肥料類型及濃度對(duì)水肥一體化渾水滴灌滴頭輸沙能力的影響

官雅輝，牛文全，劉 璐，李學(xué)凱，張文倩

（1. 中科院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；5. 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100）

0 引 言

滴頭堵塞一直是制約滴灌系統(tǒng)應(yīng)用的重要因素。為了提高滴頭的抗堵塞能力，滴灌系統(tǒng)首部均需配置多級(jí)過濾設(shè)備或設(shè)施。尤其在黃河水滴灌區(qū)域，如河套灌區(qū)，為了降低滴頭堵塞和提高滴灌系統(tǒng)的使用效率，滴灌系統(tǒng)首部除了配置網(wǎng)式過濾器和砂石過濾器，或者碟片過濾器與砂石過濾器組合外，還需要修建規(guī)模較大的沉砂池等設(shè)施，極大地增加了建設(shè)成本，占用了大量的農(nóng)用土地。因此，研究滴頭輸沙能力的影響因素，對(duì)于降低滴灌系統(tǒng)首部過濾設(shè)施的投入，減少管網(wǎng)系統(tǒng)的泥沙沉積，使更多的泥沙輸送到田間等具有重要意義。

水肥一體化滴灌是經(jīng)常采用的一種灌溉施肥方式，液體肥料隨灌溉水一同進(jìn)入毛管，對(duì)灌溉水質(zhì)造成一定的影響，進(jìn)而影響毛管中泥沙淤積和滴頭輸沙能力，并可能增加滴頭堵塞的復(fù)雜性。滴灌系統(tǒng)的毛管底部泥沙淤積（泥床）受泥沙顆粒大小、密度和堵塞滴頭數(shù)的影響[1-3]。吳澤廣等[4]研究表明，泥沙級(jí)配對(duì)毛管泥沙淤積量有一定的影響；Shannon等[5]發(fā)現(xiàn)細(xì)小泥沙顆粒易被輸送到毛管尾部，沖洗有利于減少泥沙在毛管中的淤積。肥料進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)后，會(huì)影響水中懸浮顆粒的沉淀，進(jìn)而影響懸浮顆粒進(jìn)入滴頭流道的含量、級(jí)配和滴頭的輸沙能力。Nabil等[6]研究表明，管道中渾水泥漿的存在會(huì)使泥沙濃度分布、水流流速、壓降產(chǎn)生變化，進(jìn)而對(duì)毛管中泥沙的淤積和輸出產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同肥料對(duì)滴灌滴頭堵塞的影響開展了許多的研究：劉璐等[7]研究表明，不同肥料誘發(fā)滴頭堵塞主要物質(zhì)的形成機(jī)理不同，加速堵塞的風(fēng)險(xiǎn)存在差異；李康勇等[8]發(fā)現(xiàn)，渾水中加入復(fù)合肥有加速滴頭堵塞的作用；Bozkurt等[9]發(fā)現(xiàn)同時(shí)包含Ca2+和SO42+的肥料易形成難溶硫酸鈣沉淀，增強(qiáng)滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，目前就肥料對(duì)滴頭輸沙能力與毛管泥沙沉積影響的研究較少。為此，本試驗(yàn)選擇了3種不同肥料和3種不同的肥料濃度，分析肥料類型及其濃度對(duì)內(nèi)鑲片式滴頭輸沙能力的影響，為提高滴頭輸沙能力，指導(dǎo)引黃灌區(qū)高含沙水流水肥一體化滴灌提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用毛管為內(nèi)鑲片式迷宮流道滴灌帶（秦川節(jié)水灌溉設(shè)備工程有限公司）。滴頭的流道寬為0.8 mm，齒高為1.1 mm，齒間距為3 mm，流道單元數(shù)為14個(gè)，制造偏差為1.76%。毛管管徑為16 mm。工作壓力為70 kPa時(shí)，滴頭流量為2.9 L/h。

選取3種引黃灌區(qū)常用肥料：1）尿素（陜西渭河重化工有限責(zé)任公司），氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥46.6%，可完全溶解；2）鉀肥為農(nóng)用硫酸鉀（國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司），K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥51%，將硫酸鉀加入水中，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙?、靜置分層后，濾除溶液底層沉淀，取上清液配置試驗(yàn)用肥液；3）水溶復(fù)合肥（沃夫特復(fù)合肥有限公司），N、P2O5和K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16%、6%和36%，可完全溶解。

