錢(qián) 龍，余興嬌，吳立峰，裴青寶1，

（1.江西省水利科學(xué)院，南昌 330029；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099）

0 引 言

滴灌是一種以低速流動(dòng)為特征的灌溉技術(shù)。水通過(guò)管網(wǎng)、控制閥和噴頭直接輸送到作物根部，減少了蒸發(fā)、地表徑流和深層滲漏損失，從而有效提高水的利用效率[1,2]。但是，滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行成本較高，嚴(yán)重阻礙了滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用[3-5]。滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行壓力是決定整個(gè)滴灌工程成本的最重要因素，也是影響噴頭堵塞的重要原因之一[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在常壓下的水力性能和防堵性能方面[7-11]；已經(jīng)取得了許多有價(jià)值的研究結(jié)果。近年來(lái)，由于各種資源的短缺，美國(guó)、以色列、歐洲等國(guó)家都對(duì)低壓灌溉進(jìn)行了研究和嘗試[4,12,13]。采用低壓灌溉時(shí)，管網(wǎng)的水壓可以大大降低。同時(shí)，輸水材料的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)降低。可以使用薄壁支管和毛細(xì)管，這不僅可以減少能源消耗，還可以降低系統(tǒng)成本。

然而，當(dāng)工作壓力降低時(shí)，支管和/或側(cè)管的流速會(huì)下降，流速也會(huì)下降。水中的細(xì)小沉積物更容易沉積在滴管中，增加了滴管堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[14]。張國(guó)翔等[15]指出，灌水器的工作壓力可以降低到50 kPa。徐文禮等[16]研究了3 種壓力水平（30、60和90 kPa）和兩種顆粒大小對(duì)排放器的防堵性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，工作壓力越高，排放器堵塞的可能性就越大。Zhang等[17]認(rèn)為，工作壓力是影響堵塞的重要因素，但排放器的抗堵塞性能并沒(méi)有隨著額定工作壓力的增加而完全改善。上述這些研究只考慮了正常工作壓力或低工作壓力下的普通水質(zhì)的防堵性能。對(duì)于水質(zhì)較差的滴灌系統(tǒng)，特別是寧夏、內(nèi)蒙古等黃河灌區(qū)的滴灌系統(tǒng)，灌溉水的平均泥沙含量達(dá)到35 kg/m3；即使采取了沉淀和預(yù)過(guò)濾處理措施，細(xì)泥沙的含量仍然極高。對(duì)于這種高含沙量的滴灌系統(tǒng)[18,19]，在壓力選擇和低壓灌溉對(duì)噴頭堵塞的影響方面的研究比較少。此外，滴灌工程運(yùn)行成本較高，也嚴(yán)重阻礙了滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用,滴頭運(yùn)行壓力是決定整個(gè)滴灌工程造價(jià)的最重要因素[20]。為確定合適的滴頭運(yùn)行壓力，降低滴灌系統(tǒng)投資和運(yùn)營(yíng)成本。許多學(xué)者對(duì)低壓灌溉針對(duì)滴頭抗堵塞性能的影響進(jìn)行了研究。張國(guó)翔等[15]等研究指出，灌水器的工作壓力可以降低，但是工作壓力的降低會(huì)使水中細(xì)小泥沙沉積在灌水器中，增大灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。王建東等[21]和穆乃君等[22]，通過(guò)研究壓力對(duì)堵塞的影響得出工作壓力是影響堵塞的重要因素，但是堵塞性能并不完全隨額定工作壓力的增大而提高。對(duì)于高含沙滴灌系統(tǒng)，考慮運(yùn)行壓力對(duì)滴頭堵塞的影響的研究相對(duì)較少。

研究主要集中在：研究高含沙量滴灌系統(tǒng)不同壓力對(duì)噴頭堵塞的影響；揭示不同工作壓力下噴頭堵塞的原因；提出了在泥水灌溉中采用不同泥沙粒徑的方法控制噴頭堵塞的初步設(shè)想。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)中使用了中國(guó)甘肅省酒泉市大禹水利有限公司生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)灌溉中廣泛使用的帶無(wú)壓補(bǔ)償?shù)晤^的滴灌帶。灌水器的尺寸如下：側(cè)面外徑，16 mm；壁厚0.36 mm；通道深度，0.61 mm；通道寬度，1.02 mm；齒高0.86 mm；齒寬1.25 mm，齒間角度38.5°。

