郭 慶，李田田，楊建飛

(1.楊凌職業(yè)技術學院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3.周至縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，西安 710400）

0 引 言

【研究意義】隨著我國干旱半干旱地區(qū)灌溉水資源的日益緊缺，利用黃河水灌溉已成為緩解該地區(qū)灌溉用水緊缺的有效途徑[1]。滴頭作為滴灌系統(tǒng)的核心部件，灌溉過程中狹窄的流道易被水中泥沙附著而造成堵塞，嚴重降低滴灌系統(tǒng)的灌水效率和使用壽命[2]。因此，如何提高滴灌系統(tǒng)的抗堵塞性能已成為熱點問題。

【研究進展】研究發(fā)現(xiàn)，進水口結構對滴頭抗堵塞性能具有較大影響。劉燕芳等[3]通過滴灌試驗發(fā)現(xiàn)，滴頭進水口結構和尺寸是影響滴頭抗堵塞性能的重要因素。謝巧麗等[4]研究發(fā)現(xiàn)，滴頭流量與進水口截面積、滴頭抗堵塞性與進水口柵格高度呈正相關。郭慶等[5]通過含沙水滴灌試驗研究發(fā)現(xiàn)，滴頭進水口尺寸越大，泥沙顆粒在進水口處沉積的風險越低，滴頭抗堵塞性能則越強。滴頭進水口結構影響水流流動特性，從而改變泥沙顆粒的輸移速率，最終決定滴頭抗堵塞特性。此外，大量研究表明，減緩泥沙顆粒在滴頭進水口處的附著，降低滴頭入口堵塞風險是提高滴頭抗堵塞性的有效途徑之一[6-9]。【切入點】因此，通過設計具有阻止泥沙顆粒在進水口處沉積的滴頭結構來降低泥沙顆粒在滴頭進水口處的沉積風險，促進泥沙顆粒在流道內的輸移，是增強滴頭抗堵塞性能的有效思路。然而，目前針對進水口結構對迷宮流道滴頭堵塞特性的影響研究主要集中于數(shù)值模擬研究，試驗研究主要側重于同類型滴頭研究，而對于不同進水口結構下的多種類型滴頭的堵塞動態(tài)變化過程研究較少，且各滴頭抗堵塞性能之間的差異性不明確，有待于進一步研究。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究選用不同進水口結構（有凸臺、無凸臺）和不同類型（非補償片式、非補償圓柱式和補償圓柱式）的6 種迷宮流道滴頭進行短周期間歇性灌水試驗，對比分析黃河水滴灌條件下不同結構滴頭的堵塞動態(tài)變化過程，明確滴頭類型和進水口結構對滴頭水力性能和抗堵塞性能的影響。本研究結果可為引黃灌區(qū)滴灌系統(tǒng)滴頭結構的選型提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

依據(jù)文獻[3,10]，內鑲貼片式滴灌帶更適用于引黃灌區(qū)灌溉，內鑲圓柱式滴灌帶（管）更適用于高含沙水灌溉，為進一步明確黃河水滴灌條件下不同進水口結構的多種類型滴頭的堵塞動態(tài)變化過程，本研究選用常見的 3 種非壓力補償內鑲貼片式滴灌帶（E1～E3，簡稱片式滴頭）、1 種壓力補償內鑲圓柱式滴灌管（E4，簡稱補償圓柱式滴頭）和自研的2 種非壓力補償內鑲圓柱式滴灌管（E5～E6，簡稱非補償圓柱式滴頭，2 種滴頭除有無凸臺的區(qū)別外，其他結構完全相同）作為研究對象，各滴頭結構參數(shù)如表1所示（表中D為滴頭流道寬度，W為滴頭流道深度，L為流道長度，Z為流道齒間距），每條滴灌帶上滴頭總數(shù)分別為18、18、18、20、22、22 個，由于待測的滴灌帶長度（6 m）較短且滴頭排列相對緊密，因此可忽略滴頭的水力流量偏差，即認定所有滴頭的工作環(huán)境相同。本研究使用的自研滴灌管（E5～E6）的流道形式和結構尺寸與傳統(tǒng)滴灌管存在較大差異。

表1 試驗用滴頭參數(shù)Table 1 Parameters of the dripper used in the test

試驗用沙取自楊凌渭河漫灘，經(jīng)自然風干后過150 目篩網(wǎng)（0.10mm）篩出。篩分后的泥沙粒徑范圍為0～0.01、0.01～0.02、0.02～0.05 mm 和0.05～0.10 mm的顆粒占比分別為5.65%、9.34%、36.51%和48.50%。以寧夏段黃河引水渠含沙量（0.61～1.1g/L）為依據(jù)，配置含沙量為1.0 g/L 的渾水進行滴頭堵塞試驗。試驗用水為自來水，pH 值為7.93，懸浮物質量濃度為129 mg/L，電導率為295μS/cm，總硬度為76 mg/L，細菌的菌體質量濃度小于1 cfu/mL，符合灌水標準[11]。