渾水配置：試驗(yàn)用水為自來水。泥沙取自渭河陜西楊凌段河漫灘地河床淤泥。將河床淤泥表面的樹枝、草等雜質(zhì)剔除后，用鐵鏟收集深度為0～15 cm表層淤泥，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨，過140目（孔徑0.104 mm）篩網(wǎng)，用激光粒度儀（馬爾文2000，英國(guó)）測(cè)定試驗(yàn)用泥沙級(jí)配為粒徑≤0.002 mm的體積分?jǐn)?shù)為 13.24%，粒徑＞0.002～0.005 mm 的體積分?jǐn)?shù)為 3.61%，粒徑＞0.005～0.01 mm的體積分?jǐn)?shù)為4.85%，粒徑＞0.01～0.02 mm的體積分?jǐn)?shù)為11.98%，粒徑＞0.02～0.05 mm的體積分?jǐn)?shù)為41.4%，粒徑＞0.05～0.104 mm的體積分?jǐn)?shù)為24.92%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)裝置由壓力變頻器、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集設(shè)備、水沙混合設(shè)備和堵塞測(cè)試臺(tái)組成[4]。工作水頭控制精度為0.01 m；設(shè)定數(shù)據(jù)自動(dòng)采集時(shí)間間隔為1 s，水沙混合設(shè)備由水桶、潛水泵和攪拌機(jī)組成，通過攪拌機(jī)攪拌使渾水混合均勻。本試驗(yàn)旨在研究渾水滴灌條件下不同肥料類型和肥料濃度對(duì)滴頭輸沙能力的影響，以揭示隨渾水施肥對(duì)滴頭堵塞規(guī)律及機(jī)理的影響。重點(diǎn)考察相同（或相近）泥沙含量，入口壓力條件下，施肥對(duì)于滴頭輸沙能力的影響。因此，對(duì)于大田滴灌系統(tǒng)中不同毛管位置滴頭入口泥沙含量和壓力存在一定差異等情況對(duì)滴頭輸沙能力的影響，本文暫未考慮。筆者進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工作壓力對(duì)滴頭堵塞的影響非常小，工作壓力在60～120 kPa時(shí)，滴頭堵塞情況基本一致，這與王心陽等[10]的研究結(jié)果也基本一致，故本試驗(yàn)設(shè)置工作壓力70 kPa。故按照規(guī)范[11]，測(cè)試毛管長(zhǎng)度為1.5 m，毛管上不同位置滴頭的工作壓力和含沙量等差異較小。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)最大灌水次數(shù)為20次，總灌水時(shí)間為10 h，以模擬大田實(shí)際灌水時(shí)間為幾十小時(shí)以上的情況[12-13]。本試驗(yàn)增大了灌溉水含沙量和肥料質(zhì)量濃度，便于在短期內(nèi)獲得隨渾水施肥對(duì)滴頭輸沙能力的影響規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，按照過濾后灌溉水中最大含沙量0.1 g/L的10倍配置渾水含沙量為1.0 g/L。參照文獻(xiàn)[15]，分別配置肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%和3%。根據(jù)3種肥料，3種肥料質(zhì)量濃度，設(shè)計(jì)完全隨機(jī)組合試驗(yàn)，以未施肥渾水滴灌處理為對(duì)照，共10個(gè)處理。每個(gè)處理共4條毛管，每條毛管為 1個(gè)重復(fù)。采用固定周期的間歇渾水抗堵塞試驗(yàn)方法，測(cè)試壓力70 kPa，每次灌水30 min，灌水間隔30 min，每次灌水后通過質(zhì)量傳感器記錄滴頭出水量（g），計(jì)算平均相對(duì)流量。為了減少測(cè)試過程中過濾設(shè)備截沙量，影響測(cè)試結(jié)果，且本文主要研究輸沙能力，故測(cè)試系統(tǒng)未配置過濾裝置。

