農(nóng)業(yè)灌溉水源對灌溉設備堵塞的影響

薛 翔， 國 攀， 楊振杰，余 楊　(云南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，云南昆明 650201)

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農(nóng)業(yè)灌溉水源對灌溉設備堵塞的影響

薛 翔， 國 攀， 楊振杰，余 楊*(云南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，云南昆明 650201)

摘要探討復雜多變的灌溉水源對灌溉設備運行效率的影響。文章對物理、化學和生物因素引起的堵塞和堵塞程度進行了分析，并對堵塞程度進行了等級劃分；同時針對不同來源的我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水狀況進行了分析，給出了針對各種水源造成的灌溉設備堵塞的解決方法。認為可針對具體水情采用過濾、水化處理、電去離子水軟化技術和運用生物凈化技術等方法，從水的源頭治理、灌溉系統(tǒng)堵塞問題。也可以交叉使用多種處理技術，綜合考慮，從基本國情出發(fā)，采取積極有效的措施，堅持科學態(tài)度，努力探索研究出經(jīng)濟實用、技術可行的灌溉系統(tǒng)。

關鍵詞灌溉水源；灌溉設備；處理方法

Impact of Agricultural Irrigation Water on Irrigation Equipment Jams

XUE Xiang, GUO Pan, YANG Zheng-jie, YU Yang*(College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Abstract The effects of complex irrigation water on operation efficiency of irrigation equipment were discussed. Jams and jam degree caused by physical, chemistry and biology factors were analyzed, jams degree was classified. Solutions irrigation equipment jams caused by different water were put forward. It was thought that the pollution can be controlled from water sources by adopting filtration, hydration treatment, water softening technology and biological purification technology; it also can cross use a variety of processing technology, comprehensive consideration, from the basic national conditions, take active and effective measures, adhere to the scientific attitude, and strive to explore the economic and practical, technical feasible irrigation system

Key words Irrigation water; Irrigation equipment; Processing method

灌溉是農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)與豐收的重要前提，灌溉設備是實現(xiàn)高效節(jié)水灌溉的基本條件。農(nóng)業(yè)灌溉水源復雜多變，主要為河流、地下水、池塘和水窖等。水源中含有大量污染物質(zhì)微生物、微小顆粒和有機質(zhì)，會堵塞灌溉器，影響灌溉設備的正常運行，從而對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)造成巨大影響。隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，生活和生產(chǎn)污水的隨意排放，從不同程度上污染了自然水體，嚴重影響了灌溉設備的運行效率。鑒于此，針對不同的水源選擇正確有效的處理方法對灌溉設備意義重大，可有效提高灌溉設備的抗堵塞能力，保證設備的正常運行，從而保證農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)與豐收。該文對灌溉水源類型及特點進行了系統(tǒng)分析，并針對每一類水源探討緩解灌溉設備堵塞方法。

1灌溉設備堵塞的類型與條件

灌溉水源中還有各類物質(zhì)容易造成灌溉設備的堵塞，灌溉設備堵塞主要分為3類物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞。其中物理堵塞是指水中所含有的有機或無機懸浮物，藻類還有漂浮在水面的動植物等有機物，無機物包括石頭還有沙子等。化學堵塞指的是溶解在水中的化學物質(zhì)，而這些化學物質(zhì)在水中發(fā)生一些反應生成一些不溶性物質(zhì)，隨著水流進入管道中，久而久之會造成灌溉設備的堵塞；生物堵塞是指水中的生物進入灌水管道和灌水器內(nèi)部后，在管道內(nèi)部生長并且大量繁殖，隨著時間推移管道面積減小，最終導致灌水器堵塞[1-3]。

Bucks[1]對灌溉系統(tǒng)的堵塞類型、堵塞物質(zhì)和堵塞程度進行了研究，并提出了灌溉器堵塞程度區(qū)分標準(表1)。

表1　灌水器堵塞類型與程度區(qū)分標準

2灌溉水源

目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水絕大部分是來自江湖河流、池塘、地窖儲水、地下水和廢水等。針對不同的農(nóng)業(yè)灌溉水源做以下分析。

