不同类型滴头在黄河水滴灌条件下的堵塞特征研究

郭 庆，李田田，杨建飞

(1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.周至县农业农村局，西安 710400）

0 引 言

【研究意义】随着我国干旱半干旱地区灌溉水资源的日益紧缺，利用黄河水灌溉已成为缓解该地区灌溉用水紧缺的有效途径[1]。滴头作为滴灌系统的核心部件，灌溉过程中狭窄的流道易被水中泥沙附着而造成堵塞，严重降低滴灌系统的灌水效率和使用寿命[2]。因此，如何提高滴灌系统的抗堵塞性能已成为热点问题。

【研究进展】研究发现，进水口结构对滴头抗堵塞性能具有较大影响。刘燕芳等[3]通过滴灌试验发现，滴头进水口结构和尺寸是影响滴头抗堵塞性能的重要因素。谢巧丽等[4]研究发现，滴头流量与进水口截面积、滴头抗堵塞性与进水口栅格高度呈正相关。郭庆等[5]通过含沙水滴灌试验研究发现，滴头进水口尺寸越大，泥沙颗粒在进水口处沉积的风险越低，滴头抗堵塞性能则越强。滴头进水口结构影响水流流动特性，从而改变泥沙颗粒的输移速率，最终决定滴头抗堵塞特性。此外，大量研究表明，减缓泥沙颗粒在滴头进水口处的附着，降低滴头入口堵塞风险是提高滴头抗堵塞性的有效途径之一[6-9]。【切入点】因此，通过设计具有阻止泥沙颗粒在进水口处沉积的滴头结构来降低泥沙颗粒在滴头进水口处的沉积风险，促进泥沙颗粒在流道内的输移，是增强滴头抗堵塞性能的有效思路。然而，目前针对进水口结构对迷宫流道滴头堵塞特性的影响研究主要集中于数值模拟研究，试验研究主要侧重于同类型滴头研究，而对于不同进水口结构下的多种类型滴头的堵塞动态变化过程研究较少，且各滴头抗堵塞性能之间的差异性不明确，有待于进一步研究。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究选用不同进水口结构（有凸台、无凸台）和不同类型（非补偿片式、非补偿圆柱式和补偿圆柱式）的6 种迷宫流道滴头进行短周期间歇性灌水试验，对比分析黄河水滴灌条件下不同结构滴头的堵塞动态变化过程，明确滴头类型和进水口结构对滴头水力性能和抗堵塞性能的影响。本研究结果可为引黄灌区滴灌系统滴头结构的选型提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

依据文献[3,10]，内镶贴片式滴灌带更适用于引黄灌区灌溉，内镶圆柱式滴灌带（管）更适用于高含沙水灌溉，为进一步明确黄河水滴灌条件下不同进水口结构的多种类型滴头的堵塞动态变化过程，本研究选用常见的 3 种非压力补偿内镶贴片式滴灌带（E1～E3，简称片式滴头）、1 种压力补偿内镶圆柱式滴灌管（E4，简称补偿圆柱式滴头）和自研的2 种非压力补偿内镶圆柱式滴灌管（E5～E6，简称非补偿圆柱式滴头，2 种滴头除有无凸台的区别外，其他结构完全相同）作为研究对象，各滴头结构参数如表1所示（表中D为滴头流道宽度，W为滴头流道深度，L为流道长度，Z为流道齿间距），每条滴灌带上滴头总数分别为18、18、18、20、22、22 个，由于待测的滴灌带长度（6 m）较短且滴头排列相对紧密，因此可忽略滴头的水力流量偏差，即认定所有滴头的工作环境相同。本研究使用的自研滴灌管（E5～E6）的流道形式和结构尺寸与传统滴灌管存在较大差异。

表1 试验用滴头参数Table 1 Parameters of the dripper used in the test

试验用沙取自杨凌渭河漫滩，经自然风干后过150 目筛网（0.10mm）筛出。筛分后的泥沙粒径范围为0～0.01、0.01～0.02、0.02～0.05 mm 和0.05～0.10 mm的颗粒占比分别为5.65%、9.34%、36.51%和48.50%。以宁夏段黄河引水渠含沙量（0.61～1.1g/L）为依据，配置含沙量为1.0 g/L 的浑水进行滴头堵塞试验。试验用水为自来水，pH 值为7.93，悬浮物质量浓度为129 mg/L，电导率为295μS/cm，总硬度为76 mg/L，细菌的菌体质量浓度小于1 cfu/mL，符合灌水标准[11]。

