李雪敏 李 杰 董雪晶 張澤龍

（塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 新疆 阿拉爾 843300）

南疆地區(qū)氣候干燥，年降雨量較少，蒸發(fā)量大，土壤鹽漬化嚴(yán)重。通過大水洗鹽和種植水稻改良可以起到壓鹽及洗鹽效果，但是農(nóng)田用水量較大，對(duì)于本就水資源短缺的南疆地區(qū)而言無疑是雪上加霜。然而，豐富的農(nóng)田排水資源并未被重視，反而對(duì)灌區(qū)排水載體造成嚴(yán)重污染，因此，研究如何將劣質(zhì)排水循環(huán)再利用，緩解水資源緊張、減輕水體污染的問題已被眾多學(xué)者所重視。

農(nóng)田排水資源化利用作為干旱缺水地區(qū)開發(fā)水資源利用潛力的有效途徑，早已被人們所重視與采用，并且有研究者指出，利用農(nóng)田排水作為補(bǔ)充水源，不僅提供給作物所需水分，同時(shí)可減輕對(duì)水環(huán)境的影響[1]。對(duì)于農(nóng)田排水資源化利用技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專家做出了大量研究。王少麗[2]等認(rèn)為，作物早期采用淡水灌溉較為適宜，而在生長(zhǎng)的中后期可采用農(nóng)田排水進(jìn)行灌溉；劉大剛[3]等認(rèn)為應(yīng)將農(nóng)田排水水質(zhì)、作物特性、土壤特性、水文氣象、灌排措施等作為排水資源化利用適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)；彭世彰[4]等則強(qiáng)調(diào)應(yīng)更加注重農(nóng)田污染物遷移與劣質(zhì)水處理、劣質(zhì)水灌溉技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)、以及劣質(zhì)水灌溉的環(huán)境影響與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等方面的研究。農(nóng)田排水灌溉對(duì)土壤水分運(yùn)移特性的影響直接反映了其利用的優(yōu)劣性。賴永明[5]等提出針對(duì)特定地區(qū)的各種作物，制定相應(yīng)的苦咸水灌溉技術(shù)措施，包括控制灌溉水礦化度、制定合理的灌溉制度、采用滴灌的灌溉方式等。因此，農(nóng)田排水資源化利用對(duì)提高灌溉水資源重復(fù)利用率，減少化肥和農(nóng)藥的流失，降低農(nóng)業(yè)排水污染，促進(jìn)節(jié)水與水資源可持續(xù)利用具有重要作用[6]。

本研究以南疆農(nóng)田排水為對(duì)象，以不同粒徑沙和生物炭為原料，形成“沙-生物炭”組合濾料，研究原水與過濾水鹽分及離子變化規(guī)律，探索出適合的濾料組合，為緩解南疆水資源短缺及劣質(zhì)水循環(huán)利用提供前期研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)于2020 年11～12 月在塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院給排水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試劣質(zhì)水取自阿拉爾市13 團(tuán)總排堿渠農(nóng)田排水，如圖1(a)。沙濾料及活性炭取自建筑材料實(shí)驗(yàn)室。沙濾料及活性炭粒徑如表1 所示。

表1 粒徑分析(mm)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法。將取來的沙濾料用純凈水進(jìn)行清洗，直至連續(xù)3 次測(cè)定溶液電導(dǎo)率相同。按照粗沙-活性炭-細(xì)沙、細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙和粗沙-細(xì)沙3 種組合方式裝填至圓柱形土柱中，圓柱規(guī)格為：φ20 cm，高100 cm，裝填規(guī)格為上層30 cm，中層20 cm，下層30 cm，如圖1(b)所示。裝填完畢后加入10 L 農(nóng)田排水進(jìn)行過濾。

圖1 農(nóng)田排水取樣及土柱裝填方式

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 礦化度、電導(dǎo)率與百分含量相關(guān)性。于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制相應(yīng)百分比濃度溶液，用電導(dǎo)率測(cè)定儀(DDB-303A)測(cè)定溶液電導(dǎo)率，用烘干法測(cè)定溶液礦化度，并繪制相關(guān)性曲線。

1.3.2 農(nóng)田排水過濾速度及電導(dǎo)率變化。每過濾100 ml水樣便進(jìn)行取樣，記錄時(shí)間，測(cè)定過濾速度。將過濾出的水樣收集后用電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)定電導(dǎo)率值，可通過礦化度、電導(dǎo)率與百分含量相關(guān)性進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.3.3 水質(zhì)檢測(cè)。包括Na+、K+、Cl-、，用火焰光度計(jì)(FP6450)測(cè)定水樣中Na+、K+濃度，用全自動(dòng)化學(xué)分析儀(Smartchem200)測(cè)定水樣中Cl-、濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理。運(yùn)用Microsoft Excel 2010，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及完成繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦化度、電導(dǎo)率與百分含量相關(guān)性。由圖2 可知，礦化度、電導(dǎo)率與百分含量呈顯著性線性相關(guān)，百分含量與礦化度相關(guān)性方程為y=9.9849x -0.0028，決定系數(shù)為0.99；百分含量與電導(dǎo)率相關(guān)性方程為y=16.058x+1.0899，決定系數(shù)為0.99；礦化度與電導(dǎo)率相關(guān)性方程為y=1.6079x+1.0972，決定系數(shù)為0.99。因此，礦化度、電導(dǎo)率與百分含量可以通過相關(guān)性方程進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，得出所需單位表述。

