮凝。

此外，升高溫度顯著提高初始濃度為3～10 g/L泥沙的中值沉速，顯著增大絮凝沉降后粒徑（<0.05）。未加氣處理下夏季泥沙中值沉速和沉降泥沙中值粒徑分別比冬季增大37.37%～51.33%和7.75%～9.68%，加氣處理下夏季比冬季增大25.87%～35.43%和6.95%～7.97%。升高溫度促進(jìn)黏性泥沙絮凝沉降的作用隨初始泥沙濃度的不同而有所差異，并未呈現(xiàn)一定規(guī)律。

2.3 不同肥料類型及濃度下加氣對黏性泥沙絮凝沉降的影響

加氣前后不同肥料類型及濃度渾水的泥沙沉降過程如圖5所示。施加硫酸鉀肥或復(fù)合肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，沉降相同時刻的含沙量降幅越大。施加尿素較未施肥處理可減緩含沙量的下降，但不同濃度尿素之間沒有顯著性規(guī)律，且尿素減緩含沙量下降的作用在加氣條件下并不明顯。此外，加氣促進(jìn)了不同肥料類型及濃度渾水含沙量的下降，即加氣促進(jìn)水肥混合液中泥沙的沉降。沉降15 min時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%～1.0%的硫酸鉀肥、復(fù)合肥及尿素渾水加氣較未加氣處理含沙量分別減少16.15～23.05、7.66～15.82和25.59～33.49個百分點，加氣促進(jìn)尿素渾水泥沙沉降的作用最大。

表4 加氣前后不同肥料類型及濃度渾水的泥沙中值沉速及沉降泥沙中值粒徑

注：同列不同字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters in the same column indicate significant differences (<0.05).

加氣增大了不同類型水肥混合液的沉降泥沙中值粒徑。質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%～1.0%的硫酸鉀肥、復(fù)合肥及尿素渾水加氣較未加氣處理沉降泥沙中值粒徑分別增大2.47%～11.06%、6.00%～12.87%和13.42%～16.89%。加氣促進(jìn)了不同類型水肥混合液中黏性泥沙的絮凝，且促進(jìn)尿素渾水泥沙絮凝的作用最大。

表5 加氣、肥料類型及濃度對泥沙中值沉速影響方差分析

注：2=0.947（調(diào)整后2=0.922），**表示<0.01。

Note:2=0.947 (after the adjustment2=0.922); **,<0.01.

3 討 論

前人研究結(jié)果表明，水中加氣可減小水體密度，降低水體粘滯系數(shù)，加氣后產(chǎn)生的微氣泡具有減阻效果[20-21]。同時微氣泡在水體中運動，無論破裂與否，都會對周圍顆粒運動產(chǎn)生擾動作用[22]。本試驗發(fā)現(xiàn)加氣加速了水體中黏性泥沙的絮凝沉降（圖4）。一方面比表面積大、電化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的黏性泥沙在范德華引力、顆粒的不等速沉降及物理化學(xué)吸附作用下碰撞黏結(jié)形成絮體[23]，絮體在重力的作用及微氣泡的減阻效應(yīng)下克服浮力快速沉降。另一方面微氣泡的存在其運動增加了水體紊動程度，提高了泥沙顆粒的碰撞頻率，促進(jìn)絮體形成從而加速沉降。此外，對含沙渾水使用文丘里循環(huán)曝氣裝置加氣5 min，泥沙中值沉速即可達(dá)到最大值（圖3）。本試驗發(fā)現(xiàn)加氣5 min時溶氧量最高（圖3），南茜等[19]研究表明不同溫度狀態(tài)通氣5 min時溶氧量均保持在最高，通氣時間越長反而最終溶氧量越低，這與本文結(jié)論一致。由于加氣5 min時溶氧量最高，此時數(shù)量較多的微氣泡更有利于降低兩相流黏度，降低粘滯阻力，因此提高泥沙沉速的作用也更為明顯。劉春等[24]研究表明曝氣減緩了污泥的沉降，這與本文試驗結(jié)果存在差異，原因在于污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，而本試驗?zāi)嗌持杏袡C(jī)質(zhì)含量幾乎為0。有機(jī)質(zhì)的存在提高了污泥混合液黏度，從而增大了微氣泡平均直徑[25]，使得氣體向上散逸并帶動污泥絮體上浮。此外有機(jī)質(zhì)含量較高時，包裹在絮團(tuán)表面的有機(jī)質(zhì)增強(qiáng)了絮團(tuán)電負(fù)性，使絮團(tuán)之間靜電斥力增加，絮凝率降低[26]。

