吕畅,董爱红,张二信,赵雪,王彦邦,牛文全

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西 杨凌 712100;3.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

近年来水肥气一体化滴灌技术的研究和应用越来越多.滴头作为滴灌系统的核心部件,极易被灌溉水源中的固体颗粒物等杂质附着,导致滴头发生堵塞.研究表明滴头堵塞主要由物理堵塞引起,泥沙的絮凝与沉降被认为是造成滴头发生物理堵塞的重要原因.李学凯等[1]研究表明硫酸钾肥可促进泥沙的絮凝沉降,且泥沙粒径越小促进作用越明显.荆树励等[2]研究表明微纳米气泡能够显著影响细粒稀土矿物的团聚行为.AZEVEDO等[3]研究表明微纳米气泡对细粒石英具有团聚作用.目前,微气泡、肥料等单项因素对悬浮颗粒絮凝沉降影响的研究较多,但关于加气对水肥混合液细小泥沙絮凝沉降影响的研究较少,且泥沙粒径、肥料类型、水流剪切强度不同时加气对细小泥沙絮凝沉降影响如何仍需进一步探讨.

为此,文中拟配置6种粒径泥沙和3种类型肥料组合的浑水,测定3种水流剪切强度条件下,加气前后的浑水浊度、泥沙中值沉速和沉降泥沙中值粒径,探究加气对水肥混合液细小泥沙絮凝沉降的影响.研究结果可为明确水肥气一体化滴灌系统滴头堵塞机理提供参考,为后续采取合理措施减缓滴灌管网系统泥沙淤积提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用沙选自黄河支流渭河河滩泥沙.不同季节、不同河段黄河水泥沙粒径级配不同,对泥沙絮凝沉降的影响程度不同,由此诱发滴头堵塞的机理亦不同.为确定水肥气混合液中发生絮凝沉降的主要泥沙粒径范围,将泥沙风干后去除杂质并进行筛分.由于通过滴灌过滤器的最大颗粒粒径一般为100 μm,同时黄河水中粒径小于50 μm颗粒占比达到90%以上,因此本试验将泥沙筛分成粒径d<100,50～100,<50,31～50,<31 μm的5个等级,经马尔文激光粒度仪检测,相应泥沙中值粒径d50分别为53,74,31,40和23 μm.黄河水主要黏土矿物为高岭土,经检测中值粒径d50为14 μm.由此得到中值粒径d50为74,53,40,31,23和14 μm的泥沙,依次编号为D1—D6.由于黏性泥沙分界粒径为20 μm[4],粉沙分界粒径为50 μm,故6种泥沙粒径级配划分如表1所示,φ为粒径组成占比.

表1 试验用泥沙粒径级配

试验用水为陕西省杨凌示范区居民自来水,经水质检测pH为7.86～8.01,可溶性总悬浮物含量为106～152 mg/L,电导率为217.1～372.5 μS/cm,钙镁离子总量为70～81 mg/L,铁离子含量小于0.05 mg/L.

试验用肥料包括尿素(w总氮≥46.0%)、硫酸钾肥(wK2O≥52.0%)和复合肥(氮磷钾质量比为19∶19∶19).分别将硫酸钾肥和复合肥溶解于烧杯中,静置分层后,取透明澄清液体作为试验用肥液.尿素可完全溶解.

1.2 试验装置

如图1所示,FRGW-10型文丘里循环曝气装置由河南丰润环保科技有限公司生产,微气泡产生于水气混合桶中,气泡直径普遍为15 μm左右.经DO200型便携式溶解氧测试仪测得加气5 min时溶氧量DO最高,如图2所示,因此加气时长T设为5 min.

图1 试验装置示意图

图2 不同加气时长的溶氧量

同轴旋转沉降桶:参考已有研究[5],试制了絮凝沉降试验装置,能够形成恒定均匀水流.沉降桶半径为0.25 m,内部旋转轴半径为0.10 m,如图1所示.试验时水深为0.5 m,取样水深为0.3 m.旋转轴在电动机驱使下旋转,转速在0～140 r/min连续可调,通过调节旋转轴转速,产生不同流速的水流,并由此得到不同的水流剪切强度,用于泥沙沉降试验.

1.3 试验设计

1.3.1 不同粒径泥沙的絮凝沉降

宁夏引黄灌区黄河水平均含沙量为5.47 g/L,为加快进度,参考前人絮凝沉降试验方法[1],以2倍设置含沙量为10 g/L.试验采用6种不同中值粒径的泥沙D1—D6.选用3种常用肥料:硫酸钾肥、复合肥和尿素.参考文献[6]的玉米滴灌施肥量,配置肥料质量分数为1.0%.在静水条件下进行试验,即同轴旋转沉降桶转速为0.加气时长为5 min.试验温度为(25±1)℃.采用全组合试验,共计48个处理(包含未施肥和未加气对照组),每组处理3次重复.