1.2 试验装置

滴头抗堵塞试验装置如图1所示。试验装置由支撑平台（长6m，宽0.5m，高0.6m）、蓄水桶（直径0.6 m，高0.6 m）、搅拌机（功率0.75 kW）、网式过滤器（150 目）、自吸泵（功率0.75 kW，扬程60 m）、进出水管、阀门、回水槽、压力表（量程0.2 MPa，精度20%）及待测定的滴灌带组成。待测滴灌带铺设于支撑平台上，浑水试验时每个支撑平台上铺设3 根6m 长的同种滴灌带进行滴头抗堵塞性能测试。

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of the test platform

1.3 试验设计与方法

本试验分为清水条件下的水力性能试验和浑水条件下的堵塞试验。

1.3.1 清水试验及水力性能评价

清水试验按照GB/T17187—2009 的标准[12]要求进行，在0.02～0.12MPa 进水口压力下依次测试6 种滴头的流量，测试压力间隔为0.02 MPa。测试方法为：打开测试平台阀门，调节压力表读数，待压力表读数稳定在待测值后，将1 000 mL 的烧杯依次置于待测滴头下方，测定每个滴头的流量，测定时长为10min，每组重复3 次取均值作为其在每个压力点上的流量值。

滴头流量和压力的关系为：

式中：q为滴头流量（L/h）；h为进水口压力（kPa）；kd为流量系数，反映流量波动程度，其值越小时，流量波动越小；x为流态指数，反映了滴头流量对进水口压力变化的敏感程度，其值越小时，毛管上各滴头出流量偏差较小，毛管灌水均匀性较强[13-14]。

1.3.2 浑水试验及抗堵塞性能评价

清水试验结束后进行浑水堵塞测试试验，堵塞试验采用周期性间歇灌水测试法，测试压力为0.1MPa，灌水频率为每日2 次，每次灌水时长为1.5h，相邻灌水间歇时长为0.5h。每次灌水结束前10min，当压力表读数稳定在0.1MPa 后测定滴灌带各滴头的流量，每组重复3 次后取平均值，累计灌水20 次后结束试验，取下滴灌带清洗测试平台，更换新的滴灌带进行下一组试验。为保证浑水均匀性，试验过程中搅拌机持续工作，且每灌水2 次后配置新的浑水进行试验。

平均相对流量（Dra）和灌水均匀度（Cu）可表征滴灌带的整体堵塞水平，当滴头实测浑水流量与相同压力条件下的清水流量比值（Dra）小于75%、均匀度（Cu）小于80%时，判定滴头发生堵塞，Dra、Cu越小，表明滴头堵塞越严重[15]。滴头堵塞率（η）定义为灌水期间发生堵塞（Dra＜75%）的滴头数与该处理下滴头总数的比值。

1.4 数据分析与方法

采用SPSS25.0 软件进行数据统计分析，采用主效应方差分析滴头类型和进水口结构对滴头抗堵塞性能的影响，采用LSD 法检验各处理差异性，利用Excel 2016 和CAD 2014 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 滴头水力性能结果分析

滴头水力特性参数统计结果如表2所示。不同结构滴头流量系数、流态指数均存在显著差异（P＜0.05），其中E1 滴头的流量系数显著小于E2～E6 滴头，E6滴头的流态指数显著大于E1～E5 滴头，可见6 种滴头中，E1 滴头的流量系数最小，滴头出流较稳定，而E6 滴头的流态指数最大，滴头出流均匀性较差。

表2 滴头水力性能显著性分析Table 2 Significant analysis of hydraulic performance of dripper

2.2 滴头相对流量和均匀度变化过程分析

滴头流量和均匀度随灌水时长的动态变化如图2所示。整个灌水过程中，片式滴头E1～E3 的相对流量、均匀度的下降趋势较为相似，而圆柱式滴头E4～E6 存在较大差异。其中，滴头E4 在整个灌水过程中的相对流量、均匀度均呈直线下降趋势，滴头E5 在灌水前期（1～7 次灌水）呈快速下降趋势，之后呈缓慢下降趋势，而滴头E6 在灌水前期的相对流量、均匀度在95%附近呈波动性变化，灌水中后期（12～15次灌水）相对流量呈快速下降趋势，之后相对流量在86%附近波动变化。灌水结束时，滴头E1～E6 流量分别下降39.79%、30.18%、34.78%、49.45%、25.70%和14.70%，均匀度分别下降26.53%、34.64%、40.50%、47.83%、29.10%和15.77%。从各滴头相对流量和均匀度的下降程度来看，E6 滴头的抗堵塞性能最优，而E4 滴头最差。