試驗(yàn)裝置如圖1 所示。使用100-L 圓柱形儲(chǔ)水桶儲(chǔ)存清水（或泥水）。灌溉水通過(guò)潛水泵輸送，潛水泵的額定水頭為35 m，流速為1.8 m3/h。3 根平行管道連接到泥水桶中的潛水泵。每個(gè)管道的前端和后端配備有控制閥和壓力表I，其測(cè)量范圍為200 kPa，精度為25%，用于控制入口壓力。該裝置有12 個(gè)支管（每個(gè)操作壓力下鋪設(shè)3 個(gè)支管），支管長(zhǎng)度為14 m，橫向間距為0.3 m，灌水器間距為0.4 m，每個(gè)支管配備35 個(gè)灌水器，支管兩端均配備球閥，同時(shí)添加回流管，使得過(guò)量的泥水可以返回到存儲(chǔ)桶以保持穩(wěn)定的濃度，分支入口配有壓力表Ⅱ，用于監(jiān)測(cè)入口壓力。此外，本次試驗(yàn)進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)。

圖1 測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Test platform

1.2 粒度分布和水源測(cè)量

使用Malvern 2000 型激光粒度分析儀（Malvern Instruments Ltd，Malvern，英國(guó)）分析泥沙和淤積泥沙的級(jí)配及粒徑分布，粒度分析儀的尺寸測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm，顆粒尺寸按升序排列，當(dāng)累積體積為10%、25%、50%、75%、90%時(shí)，測(cè)得淤積泥沙中的最大粒徑分別表示為V10、V25、V50、V75、V90。配制渾水的試驗(yàn)用土采自云南省昆明市呈貢區(qū)的砂壤土，由于滴灌系統(tǒng)中通常采用120目網(wǎng)式過(guò)濾器，其網(wǎng)眼直徑為0.125 mm[23,24]，因此本試驗(yàn)用土經(jīng)自然風(fēng)干研磨后過(guò)120 目篩網(wǎng)，均勻攪拌后隨機(jī)選擇5 個(gè)樣品。使用激光粒度分析儀獲得水源淤積泥沙的粒度分布。V10 為5.43±0.57 μm，V25 為11.58±0.73 μm，V50 為21.27±0.68 μm，V75為34.36±0.82 μm，V90 為48.84±0.42 μm。V10 的粒度比例分布為11.29±1.22%，V25 為7.40±0.59%，V50 為28.61±0.84%，V75 為13.74±0.74%，V90 為8.96±1.31%。灌水器選取大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌式齒形迷宮流道灌水器（圖2）進(jìn)行灌水試驗(yàn)。

圖2 迷宮流道灌水器和灌水器內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Labyrinth-channel emitter and parameters of flow path in emitters

1.3 清水灌溉

清水試驗(yàn)是根據(jù)ISO/TC23/SC18/WG5（ISO,2003）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。測(cè)量50～130 kPa,間隔為10 kPa 的滴頭流量，測(cè)量方法：灌水時(shí)在每個(gè)滴頭下方放置一個(gè)1 000 mL 量杯用來(lái)收集灌水器排出的清水，每次灌水持續(xù)時(shí)間30 min，間隔1 h，用數(shù)字天平稱(chēng)量滴頭流量，其精度為0.01 g，取各流量的平均值作為每個(gè)壓力點(diǎn)的流量。水力特征可用流量和壓力的關(guān)系表示為流量和灌水器的壓力之間的關(guān)系，為以下公式所示：

式中：q清水流量，L/h；h壓力水頭，m；kd流量系數(shù)；x流態(tài)指數(shù)。

將清水試驗(yàn)中灌水器在不同壓力下的流量代入式(2)，通過(guò)回歸計(jì)算可得到流量指數(shù)為1.12，流量系數(shù)為0.49；50、80、100、130 kPa 下清水流量分別為1.21、1.34、1.39、1.42 L/h。

