本文是一篇农业论文，本文以粒径范围小于0.125mm的泥沙配制的浑水对压力补偿滴灌管进行灌水试验，主要研究了泥沙粒径以及浑水含沙量对不同位置管段上滴头堵塞的影响关系，在一定程度上对灌水水源为含沙水的滴灌技术的改进提供了一定的理论参考。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
我国西北地区水资源匮乏，灌溉用水日趋紧张，严重限制了当地农业的发展。在这样的背景下，为缓解水资源供需矛盾，发展高效节水灌溉技术成为主要的办法之一[1]。滴灌技术能够有效实现节水增产、调控和管理农田生态环境以及水肥药精量控制，是节水灌溉的主要方式之一[2]。
滴灌属于微灌方式，其特点是灌溉水流通过滴头上细小的出水孔口、以较小的流量缓慢均匀供水。其中灌水器作为滴灌系统的核心，灌水器内部复杂的流道结构可以对进入其内部的有压水流进行消能，保证出水均匀、稳定，但灌水器的流道尺寸较小，易被灌溉水中的固体颗粒物、微生物、化学反应物质等杂质堵塞[3-6]。水质是引起灌水器堵塞最主要的原因[7-8]，根据诱发因素可将灌水器堵塞分为物理堵塞，化学堵塞和生物堵塞[9]。在实际工程中，灌水器堵塞往往是物理堵塞，Gilbert等的研究结果表明大多数灌水器堵塞是由物理因素引起的，其次是由物理和生物因素共同作用导致的堵塞[10]。在我国北方黄河流域的引黄灌区，利用地表水源作为滴灌水源成为缓解灌溉用水紧张的方法之一[11]。但黄河水的含沙量较高，可达3.7~26.5kg/m3，由此引起的灌水器物理堵塞问题已成为制约滴灌技术在黄河流域应用和推广的瓶颈[12]。
滴灌系统都采用沉淀和过滤措施来降低水源的含沙量，缓解滴灌系统堵塞问题[13]。尽管这两种措施在解决大颗粒泥沙堵塞问题方面效果很好，但对细颗粒泥沙的过滤效果则不理想[14-15]。例如我国甘肃、宁夏、内蒙古等黄河灌区的灌溉用水即使经过沉沙池和多级过滤仍然有大量细颗粒泥沙进入滴灌系统[16]。因此滴灌毛管上的灌水器成为滴灌系统抗堵的最后一道防线。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 灌水器堵塞类型分析
滴灌灌水器即滴头，其流量较小，通常在2~5L/h，为满足小流量出流，滴头的出水孔和几何形状复杂的流道非常细小，一般在1mm左右，所以在运行时，灌溉水中的许多沉积物极易堵塞滴头[24]。滴头堵塞后会降低滴灌系统灌水质量，减少滴灌系统的使用寿命。滴头堵塞的主要因素是灌溉水的水质，滴头堵塞按照其成因可分为物理、化学和生物堵塞三类[25]。当水源中含有的可溶性化学物质发生化学反应后，会生成不溶于水的沉淀物质，当这些物质随水流进入灌水器内部便会导致滴头堵塞，这便是滴头化学堵塞[26-27]。当灌溉水中的藻类、细菌、微生物等进入灌水器内部后，会不断附着生长，形成生物膜导致滴头堵塞[28-29]，这便是滴头生物堵塞。而由灌溉水中的悬浮物、固体颗粒物引起的堵塞则称为滴头的物理堵塞[30]。随着水源受污染的程度日益严重，实际灌溉工程所使用的水源的水质特征更加复杂，灌水器堵塞往往是由物理、化学、生物要素相互影响，共同造成的复合型堵塞[31]。针对这些原因，国内外学者在滴头的消能机理以及内部结构对抗堵塞性能和水力性能的影响等方面做了大量研究[32-33]。也有研究表明通过优化灌水器的结构改善水力性能的同时也影响抗堵塞性能，两者是相互耦合的关系[34-35]。在我国西北黄河流域，当地多使用高含沙的黄河水灌溉，因此泥沙引起的物理堵塞现象更为普遍。对此，研究者们通过试验，PIV观测，数值模拟等方法研究分析灌水器的堵塞过程，滴头内部泥沙运动规律和泥沙淤积的影响因素和动态变化规律。
1.2.2 灌水器堵塞影响因素分析