图2 滴头相对流量、均匀度动态变化过程Fig.2 The dynamic change process of the relative flow and uniformity of the dripper

由表3可知，不同结构滴头之间存在显著差异（P＜0.05）。其中，片式滴头中E2 滴头的流量最大，抗堵塞性能最优，而E1 滴头最差，圆柱式滴头中E6滴头的流量最大，抗堵塞性能最优，而E4 滴头最差。此外，由表4可知，滴头类型和进水口结构对滴头堵塞具有极显著影响（P＜0.01）。由此可知，滴头的抗堵塞性能与滴头类型和进水口结构密切相关。

表3 滴头相对流量和均匀度的显著性分析Table 3 Significance analysis of the relative flow and uniformity of the dripper

表4 滴头类型和进水口结构对滴头相对流量影响的方差分析Table4 Variance analysis of the influence of dripper type and water inlet structure on the relative flow of the dripper dripper

2.3 滴头相对流量和均匀度协同变化过程分析

由图3可知，滴头相对流量和均匀度的变化过程具有协同性，即随着灌水时长的增加而同步降低，且二者之间呈线性相关。其中，片式滴头E1～E3 的拟合斜率分别为0.744、1.016 和1.202，圆柱式滴头E4～E6 的拟合斜率分别为0.930、1.117 和0.728。E2、E3 和E5 滴头的拟合斜率大于1，而E1、E4 和E6 滴头的拟合斜率小于1，斜率大于1 表明滴头相对流量的下降速率大于均匀度的下降速率，即在滴灌过程中滴灌带上的滴头堵塞进程较为均匀，没有出现或极少出现滴头发生突然完全堵塞现象，斜率小于1 则相反。因此，与滴头E1、E4 和E6 相比，滴头E2、E3 和E5 不易发生突然堵塞，潜在的堵塞主要是由泥沙缓慢沉积所导致的。

图3 滴头相对流量与均匀度协同变化过程Fig.3 The synergistic change process of the relative flow and uniformity of the dripper

2.4 滴头堵塞动态变化过程分析

滴灌过程中，滴头堵塞动态变化过程（完全堵塞（Dra=0）、堵塞（0＜Dra≤75%）、无堵塞（Dra＞75%））如表5所示。其中，滴头E4～E5 在灌水前期最先出现堵塞，而其他滴头均未出现。灌水中期各滴头均发生不同程度堵塞，其中E3～E5 滴头最先发生完全堵塞，其发生完全堵塞的滴头占比分别为11.11%、6.67%和4.45%，灌水后期滴头E1～E5 堵塞速率呈快速增加趋势，而E6 滴头呈缓慢增加趋势。灌水结束时，滴头E1～E6 堵塞占比分别为44.44%、22.22%、33.33%、56.67%、22.73%和12.13%。对比可知，滴头E6 堵塞占比最小，抗堵塞性能最优，而滴头E4 表现出相反的规律，这与图2反映的规律一致。

表5 滴灌过程中滴头堵塞程度动态变化过程Table 5 Dynamic change process of dripper clogging degree during drip irrigation

2.5 滴头结构与堵塞参数的相关性分析

由表6可知，滴头平均相对流量与滴头流道长呈显著正相关（P＜0.05），表明本研究中滴头流道长是影响滴头堵塞的主要因素，且随着流道长度的增加，滴头发生堵塞所经历的灌水时间增加，而其他4 个因素对滴头堵塞的影响不显著，即在本试验中滴头流量、齿间距、流道最小断面和进水栅格最小断面不是影响滴头堵塞的主要因素，但不能据此认为这些因素对滴头堵塞没有影响。

表6 滴头堵塞参数与结构参数的显著性分析Table 6 Significance analysis of dripper clogging parameters and structural parameters