注：①表中數(shù)值是取代表性水樣采用標準程序分析化驗的最大值;②細菌總數(shù)可用便攜式田間測試儀得到，它反映了藻類和微生物的營養(yǎng)狀況。

2.1池塘和水窖中國農(nóng)村和大部分偏遠地區(qū)和干旱少雨地區(qū)通過池塘和水窖來儲存灌溉水，雨水和地下水流入池塘

或者儲存在水窖中，特別是池塘中的水由于生活污水的隨意排放，導致池水含有大量的磷、鉀、氮、有機物質(zhì)和大量微生物，絕大多數(shù)的池塘現(xiàn)處于富營養(yǎng)化的狀態(tài)[4]。池塘和水窖中的水作為灌溉用水即使經(jīng)過簡單的過濾處理后仍然會存在少部分微小雜質(zhì)、藻類和微生物等[4.5]，這些物質(zhì)易在灌溉設備、灌水器或者出水孔轉(zhuǎn)角處附著并依靠水中有機物質(zhì)大量繁殖形成微生物群[6]，這類微生物群常覆蓋黏性外鞘，一些微粒和藻類很容易粘連并沉積在黏性外鞘上，當這些微生物、微粒和藻類長到一定程度以及細菌數(shù)量達到50 000個/ml時將對灌水系統(tǒng)造成嚴重堵塞[1]。

2.2江河水就我國的黃河來說，是我國的第2大河流，同時也是世界含沙量最大的河流，所流經(jīng)省市都是依靠它來進行農(nóng)業(yè)灌溉。但是使用這種含沙量大的水進行灌溉一段時間后，水質(zhì)中的細沙會沉淀在管道中，最后造成灌溉管道、各類灌水器內(nèi)部等灌溉設備無法正常工作，由Bucks灌溉系統(tǒng)的研究可以得到，當水中懸浮顆粒達到100 mg/L以上[1],將對整個灌水系統(tǒng)造成嚴重堵塞，致使灌溉系統(tǒng)無法工作[7]。

2.3礦物質(zhì)灌溉水硬水指的是水中含有高濃度礦物質(zhì)，主要來源于井水和泉水，這些水的特點就是鈣、鎂離子和碳酸氫根離子等濃度比較高。長時間使用井水和泉水灌溉，會對灌溉系統(tǒng)造成化學堵塞[7]。泉水和井水中的鈣、鎂還有碳酸氫根離子會在灌水器出水孔處，發(fā)生如下反應：

當周圍環(huán)境變熱或壓強變小時，水中的碳酸氫鈣將發(fā)生化學反應，得到碳酸鈣、水和二氧化碳，即

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑

其中的碳酸氫鎂分解成碳酸鈣、水和二氧化碳，

Mg(HCO3)2=MgCO3↓+H2O+CO2↑

所以使用含有碳酸氫鈣和碳酸氫鎂的泉水和井水，會在灌水器內(nèi)部及出水孔附近生成難溶于水的碳酸鈣和碳酸鎂，造成灌溉系統(tǒng)化學堵塞[8-9]。

2.4污染廢水通常定義受到一定污染的、來自生活和生產(chǎn)的未進行處理排出水的為污水。

如果按照污染源分布特征分類可以分為：①點源污染指的是排放點一定的的污染源；②面源污染指的是污染物在雨水或者徑流沖刷作用下然后進入水體中，最終引起水體的污染，在其中來自農(nóng)田中的灌溉污染最為常見；③擴散性污染，大部分指的是工業(yè)生產(chǎn)過程中以及地面機動車和機械等運行時產(chǎn)生地污染物，在隨著大氣擴散后，最終在自然水體中沉降或降水，導致水質(zhì)嚴重污染[11-12]。

土壤并不是可以無限度地凈化與緩沖污染,如果在農(nóng)田灌溉中連續(xù)使用未經(jīng)任何處理的污水,慢慢的土壤中的有機污染物、重金屬等含量會不斷增加，當最終達到了土壤的吸持能力的極限,勢必造成土壤重度污染[13]。從而會導致pH值超出正常值，鹽分含量超標，出現(xiàn)土壤板結(jié)、肥力減小，土壤的結(jié)構(gòu)與功能失調(diào)，進而破壞了土壤生態(tài)平衡，加快了土壤環(huán)境的惡化速度,多樣性急劇下降，最終產(chǎn)生環(huán)境生態(tài)嚴重問題[14]。并且影響灌溉設備的使用效率，水源中的污染物會影響食品安全，從而對農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)造成巨大影響。所以在使用污水灌溉時需要謹慎處理，并采用科學妥當?shù)奶幚矸椒ㄈコ卸居泻ξ镔|(zhì)。

2.5廢水再生水灌溉用水占國家總的用水量的70%，中國本來就是一個水資源短缺國家，而且人均占有量很低，伴隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，生活水平的不斷提高，生活用水和工業(yè)用水量已經(jīng)不容小覷，同時生活廢水的量也不斷增加。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計顯示，2011年和2012年全國城市廢水排放總量達6 591 922和6 847 612萬t[15]，由于水資源的短缺，廢水再利用慢慢引起國家的關注，畢竟這是一塊潛藏資源。國內(nèi)外專家開始研究污水再利用，Mollie[16]等人對城市廢水再生水和普通灌溉水作了化學成分分析(表2)。由表2分析得出，如果不經(jīng)處理直接灌溉農(nóng)田，廢水中的高濃度的磷、鉀和有機質(zhì)為大量的微生物細菌，例如大腸桿菌、糞大腸桿菌等提供了良好的生長繁殖壞境，細菌會在灌溉設備內(nèi)部和出水孔處附著并大量繁殖，當水中微粒和大量微生物細菌數(shù)量達到一定值時將堵塞灌溉設備。