每次灌水后，將每條毛管滴頭的出水統(tǒng)一收集，于水桶中靜置，待水體變清澈，形成水沙2層結(jié)構(gòu)后，收集桶內(nèi)泥沙，裝入錫箔紙碗中，放入烘箱內(nèi)，經(jīng)過105 ℃烘干，將烘干的土樣裝入自封袋用天平測(cè)定其質(zhì)量，即泥沙輸出量，g。灌溉水黏滯系數(shù)用烏氏黏度計(jì)法測(cè)定[16]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[17]規(guī)定：當(dāng)?shù)晤^流量小于額定流量的 75%時(shí)，認(rèn)為滴頭發(fā)生嚴(yán)重堵塞。本試驗(yàn)為了適當(dāng)增加灌水次數(shù)，設(shè)定當(dāng)平均相對(duì)流量＜70%時(shí)，停止試驗(yàn)。灌水20次后，相對(duì)流量即使還＞70%，也停止灌水。不同處理的實(shí)際灌水次數(shù)不同，最多的為20次，最少的僅6次，在計(jì)算滴頭輸沙能力時(shí)選取6次灌水?dāng)?shù)據(jù)。

平均相對(duì)流量（qr）為20個(gè)試驗(yàn)滴頭的平均流量（）占滴頭額定流量（q0）的百分比，%。第i次灌水后的累積泥沙輸出量（Qi）為第i次灌水后20個(gè)滴頭泥沙輸出量（pi）之和，g。

標(biāo)準(zhǔn)化方法為

式中x為原始數(shù)據(jù)；x*為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)；xmin為最小值；xmax為最大值。

泥沙輸出率為

式中ηi為第i次灌水的泥沙輸出率，%；vi為累積灌水量，即第1到第i次所有滴頭的累積出水量，L；ρs為配置的灌溉水含沙量，1 g/L。

滴頭輸沙能力為

式中λ為滴頭輸沙能力值；Q0為未施肥處理的平均滴頭泥沙輸出量，g；ρi為第i次灌水的出流含沙量，g/L；ρ0和η0分別為未施肥處理的平均滴頭出流含沙量（g/L）和平均滴頭泥沙輸出率；n為有效灌水次數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

每次灌水結(jié)束后，分別稱量20個(gè)滴頭的出水量，計(jì)算累積泥沙輸出量（g），滴頭出流含沙量（g/L），泥沙輸出率。先將各處理的滴頭泥沙輸出量、滴頭出流含沙量、滴頭泥沙輸出率、滴頭輸沙能力、灌溉水黏滯系數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，再通過SPSS軟件，利用多重比較分析方法（least significant difference test，LSD）分析不同處理之間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料類型和濃度對(duì)滴頭累積泥沙輸出量的影響

肥料類型和濃度對(duì)滴頭累積泥沙輸出量的影響趨勢(shì)基本相同，以肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)3種肥料對(duì)累積泥沙輸出量的影響為例（圖 1），隨灌水次數(shù)增加，累積泥沙輸出量呈增加趨勢(shì)。采用線性回歸模型擬合二者之間的關(guān)系，結(jié)果見表1。滴頭累積泥沙輸出量與灌水次數(shù)均呈顯著線性增加趨勢(shì)，決定系數(shù)R2均大于0.99（P<0.05）。未施加肥料處理的滴頭累積泥沙輸出量與灌水次數(shù)擬合直線斜率為13.0，單位時(shí)間泥沙輸出量為24.78 g/h，施加尿素后，斜率增大，施加硫酸鉀和復(fù)合肥后，斜率減小。隨著肥料濃度的增加，尿素處理斜率呈增大趨勢(shì)，復(fù)合肥和硫酸鉀處理的斜率則呈變小趨勢(shì)。當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%和3%時(shí)，滴頭累積泥沙輸出量與灌水次數(shù)擬合直線斜率分別為12.6、9.7、9.4。尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%時(shí)，斜率與單位時(shí)間泥沙輸出量最大，分別為15.1和28.46 g/h.硫酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，斜率與單位時(shí)間泥沙輸出量最小，分別為9.4和17.10 g/h.滴頭累積泥沙輸出量與灌水次數(shù)擬合直線斜率越大，說明單位時(shí)間內(nèi)滴頭泥沙輸出量越大，滴頭的輸沙能力越強(qiáng)。

圖1 肥料質(zhì)量濃度為3%時(shí)不同肥料對(duì)累積泥沙輸出量的影響Fig.1 Effect of different fertilizers at concentration of 3% on accumulated sediment