1.4 渾水灌溉

渾水灌溉是在進(jìn)口壓力分別為50、80、100 和130 kPa 的情況下進(jìn)行的短周期間歇性灌溉試驗(yàn)。泥漿水的質(zhì)量濃度為3.0 g/L。試驗(yàn)在2020年11月1日至2021年1月31日的14:00至16:00 進(jìn)行。在每個(gè)灌溉處理期間，隨機(jī)收集每個(gè)側(cè)向的3 個(gè)灌水器排出的渾水，并使用激光粒度分析儀測(cè)量灌水器排出的泥沙的等級(jí)和粒度分布。在每次灌溉試驗(yàn)中測(cè)量108 個(gè)（12×3×3）從灌水器排出的泥水樣本，在每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)共測(cè)量3 240 個(gè)（108×30）從灌水器排出的泥水樣本。此外，當(dāng)灌溉系統(tǒng)提供5、10、15、20、25 和30 次灌溉事件時(shí)，采集了灌水器樣品。方法是在毛細(xì)管的開(kāi)始和尾部收集60 cm 的側(cè)向。橫向的每個(gè)部分包含兩個(gè)灌水器。灌水器樣品被裝入不同的密封袋中，并通過(guò)超聲波處理去除灌水器中的淤積泥沙。用同樣的方法來(lái)測(cè)量灌水器中淤積泥沙的分級(jí)和粒度分布。每個(gè)試驗(yàn)中共測(cè)量了144 個(gè)（4×3×12）灌水器樣品。在30 次灌溉活動(dòng)后，測(cè)量了4 320（144×30）個(gè)灌水器堵塞的淤積泥沙樣品。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

按照Li 等人[25]的描述，相對(duì)流量（Dra）和均勻性系數(shù)（Cu）進(jìn)行了評(píng)估，以評(píng)價(jià)滴灌系統(tǒng)灌水器的抗堵塞性能。灌水器的排量比變化（Dra）的計(jì)算公式如下：

式中：qi表示第i 次灌溉時(shí)的流出率，L/h；qnew表示灌水器的流出率，L/h；n是各處理中試驗(yàn)灌水器的總數(shù)。

Cu是灌溉均勻性的通用表達(dá)方式，可適用于整個(gè)滴灌系統(tǒng)、分支系統(tǒng)或獨(dú)立的毛管。它是基于每個(gè)灌水器的流量與平均流量之差的絕對(duì)值。Cu可由以下公式計(jì)算得出：

2 結(jié)果與分析

2.1 工作壓力對(duì)滴頭流量的影響

圖3 顯示了壓力水平為50、80、100 和130 kPa 時(shí)，灌水器平均流量隨灌溉事件的變化，本文3次重復(fù)試驗(yàn)的誤差范圍在±1.5%以?xún)?nèi)。一般認(rèn)為，當(dāng)?shù)晤^相對(duì)流量減少到初始流量的75%以下時(shí)，灌水器就會(huì)嚴(yán)重堵塞[26]。隨著灌溉次數(shù)的增加，所有滴頭的流量均呈下降趨勢(shì)，且流量在下降過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明灌水器的堵塞呈現(xiàn)出堵塞-沖洗-再堵塞的循環(huán)過(guò)程。當(dāng)工作壓力為50 和80 kPa 時(shí)，滴頭流量迅速下降。在10.92～11.87和11.91～12.78的灌溉事件后，滴頭流量下降到初始流量的75%以下，滴頭發(fā)生嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)失效。當(dāng)工作壓力為100 和130 kPa 時(shí)，灌水器流量下降相對(duì)緩慢，分別在17.87～20.92 和21.89～27.96 次灌溉事件后，滴灌系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞，與工作壓力為50 kPa 相比，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)了38.89%～47.80%、50.11%～60.94%。與工作壓力為80 kPa 相比，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)了43.56%、48.02%。結(jié)果表明，在泥沙含量高的滴灌系統(tǒng)中，工作壓力應(yīng)保持在80 kPa 以上。低于80 kPa 的工作壓力會(huì)大大降低滴頭的抗堵塞性能和滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

圖3 灌水器流量的平均變化與灌溉事件的關(guān)系Fig.3 Average change in emitter discharge versus irrigation events

2.2 工作壓力對(duì)灌水均勻度和相對(duì)流量的影響

圖4顯示，灌水器的相對(duì)流量和灌水均勻度隨滴灌系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加而下降，即隨灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，灌水器發(fā)生了不同程度的堵塞。工作壓力大于80 kPa時(shí)，Dra和Cu在整個(gè)灌水期間存在波動(dòng)變化，最大降幅分別發(fā)生在18～21 d，工作壓力小于80 kPa時(shí)，Dra和Cu在灌水期間下降速率相對(duì)較慢，最大降幅發(fā)生在9～13 d。工作壓力為50、80、100、130 kPa 下，系 統(tǒng) 運(yùn) 行30 d 后，Cu下 降 到51.74%～61.32%、43.87%～49.67%、9.76%～15.72%、5.58%～8.09%，Dra 下降到49.76%～57.54%、38.79%～45.87%、5.16%～13.04%、4.96%～8.82%，原因是過(guò)濾后的泥沙顆粒隨灌溉水進(jìn)入渠道。由于運(yùn)行壓力低，流道內(nèi)流速低，進(jìn)入渠道后的泥沙不易排出。此外，灌水器中的細(xì)小泥沙含量也很高。在灌溉過(guò)程中，大量的淤積泥沙顆粒結(jié)塊并相互粘連，形成較大的絮狀結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行壓力低于80 kPa時(shí)，Dra和Cu在短時(shí)間內(nèi)迅速下降。