1.3.2 不同水流条件下泥沙的絮凝沉降

试验采用D6粒径泥沙,含沙量设置为10 g/L.选用3种常用肥料:硫酸钾肥、复合肥和尿素,配置肥料质量分数为1.0%.由于灌溉管网中水流流速为0～1.2 m/s,当水流流速较低时泥沙的絮凝沉降对管网危害性较大,因此,本试验同轴旋转沉降桶转速设置为0,20和45 r/min,根据水流剪切强度公式[7]可以计算得到相应水流剪切强度分别为0,1.38和4.67 s-1,水流流速为0～0.06 m/s,以研究低流速下泥沙絮凝沉降规律.加气时长为5 min.试验温度为(25±1)℃.采用全组合试验,共计24个处理(包含未施肥和未加气对照组),每组处理3次重复.

1.4 试验方法

试验用水加气5 min后输送至同轴旋转沉降桶中进行泥沙絮凝沉降试验,取样时在液面下30 cm处取20 mL悬浊液.由于D1—D5粒径的黄河水泥沙沉降较快,故分别在沉降0,2,4,6,8,10,12,15,20,25,30,35和40 min时取样,D6粒径泥沙沉降较慢,故分别在0,4,8,15,30,45,60,90和120 min时取样.用AQ3700型水质分析仪测定水样浊度,根据试验前期得到的浊度与含沙量相关关系,将测得的浊度换算为含沙量.试验结束后采用APA2000型激光粒度仪测定沉降泥沙中值粒径.为了提高试验结果的可靠性,本试验每个处理进行了3次重复,且每次重复采集了沉降桶底部不同位置的沉降泥沙,在测定沉降泥沙中值粒径时取沉降泥沙样品中心位置进行测定,由于中心位置受扰动程度较小,因此有利于提高测定结果的可靠性.

1.5 评价指标

1.5.1 泥沙相对含沙量

泥沙相对含沙量用于表征含沙量随沉降时间t的变化情况,其计算公式为

Cd=Ct/C0×100%,

(1)

式中:Ct为泥沙沉降后t时刻的含沙量,g/L;C0为0时刻的初始含沙量,g/L.

1.5.2 泥沙中值沉速

泥沙中值沉速表征泥沙沉降速度,计算公式为

ω50=h/t0.5,

(2)

式中:ω50为泥沙中值沉速,mm/s;h为取样深度,mm;t0.5为水深h处含沙量为初始含沙量50%的沉降历时平均值,s.

1.5.3 气含率

气含率用于表征曝气后水中气体占有体积,其计算公式为

ε=(h2-h1)/h2×100%,

(3)

式中:h1为曝气前液位,m;h2为曝气后液位,m.

计算得曝气后平均气含率为5.42%.

2 试验结果与分析

2.1 不同粒径泥沙沉降过程

加气前后不同粒径泥沙相对含沙量Cd随沉降时间t的变化过程如图3所示.加气促进了不同粒径泥沙含沙量的下降,对D4—D6泥沙沉降的作用最大.当水中未施加肥料时,加气处理沉降15 min,D1—D6粒径泥沙相对含沙量较未加气处理分别减少1.13%,3.73%,3.94%,9.27%,15.19%和17.98%.当水中施加肥料时,加气处理同样促进了泥沙沉降,且肥料类型不同,加气促进泥沙沉降的效果不同.与未加气处理的水肥混合液比较,沉降15 min时,D1—D6粒径的硫酸钾水肥气混合液的相对含沙量分别减少0.71%,1.86%,2.68%,6.45%,11.54%和14.73%,复合肥水肥气混合液的相对含沙量分别减少1.06%,2.10%,2.59%,6.73%,12.34%和12.84%,尿素水肥气混合液的相对含沙量分别减少1.17%,4.36%,4.45%,11.41%,15.54%和20.39%.加气促进泥沙沉降的作用随泥沙中值粒径的减小而增强,对尿素水肥混合液泥沙沉降的作用明显大于其他处理.