1.2 試驗裝置

滴頭抗堵塞試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由支撐平臺（長6m，寬0.5m，高0.6m）、蓄水桶（直徑0.6 m，高0.6 m）、攪拌機（功率0.75 kW）、網(wǎng)式過濾器（150 目）、自吸泵（功率0.75 kW，揚程60 m）、進出水管、閥門、回水槽、壓力表（量程0.2 MPa，精度20%）及待測定的滴灌帶組成。待測滴灌帶鋪設于支撐平臺上，渾水試驗時每個支撐平臺上鋪設3 根6m 長的同種滴灌帶進行滴頭抗堵塞性能測試。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the test platform

1.3 試驗設計與方法

本試驗分為清水條件下的水力性能試驗和渾水條件下的堵塞試驗。

1.3.1 清水試驗及水力性能評價

清水試驗按照GB/T17187—2009 的標準[12]要求進行，在0.02～0.12MPa 進水口壓力下依次測試6 種滴頭的流量，測試壓力間隔為0.02 MPa。測試方法為：打開測試平臺閥門，調節(jié)壓力表讀數(shù)，待壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在待測值后，將1 000 mL 的燒杯依次置于待測滴頭下方，測定每個滴頭的流量，測定時長為10min，每組重復3 次取均值作為其在每個壓力點上的流量值。

滴頭流量和壓力的關系為：

式中：q為滴頭流量（L/h）；h為進水口壓力（kPa）；kd為流量系數(shù)，反映流量波動程度，其值越小時，流量波動越??；x為流態(tài)指數(shù)，反映了滴頭流量對進水口壓力變化的敏感程度，其值越小時，毛管上各滴頭出流量偏差較小，毛管灌水均勻性較強[13-14]。

1.3.2 渾水試驗及抗堵塞性能評價

清水試驗結束后進行渾水堵塞測試試驗，堵塞試驗采用周期性間歇灌水測試法，測試壓力為0.1MPa，灌水頻率為每日2 次，每次灌水時長為1.5h，相鄰灌水間歇時長為0.5h。每次灌水結束前10min，當壓力表讀數(shù)穩(wěn)定在0.1MPa 后測定滴灌帶各滴頭的流量，每組重復3 次后取平均值，累計灌水20 次后結束試驗，取下滴灌帶清洗測試平臺，更換新的滴灌帶進行下一組試驗。為保證渾水均勻性，試驗過程中攪拌機持續(xù)工作，且每灌水2 次后配置新的渾水進行試驗。

平均相對流量（Dra）和灌水均勻度（Cu）可表征滴灌帶的整體堵塞水平，當?shù)晤^實測渾水流量與相同壓力條件下的清水流量比值（Dra）小于75%、均勻度（Cu）小于80%時，判定滴頭發(fā)生堵塞，Dra、Cu越小，表明滴頭堵塞越嚴重[15]。滴頭堵塞率（η）定義為灌水期間發(fā)生堵塞（Dra＜75%）的滴頭數(shù)與該處理下滴頭總數(shù)的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析與方法

采用SPSS25.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用主效應方差分析滴頭類型和進水口結構對滴頭抗堵塞性能的影響，采用LSD 法檢驗各處理差異性，利用Excel 2016 和CAD 2014 軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 滴頭水力性能結果分析

滴頭水力特性參數(shù)統(tǒng)計結果如表2所示。不同結構滴頭流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)均存在顯著差異（P＜0.05），其中E1 滴頭的流量系數(shù)顯著小于E2～E6 滴頭，E6滴頭的流態(tài)指數(shù)顯著大于E1～E5 滴頭，可見6 種滴頭中，E1 滴頭的流量系數(shù)最小，滴頭出流較穩(wěn)定，而E6 滴頭的流態(tài)指數(shù)最大，滴頭出流均勻性較差。

表2 滴頭水力性能顯著性分析Table 2 Significant analysis of hydraulic performance of dripper

2.2 滴頭相對流量和均勻度變化過程分析

滴頭流量和均勻度隨灌水時長的動態(tài)變化如圖2所示。整個灌水過程中，片式滴頭E1～E3 的相對流量、均勻度的下降趨勢較為相似，而圓柱式滴頭E4～E6 存在較大差異。其中，滴頭E4 在整個灌水過程中的相對流量、均勻度均呈直線下降趨勢，滴頭E5 在灌水前期（1～7 次灌水）呈快速下降趨勢，之后呈緩慢下降趨勢，而滴頭E6 在灌水前期的相對流量、均勻度在95%附近呈波動性變化，灌水中后期（12～15次灌水）相對流量呈快速下降趨勢，之后相對流量在86%附近波動變化。灌水結束時，滴頭E1～E6 流量分別下降39.79%、30.18%、34.78%、49.45%、25.70%和14.70%，均勻度分別下降26.53%、34.64%、40.50%、47.83%、29.10%和15.77%。從各滴頭相對流量和均勻度的下降程度來看，E6 滴頭的抗堵塞性能最優(yōu)，而E4 滴頭最差。