圖4 滴頭相對(duì)流量和均勻度隨灌水次數(shù)的變化Fig.4 Discharge ratio variation and coefficient of uniformity change with irrigation events

圖5 和表1 顯示了灌水器的Dra 和Cu的線(xiàn)性擬合結(jié)果。圖5 顯示，在不同工作壓力下，灌水器的Dra 和Cu的動(dòng)態(tài)變化具有協(xié)同性，隨著灌溉時(shí)間的增加，兩者同步下降。所有橫向的擬合線(xiàn)R2均大于0.945，表明在整個(gè)灌溉期間Dra 和Cu之間存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 不同工作壓力下滴頭相對(duì)流量和灌溉均勻度的協(xié)同變化過(guò)程Fig.5 Dynamic changes in discharge ratio variation and coefficient of uniformity under different operating pressures

表1 滴灌過(guò)程中滴頭相對(duì)流量和灌溉均勻度之間關(guān)系Tab.1 Linear fitting results of discharge ratio variation and coefficient of uniformity under different operating pressures Lateral

工作壓力為100 和130 kPa 時(shí)，擬合線(xiàn)最小斜率分別為1.013 和1.052，均大于1，灌水器的Dra 遞減率高于Cu的遞減率，說(shuō)明當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，灌水器之間的堵塞程度有很大差異；突然堵塞是由于泥沙的大顆粒進(jìn)入通道所致。工作壓力為50 和80 kPa 時(shí)，灌水器的擬合線(xiàn)最大斜率分別為0.983 和0.989，均小于1，說(shuō)明灌水器之間的堵塞程度差異很小，灌水器容易出現(xiàn)整體堵塞。

2.3 工作壓力對(duì)灌水器內(nèi)淤積物質(zhì)含量的影響

工作壓力為50、130 kPa 時(shí)，由灌水器流量和渾水質(zhì)量濃度可獲得每次灌水進(jìn)入毛管的泥沙含量約為63.53 和74.55 g。由圖6(a)可知在4 種不同工作壓力下，灌水器內(nèi)淤積物質(zhì)隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加呈現(xiàn)先緩慢上升后急劇上升的趨勢(shì)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)，50、80、100、130 kPa 下，灌水器內(nèi)淤積物質(zhì)的質(zhì)量分別達(dá)到52.31、46.73、34.53、29.24 mg，表明工作壓力越大，滴頭排出的泥沙越多，滯留灌水器內(nèi)的泥沙越少。工作壓力為80、100、130 kPa 下毛管中淤積泥沙的量比工作壓力為50 kPa 時(shí)毛管內(nèi)淤積泥沙的量減少了0.69～5.62、1.08～16.92、1.25～22.16 mg。工作壓力小于80 kPa 時(shí)，曲線(xiàn)坡度較陡，灌水器內(nèi)淤積物質(zhì)快速增加，滴頭的堵塞進(jìn)程加快。工作壓力大于80 kPa 時(shí)，曲線(xiàn)坡度較小，毛管內(nèi)淤積物質(zhì)的量增加相對(duì)緩慢，滴頭不易快速堵塞。圖6(b)可知滴頭內(nèi)堵塞物質(zhì)的積累與系統(tǒng)運(yùn)行壓力之間存在線(xiàn)性關(guān)系。系統(tǒng)在相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，壓力越大，滴頭中堵塞物質(zhì)的積累越少，工作壓力的控制直接影響到滴頭內(nèi)淤積物的積累，從而影響灌水器的抗堵塞性能。

圖6 灌水器淤積泥沙含量隨灌溉事件的變化和灌水器淤積泥沙含量在不同工作壓力下的線(xiàn)性擬合Fig.6 Change in the total amount of emitter-clogging substances with the irrigation event，Total contents of emitter-clogging substances and the linear fitting results among different operating pressures