滴头的堵塞程度并不是随着粒径的增大而单调递增。在一定的粒径范围内，存在滴头堵塞的敏感粒径，研究者发现粒径范围在0.02~0.03mm之间的泥沙在低含沙量条件下也易造成滴头堵塞[41]。粒径为0.058~0.075mm的泥沙颗粒较不易引发堵塞[42]。粒径为0.075~0.1mm时，随着灌水次数增加，滴头流量的降幅增大[43]。而在一定泥沙粒径与含沙量范围内，造成滴头堵塞的因素不单是泥沙的粒径或是泥沙在灌溉水中的含量，而是两者的共同作用。当浑水的含沙量在低于2g/L范围内变动，细小粒径的泥沙颗粒对灌水器堵塞影响不明显；当含沙量为2g/L时，细小粒径的泥沙颗粒也会造成灌水器堵塞[44]。对于粒径大于0.075mm的泥沙颗粒，浑水含沙量在1.2~1.3g/L时，是最易引起堵塞的临界含沙量[45]。水源温度的变化对灌水器堵塞也有一定影响[46]。
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2 压力补偿滴灌管水沙耦合过程试验
2.1 试验装置与材料
2.1.1 试验场地与装置
本文试验均在西安理工大学学科一号楼的节水灌溉技术模拟仿真实验室内完成。实验室室温在整个试验期间保持在25±2.4℃。
试验装置主要由水源供给，泄水收集和管路三部分组成。试验装置的连接方式如图 2-1所示。
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供水部分设置高为53cm、上外径为82cm、容积为200L的牛筋圆桶，水桶内安装有温度计，用于测量水温，保证各项试验在水温相同的条件下进行；水桶上端固定装有转速为0~700r/min搅拌机，在进行浑水试验时搅拌机始终开启，保证试验过程中水沙均匀混合。
水泵的额定扬程为50m，流量为3m3/h；连接输水管使用外径为25mm的PVC管；试件进水口处安装精密压力表，其量程为0.16MPa，精度为0.25级。 试件部分并联安装了3根长为30cm的短管段，每根管段上安装1个试件，共计3个试件，相当于做了3次重复试验。
泄水收集部分设置有容积为150L的收集桶。试验时使用自来水作为水源，由水泵提供系统压力，水桶中的水经过PVC连接管进入试件管段，一部分从滴头流出，剩余的水继续沿管路流入收集桶。
试验管段的进水口前和出水口后分别安装阀门，用于调节管段末端泄流流量和管段工作压力。进水口前设置有分水闸便于测试系统调试。
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2.2 压力补偿滴头试验
2.2.1 试验设计
(1) 滴头清水试验
在参考滴灌技术相关规范的基础上设计试验方案，测量滴头在50~320kPa内10个压力点下的流量[80]。取某一压力处所有滴头流量的平均值作为此型号滴头在该压力处的流量。 (2) 滴头浑水试验 将筛得的土样进一步筛分为4种粒径范围，如表2-1所示，进行单粒径泥沙试验。
分别随机选取3个滴头和3段长30cm的PE管，组成3个滴灌小管段，水平并联装入测试装置进行清水试验。试验时供水桶中的水为自来水，试验时测量并记录进口压力、滴头的出流量和量水时间，为后续浑水试验提供对比依据。
开始试验时，首先对系统进行调试。待系统运行稳定后，以每次30kPa的幅度，将压力从50kPa依次增加到320kPa。待系统在每个压力处运行3min后，用量杯称量滴头的出水量，量水时间5min；然后再将压力以每次30kPa的幅度从320kPa降至50kPa(降压时压力点与升压时相同)，称量每个压力点处滴头的出水量，量水时间与升压时相同。测量滴头出水量时保证连续两次所测结果之差不超过2%，当在某个压力点下两次测量的结果之差大于2%时，重新测量该压力处的出水量直至小于2%。最后将测量结果换算成流量，取3个滴头流量的平均值作为滴头在该压力点处的流量。
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3 压力补偿滴头试验结果与分析 ............................. 19
