非全流土壤排滲過濾裝置對黃河含沙水過濾和滴灌堵塞的影響研究

王凱亮，田軍倉，2，3，夏 天

（1.寧夏大學(xué)土木與工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高校利用教育部工程研究中心，銀川750021）

0 引 言

引黃灌區(qū)黃河水含沙量大，滴灌灌水器易堵塞，因此對引黃灌區(qū)的黃河含沙水過濾尤為關(guān)鍵。

黃河含沙水過濾研究主要集中在過濾器過濾[1,2]、不同類型過濾器組合過濾[3,4]和沉淀池與過濾器組合過濾[5]3 個方面。為了克服以上全流過濾處理高含沙水時能耗較大和泥沙無法入田的缺陷，田軍倉教授及其團(tuán)隊對微灌用黃河含沙水非全流過濾方法和裝置進(jìn)行了一系列研究[6?8]，發(fā)明了既排又滲、既堵截泥沙又利用泥沙的微灌含沙水土壤排滲過濾(非全流過濾)方法及裝置。針對壓力全流網(wǎng)式過濾器過濾高含沙水濾網(wǎng)易堵和破裂的問題，田軍倉、王新華等[9]在非全流過濾裝置的基礎(chǔ)上，提出了高含沙水柔性過濾裝置。趙佳琦、田軍倉[10]針對含沙水微灌灌水器堵塞的問題，設(shè)計了“PVC 打孔濾水管+無紡布+石英砂+土壤”非全流過濾裝置，研究結(jié)果表明，濾水含沙量小，可以用于微灌，除沙效果好。明特、田軍倉[11]提出了非飽和土壤條件下的不同非全流過濾裝置試驗，試驗結(jié)果表明，濾出水含沙量小于0.4 kg/m3，且過濾后的水質(zhì)能滿足微灌使用。夏天、田軍倉[12]利用沙壤土和沙土這兩種天然土壤以及地下PVC 排水管進(jìn)行了含沙水土壤排滲過濾試驗，評估了含沙水對兩種土壤的影響和土壤孔隙堵塞的原因。范文波[13]等提出一種高含沙地表水處理非全流負(fù)壓底濾分水自清淤過濾裝置，試驗表明，該裝置過濾效果較好，為干旱地區(qū)高含沙地表水微灌提供思路。

本文在明特、田軍倉教授[11]進(jìn)行非飽和土壤條件下的非全流過濾裝置研究的基礎(chǔ)上，對飽和與非飽和土壤條件下的非全流土壤排滲過濾裝置進(jìn)行了試驗研究，旨在為黃河含沙水滴灌過濾裝置的研究和生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗研究區(qū)位于寧夏唐徠渠管理所滿達(dá)橋管理站，屬于典型的溫帶大陸性氣候，一年四季多晴少雨，日照時間長，太陽輻射強。試驗區(qū)域土壤質(zhì)地為沙壤土，0～20 cm 土層的干容重為1.45 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

采用對比試驗方法，設(shè)計了4種不同非全流土壤排滲過濾裝置，即豎直地埋管式（V）、水平地埋管式（L）、輻射井管式（R）和滲水井管式（S），V、L 和R 試驗小區(qū)長20 m，寬10 m；S 試驗小區(qū)長2 m，寬2 m。試驗設(shè)計方案見表1。試驗?zāi)康氖谴_定飽和與非飽和土壤條件下的非全流土壤排滲過濾裝置過濾黃河含沙水對滴灌的適用性。

表1 試驗設(shè)計方案Tab.1 Test design scheme

1.3 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，由非全流土壤排滲過濾裝置、管網(wǎng)、滴灌帶、濾水收集桶、型號ZB?40?7.5的水泵和精密壓力表組成。濾水收集桶的容積為500 L，水泵額定揚程為20 m，流量為2.5 m3/h，壓力表量程0.16 MPa，精度0.25 級，各滴灌系統(tǒng)裝置鋪3 條長度20 m 內(nèi)鑲貼片式滴灌帶和3 條長度20 m單翼迷宮式滴灌帶。飽和土壤處理無砂混凝土管外包350 g/m3無紡布，非飽和處理外包250 g/m3無紡布，長絲針無紡布廠家提供的基本力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 非全流土壤排滲過濾裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-full flow filtration unit

表2 長絲針無紡布性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of filament needle non-woven fabric