圖2 滴頭相對流量、均勻度動態(tài)變化過程Fig.2 The dynamic change process of the relative flow and uniformity of the dripper

由表3可知，不同結構滴頭之間存在顯著差異（P＜0.05）。其中，片式滴頭中E2 滴頭的流量最大，抗堵塞性能最優(yōu)，而E1 滴頭最差，圓柱式滴頭中E6滴頭的流量最大，抗堵塞性能最優(yōu)，而E4 滴頭最差。此外，由表4可知，滴頭類型和進水口結構對滴頭堵塞具有極顯著影響（P＜0.01）。由此可知，滴頭的抗堵塞性能與滴頭類型和進水口結構密切相關。

表3 滴頭相對流量和均勻度的顯著性分析Table 3 Significance analysis of the relative flow and uniformity of the dripper

表4 滴頭類型和進水口結構對滴頭相對流量影響的方差分析Table4 Variance analysis of the influence of dripper type and water inlet structure on the relative flow of the dripper dripper

2.3 滴頭相對流量和均勻度協(xié)同變化過程分析

由圖3可知，滴頭相對流量和均勻度的變化過程具有協(xié)同性，即隨著灌水時長的增加而同步降低，且二者之間呈線性相關。其中，片式滴頭E1～E3 的擬合斜率分別為0.744、1.016 和1.202，圓柱式滴頭E4～E6 的擬合斜率分別為0.930、1.117 和0.728。E2、E3 和E5 滴頭的擬合斜率大于1，而E1、E4 和E6 滴頭的擬合斜率小于1，斜率大于1 表明滴頭相對流量的下降速率大于均勻度的下降速率，即在滴灌過程中滴灌帶上的滴頭堵塞進程較為均勻，沒有出現(xiàn)或極少出現(xiàn)滴頭發(fā)生突然完全堵塞現(xiàn)象，斜率小于1 則相反。因此，與滴頭E1、E4 和E6 相比，滴頭E2、E3 和E5 不易發(fā)生突然堵塞，潛在的堵塞主要是由泥沙緩慢沉積所導致的。

圖3 滴頭相對流量與均勻度協(xié)同變化過程Fig.3 The synergistic change process of the relative flow and uniformity of the dripper

2.4 滴頭堵塞動態(tài)變化過程分析

滴灌過程中，滴頭堵塞動態(tài)變化過程（完全堵塞（Dra=0）、堵塞（0＜Dra≤75%）、無堵塞（Dra＞75%））如表5所示。其中，滴頭E4～E5 在灌水前期最先出現(xiàn)堵塞，而其他滴頭均未出現(xiàn)。灌水中期各滴頭均發(fā)生不同程度堵塞，其中E3～E5 滴頭最先發(fā)生完全堵塞，其發(fā)生完全堵塞的滴頭占比分別為11.11%、6.67%和4.45%，灌水后期滴頭E1～E5 堵塞速率呈快速增加趨勢，而E6 滴頭呈緩慢增加趨勢。灌水結束時，滴頭E1～E6 堵塞占比分別為44.44%、22.22%、33.33%、56.67%、22.73%和12.13%。對比可知，滴頭E6 堵塞占比最小，抗堵塞性能最優(yōu)，而滴頭E4 表現(xiàn)出相反的規(guī)律，這與圖2反映的規(guī)律一致。

表5 滴灌過程中滴頭堵塞程度動態(tài)變化過程Table 5 Dynamic change process of dripper clogging degree during drip irrigation

2.5 滴頭結構與堵塞參數(shù)的相關性分析

由表6可知，滴頭平均相對流量與滴頭流道長呈顯著正相關（P＜0.05），表明本研究中滴頭流道長是影響滴頭堵塞的主要因素，且隨著流道長度的增加，滴頭發(fā)生堵塞所經(jīng)歷的灌水時間增加，而其他4 個因素對滴頭堵塞的影響不顯著，即在本試驗中滴頭流量、齒間距、流道最小斷面和進水柵格最小斷面不是影響滴頭堵塞的主要因素，但不能據(jù)此認為這些因素對滴頭堵塞沒有影響。

表6 滴頭堵塞參數(shù)與結構參數(shù)的顯著性分析Table 6 Significance analysis of dripper clogging parameters and structural parameters

