杜慧慧 馬太玲 于健 王利明 盧俊平 趙琳琳

摘要：針對(duì)內(nèi)蒙古烏海市農(nóng)林灌溉工程中滴灌帶堵塞的問(wèn)題，取用該地區(qū)引黃滴灌原水進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，在不同水質(zhì)及環(huán)境狀況下研究滴灌器堵塞情況，分析滴灌器堵塞的主要影響因素。經(jīng)6組對(duì)比試驗(yàn)研究確定，影響滴灌器堵塞的主要水質(zhì)指標(biāo)是濁度和微生物總數(shù)，且二者有很高的相關(guān)性;主要環(huán)境因子是水溫。含沙量越大，灌水均勻度越小，滴灌器堵塞速度越快。溫度越高，灌水均勻度變化幅度越大，進(jìn)而對(duì)滴灌器流量的影響越明顯。微生物（主要測(cè)定細(xì)菌總數(shù)）附著在泥沙顆粒上，與泥沙協(xié)同作用造成對(duì)滴灌器的堵塞;而濁度的增大和水溫的升高促使微生物的數(shù)量增加。

關(guān)鍵詞：滴灌器;堵塞：室內(nèi)試驗(yàn);濁度;細(xì)菌總數(shù);水溫

中圖分類(lèi)號(hào)：S275.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01.033

滴灌是農(nóng)田用水最節(jié)水的一種技術(shù)[1]，水得到充分利用，但滴灌器的堵塞是滴灌應(yīng)用中最主要的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。內(nèi)蒙古烏海市屬于沙化地區(qū)，不適宜耕種，但黃河水流經(jīng)烏海市，為了能夠充分利用黃河水資源，該地區(qū)發(fā)展了大量的園林和溫室，直接取用黃河水進(jìn)行灌溉，而黃河水高含沙的特點(diǎn)，經(jīng)沉淀過(guò)濾處理后，仍然會(huì)對(duì)滴灌器造成堵塞。高含沙水在滴灌系統(tǒng)使用是一個(gè)世界性難題，在我國(guó)沿黃地區(qū)使用黃河水滴灌較為普遍，屬于我國(guó)重點(diǎn)研究課題[2-5]。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，主要研究不同水環(huán)境條件下滴灌器堵塞情況，分析引起滴灌器堵塞的主要因素，以期為烏海市大面積利用黃河水進(jìn)行滴灌提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由潛水泵、管道、閥門(mén)、調(diào)節(jié)水池及試驗(yàn)用滴灌帶組成。滴灌帶選用與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的型號(hào)，設(shè)計(jì)流量為1.6 L/h，管徑為16 mm，孔徑為0.13 mm，滴頭間距為0.3 m。鋪設(shè)3條同一型號(hào)的滴灌帶，進(jìn)行平行試驗(yàn)，每條滴灌帶長(zhǎng)20 m，滴灌帶上每隔Sm設(shè)置一個(gè)滴灌器作為采樣點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程中需要控制不同的溫度，在調(diào)節(jié)池內(nèi)配有兩個(gè)恒溫加熱棒。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

為了與實(shí)際滴灌用水接近，試驗(yàn)中使用黃河源水進(jìn)行模擬，將水體濁度分別設(shè)置為15、20、25 ntu，同時(shí)分別設(shè)置20℃和30℃兩個(gè)溫度，共6組。每組連續(xù)運(yùn)行Sd，分別在每天的早9時(shí)和晚9時(shí)測(cè)定采樣點(diǎn)的流量。工作壓力均設(shè)定為0.06 MPa。試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）測(cè)定不同條件下各采樣點(diǎn)的流量，分析不同運(yùn)行條件下不同距離出水口處的流量變化。

（2）測(cè)定不同條件下運(yùn)行Sd后調(diào)節(jié)池內(nèi)水和滴灌器內(nèi)堵塞物的細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a含量，分析滴灌器堵塞的影響因素。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程控制