1.4 試驗實施

2020年夏、秋灌期間在四十里店村試驗基地進(jìn)行黃河含沙水非全流土壤排滲過濾試驗，供試黃河含沙水來自唐徠渠，夏、秋灌期間所測黃河水的平均含沙量分別為5.84 kg/m3和5.47 kg/m3，使用Bettersize?2003激光粒度分布儀所測黃河水中小于某一泥沙顆粒粒徑累計百分含量分布見表3。

表3 黃河水小于某一粒徑泥沙粒徑顆粒徑累計百分含量Tab.3 Yellow River water less than a certain particle size sediment particle size particle size cumulative percentage content

從表3可知，唐徠渠黃河含沙水中粘粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）和沙粒（0.020～1.000 mm）的質(zhì)量百分比分別為17.68%、27.7%和54.62%。

非全流土壤排滲過濾裝置結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)需要的濾水量、對比需要、場地、施工方便等情況確定。如果需要的濾水量大，裝置尺寸可適當(dāng)加大。黃河高含沙水從唐徠渠進(jìn)入斗渠，然后從農(nóng)渠進(jìn)入試驗基地。

（1）豎直地埋管式非全流土壤排滲過濾裝置（V）。V1 處理：開挖長度20 m、表面寬5 m、深2 m 和底寬2 m 的地槽，將防滲膜鋪在地槽中，每隔4 m埋設(shè)長度1 m、直徑400 mm的無砂混凝土管，2 根為一組，共計4 組，無砂混凝土管壁外包350 g/m2無紡布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，使用挖掘機將土進(jìn)行回填。

V2 處理和V1 處理布置過程一樣，無砂混凝土管壁外包250 g/m2無紡布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，但沒有防滲膜。

（2）水平地埋管式非全流土壤排滲過濾裝置（L）。L1 處理：開挖長度20 m、表面寬度5 m、深2 m 和底寬2 m 的地槽，將防滲膜鋪在地槽中，水平鋪設(shè)8 根長度1 m 的無砂混凝土管，外包350 g/m2無紡布和0.5～1.00 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，無砂混凝土管一端密封，一端連接使用集水井，使用挖掘機進(jìn)行回填。

L2 處理和L1 處理布置過程一樣，外包250 g/m2無紡布和0.5～1.0 mm石英砂，石英砂厚度15 cm，但沒有防滲膜。

（3）輻射井管式非全流土壤排滲過濾裝置（R）。R1 處理：開挖長度10 m、表面寬度10 m、深度2 m 和底寬2 m 的地槽，將防滲膜鋪在地槽中，采用長度2 m、直徑420 mm 的雙壁波紋管作為豎直過濾主管，長度1.5 m、直徑110 mm的波紋管作為水平過濾管，在豎直過濾主管距離地槽底部1.1 m 的位置隔60°開直徑110 mm 的孔，共6個孔，將水平過濾管插入孔中且與地面成10°的夾角，豎直和水平過濾主管開孔的部分外包350 g/m2無紡布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度15 cm，使用挖掘機回填土壤。

R2 處理和R1 處理布置過程一樣，外包250 g/m2無紡布和0.5～1.0 mm石英砂，石英砂厚度15 cm，但沒有防滲膜。

（4）滲水井管式非全流土壤排滲過濾裝置（S）。S 處理：開挖長2 m、表面寬度2 m、深2 m 的地槽，鋪防滲膜，在中心位置豎直放置2 根長度1 m、直徑400 mm 的無砂混凝土管，無砂混凝土管壁外包350 g/m2無紡布和0.5～1.0 mm 石英砂，石英砂厚度30 cm，使用挖掘機回填土壤。

豎直地埋管式（V）和滲水井管式（S）非全流土壤排滲過濾裝置的區(qū)別在于石英砂濾料的厚度，豎直地埋管式（V）石英砂厚度15 cm，滲水井管式（S）石英砂厚度30 cm。選擇15 cm 和30 cm 是為了便于對比需要，石英砂規(guī)格和鋪設(shè)厚度可以根據(jù)實際情況選擇。

根據(jù)《水處理用石英砂濾料標(biāo)準(zhǔn)》中單層濾料的石英砂粒徑范圍，一般在0.5～1.2 mm，石英砂密度不小于2.55 g/cm3，本試驗均滿足此條件。

2020年夏灌期間6月份進(jìn)行了第一次非全流土壤排滲過濾試驗，由于土壤表面淤積了4.5 cm 的淤泥層，因此將各處理40 cm 土層在翻耕的基礎(chǔ)上，在2020年7月份進(jìn)行第二次非全流土壤排滲過濾試驗。

淤積泥沙重量計算方法：試驗結(jié)束后將滴灌帶截為前、中、后三段收集，曬干之后稱其重量，與預(yù)留滴灌帶樣品重量進(jìn)行比較。

1.5 觀測指標(biāo)