图3 不同粒径泥沙的沉降过程曲线

2.2 不同粒径泥沙沉速

加气前后不同粒径泥沙的中值沉速如表2所示.加气显著提高D2—D6粒径泥沙的中值沉速(P<0.05).当水中未施加肥料时,D1—D6粒径加气处理的泥沙中值沉速比未加气处理分别提高20.61%,30.48%,33.59%,41.68%,58.94%和68.69%.当水中施加肥料时,加气处理同样提高了泥沙中值沉速.与未加气处理的水肥混合液比较,D1—D6粒径的硫酸钾水肥气混合液的泥沙中值沉速分别提高20.05%,31.23%,32.82%,34.64%,47.75%和52.74%,复合肥水肥气混合液的泥沙中值沉速分别提高16.22%,23.96%,26.30%,30.93%,34.24%和45.63%,尿素水肥气混合液的泥沙中值沉速分别提高21.10%,31.59%,37.94%,48.23%,59.86%和89.27%.尿素水肥气混合液的泥沙中值沉速增幅最大,硫酸钾水肥气混合液次之,复合肥水肥气混合液的最小.加气加速泥沙沉降,且随泥沙中值粒径的减小而增强,黏粒占比较高时作用更大.

表2 不同粒径泥沙的中值沉速

2.3 不同粒径泥沙沉降后粒径

加气前后絮凝沉降泥沙的中值粒径如表3所示.中值粒径反映了泥沙絮凝形成絮团大小的一般水平.加气增大了沉降泥沙中值粒径,对D4—D6粒径范围的泥沙影响具有统计学意义(P<0.05).说明加气对黏性颗粒含量较多的D4—D6粒径泥沙促进絮凝作用更为显著.当水中未施加肥料时,D4—D6粒径加气处理的沉降泥沙中值粒径较未加气处理增大4.50%～17.03%.当水中施加肥料时,加气处理同样增大了沉降泥沙中值粒径,且肥料类型不同,加气增大泥沙粒径的幅度不同.与未加气处理的水肥混合液比较,D4—D6粒径的硫酸钾、复合肥、尿素水肥气混合液的沉降泥沙中值粒径分别增大3.22%～6.23%,4.14%～5.12%和4.75%～21.99%.尿素水肥气混合液的沉降泥沙中值粒径增幅最大,加气促进尿素浑水泥沙絮凝的效果大于其他处理.

表3 不同处理的沉降泥沙中值粒径

2.4 不同水流条件下泥沙沉降过程

不同水流剪切强度下加气前后泥沙相对含沙量Cd随沉降时间t的变化过程如图4所示.当水流中未施加肥料时,不同水流剪切强度下沉降30 min,加气处理的相对含沙量较未加气处理减少3.21%～25.58%.当水流中施加肥料时,加气处理同样促进了泥沙沉降,且肥料类型不同,加气促进泥沙沉降的效果不同.与未加气处理的水肥混合液比较,沉降30 min时,不同水流剪切强度的硫酸钾、复合肥、尿素水肥气混合液的相对含沙量分别减少2.52%～18.47%,1.35%～16.53%和3.80%～28.61%.加气促进泥沙沉降,且随水流剪切强度的增加而减小.不同水流剪切强度下,加气促进尿素浑水泥沙沉降的效果大于其他处理.

图4 不同水流剪切强度下泥沙沉降过程曲线

2.5 不同水流条件下泥沙沉速及粒径

不同水流剪切强度下加气前后的泥沙中值沉速及沉降泥沙中值粒径如表4所示.加气显著提高了水流剪切强度为0和1.38 s-1环境下泥沙的中值沉速(P<0.05).当水流中未施加肥料时,不同水流剪切强度下加气处理的泥沙中值沉速比未加气处理提高17.74%～68.69%.当水流中施加肥料时,加气处理同样提高了泥沙中值沉速.与未加气处理的水肥混合液比较,不同水流剪切强度下硫酸钾、复合肥和尿素水肥气混合液的泥沙中值沉速分别提高15.85%～52.74%,9.38%～45.63%和19.30%～89.27%.紊动水流下加气提高尿素浑水泥沙沉速幅度最大,硫酸钾肥浑水次之,复合肥浑水的最小.加气提高泥沙沉速的作用随水流剪切强度的增加而减小.此外,加气显著增大了静水的沉降泥沙中值粒径;水流剪切强度为1.38 s-1和4.67 s-1时,加气对尿素浑水的沉降泥沙中值粒径影响分别具有统计学意义(P<0.05)和不具有统计学意义(P>0.05).

3 讨 论

泥沙粒径影响絮团的形成过程和絮团结构.本试验D4—D6泥沙小于20 μm的颗粒占比均达到30%以上,黏性泥沙成分占比较大,其特殊的电化学性质使其受外界环境因素影响极易发生絮凝.加气处理可降低水的密度和黏滞系数,增大颗粒和水的密度差,减小泥沙颗粒沉降过程中受到的黏滞阻力,因此加气显著促进D4—D6泥沙絮凝沉降(P<0.05),增大了泥沙絮凝沉降后的中值粒径,且泥沙粒径越小作用越明显,如表3所示.泥沙絮凝的本质是颗粒间的碰撞黏结,微气泡增强了水的紊动程度[8],进而提高了泥沙颗粒的碰撞频率,有利于泥沙絮凝.泥沙粒径越小,颗粒间相互作用力越强,越容易发生碰撞黏结而絮凝.