表1 不同處理灌水時(shí)長(zhǎng)、累積泥沙總量及累積泥沙輸出量與灌水次數(shù)的線性擬合結(jié)果Table 1 Irrigation duration, total sediment and linear regression results of accumulated sediment and irrigation times for different treatments

從表1可以看出，尿素和復(fù)合肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%處理的滴頭累積泥沙總量與未施肥處理之間有顯著性差異（P<0.05）。滴頭累積泥沙總量隨硫酸鉀的添加或復(fù)合肥濃度的增大而減小。施加硫酸鉀處理的滴頭累積泥沙總量與未施肥處理之間有顯著性差異（P<0.05）。施加硫酸鉀和復(fù)合肥處理的灌水時(shí)長(zhǎng)（平均相對(duì)流量＜70%的灌水時(shí)間）明顯下降，且施加1%硫酸鉀可使灌水時(shí)長(zhǎng)和累積泥沙總量顯著地降低，說明施加復(fù)合肥和硫酸鉀后，毛管中泥沙淤積加劇，施加硫酸鉀導(dǎo)致的堵塞風(fēng)險(xiǎn)更高。

標(biāo)準(zhǔn)化的累積灌水量與標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量擬合曲線斜率約為 1，可作為滴頭輸沙能力的判斷指標(biāo)之一，標(biāo)準(zhǔn)化的累積灌水量與標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量擬合曲線斜率越小，說明隨著灌水量增大，滴頭泥沙輸出量越來越低，滴頭的輸沙能力較低，滴頭越易發(fā)生堵塞。分別將累積灌水量和累積泥沙輸出量按照式（1）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以標(biāo)準(zhǔn)化的累積灌水量為橫坐標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖2。從圖 2可以看出，不同肥料類型的累積灌水量與累積泥沙輸出量之間存在極強(qiáng)的線性關(guān)系，R2均大于0.9。未施肥的標(biāo)準(zhǔn)化的累積灌水量與標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量關(guān)系曲線斜率為 1.02，施加尿素、硫酸鉀和復(fù)合肥后的標(biāo)準(zhǔn)化累積灌水量與標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量關(guān)系曲線斜率分別為 0.99、0.92和 0.99，小于對(duì)照處理。硫酸鉀的斜率明顯小于其他處理，易造成滴頭堵塞。

圖2 不同處理標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量與標(biāo)準(zhǔn)化的累積灌水量之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between standardized accumulated sediment and standardized accumulated irrigation amount for different treatments

2.2 施肥對(duì)滴頭出流含沙量的影響

滴頭出流泥沙含量隨灌水次數(shù)增加呈增大趨勢(shì)（圖3），灌水后期，增長(zhǎng)變緩。施肥增大了滴頭出流含沙量的最大值，未施肥的最大滴頭出流含沙量為0.58 g/L，尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%和3%時(shí)的最大滴頭出流含沙量分別為0.60、0.61和0.66 g/L。施加硫酸鉀肥處理的有效灌水次數(shù)僅為 6~8次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未施肥處理。通過多重比較分析可知，硫酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的滴頭出流含沙量與未施肥處理之間有顯著差異（P<0.05）。復(fù)合肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%和3%時(shí)的最大出流含沙量分別為0.71、0.70和0.60 g/L。由于所有處理的最小值均基本接近0，說明施肥增大了滴頭出流含沙量的分布范圍，可導(dǎo)致施肥后滴頭出流含沙量增大。

2.3 施肥對(duì)滴頭泥沙輸出率的影響

根據(jù)式（2）計(jì)算的泥沙輸出率繪制了圖 4。從圖 4可以看出，隨著灌水次數(shù)增加，滴頭泥沙輸出率逐漸減小，滴頭泥沙輸出率小于100%。施加尿素后，滴頭泥沙輸出率隨灌水次數(shù)增加而減小，且其減小幅度與未施肥處理差異小。施加1%的硫酸鉀后，滴頭泥沙輸出率隨灌水次數(shù)的增加下降幅度比未施肥處理的大。硫酸鉀和復(fù)合肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和3%時(shí)，滴頭泥沙輸出率較未施肥小。施加硫酸鉀處理的滴頭泥沙輸出率與未施肥處理之間有顯著性差異（P＜0.05）。本試驗(yàn)中，灌溉水源的含沙量為1.0 g/L時(shí)，最大滴頭泥沙輸出率不大于20%，說明水中較大部分泥沙沉積在輸水管網(wǎng)系統(tǒng)中。