加氣對泥沙絮凝沉降的影響程度與微氣泡在液相中的數(shù)量及穩(wěn)定性等因素有關(guān)。本試驗發(fā)現(xiàn)加氣促進(jìn)黏性泥沙絮凝沉降的作用隨泥沙濃度的增加而增強(qiáng)。泥沙濃度越高，加氣提高泥沙沉速、增大絮凝沉降后粒徑的作用越大（表2）。Kumari等[27]研究表明增加黏土濃度可抑制氣體的擴(kuò)散和聚并從而提高微氣泡的穩(wěn)定性。當(dāng)微氣泡的穩(wěn)定性較高時，更有利于促進(jìn)泥沙沉降，同時單位空間體積內(nèi)黏土顆粒數(shù)量較多時，有助于其相互碰撞發(fā)展成為絮團(tuán)，在微氣泡的減阻作用下加速沉降。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)加氣促進(jìn)黏性泥沙絮凝沉降的程度受溫度影響較小，加氣和溫度交互對泥沙沉降影響未達(dá)到顯著水平（表3）。這可能是因為升高溫度降低了液相黏度及表面張力使曝氣形成的氣泡小而穩(wěn)定[28]，但同時也降低了飽和溶解氧濃度使水中可溶解的微氣泡數(shù)量減少，綜合作用下加氣對不同溫度環(huán)境下的泥沙絮凝沉降影響差異較小。

黏性泥沙的絮凝沉降過程還會受到pH值、鹽離子濃度等因素的影響[4]，肥料會改變pH值、電導(dǎo)率、鹽離子種類及含量等水質(zhì)參數(shù)[29]，從而可能影響泥沙的絮凝沉降。本試驗發(fā)現(xiàn)加氣促進(jìn)黏性泥沙絮凝沉降的作用與渾水中施加的肥料類型及濃度有關(guān)，促進(jìn)作用隨肥料濃度的增加而減小。隨著硫酸鉀肥濃度增加，溶液中陽離子濃度增大，會中和泥沙顆粒表面負(fù)電荷，壓縮雙電層結(jié)構(gòu)，使顆粒之間靜電斥力減小，泥沙的絮凝程度增強(qiáng)[30]。隨著復(fù)合肥濃度增加，肥料成分中含有的少量硫酸鉀電解質(zhì)逐漸發(fā)揮作用，同時肥液pH值逐漸減小使黏土顆粒表面電位絕對值降低，顆粒間碰撞概率增大，絮體粒徑增大，沉降速度加快[31-32]。渾水中施加硫酸鉀肥或復(fù)合肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，泥沙顆粒間越容易發(fā)生團(tuán)聚，形成穩(wěn)定絮團(tuán)，造成加氣促進(jìn)泥沙顆粒間碰撞粘結(jié)的概率降低，加氣促進(jìn)泥沙絮凝沉降的作用減小。另一方面，加氣后產(chǎn)生的大量微氣泡使水體粘滯系數(shù)降低，而尿素濃度的增加會增大水體粘滯系數(shù)[29]，進(jìn)而影響加氣對泥沙絮凝沉降的作用。此外，尿素溶液呈堿性，堿性環(huán)境有利于提高微氣泡穩(wěn)定性[33]，因此尿素渾水加氣后泥沙沉速增幅最大。

本文通過探究不同條件下加氣對黏性泥沙絮凝沉降的影響得到了一些初步結(jié)論，對于明確水肥氣一體化灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)泥沙淤積規(guī)律具有重要意義。本文的不足之處在于，尚未考慮加氣對不同粒徑泥沙絮凝沉降的影響，在后續(xù)試驗中應(yīng)予以考慮并加以完善。

4 結(jié) 論

1）加氣顯著促進(jìn)濃度為3～10 g/L黏性泥沙的絮凝沉降（<0.05），且促進(jìn)作用隨泥沙濃度的增加而增強(qiáng)。與未加氣處理相比，冬、夏季加氣處理后泥沙中值沉速分別提高48.67%～70.98%和33.04%～57.52%；沉降泥沙中值粒徑增大7.62%～13.95%和6.83%～13.24%。

2）加氣加速不同類型水肥混合液中黏性泥沙的絮凝沉降，且加速作用隨肥料濃度的增加而減小。施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2～1.0%的不同類型肥料，加氣處理后，尿素渾水泥沙中值沉速增幅最大，為91.19%～170.21%，硫酸鉀渾水泥沙中值沉速最大，為0.399～0.450 mm/s，復(fù)合肥渾水泥沙中值沉速最小，為0.288～0.330 mm/s。

3）加氣、肥料類型、肥料濃度分別單獨或交互均極顯著影響泥沙沉降（<0.01）。加氣、肥料類型、肥料濃度三者對泥沙沉降的影響存在復(fù)雜的交互作用。

4）水肥氣一體化滴灌值得推薦，但建議適當(dāng)增加沉降泥沙的沖洗措施，優(yōu)先選用適宜濃度的復(fù)合肥，以減緩灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)的泥沙淤積。