為了試驗(yàn)用水的濁度在運(yùn)行過(guò)程中保持不變，在調(diào)節(jié)池中設(shè)置一個(gè)小型潛水泵，攪拌調(diào)節(jié)池內(nèi)的水。將所有裝置安裝好后，開(kāi)啟潛水泵，調(diào)節(jié)閥門(mén)使得滴灌帶內(nèi)水壓保持為0.06 MPa。壓力穩(wěn)定后，測(cè)定各采樣點(diǎn)的流量，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程觀(guān)測(cè)流量的變化，同時(shí)每天檢查所有滴灌器的堵塞情況。每組試驗(yàn)結(jié)束后，取完全堵塞的滴灌器若干個(gè)，取下滴灌器內(nèi)的堵塞物質(zhì)，將堵塞物溶于一定量的超純水中，測(cè)定其濁度、細(xì)菌總數(shù)和葉綠素a含量，分析引起滴灌器堵塞的主要物質(zhì)。同時(shí)分別測(cè)定每次運(yùn)行前、后調(diào)節(jié)池內(nèi)試驗(yàn)用水的細(xì)菌總數(shù)、濁度和葉綠素a含量，分析不同運(yùn)行條件下水質(zhì)的變化，進(jìn)一步分析滴灌器堵塞的影響因素。

1.4 灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)滴灌帶對(duì)作物灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是灌水均勻度，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的灌水均勻度大于80%時(shí)，灌水質(zhì)量較好[6]。通常用Christianson均勻度來(lái)表示，計(jì)算公式如下。

灌水均勻度的影響因素主要包括灌水地區(qū)的地質(zhì)情況，地表的平整度，滴灌帶的型號(hào)及質(zhì)量，滴灌用水的質(zhì)量、溫度變化和水壓力變化等[7]根據(jù)我國(guó)實(shí)際使用的情況，一些學(xué)者重點(diǎn)研究了一些影響滴灌器堵塞的因素，如：范興科等[8-9]研究了滴灌帶的制造偏差、地形平整度偏差和水力偏差對(duì)流量變化的影響，分析認(rèn)為降低滴灌器的設(shè)計(jì)流量，采用多級(jí)組合過(guò)濾模式，低壓滴灌可減少堵塞;張志澍等[10]研究認(rèn)為灌水均勻度主要與管內(nèi)的流態(tài)指數(shù)相關(guān)：王瑛等[11]在田間進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，認(rèn)為滴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度影響灌水均勻度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)中盡量減少客觀(guān)條件對(duì)滴灌器堵塞的影響，根據(jù)試驗(yàn)得出6組灌水均勻度變化情況，見(jiàn)圖2、圖3、圖4。

2.1 濁度對(duì)灌水質(zhì)量指標(biāo)的影響

通過(guò)分析不同濁度條件下灌水均勻度的變化，得出以下結(jié)論。

（1）濁度不變時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中隨著時(shí)間的增加，灌水均勻度呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明滴灌帶的堵塞是逐漸積累形成的。

（2）隨著濁度的增大，灌水均勻度越來(lái)越小，滴灌器完全堵塞所需要的時(shí)間越來(lái)越短。運(yùn)行過(guò)程中濁度為15 ntu時(shí)，灌水均勻度變化較緩，說(shuō)明灌水質(zhì)量較好：而濁度為20 ntu時(shí)，運(yùn)行到最后一天時(shí)灌水均勻度明顯降低，灌水均勻度較差，會(huì)加快滴灌器的堵塞。

（3）濁度為25 ntu時(shí)，運(yùn)行到第3d，不同水溫下灌水均勻度均降低到80%以下，灌水能力明顯降低，表明在試驗(yàn)中該型號(hào)的滴灌帶不適用濁度大于25 ntu的水質(zhì)。

2.2 溫度對(duì)灌水質(zhì)量指標(biāo)的影響

通過(guò)分析不同溫度條件下灌水均勻度的變化，得出以下結(jié)論：濁度不變，溫度改變，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)測(cè)定認(rèn)為灌水均勻度變化規(guī)律基本一致。水溫為30℃時(shí)不同濁度情況下，灌水均勻度均在第3d時(shí)小于80%，說(shuō)明高溫促使滴灌帶的灌水質(zhì)量變差，滴灌器流量降低，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量降低水溫。

2.3 不同條件下滴灌器堵塞物質(zhì)分析

每組試驗(yàn)結(jié)束后取下10個(gè)完全堵塞的滴灌器，將其上的堵塞物質(zhì)溶于300 mL的無(wú)菌超純水中測(cè)定其濁度、細(xì)菌總數(shù)和葉綠素a含量，分析在不同情況下滴灌器內(nèi)堵塞物含量（見(jiàn)表1），定性分析滴灌器堵塞原因。