2.4 工作壓力對(duì)灌水器內(nèi)淤積泥沙粒徑的影響

圖7 為灌水器內(nèi)淤積泥沙V10、V25、V50、V75、V90 隨灌水時(shí)間的變化曲線(xiàn)。當(dāng)工作壓力小于80 kPa 時(shí)，經(jīng)過(guò)30 次灌溉，淤積泥沙V10 的顆粒大小平均增加了12.41%。操作壓力大于80 kPa；30 次灌溉后，淤積泥沙V10 的顆粒直徑平均增加了13.39%。經(jīng)過(guò)5 次灌溉事件后，觀察到以下結(jié)果：當(dāng)工作壓力為80 kPa 時(shí)，灌水器內(nèi)留存的淤積泥沙V25 的粒徑為14.72 μm；當(dāng)工作壓力為100 kPa 時(shí)，灌水器內(nèi)留存的淤積泥沙V25 的粒徑為15.22 μm。灌溉后，當(dāng)工作壓力為80 和100 kPa時(shí)，V25的粒徑分別達(dá)到18.25和19.94 μm，淤積泥沙粒徑增加了19.34%和23.77%。

圖7 灌水器內(nèi)淤積泥沙V10, V25, V50, V75和V90的粒徑隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Particle size V10, V25, V50, V75 and V90 change under different operating pressures

灌溉完成后，當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，淤積泥沙V50的平均粒徑為47.92 μm，比工作壓力小于80 kPa 時(shí)的55.16 μm 減少13.12%。當(dāng)工作壓力為80和100 kPa時(shí)，經(jīng)過(guò)30次灌溉，淤積泥沙V75 在灌水器中的粒徑分別為76.25 和72.63 μm，而V90 的粒徑為107.15 和114.93 μm。在100 kPa 的壓力下，淤積泥沙V75 和V90 的顆粒直徑分別比80 kPa 的壓力低4.75%和6.79%。結(jié)果表明，V10、V25、V50、V75 和V90 的粒徑隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。其中，V10和V25的粒徑增大，而V50、V75和V90的粒徑隨著工作壓力的增加而減小。

原因可能是對(duì)于粒徑小于V25 的泥沙，流動(dòng)性較強(qiáng)，當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，流道很快被排出。在工作壓力小于80 kPa的情況下，小顆粒的淤積泥沙也能通過(guò)該通道。對(duì)于相對(duì)較高的工作壓力，排放速度很慢。另外，當(dāng)工作壓力小于80 kPa時(shí)，淤積泥沙的絮凝和粘合比工作壓力大于80 kPa時(shí)更嚴(yán)重。

2.5 工作壓力對(duì)灌水器內(nèi)不同粒徑泥沙占比的影響

圖8 顯示了在灌溉系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)10、20 和30 次灌溉后，不同粒徑的淤積泥沙在灌水器中的比例。隨著灌溉次數(shù)的增加，淤積泥沙V10 和V25 的比例下降，而V50、V75 和V90 的比例上升。在4種不同的工作壓力下，粒徑小于V25的泥沙具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和流暢性，容易隨灌溉水排出。30次灌溉活動(dòng)后，灌水器中粒徑為V10的泥沙含量降至1.87%以下。灌水器中泥沙粒徑V25 的含量降至15.03%以下，工作壓力的變化對(duì)小于V25的泥沙粒徑的影響不大。

在整個(gè)灌溉周期中，當(dāng)工作壓力小于80 kPa 時(shí)，灌水器中淤積泥沙V50 的含量相較于初始狀態(tài)提高了24.25%，當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，V50 的含量增加17.39%。工作壓力對(duì)灌水器中粒徑為V50 的淤積泥沙有明顯影響。灌溉結(jié)束時(shí)，當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，截留在灌水器中的V75 含量大于工作壓力小于80 kPa 時(shí)的含量，但淤積泥沙V90 含量則相反。當(dāng)工作壓力小于80 kPa 時(shí)，淤積泥沙V90 的比例為20.55%，當(dāng)工作壓力大于80 kPa時(shí)，淤積泥沙V90的比例為16.57%。

原因是隨著滴灌系統(tǒng)中灌溉次數(shù)的增加，灌水器中的淤積泥沙容易形成團(tuán)塊。當(dāng)工作壓力低于80 kPa 時(shí)，灌溉器通道中的水流速度很低。小顆粒的泥沙不能及時(shí)排出流道，這些小顆粒的泥沙與大顆粒的泥沙結(jié)塊、絮凝，形成相對(duì)穩(wěn)定的聚集體，不易分散[27-29]，使大顆粒的泥沙比例增加。當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，細(xì)小的泥沙被及時(shí)排出通道，聚集體由粗大的泥沙組成，顆粒之間的間隙較大，結(jié)合不緊密；因此，在湍流剪切作用下，灌水器中的質(zhì)量容易被破壞。