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Effects of aeration on the flocculation and sedimentation of cohesive sediment in irrigation water

Lyu Chang1,2, Zhang Erxin1,2, Zhang Wenqian1,2, Zhao Xue1,2, Wang Yanbang1,2, Niu Wenquan1,3※

(1.7121002.7121003.712100)

An integrated irrigation of water, fertilizer, and gas has been one of the most effective ways to alleviate the shortage of water resources in the reaches of the Yellow River. However, high content of cohesive sediment in the Yellow River has posed a great challenge on the water quality, as well as the flocculation and sedimentation of sediment resulting from the fertilizer solution and bubbles. This study aims to explore the influence of aeration on the flocculation and settlement of cohesive sediment during irrigation. A typical clay mineral of kaolin in the Yellow River was selected as the experimental sediment, and tap water was used as the experimental water. A water quality test proved that there was a fewer content of iron and other cations easy to form sediment flocculation. A Venturi circulation aeration device was used to fabricate the milky uniform mixture of water and air. The diameter of bubbles produced by the device was generally 15m, and the average gas holdup was 5.42%. The experiments were then carried out under various sediment concentrations (1, 3, 5, 7, and 10 g/L), the different types of fertilizers (potassium sulfate fertilizer, compound fertilizer, and urea), and the mass fraction of fertilizer (0, 0.2%, 0.5%, and 1.0%). Some parameters were measured, including the relative concentration of sediment, the median settling velocity of sediment, and the average particle size of the settling sediment before and after aeration. The results showed that the 5-minute aeration in the Venturi circulation device significantly promoted the flocculation and sedimentation of cohesive sediment with a concentration of 3-10 g/L (<0.05). After the aeration, the median settling velocity of sediment increased by 48.67%-70.98% in winter, and 33.04%-57.52% in summer, while, the average particle size of settling sediment increased by 7.62%-13.95% in winter, and 6.83%-13.24% in summer, where the differences were significant (<0.05). There was an enhanced effect of the aeration on the sediment flocculation and settlement, with the increase of initial sediment concentration. Subsequently, the promotion effect decreased with the increase of fertilizer concentration, closely relating to the type and concentration of fertilizer applied in muddy water. When the potassium sulfate fertilizer, compound fertilizer, and urea muddy water with the fertilizer mass fraction of 0.2%-1.0% were aerated, the median settling velocity of sediment increased by 20.00%-32.12%, 18.71%-130.40%, and 91.19%-170.21%, respectively, while the average particle size of settling sediment increased by 2.47%-11.06%, 6.00%-12.87%, and 13.42%-16.89%, respectively. The aeration was greatly contributed to promoting the sediment flocculation and settlement in the muddy water containing urea. The variance analysis indicated that the aeration, fertilizer concentration, fertilizer type, and the interaction presented significant effects on the median settling velocity of sediment (<0.01). There was also an outstanding interaction among the aeration, fertilizer type, and fertilizer concentration on the sediment deposition. Prior to the aeration, there was the largest value in the median settling velocity of the sediment in the potassium sulfate fertilizer muddy water, whereas, the smallest in the compound fertilizer and urea muddy water. After aeration, there was the largest value of 0.399-0.450 mm/s in the median settling velocity of the sediment in the potassium sulfate fertilizer muddy water, whereas, the smallest of 0.288-0.330 mm/s in the compound fertilizer muddy water. Consequently, the compound fertilizer with the appropriate concentration can be expected to be preferentially selected in the integrated irrigation of water, fertilizer, and gas, further slowing down the sediment deposition in the irrigation pipe network system. The findings are of great significance to clarify the sediment deposition of the water, fertilizer, and gas integrated irrigation system. A sound theoretical basis can be also offered to take reasonable measures for the sediment deposition in the pipe networks during irrigation.

irrigation; sediment; fertilizer; aeration; cohesive sediment; flocculation sedimentation

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.008

S275.6

A

1002-6819(2021)-22-0066-09

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Lyu Chang, Zhang Erxin, Zhang Wenqian, et al. Effects of aeration on the flocculation and sedimentation of cohesive sediment in irrigation water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 66-74. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.008 http://www.tcsae.org

2021-09-01

2021-11-12

國家自然科學(xué)基金資助項目（52079112，51679205）

呂暢，研究方向為節(jié)水灌溉新技術(shù)。Email：LV102192@163.com

牛文全，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為水土資源高效利用與節(jié)水灌溉技術(shù)。Email：nwq@vip.sina.com

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：牛文全（E041200504S）