表2　普通水和城市廢水中的化學成分

3針對不同水源造成的灌溉設備堵塞的解決方法

為了使灌溉設備更好地運行，在使用不同的水源時，應根據(jù)污染程度不同，給予區(qū)別對待；應采用不同的處理方法，以使灌溉設備處于最佳狀態(tài)，更好地實現(xiàn)灌溉目標。

3.1使用過濾設備在選擇過濾設備的之前，首先就所使用的水源進行分析，當水源污染程度很低時，水體中室友細沙子、小石塊和細小的雜質(zhì)，正常情況發(fā)下會采用過濾器來截住這些雜質(zhì)防止進入管道當中。在一般的系統(tǒng)中過濾設備一般都是第一道工序。當灌溉系統(tǒng)較小時，可以采用小型的過濾器，既可以節(jié)約資源又可以滿足要求；當系統(tǒng)較大時，就不能選用這種小型過濾器了，因為過濾效率低，應該選用大型系統(tǒng)功能完整的過濾站。通常實用的小型過濾器有以下幾種。

3.1.1離心式過濾器。離心式過濾器主要構(gòu)造由各段內(nèi)腔呈圓柱形和圓錐形連接組成，水源經(jīng)過供水器供水由過濾器進水口進入，水流沿切線方向進入分離器,由于離心力的原因，質(zhì)量越大的離心力越大，水中的小石塊等雜質(zhì)被甩向過濾器的側(cè)壁,這些雜質(zhì)由于質(zhì)量區(qū)別，離心力將它們送入集砂膛中,而過濾完的水沿著出水孔流出[17]。離心式過濾器絕大多數(shù)的情況下都安裝在井及泵站旁,因為這是第一道工序，直接接觸含有細沙，小石塊等雜質(zhì)的水源。如果采用一般型號的60～150目過濾器,根據(jù)實際測量可將92%～ 98%的沙石過濾掉[18]。

3.1.2砂石過濾器。 砂石過濾器過濾原理是供水器把含有雜質(zhì)的水源送到管道中進入過濾器,進去的水由上往下滲透過介質(zhì)層,干凈的水可以完全通過砂床及濾頭，而水中的雜質(zhì)則被擋在外面,這樣就可以實現(xiàn)雜質(zhì)與水的分離，最終完成過濾。砂石過濾器也有自己的過濾范圍，超過范圍再用其過濾效果會大打折扣，水中有機物含量不能超過10 mg/L時[19-20]。不光是有機物的含量還要考慮水質(zhì)中的顆粒大小，當顆粒小于20 μm時，砂石過濾器的效果同樣會大打折扣[21]。

3.1.3疊片式過濾器。疊片式過濾器是數(shù)量眾多的且?guī)в邪疾鄣乃芰蠄A環(huán)形狀的疊片，套在一根圓柱上形成圓柱型濾芯,這些碟片相當于一道道過濾網(wǎng),一道過濾網(wǎng)的效果是有限的，但是數(shù)量眾多的疊片相當于相當于30層普通濾網(wǎng)，可想而知其過濾效果如何。當供水器將水送至過濾器時，水流流經(jīng)這些碟片,盤壁和疊片上的凹槽可以聚集及擋住雜物。盤槽的復合內(nèi)截面提供了相當于在砂石過濾器中形成三維的過濾，由于其過流能力強大,結(jié)構(gòu)且簡單,維護容易,組裝廣泛,運行可靠，易于清洗可循環(huán)使用的特點，在水過濾系統(tǒng)中疊片式過濾器是比較受歡迎的[22]。

3.2水化處理當使用污染程度較低，僅僅是水體中含有水藻等物質(zhì)，可以采用灌溉水的化學處理方法[23]，就是在灌溉水中通入或加入化學物質(zhì)，使其進行化學和生物反應以達到疏通灌溉設備管道的疏通和凈化灌水器出水孔的效果。氯氣作為一種低成本殺菌滅藻劑，且具有良好的經(jīng)濟性,如果確保加氯設備的安全問題,則氯氣可以更好更方便地起到疏通灌溉設備的效果。氯氣極易溶于水并發(fā)生以下反應：