2.6 工作壓力對(duì)灌水器排出泥沙粒徑的影響

表2～表4 顯示了在不同工作壓力下，隨著灌溉事件的發(fā)生，灌水器排出泥沙的粒度分布趨勢(shì)。在不同的工作壓力下，隨著灌溉事件次數(shù)的增加，灌水器的淤積泥沙V90、V50、V10的粒徑都有所下降。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，灌水器排出的淤泥V90 平均下降40.53%，V50 平均下降39.27%，V10平均下降24.49%。結(jié)果顯示，在灌溉過(guò)程中，小顆粒泥沙的變化較小，大顆粒泥沙的變化較大。

表2 不同的工作壓力下從灌水器排出泥沙粒徑V90的分布變化 μmTab.2 Changes in the distribution of the particle size V90 of the sediment discharged from the emitter under different operating pressures

表3 不同的工作壓力下從灌水器排出泥沙粒徑V50的分布變化 μmTab.3 Changes in the distribution of the particle size V50 of the sediment discharged from the emitter under different operating pressures

表4 不同的工作壓力下從灌水器排出泥沙粒徑V10的分布變化 μmTab.4 Changes in the distribution of the particle size V10 of the sediment discharged from the emitter under different operating pressures

滴灌系統(tǒng)運(yùn)行1 d后，得到以下結(jié)果：當(dāng)工作壓力大于80 kPa 時(shí)，從灌水器排出的泥沙V90 的尺寸為26.69 μm。與壓力小于80 kPa 時(shí)的19.74 μm 相比，泥沙V90 的顆粒直徑減少了26.04%。當(dāng)壓力為100 kPa 時(shí)，灌水器排出的泥沙V50 顆粒直徑為8.04 μm，當(dāng)壓力為80 kPa 時(shí)，灌水器排出的泥沙V50 的顆粒直徑為7.17 μm，泥沙顆粒大小減少了10.82%。當(dāng)壓力為80 kPa 時(shí)，灌水器排出的泥沙V10 顆粒尺寸僅比100 kPa 時(shí)減少3.87%，說(shuō)明工作壓力對(duì)粗粒徑泥沙的排放影響較大，對(duì)小粒徑泥沙的影響較小。這是因?yàn)榧?xì)小泥沙具有較好的流動(dòng)性和流動(dòng)性，即使在較低的壓力水平下也能將灌溉水排出灌水器，而粗粒徑泥沙的阻力較大，流動(dòng)性相對(duì)較差，提高工作壓力有利于粗粒沉積物的排放。

3 討 論

3.1 工作壓力對(duì)灌水器堵塞的影響

正確使用工作壓力可以減少能耗，節(jié)約成本。然而，滴灌設(shè)計(jì)和運(yùn)行壓力不當(dāng)可能導(dǎo)致噴頭排量迅速下降，甚至大大縮短灌溉系統(tǒng)的使用壽命。最近的研究發(fā)現(xiàn)，噴頭堵塞受工作壓力的影響，低壓力下噴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)增加[30]。Fan 等人[31]發(fā)現(xiàn)，工作壓力直接影響噴頭的堵塞過(guò)程。當(dāng)工作壓力低于50 kPa 時(shí)，水中的細(xì)小淤積泥沙容易加速堵塞。王心陽(yáng)等人[32]用泥沙含量為0.5 g/L的泥水進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蛪汗喔鹊墓ぷ鲏毫Φ陀?5 kPa時(shí)，粒徑小于45 μm的泥沙在灌水器中出現(xiàn)的概率明顯增加。

灌溉試驗(yàn)采用的是3.0 g/L 的高含沙水。當(dāng)工作壓力高于80 kPa 時(shí)，在17.87～27.96 次灌溉事件后，灌水器突然堵塞，灌水器之間的堵塞情況差異較大，灌水器中的淤積泥沙積累緩慢。當(dāng)工作壓力低于80 kPa 時(shí)，灌水器的使用壽命明顯下降，滴灌系統(tǒng)提供10.92～12.78 次的灌溉事件，并發(fā)生嚴(yán)重堵塞。對(duì)于泥沙含量較高的滴灌系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)提高低壓灌溉的工作壓力，以避免灌水器過(guò)早堵塞，壓力應(yīng)控制在80 kPa 以上。這是因?yàn)樵谀嗌澈枯^高的滴灌系統(tǒng)中，當(dāng)工作壓力為80 kPa或更低時(shí)，灌水器中的流速下降，較低的流速不能有效清除灌水器中的堵塞物質(zhì)[33]。Zhang 等人[11]比較了不同壓力水平對(duì)迷宮流道的抗堵塞性能影響。他們發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高系統(tǒng)的工作壓力可以減少堵塞，增加灌水器的排量，這與本研究的結(jié)果一致。此外，如前所述，泥水中細(xì)小沉積物的含量非常高，占過(guò)濾后泥沙的48.69%，粒徑小于11.58 μm。泥沙可以作為單個(gè)顆粒通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入灌水器的側(cè)部，但隨后發(fā)生絮凝，附著在管道內(nèi)壁和/或有機(jī)殘留物上，形成較大的堵塞物質(zhì)，從而堵塞灌水器[34,35]。在高泥沙含量的水的灌溉試驗(yàn)中，得到了以下結(jié)果：當(dāng)工作壓力降低到80 kPa 以下時(shí)，灌水器部分的平均排量明顯減少，水力剪切力進(jìn)一步降低，灌水器的堵塞過(guò)程加快。