（1）保持入滲水頭20 cm 的條件下，觀測各裝置處理的濾水量和濾水含沙量。

（2）土壤孔隙度計算：取試驗前后各處理的土壤干容重，根據(jù)公式（1）計算土壤孔隙度堵塞度。

式中：ε為土壤孔隙度；ρb為土壤干容重，g/cm3；ρs為土壤固相顆粒密度，g/cm3。一般來講，ρs的平均值介于2.5～2.8 g/cm3之間，本研究中取ρs=2.65 g/cm3。

（3）滴灌試驗用水均來自各裝置處理過濾后的水，觀測滴灌帶中的泥沙顆粒含量。數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016，圖像繪制采用Origin 8.0。

2 結(jié)果分析

2.1 飽和土壤與非飽和土壤條件下非全流土壤排滲過濾裝置濾水量隨時間的變化規(guī)律

由于各處理過濾面積較小，試驗田進(jìn)水流量大，假定各處理在相同工況下進(jìn)行試驗，認(rèn)為各處理初始含沙量一致。利用指數(shù)函數(shù)擬合各處理的濾水量隨時間的變化特征曲線，見圖2～圖5，各裝置處理穩(wěn)滲濾水量如表4所示。

由圖2～圖5可知，試驗初期，濾水量較大，隨著入滲時間的推移濾水量逐漸下降且趨于穩(wěn)定入滲狀態(tài)，但飽和土壤處理比非飽和土壤處理濾水量達(dá)到穩(wěn)定入滲時所需時間較少，這是由于飽和土壤V1、R1和L1處理進(jìn)行防滲后由非飽和土壤變成飽和土壤形成隔水層，使含沙水無法向較深土層發(fā)生垂直入滲和側(cè)向入滲，非飽和土壤V2、R2和L2處理沒有做防滲處于非飽和土壤狀態(tài)，部分含沙水隨水流運動到較深土層。

圖2 V裝置處理濾水量和時間關(guān)系Fig.2 V device treatment of water filtration and time relationship

圖3 R裝置處理濾水量和時間關(guān)系Fig.3 R device treatment of water filtration and time relationship

圖4 L裝置處理濾水量和時間關(guān)系Fig.4 L device treatment of water filtration and time relationship

圖5 S裝置處理濾水量和時間關(guān)系Fig.5 S device treatment of water filtration and time relationship

由表4可知，第一次過濾V1、R1 和L1 處理比V2、R2 和L2處理穩(wěn)滲濾水量分別大5.87%、5.86%和10.21%，第二次過濾比V2、R2 和L2 處理穩(wěn)滲濾水量分別大1.49%、13.52%和10.60%。第一次過濾S處理穩(wěn)滲濾水量比V1、R1和L1處理分別大29.26%、70.48%和68.11%，第二次過濾S 處理穩(wěn)滲濾水量比V1、R1和L1處理分別大35.60%、74.17%和68.42%。

表4 各裝置處理穩(wěn)滲濾水量 m3/（d·m2）Tab.4 Treatment of stable percolation water by each device

S 處理濾水量最大，穩(wěn)滲平均濾水量為12.687 m3/（d·m2），滲水井管式S 處理濾水效果最佳。主要原因是V、R、L和S 處理相對于試驗前孔隙度堵塞了12.55%、14.13%、10.98%和8.62%。滲水井管式裝置S處理比其他裝置濾水量大是因為土壤孔隙堵塞率小，R 處理比L 處理濾水量小是因為R處理濾水管采用波紋管，有效濾水孔面積占整個波紋管面積的3.45%，而L 處理濾水管采用無砂混凝土管并且有效濾水孔隙大于15%[14]，因此導(dǎo)致R濾水量較小。

2.2 飽和土壤與非飽和土壤條件下非全流土壤排滲過濾裝置濾水含沙量隨時間變化規(guī)律

各處理濾水含沙量隨時間變化如圖6～圖9所示，各裝置處理穩(wěn)滲時濾水含沙量如表5所示。

表5 各裝置處理穩(wěn)滲濾水含沙量 kg/m3Tab.5 Sand content of stable percolation water treated by each device

圖6 V裝置處理濾水含沙量和時間關(guān)系Fig.6 V device treatment of filtered water sand content and time relationship

圖7 R裝置處理濾水含沙量和時間關(guān)系Fig.7 R device treatment of filtered water sand content and time relationship

圖8 L裝置處理濾水含沙量和時間關(guān)系Fig.8 L device treatment of filtered water sand content and time relationship