圖2 礦化度 電導(dǎo)率與百分含量相關(guān)性

2.2 不同組合對(duì)農(nóng)田排水過濾速度及電導(dǎo)率的影響。農(nóng)田排水過濾速度及電導(dǎo)率變化如圖3 所示，隨著取樣次數(shù)的增加，農(nóng)田排水過濾速度呈現(xiàn)快速降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，穩(wěn)定時(shí)細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合、粗沙-活性炭-細(xì)沙組合、粗沙-細(xì)沙組合過濾速度分別為0.09 L/h、0.15 L/h 和0.17 L/h。不同組合過濾速度為：細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合＜粗沙-活性炭-細(xì)沙組合＜粗沙-細(xì)沙組合。農(nóng)田排水電導(dǎo)率變化隨取樣次數(shù)的增加呈先低后高的趨勢(shì)，在第5 次取樣時(shí)開始回升，初始農(nóng)田排水電導(dǎo)率為12.72 ms/cm，第1 次取樣細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合、粗沙-活性炭-細(xì)沙組合、粗沙-細(xì)沙組合電導(dǎo)率分別為7.62 ms/cm、8.18ms/cm 和8.35 ms/cm。分析可知，細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合過濾農(nóng)田排水效果最好，其次為粗沙-活性炭-細(xì)沙組合，粗沙-細(xì)沙組合過濾效果最差。

圖3 不同組合對(duì)農(nóng)田排水過濾速度及電導(dǎo)率的影響

2.3 不同組合對(duì)農(nóng)田排水陽離子的影響。農(nóng)田排水陽離子過濾效果如圖4 所示，Na+、K+濃度隨著取樣次數(shù)的增加呈“V”型變化，且不同組合間Na+濃度變化幅度較大，K+濃度相對(duì)較小。粗沙-活性炭-細(xì)沙組合和粗沙-細(xì)沙組合K+濃度在第4 次取樣時(shí)開始回升，細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合在第5 次取樣時(shí)開始增加。粗沙-細(xì)沙組合、細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合和粗沙-活性炭-細(xì)沙組合K+濃度均在第4 次取樣時(shí)開始回升。較原樣中Na+濃度，粗沙-細(xì)沙組合、細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合和粗沙-活性炭-細(xì)沙組合分別減少了0.06 g/L、0.08 g/L 和0.07 g/L，而K+濃度分別減少0.02 g/L、0.03 g/L 和0.02 g/L。分析可知，細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合過濾農(nóng)田排水中Na+、K+效果最好，其次為粗沙-活性炭-細(xì)沙組合，粗沙-細(xì)沙組合過濾效果最差。

圖4 不同組合對(duì)農(nóng)田排水陽離子的影響

2.4 不同組合對(duì)農(nóng)田排水陰離子的影響。不同組合對(duì)農(nóng)田排水陰離子的影響如圖5 所示，隨著取樣次數(shù)的增加，Cl-、濃度均呈先下降后上升的趨勢(shì)，粗沙-活性炭-細(xì)沙組合和粗沙-細(xì)沙組合Cl-濃度在第4次取樣時(shí)開始回升，細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合在第5次取樣時(shí)開始回升。粗沙-細(xì)沙組合濃度在第2次取樣時(shí)開始回升，而細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合和粗沙-活性炭-細(xì)沙組合在第3 次取樣時(shí)開始回升。較原樣中Cl-濃度，粗沙-細(xì)沙組合、細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合和粗沙-活性炭-細(xì)沙組合分別減少了0.02 g/L、0.11 g/L 和0.04 g/L，而濃度分別減少0.14 g/L、0.31 g/L 和0.25 g/L。分析可知，細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合過濾農(nóng)田排水中Cl-、效果最好，其次為粗沙-活性炭-細(xì)沙組合，粗沙-細(xì)沙組合過濾效果最差。同時(shí)，過濾農(nóng)田排水中Cl-離子時(shí)，不同組合間差異較大，而過濾農(nóng)田排水中時(shí)，組合間差異相對(duì)較小。

圖5 不同組合對(duì)農(nóng)田排水陰離子的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 礦化度、電導(dǎo)率與百分含量相關(guān)性三者之間具有顯著的線性相關(guān)。

3.2 不同組合農(nóng)田排水過濾速度先減小后趨于穩(wěn)定，而電導(dǎo)率變化呈現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，不同組合過濾速度為：細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合＜粗沙-活性炭-細(xì)沙組合＜粗沙-細(xì)沙組合，而電導(dǎo)率變化與之相反。

3.3 粗沙-活性炭-細(xì)沙、細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙和粗沙-細(xì)沙3 種組合方式中，細(xì)沙-活性炭-細(xì)沙組合對(duì)農(nóng)田排水離子過濾效果最優(yōu)。同時(shí)，農(nóng)田排水中Na+、Cl-含量高于K+、，說明本地區(qū)土壤鹽分以NaCl，Na2SO4為主。