3.2 工作壓力對(duì)相對(duì)流量和灌水均勻度的影響

在灌溉初期，管道的Dra 和Cu在4 個(gè)不同的工作壓力下呈緩慢下降趨勢(shì)。在灌溉中期，Dra和Cu的下降速度加快，在灌溉末期，下降速度減慢。Feng 等[36]也發(fā)現(xiàn)，在灌溉初期，Dra和Cu變化不大。隨著灌溉事件的增加，Dra和Cu急劇下降，然后緩慢變化，這與本研究的表現(xiàn)一致。在灌溉過(guò)程中，本文對(duì)灌水器的Dra 和Cu進(jìn)行了擬合和分析。結(jié)果顯示，Dra 和Cu之間存在線(xiàn)性關(guān)系。灌水器的擬合線(xiàn)相關(guān)系數(shù)大于0.945，擬合度較高。Dra 和Cu隨著灌水器平均堵塞度的增加而線(xiàn)性下降。Li等人[37]報(bào)告了類(lèi)似的結(jié)果。他們研究了使用再生水和地下水作為滴灌水源的6 種類(lèi)型的灌水器。Dra 和Cu隨著灌水器的堵塞呈線(xiàn)性下降。同時(shí)，使用再生水的滴灌系統(tǒng)對(duì)Dra和Cu的影響比使用地下水的滴灌系統(tǒng)更明顯；灌水器堵塞越嚴(yán)重，Dra 和Cu的線(xiàn)性關(guān)系越明顯。劉燕芳等[9]和周博等[38]采用兩種不同濃度的泥漿水進(jìn)行間歇式泥漿水灌溉試驗(yàn)，結(jié)果相似。

此外，Niu 等[39]和Zhou 等[40]發(fā)現(xiàn)灌水器的Dra 和Cu的變化有3 個(gè)時(shí)期的不同特性。第一個(gè)是波動(dòng)平衡期，Dra 和Cu反復(fù)波動(dòng)5%，線(xiàn)性關(guān)系不明顯。橫向的單個(gè)灌水器的放電量開(kāi)始減少，接著是最初的線(xiàn)性期。大部分灌水器的Dra和Cu的變化與線(xiàn)性線(xiàn)一致。此外，灌水器被不同程度地阻斷，然后進(jìn)入加速的線(xiàn)性期。Dra 和Cu急劇下降，最大降幅為10.6%，灌水器出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞。在灌溉初期，Dra 和Cu的線(xiàn)性關(guān)系并不明顯，在Liu 等人的試驗(yàn)中，灌溉水的泥沙含量較低，泥沙級(jí)配相對(duì)單一，導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)運(yùn)行初期所有噴頭的排量較大。Li等人的研究表明，泥水灌溉中灌水器的堵塞主要是由于微生物的繁殖和生長(zhǎng)引起的生物堵塞，而不是由于物理堵塞，灌水器的堵塞機(jī)理也不同。

3.3 工作壓力對(duì)灌水器中淤積和排放泥沙的影響

在4 種工作壓力下，細(xì)小泥沙V10 和V25 在灌水器中的滯留量較小，壓力的變化對(duì)細(xì)小沉積物的滯留影響不大。當(dāng)工作壓力小于80 kPa 時(shí)，灌水器中的沉積物V50、V75 和V90 的粒徑較大，當(dāng)大于80 kPa 時(shí)，灌水器中的相應(yīng)粒徑減小。系統(tǒng)的工作壓力對(duì)粗大的沉積物有很大影響，因?yàn)樗鲗?duì)淤積泥沙的阻力與投影面積成正比，顆粒越大，阻力就越大。因此，壓力的變化對(duì)粗粒徑泥沙的沉積和遷移有很大影響[41]。