3 討論

前人研究發(fā)現(xiàn)，滴頭類型和結構是影響其水力性能和抗堵塞性能的關鍵因素[15-17]，這與本研究結論一致。滴頭水力性能研究結果表明，E1 滴頭的流量系數(shù)最小，其流量波動較小，而E4 表現(xiàn)出相反的規(guī)律。這主要是由于E1 滴頭流道斷面尺寸相對較大，流道長度較短，水流在流動過程中受流道壁面的影響較小，而E4 滴頭流道長度較長且流道方向曲折多變，水流在流動過程中受流道壁面及補償結構的影響較大[18]。因此，E1 滴頭流量波動較小，E4 滴頭流量波動較大，這與鄭國玉等[19]研究結果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，6 種滴頭中E6 滴頭的流態(tài)系數(shù)最大，滴頭出流量偏差較大，滴頭出流均勻性較差。這主要是由于E6 滴頭存在進水口凸臺結構，易造成進水口處水流方向發(fā)生驟變，加速了水流與毛管壁面和凸臺壁面的碰撞，增大了滴頭進水口處水流的紊動，改變了水流的流速和流態(tài)。因此，具有凸臺結構的E6 滴頭表現(xiàn)出較低的出流均勻性。滴頭抗堵塞性能研究結果表明，滴頭類型和進水口結構對滴頭堵塞具有極顯著影響，其中片式滴頭中E2 滴頭的抗堵塞性能最優(yōu)，E1 滴頭最差，圓柱式滴頭中E6 滴頭的抗堵塞性能最優(yōu)，E4 滴頭最差。這主要是因為片式滴頭中E2 滴頭的進水口柵格尺寸較大，灌水過程中泥沙顆粒在進水口處附著的機率較小，滴頭發(fā)生堵塞風險較低。而片式滴頭E1 的額定流量較小、流道長度較長，流道內較低流速不易將附著于流道迎水面的泥沙沖出[20]，滴頭堵塞風險較大。圓柱式滴頭中E4 滴頭為補償式滴頭，而其在0.1 MPa 壓力條件下迷宮流道內較大流速的水流易造成彈性體變形量增大、過流斷面面積減小，從而導致附著于齒間、彈性片表面的泥沙不易被水流帶走[21]，滴頭堵塞加劇，抗堵塞性能降低。而圓柱式滴頭E6 抗堵塞性能最優(yōu)主要是由于其存在的凸臺結構有效減緩了泥沙顆粒在滴頭入口處的沉積，減小了滴頭流量下降速率，增大了滴頭灌水均勻性，提升了滴頭有效灌水次數(shù)[22]。整個灌水過程中，具有凸臺結構的E6滴頭保持著較優(yōu)的抗堵塞性，且與無凸臺結構滴頭中抗堵塞性能最優(yōu)的E5 滴頭相比，相對流量提升了14.81%，滴頭堵塞率降低了46.63%。由此可知，滴頭進水口凸臺結構可顯著提升滴頭的抗堵塞性能。滴頭抗堵塞影響因素分析結果表明，滴頭流道長度是影響滴頭堵塞的主要因素，且滴頭的抗堵塞性隨著流道長度的增長而增強，這與溫圣林等[13]的研究結論存在較大差異。這主要是滴頭類型和試驗水質不同引起的。后者選擇了相同進水口結構（無凸臺）的7 種迷宮流道滴頭進行了高含沙水（3 g/L）條件下的堵塞研究，而本研究則選用了不同進水口結構（有凸臺、無凸臺）的6 種迷宮流道滴頭進行了低含沙水（1 g/L）條件下的堵塞研究。當水質不同時，同類型滴頭表現(xiàn)出的堵塞規(guī)律及影響滴頭堵塞的主要因素也不盡相同[23-24]，因此不同類型滴頭抗堵塞性能的差異性還與灌溉水質密切相關。綜合上述分析結果，建議黃河水滴灌時選擇大流量且具有凸臺結構的非補償內鑲圓柱式滴頭進行灌溉，以提升滴灌系統(tǒng)的灌溉質量。

4 結論

1）滴頭類型和滴頭結構是影響滴頭水力性能的重要因素。E1～E6 滴頭中E1 滴頭的流量系數(shù)最小，其滴頭流量波動較?。籈6 滴頭流態(tài)指數(shù)最大，其滴頭出流均勻性較差。

2）滴頭類型和進水口結構對滴頭堵塞具有顯著影響，其中無凸臺結構的補償圓柱式滴頭E4 流量下降速率最快，滴頭堵塞最嚴重，有凸臺結構的非補償圓柱式滴頭E6 流量下降速率最慢，滴頭堵塞最輕。

3）滴頭進水口凸臺結構有效減緩了滴頭流量下降速率，降低了滴頭堵塞率，提升了滴頭抗堵塞性能。與無凸臺結構滴頭中抗堵塞性最優(yōu)的E5 滴頭相比，有凸臺結構的E6 滴頭相對流量提升了14.81%，滴頭堵塞率降低了46.63%。