3.1 滴头清水试验结果与分析 .............................. 19
3.1.1 压力-流量曲线和补偿区间 ........................ 19
3.1.2 水力性能评价指标 ............................. 19
4 压力补偿滴灌管试验结果与分析 ........................ 29
4.1 试验结果 .......................... 29
4.2 极差分析 ..................................... 30
4.3 各因素对滴头流量影响分析 .................................. 32
5 滴灌管水沙输移量计算模型 ............................... 50
5.1 压力补偿滴灌管浑水流量分析及计算模型 ..................... 50
5.1.1 滴头浑水流量计算模型 ..................................... 50
5.1.2 滴头浑水流量计算模型验证 ................................ 50
5 滴灌管水沙输移量计算模型
5.1 压力补偿滴灌管浑水流量分析及计算模型
5.1.1 滴头浑水流量计算模型
浑水灌水条件下压力补偿滴头的流量主要受含沙量，泥沙粒径和管段位置的影响，并随灌水时长增长而发生变化。其中由于滴灌毛管沿程出流，管内流量逐段下降，导致管内浑水的水压、流速、泥沙粒径、以及含沙量沿程发生变化，滴头在毛管上的位置对其流量的影响本质还是粒径、含沙量和水压对其的影响。因此在式(3-4)的基础上，加入粒径、含沙量和灌水时长因素，建立了压力补偿滴头浑水流量计算模型：
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6 结论和展望
6.1 研究结论
本文以压力补偿滴灌管为主要研究对象，采用正交试验设计方法，进行了周期性间歇浑水灌水试验，现得到如下结论：
(1) 当浑水含沙量为1g/L时，泥沙粒径对滴头堵塞的影响较为明显，粒径在0.075~0.125mm的大颗粒泥沙较易引起滴头堵塞，且在一定灌水时长后，滴头堵塞进程较快；0.0308~0.045mm粒径段的小颗粒泥沙较易从滴头排出，且含沙量变化对此粒径段泥沙堵塞滴头的影响较大；0.045~0.075mm粒径段泥沙造成的堵塞程度介于上述两个粒径段之间。因此在实际灌水过程中应该选取合理的过滤措施，尽可能滤除粒径在0.075~0.125mm的泥沙以降低滴头堵塞的几率。
(2) 泥沙沉积对滴头水力性能影响较大，随着灌水时间增加，滴头流道中泥沙沉积的累积效应导致其水力性能越来越差；滴头浑水流态指数比清水流态指数增大3倍以上；滴头浑水流量系数随灌水周期逐渐减小，灌水结束后降至清水时的48.63%~78.7%，滴头流道的过流能力变差。
(3) 滴头所在管段位置对其流量影响显著，压力补偿滴灌毛管后段上的滴头比中前段上的滴头更不易堵塞。灌水结束后，前段管段的平均相对流量降幅在13.7%~29.1%，而后段管段的平均相对流量降幅则在9.9%~18.3%；表明毛管后段上的滴头比中前段上的滴头更不易堵塞。
(4) 进口含沙量是滴头出水含沙量的主要影响因素，滴头出水含沙量随进口含沙量的增大而增大，且均在进口含沙量的97%~45%变化。压力补偿滴灌毛管不同位置上的滴头的出水含沙量也表现出明显差别，在前段管段，水流挟沙能力强，管内浑水含沙量接近进口含沙量，滴头的出水含沙量较大；在毛管后末段，水流流速较低，泥沙开始沉积在毛管内, 且部分泥沙随前段上的滴头排出，共同导致末段和后段管段上滴头的出水含沙量较小。
参考文献（略）