3 讨论

前人研究发现，滴头类型和结构是影响其水力性能和抗堵塞性能的关键因素[15-17]，这与本研究结论一致。滴头水力性能研究结果表明，E1 滴头的流量系数最小，其流量波动较小，而E4 表现出相反的规律。这主要是由于E1 滴头流道断面尺寸相对较大，流道长度较短，水流在流动过程中受流道壁面的影响较小，而E4 滴头流道长度较长且流道方向曲折多变，水流在流动过程中受流道壁面及补偿结构的影响较大[18]。因此，E1 滴头流量波动较小，E4 滴头流量波动较大，这与郑国玉等[19]研究结果一致。此外，本研究还发现，6 种滴头中E6 滴头的流态系数最大，滴头出流量偏差较大，滴头出流均匀性较差。这主要是由于E6 滴头存在进水口凸台结构，易造成进水口处水流方向发生骤变，加速了水流与毛管壁面和凸台壁面的碰撞，增大了滴头进水口处水流的紊动，改变了水流的流速和流态。因此，具有凸台结构的E6 滴头表现出较低的出流均匀性。滴头抗堵塞性能研究结果表明，滴头类型和进水口结构对滴头堵塞具有极显著影响，其中片式滴头中E2 滴头的抗堵塞性能最优，E1 滴头最差，圆柱式滴头中E6 滴头的抗堵塞性能最优，E4 滴头最差。这主要是因为片式滴头中E2 滴头的进水口栅格尺寸较大，灌水过程中泥沙颗粒在进水口处附着的机率较小，滴头发生堵塞风险较低。而片式滴头E1 的额定流量较小、流道长度较长，流道内较低流速不易将附着于流道迎水面的泥沙冲出[20]，滴头堵塞风险较大。圆柱式滴头中E4 滴头为补偿式滴头，而其在0.1 MPa 压力条件下迷宫流道内较大流速的水流易造成弹性体变形量增大、过流断面面积减小，从而导致附着于齿间、弹性片表面的泥沙不易被水流带走[21]，滴头堵塞加剧，抗堵塞性能降低。而圆柱式滴头E6 抗堵塞性能最优主要是由于其存在的凸台结构有效减缓了泥沙颗粒在滴头入口处的沉积，减小了滴头流量下降速率，增大了滴头灌水均匀性，提升了滴头有效灌水次数[22]。整个灌水过程中，具有凸台结构的E6滴头保持着较优的抗堵塞性，且与无凸台结构滴头中抗堵塞性能最优的E5 滴头相比，相对流量提升了14.81%，滴头堵塞率降低了46.63%。由此可知，滴头进水口凸台结构可显著提升滴头的抗堵塞性能。滴头抗堵塞影响因素分析结果表明，滴头流道长度是影响滴头堵塞的主要因素，且滴头的抗堵塞性随着流道长度的增长而增强，这与温圣林等[13]的研究结论存在较大差异。这主要是滴头类型和试验水质不同引起的。后者选择了相同进水口结构（无凸台）的7 种迷宫流道滴头进行了高含沙水（3 g/L）条件下的堵塞研究，而本研究则选用了不同进水口结构（有凸台、无凸台）的6 种迷宫流道滴头进行了低含沙水（1 g/L）条件下的堵塞研究。当水质不同时，同类型滴头表现出的堵塞规律及影响滴头堵塞的主要因素也不尽相同[23-24]，因此不同类型滴头抗堵塞性能的差异性还与灌溉水质密切相关。综合上述分析结果，建议黄河水滴灌时选择大流量且具有凸台结构的非补偿内镶圆柱式滴头进行灌溉，以提升滴灌系统的灌溉质量。

4 结论

1）滴头类型和滴头结构是影响滴头水力性能的重要因素。E1～E6 滴头中E1 滴头的流量系数最小，其滴头流量波动较小；E6 滴头流态指数最大，其滴头出流均匀性较差。

2）滴头类型和进水口结构对滴头堵塞具有显著影响，其中无凸台结构的补偿圆柱式滴头E4 流量下降速率最快，滴头堵塞最严重，有凸台结构的非补偿圆柱式滴头E6 流量下降速率最慢，滴头堵塞最轻。

3）滴头进水口凸台结构有效减缓了滴头流量下降速率，降低了滴头堵塞率，提升了滴头抗堵塞性能。与无凸台结构滴头中抗堵塞性最优的E5 滴头相比，有凸台结构的E6 滴头相对流量提升了14.81%，滴头堵塞率降低了46.63%。