圖9 S裝置處理濾水含沙量和時間關(guān)系Fig.9 S device treatment of filtered water sand content and time relationship

從圖6～圖9可以看出，試驗初期濾水含沙量較大，但隨著過濾時間的推移濾水含沙量逐漸減小且趨于穩(wěn)定。試驗初期，土壤容重小，土壤孔隙度大，通氣性好，含沙水中泥沙顆粒及土壤中細(xì)小顆粒隨水流運動較快地進(jìn)入濾水管，試驗后期，一部分泥沙顆粒沉積在土壤表面，另一部分隨著水流運動填充在土壤孔隙中，與試驗初期相比，土壤容重相對變大，土壤結(jié)構(gòu)密實，孔隙度相對變小，濾水管壁包裹的無紡布孔隙也逐漸變小，使含沙水中的大顆粒無法隨水流運動進(jìn)入濾水管，因此濾水含沙量隨著入滲時間的推移而減小且逐漸穩(wěn)定。

由表5可知，第一次過濾L1 處理比V1、R1 和S 處理穩(wěn)滲濾水含沙量分別小14.04%、13.60%和3.51%；L2 處理比V2、R2處理濾水含沙量分別小14.41%、20.09%。第二次過濾L1處理比V1、R1 和S 處理穩(wěn)滲濾水含沙量分別小21.95%、20.49%和18.54%；L2 處理比V2、R2 處理穩(wěn)滲濾水含沙量分別小23.58%和17.92%。各裝置處理穩(wěn)滲濾水含沙量均低于0.3 kg/m3，最大顆粒粒徑為0.129 mm，大于0.1 mm 的顆粒僅占0.58%。

2.3 非全流土壤排滲過濾裝置對不同深度土壤顆粒組成的運移變化

試驗結(jié)束后，取30 cm 和90 cm 處的土壤進(jìn)行顆粒組成分析，土壤顆粒變化如圖10和圖11所示。試驗后30 cm 處比試驗前30 cm 處的土壤顆粒粒徑在102.4～1 000 μm 之間的累計質(zhì)量含量減少了28.03%，在6.899～102.4 μm 之間的質(zhì)量含量增加了3.32%，表明30 cm 處的土壤顆粒粒徑組成中細(xì)顆粒含量增加、粗顆粒含量減少；試驗后90 cm 處比試驗前90 cm 處的顆粒粒徑在102.4～1 000 μm 之間的累計質(zhì)量百分?jǐn)?shù)增加了38.56%，在6.899～102.4 μm 之間的累計質(zhì)量百分含量減少了3.64%，表明90 cm 處的土壤顆粒粒徑組成中細(xì)顆粒含量減少，粗顆粒含量增加。30 cm 處的土壤顆粒粒徑組成中細(xì)顆粒比重增加、粗顆粒比重減小的主要原因為含沙水中的泥沙顆粒比土壤顆粒粒徑小，在非全流土壤排滲過濾試驗過程中，含沙水中的細(xì)顆粒通過土壤孔隙隨著水流運動入滲到土壤不同深度停滯，從而在一定程度上改變了土壤顆粒的組成結(jié)構(gòu)。90 cm 處的土壤顆粒粒徑組成中細(xì)顆粒比重減少、粗顆粒比重增加的原因是在試驗開始過濾時土壤結(jié)構(gòu)中原始的細(xì)顆粒隨著水流運動入滲到更深土壤或者進(jìn)入濾水管，一定程度上改變了土壤顆粒原始組成結(jié)構(gòu)，這也是導(dǎo)致試驗初期濾水比較渾濁和含沙量較大的原因。

圖10 試驗前后30 cm土壤顆粒運移Fig.10 Soil particle transport at 30 cm soil depth before and after the experiment

圖11 試驗前后90 cm土壤顆粒運移Fig.11 Soil particle transport at 90 cm soil depth before and after the experiment

2.4 非全流土壤排滲過濾裝置對滴灌灌水器堵塞的影響

不同類型滴灌帶第15 次灌水試驗的相對流量和均勻系數(shù)見表6，小于某一泥沙粒徑質(zhì)量百分比分布見表7。

表6 不同類型滴灌帶第15次試驗時的相對流量和均勻系數(shù) %Tab.6 Relative flow rate and uniformity coefficient at the 15th irrigation test for different types of drip irrigation belts

表7 不同處理滴灌帶中小于某一泥沙粒徑質(zhì)量百分比Tab.7 Cumulative mass percentages of drip irrigation tapes smaller than a certain sediment size in different treatments