加气对泥沙絮凝沉降的影响也与肥料类型有关.本试验发现加气分别促进了尿素、硫酸钾和复合肥水肥混合液的泥沙絮凝沉降,且对尿素的影响作用最大,复合肥的最小,如表2,3所示.气泡表面电负性对气泡的稳定性起着重要作用,随pH增大,气泡表面电负性增强气泡越稳定[9-10].尿素溶液呈碱性,pH大于施加硫酸钾肥和复合肥处理,因此尿素溶液的微气泡更稳定,对泥沙沉降的促进作用更大.而复合肥溶液呈酸性,使微气泡个数急剧减小,难以保持稳定.因此,复合肥水肥气混合液的泥沙沉速增幅最小.旋流作用加剧了微气泡间的聚并,增大了微气泡平均直径,使气相分布均匀程度降低[11],微气泡对泥沙絮凝沉降影响减小.当水中加入尿素后,提高了微气泡的稳定性,使得紊动水流下加气促进尿素浑水泥沙沉降的作用大于其他处理,如表4所示.有研究发现施加尿素浑水滴灌时毛管内淤积泥沙减少,泥沙颗粒易随水流出,滴头可保持较高流量[12];施加硫酸钾肥和复合肥浑水滴灌时,泥沙颗粒间被絮状物质填充形成致密的堆积体淤积在流道内不易被水流带走,加剧了滴头堵塞[13].加气加速细小颗粒在流道入口黏附,从而加剧滴头堵塞[14].肥料与微气泡相互作用,水肥气一体化滴灌滴头堵塞机制非常复杂,需要继续深入研究.

本试验结果是在泥沙质量浓度10 g/L的条件下获得的,实际灌溉过滤后水中含沙量较低,但经长时间灌溉后,毛管内淤积泥沙增多,每次灌水间歇后再次滴灌时,淤积泥沙起动呈悬浮状态,毛管内水可能呈现高含沙水流特性.因此,文中基于上述原因选择较高质量浓度泥沙(10 g/L)进行试验.为了确认本试验结果与实际滴灌工程管网泥沙淤积情况的差异,采用较低质量浓度(1 g/L)的浑水进行滴头堵塞短周期间歇试验,试验结果如表5所示,表中m为泥沙质量.可以发现加气显著影响流道淤积泥沙质量(P<0.05),其结果基本与泥沙质量浓度为10 g/L条件下泥沙沉降试验结果一致.说明本试验结果能够间接反映流道内泥沙颗粒的沉降规律.

表5 不同处理的流道淤积泥沙质量

综上,泥沙粒径、肥料种类、水流剪切强度和加气相互作用对泥沙絮凝沉降影响具有统计学意义.相关研究[15-17]表明冲洗可有效减少管道内沉积泥沙,降低小颗粒泥沙絮凝形成大颗粒的概率,提高滴头抗堵塞性能.因此采用水肥气混合液灌溉时建议定期冲洗灌溉管网,以减缓泥沙沉积,降低滴头堵塞风险.文中揭示了加气作用下水肥混合液中细小泥沙的絮凝沉降规律,为明确水肥气一体化滴灌系统滴头堵塞机理提供了一定参考.文中的不足之处在于:气含率及肥料浓度梯度设置较少,在后续试验中应予以完善.

4 结 论

1) 加气促进了水肥混合液中细小泥沙的絮凝沉降,且促进作用随泥沙中值粒径的减小而增强.加气显著提高中值粒径d≤53 μm泥沙的沉降速度(P<0.05),较未加气提高23.96%～89.27%;加气显著促进中值粒径d≤31 μm泥沙的絮凝(P<0.05),沉降泥沙粒径较未加气增大3.22%～21.99%.

2) 肥料不同,加气对泥沙沉降的加速效果不同.尿素水肥混合液加气后泥沙中值沉速增幅最大,硫酸钾肥次之,复合肥最小,分别比未加气处理最高增加89.27%,52.74%和45.63%.

3) 加气对不同水流剪切强度的水肥混合液细小泥沙沉降也有一定促进作用,且随水流剪切强度的增加而减小,当水流剪切强度小于4.67 s-1时,加气显著加速泥沙沉降(P<0.05),泥沙中值沉速较未加气处理提高9.38%～89.27%.

4) 文中初步探明了加气作用下水肥混合液中细小泥沙的絮凝沉降规律,即加气促进水肥混合液细小泥沙的絮凝沉降,且促进程度与泥沙粒径、肥料种类和水流剪切强度等因素有关,结果可为明确水肥气一体化滴灌系统滴头堵塞机理提供参考.