氯氣和水的反應生成了次氯酸和鹽酸：

Cl2+H2O=HClO+HCl

次氯酸電離成為次氯酸根和氫離子：

HClO?H++ClO-。

在酸性的環(huán)境中，次氯酸分子更易于擴散到帶負電荷的細菌表面，并經(jīng)過細胞壁從而進入到細菌內(nèi)部然后破壞其內(nèi)部系統(tǒng)，進而殺死細菌和藻類。針對不同的污染程度來決定氯水濃度和消毒時間，例如對于中度或重度設備堵塞可以采用100~150 mg/L濃度的氯水，沖刷10~30 min就會達到殺菌除藻的效果，再用清水沖洗即可。氯水[8.9]中的鹽酸可以與灌水器中的沉淀物發(fā)生下列反應：

碳酸鈣與鹽酸反應會生成氯化鈣、水和二氧化碳：

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑

碳酸鎂與鹽酸反應會生成氯化鎂、水和二氧化碳：

MgCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。

反應后生成的氯化物易溶于水，用水沖洗后便可以疏通出水孔。這個方法經(jīng)濟，操作簡便，不需繁雜的設備。但氯氣本身有毒，使用時必須注意安全，防止泄漏。

3.3使用電去離子水軟化技術進行軟化水電去離子水軟化技術的原理[24-26]：在EDI膜堆工作過程、離子交換和電滲的過程是在同時進行的，強酸性陽樹脂對Ca2+，更加敏感更傾向于Ca2+。這就是離子交換過程可以把水中的Ca2+和Na+完美分離的原因，在Ca2+被樹脂吸附的同時，還留在水中的Na+，則跟著水流流出淡水室，而Ca2+被去除，因此水得到軟化。與此同時被吸附走Ca2+，在外加電場作用下，發(fā)生橫向傳質(zhì)遷移，Ca2+向陽膜轉(zhuǎn)移，然后透過陽膜，最終到達濃水室中．這就是EDI軟水過程[27]。

EDI軟化水技術具有高效、水的利用率高、成本低廉、能耗少等顯著優(yōu)點, 尤其適用于低硬度原水條件下的深度除硬[23]。

3.4運用EM等生物技術來凈化水體當湖泊和水窖受到污染時，其中含有大量的氮、磷和碳等有機物，根據(jù)日本琉球大學比嘉照夫教授研究并發(fā)明出新型的微生物活性劑，EM是由光合細菌、乳酸菌、醋酸桿菌等10屬80多種微生物復合培育而成[28-30]。現(xiàn)在有機工業(yè)污水和生活污水的處理、農(nóng)業(yè)灌溉還有凈化富營養(yǎng)化可以將EM技術。EM的主要原理[31-33]：①EM菌的繁殖是依靠吸取富營養(yǎng)水體中的大量氮、磷、碳等有機物，從而可以與藻類(重點對象是藍藻)競爭生長資源;②復雜的EM菌群代謝的部分產(chǎn)物對藻類有直接地殺滅作用,從而致使水源中的藻類植物消失;③ EM菌群可以減短水源底層各類有機物的分解時間;④ EM菌群吸取水源中的營養(yǎng),進而抑制腐敗細菌的繁殖;⑤ EM菌群代謝地作用,對土壤中的生物多樣性有著很大的幫助,同時對生態(tài)地有著很大的作用。通過應用于實踐，證實EM技術在污水處理方面與污水農(nóng)業(yè)灌溉的方面取得了很好的成效[34]。

3.5水源頭治理污染運用污水進行灌溉并不代表污水可以肆意的產(chǎn)生，應該采取措施從源頭進行處理。針對工廠企業(yè)來說，應該重視節(jié)水,注意先進設備更新,高效工藝的學習，不應該只放在治理污染上，通過各種網(wǎng)絡、書籍和媒體等渠道來宣傳節(jié)水的重要性,提高節(jié)水的自覺性，培養(yǎng)大眾節(jié)水意識[35]。

4結(jié)語

水化處理雖然經(jīng)濟適用但氯氣已發(fā)生泄漏，電去離子水軟化技術和EM等生物技術雖然安全環(huán)保但效率低且成本高昂。農(nóng)業(yè)灌溉應該從基本國情出發(fā),采取積極有效的措施，保持科學的態(tài)度,努力探索研究經(jīng)濟實用、技術可行的灌溉設備及其水質(zhì)處理方法來應對復雜多變的水源。

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收稿日期2015-10-16

作者簡介薛翔(1986- ),男,山東濰坊人,碩士研究生,研究方向：農(nóng)業(yè)設施裝備。*通訊作者,碩士,教授,碩士生導師，從事農(nóng)業(yè)工程和植物保護工程等方面的研究。

基金項目公益性行業(yè)(國土)科研專項(201511003-3)。

中圖分類號S 273

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)32-363-04