由表1中數(shù)據(jù)分析，滴灌用水的濁度改變，滴灌器上堵塞物的不溶物質(zhì)（主要為泥沙）和葉綠素a的含量差別不大，但是細(xì)菌總數(shù)的含量隨著灌水濁度的增大有明顯的增加。分析認(rèn)為，滴灌器堵塞后，不溶物質(zhì)不會(huì)繼續(xù)富集，葉綠素a受光照條件的限制也不會(huì)改變，但是細(xì)菌會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，進(jìn)一步加劇滴灌器的堵塞，滴灌器堵塞物質(zhì)中含有葉綠素a，說(shuō)明葉綠素a對(duì)滴灌器的堵塞起到了一定的作用。只要有不溶物質(zhì)積聚在滴灌器內(nèi)，細(xì)菌就會(huì)大量生長(zhǎng)繁殖，加快滴灌器堵塞的速度。

通過(guò)分析認(rèn)為，僅僅有泥沙不會(huì)造成滴灌器完全堵塞，當(dāng)有少量泥沙聚集在滴灌器內(nèi)部時(shí)，在適宜的條件下細(xì)菌會(huì)大量繁殖，形成菌膠團(tuán)類(lèi)的黏聚物，加速滴灌器的堵塞，導(dǎo)致灌水均勻度降低。細(xì)菌總數(shù)隨濁度的增大而增加，隨著溫度的升高，細(xì)菌迅速繁殖，加速了泥沙的聚集，進(jìn)而加速堵塞滴灌器。微生物的參與加快了堵塞的速度，而且造成完全堵塞的現(xiàn)象。泥沙和微生物共同作用是造成高含沙水滴灌帶灌溉堵塞問(wèn)題的重要原因。

3 結(jié)論

（1）泥沙是造成滴灌帶堵塞的主要因素之一。泥沙含量越大，越容易堵塞。本試驗(yàn)研究中認(rèn)為濁度小于15 ntu時(shí)灌水質(zhì)量較好，灌水均勻度較好：濁度大于20 ntu時(shí)灌水質(zhì)量較差，灌水均勻度較差，會(huì)加快滴灌器的堵塞。

（2）有泥沙在灌溉水中時(shí)，微生物是加速滴灌器堵塞的另一主要因素。微生物在適宜的條件下附著于泥沙表面，會(huì)大量繁殖形成黏聚物，造成滴灌器完全堵塞。

（3）自然環(huán)境中溫度越高越有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，在高含沙水灌溉用水中，高溫是滴灌帶堵塞的另一個(gè)重要因素。溫度越高，越有利于細(xì)菌的繁殖，灌水均勻度在短時(shí)間內(nèi)降低越明顯，滴灌器堵塞所需時(shí)間越短。

（4）在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，沒(méi)有充足的陽(yáng)光照射，水中的葉綠素a沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)情況變化明顯，但是在堵塞物質(zhì)中檢測(cè)到葉綠素a，葉綠素a（藻類(lèi)）積聚加快了滴灌器的堵塞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福軍，王文娥，滴頭流道CFD分析的研究進(jìn)展與問(wèn)題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（7）：188-192.

[2] CHIENC S，GHAEMI A.Uniformity in a Micro-Imgationwith Partially Clogged Emitters[C]// ASAE.2003 ASAE An-nual Intemational Meeting. Michigan： ASAE，2003：1- 11.

[3]李光永，曾德超，段中鎖，等，地埋點(diǎn)源滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1996（3）：66-71.

[4] NAKAYAMA F S，BUCKS D A.Water Quality in Drip/Trickle nrigation：a Review[J].Imgation Science，1991（12）： 18，7-192.

[5]侯崢，劉學(xué)軍，周立華，寧夏滴灌技術(shù)應(yīng)用調(diào)查與發(fā)展對(duì)策[J].人民黃河，2013，35（2）：75-77.

[6]喻黎明，滴灌灌水器水力特性及抗堵塞研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009：22-30.

[7]武鵬，牛全文，滴灌器抗堵塞及對(duì)滴灌器系統(tǒng)灌水均勻度的影響[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2010：25-38.

[8] 范興科，吳普特，毛管對(duì)灌水均勻度及系統(tǒng)管網(wǎng)布局的影響[C]中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì).2005午中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，2005：268- 292.

[9] 范興科，吳普特，牛文全，等，低壓滴灌條件下提高系統(tǒng)灌水均勻度的途徑探討[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2008，27（1）：18-20.

[10] 張志澎，鄭耀泉，田春元，等，灌水器的工作水頭對(duì)微灌系統(tǒng)灌水均勻度影響的研究[J].內(nèi)蒙古水利，1996（1）：28-31.

[11] 王瑛，范宗良，馮輝霞，等，滴灌帶灌水均勻度的田間測(cè)試與分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35（1）：66-69.