根據(jù)《滴灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485?2009）規(guī)定相對流量和均勻系數(shù)分別降低25%和20%時，認(rèn)為灌水器發(fā)生堵塞[15]。由表4可以看出，灌水試驗第15 次時，R 處理單翼迷宮灌水器相對流量和均勻系數(shù)分別降低了40.14%和34.58%，表明單翼迷宮灌水器發(fā)生堵塞；L、S 和V 處理相對流量和均勻系數(shù)均未降低25%和20%，單翼迷宮和內(nèi)鑲貼片灌水器均未堵塞。從灌水器塞情況考慮，V、L 和S 非全流土壤排滲過濾裝置過濾的水質(zhì)均滿足作物生育期內(nèi)滴灌灌溉使用，但R非全流土壤排滲過濾裝置過濾的水質(zhì)不能滿足作物生育期內(nèi)滴灌灌溉使用，原因是R 非全流土壤排滲過濾裝置的過濾管是波紋管打孔少且孔徑較大，V、L 和S 處理是采用無砂混凝土管孔徑較小。

通過表5可以看出，L 處理單翼迷宮和內(nèi)鑲貼片滴灌帶中沉積泥沙顆粒在50～200 μm 的含量最低，在10～50 μm 的含量最高；R 處理沉積泥沙顆粒在50～200 μm 的含量最高，在10～50 μm 的含量最低。由于R 處理滴灌試驗第15 次時單翼迷宮灌水器發(fā)生堵塞，而L 處理滴灌試驗單翼迷宮灌水器沒有堵塞，說明小于50 μm不是引起灌水器堵塞的敏感粒徑。結(jié)果表明，大于50 μm 且小于200 μm 的顆粒粒徑更容易引發(fā)這兩種灌水器堵塞，這與任改萍[16]、姜珊[17]、牛全文[18]等人在含沙水滴灌試驗得出的結(jié)論一致，大顆粒含量越高越容易引發(fā)灌水器堵塞的幾率。

3 結(jié) 論

（1）S、V、L、R 處理兩次過濾穩(wěn)滲平均濾水量分別為12.687、8.404、3.812 和3.340 m3/（d·m2），飽和土壤V1、L1、R1 處理比非飽和土壤V2、L2、R2 處理兩次過濾的平均濾水量分別提高3.74%、9.52%和10.56%；滲水井管式（S）非全流土壤排滲過濾裝置處理濾水量最大。

（2）S、V、L、R 處理兩次過濾穩(wěn)滲平均濾水含沙量分別為0.240、0.259、0.219 和0.258 kg/m3，V1、L1 和R1 處理比V2、L2、R2處理兩次過濾的平均濾水含沙量分別降低2.74%、3.95%和1.84%；水平地埋管式（L）非全流土壤排滲過濾裝置處理過濾平均含沙量最小。

（3）各處理穩(wěn)滲濾水含沙量均小于0.3 kg/m3，最大顆粒粒徑為0.129 mm，大于0.1 mm 的顆粒僅占0.58%。試驗前后不同土層深度土壤顆粒粒徑組成發(fā)生變化，30 cm 處的顆粒組成細(xì)小顆粒比重增加、粗顆粒比重減??；90 cm 處的顆粒組成粗顆粒比重增加、細(xì)小顆粒比重減小。

（4）經(jīng)滴灌試驗驗證，S、V、L裝置處理過濾的水質(zhì)使灌水器相對流量和均勻系數(shù)分別大于75%和80%，說明均滿足滴灌使用，尤其是L處理抗堵塞效果最好，原因是粘粒被自然土壤攔截，50 μm以上的顆粒粒徑較少。

（5）綜合考慮濾水量、濾水含沙量、濾水泥沙粒徑和土壤顆粒粒徑變化，建議在實踐應(yīng)用中推薦滲水管井式（S）和水平地埋管式（L）非全流土壤排滲過濾裝置，為引黃灌區(qū)高效節(jié)水灌溉的黃河高含沙水過濾提供了技術(shù)支撐。

在工程應(yīng)用中，隨著非全流土壤排滲過濾時間的增加，土壤中細(xì)小顆粒增加，濾水量降低到初始值的50%時，對土壤上層濾料深度40～50 cm 進(jìn)行深翻，可以使裝置濾水量恢復(fù)到初始濾水量的80%～90%，如此反復(fù)，預(yù)計可以使裝置運行5年以上。同時，當(dāng)非耕地土壤濾料功能喪失時，在該非耕地鄰近地塊再增加非耕地面積作為新的土壤濾料，又可實現(xiàn)非耕地的耕地化。