此外，當(dāng)工作壓力低于80 kPa 時(shí)，灌水器中的流速很低。同時(shí)，渠道中的顆粒難以被沖出，細(xì)小的泥沙不能及時(shí)排出渠道。在灌溉過(guò)程中，渠道中的沉積物顆粒絮凝并積累成較大的聚集體。聚合體的顆粒緊密相連，因此在低速流動(dòng)的干擾下很難分散成單個(gè)顆粒[42]。當(dāng)運(yùn)行壓力大于80 kPa時(shí)，灌水器中沉積物V10和V25的比例迅速下降，渠道中的小顆粒泥沙隨著灌溉水迅速排出。在灌溉的間歇期，粗顆粒泥沙在重力沉降的作用下積累和絮凝[43]。然而，由于顆粒之間有較大的間隙，在高流速的干擾下，積累的顆粒很容易被分散。Niu 等人[39]認(rèn)為，在泥沙含量高的水中，顆粒的數(shù)量相當(dāng)大，在無(wú)擾動(dòng)或小擾動(dòng)的情況下，這些顆粒容易聚集形成較大的泥沙。當(dāng)水力剪切力較大時(shí)，大量的沉積物顆粒被排出，從而有效防止細(xì)小沉積物的絮凝和排放物的沉積。

Wu等[41]和劉璐等[8]發(fā)現(xiàn)，小于20 μm的顆粒很容易隨灌溉水排入渠道，這種尺寸的泥沙很難造成堵塞。Zhang 等[17]認(rèn)為細(xì)顆粒的流動(dòng)性比粗顆粒好，顆粒直徑越大，越容易造成堵塞。上述研究表明，細(xì)小的淤積泥沙不容易造成灌水器堵塞；粗粒徑泥沙的滯留是造成灌水器堵塞的重要原因。本研究也報(bào)告了同樣的結(jié)果。在滴灌系統(tǒng)初期，當(dāng)工作壓力大于80 kPa時(shí)，從噴頭排出的泥沙V90 的平均粒徑為26.45 μm，當(dāng)工作壓力低于80 kPa 時(shí)，V90 的平均粒徑為20.19 μm。灌溉結(jié)束后，V90 的粒徑小于20 μm。這一發(fā)現(xiàn)表明，直徑大于20 μm的顆粒被截留在迷宮通道中，這證實(shí)了V10和V25截留在灌水器中的泥沙顆粒大小和泥沙含量。此外，滯留在灌水器中的粗粒徑泥沙的含量更高。同時(shí)，在4 種工作壓力下，V50、V75和V90的平均粒徑都大于初始的粒徑，說(shuō)明迷宮通道中顆粒的絮凝和沉淀仍是造成灌水器堵塞的主要原因。

4 結(jié) 論

本文采用渾水灌溉試驗(yàn)方法，研究了4 種工作壓力50、80、100、130 kPa對(duì)灌水器抗堵塞性能的影響，分析了灌水器內(nèi)淤積泥沙、排出泥沙的粒徑占比及顆粒級(jí)配，得到結(jié)論如下：

當(dāng)壓力大于80 kPa，灌水器的堵塞過(guò)程與泥沙淤積相對(duì)緩慢，在17.87～27.96 次灌溉事件后，灌水器突然堵塞；當(dāng)壓力小于80 kPa，灌水器堵塞和灌水器中泥沙淤積過(guò)程加快。在4種不同工作壓力下，粒徑小于V25 泥沙在灌水器中淤積含量最少（小于1.87%），不易造成灌水器堵塞；粒徑范圍在V75～V90 的粗粒徑泥沙容易造成灌水器堵塞，但系統(tǒng)工作壓力的增加對(duì)該類(lèi)泥沙的淤積影響不大；粒徑范圍為V50 的泥沙的堵塞情況介于上述兩者之間，工作壓力對(duì)該粒徑泥沙有較大影響，且壓力的增加有利于減少這種泥沙的淤積和滯留。最后，工作壓力的增加有利于粒徑大于18.72 μm 的粗泥沙從灌水器中排出，但工作壓力的變化對(duì)粒徑小于8.52 μm 的細(xì)泥沙從灌水器中排出僅有輕微影響。因此，在泥沙含量高的滴灌系統(tǒng)中，迷宮流道灌水器在低壓灌溉時(shí)的工作壓力建議控制在80 kPa以上。