2.4 施肥對(duì)滴頭輸沙能力的影響

不同肥料類型和肥料濃度處理的有效灌水次數(shù)不同，施加尿素、硫酸鉀和復(fù)合肥處理的最小有效灌水次數(shù)分別為20、6和15次。根據(jù)式（3）分別計(jì)算了尿素、硫酸鉀和復(fù)合肥的滴頭輸沙能力，結(jié)果見表2。

圖3 不同肥料類型及濃度對(duì)滴頭出流含沙量的影響Fig.3 Effect of fertilizer type and concentration on content of discharge sediment for drippers

圖4 不同肥料類型及濃度對(duì)滴頭泥沙輸出率的影響Fig.4 Effect of fertilizer type and concentration on rate of discharge sediment for dippers

表2 不同處理對(duì)滴頭輸沙能力的影響Table 2 Effect of different treatments on sediment transport capacity of dippers

從表 2中可以看出，肥料類型和濃度對(duì)滴頭輸沙能力有較大的影響，肥料類型和濃度不同對(duì)滴頭輸出能力的影響也不同。渾水中施加3%尿素后，增大了滴頭的輸沙能力，比未施肥增大了 11%。滴頭輸沙能力隨硫酸鉀濃度的增大而減小，當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，滴頭輸沙能力大于未施肥處理，增大了25%（P＜0.05）；當(dāng)復(fù)合肥濃度大于2%時(shí)，滴頭輸沙能力則小于未施肥處理。

3 討 論

當(dāng)肥料類型和濃度不同時(shí)，滴頭的累積泥沙輸出量、出流含沙量和泥沙輸出率之間存在較大的差異。滴頭泥沙輸出量和出流含沙量受灌溉水含沙量、滴頭流量和有效灌水次數(shù)等因素的影響，不能單獨(dú)作為評(píng)價(jià)滴頭輸沙能力大小的指標(biāo)，而滴頭泥沙輸出率反映了滴頭實(shí)際輸出泥沙量與應(yīng)輸出泥沙量的比值，因此能較好地反應(yīng)滴頭的輸沙能力，滴頭泥沙輸出率越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，滴頭的輸沙能力越強(qiáng)。滴頭標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量與標(biāo)準(zhǔn)化的灌水量的擬合直線斜率越大，說明單位時(shí)間內(nèi)滴頭泥沙輸出量越大，滴頭輸沙能力越強(qiáng)。

表 3為灌溉水黏滯系數(shù)，從表中可以看出渾水中施加尿素后，灌溉水黏滯系數(shù)隨肥料濃度的增大而減小，而隨復(fù)合肥肥料濃度的增大而增大。渾水中施加硫酸鉀后，灌溉水黏滯系數(shù)較未施肥大。

表3 施加不同肥料后的黏滯系數(shù)Table 3 Water viscosity coefficient after application of different fertilizers

渾水中施用尿素后，滴頭的出流含沙量提高（圖3），由于尿素的疏水作用，泥沙顆粒間不易團(tuán)聚，減小了泥沙在流道內(nèi)的淤積[18-21]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)渾水中泥沙顆粒不易吸附在流道壁面（剖開滴頭后流道壁面較其他處理干凈），隨水流出性較好。由表3可知，渾水中施加尿素后，灌溉水的黏滯系數(shù)較未施肥小，滴頭的輸沙能力提高，且隨著肥料濃度的增大而增大。另外，渾水中紊流和水流剪切力的存在會(huì)使形成的泥沙團(tuán)聚體分散破碎，不利于形成大的團(tuán)聚體，泥沙顆粒易隨水出流[22]。因此，施加尿素后，滴頭累積泥沙輸出量和出流含沙量較未施肥大，提高了滴頭輸沙能力。

硫酸鉀肥料中的K+和SO42-的存在會(huì)形成大的泥沙顆粒團(tuán)聚體以及硫酸鹽等沉淀，加速了流道內(nèi)堵塞淤積物的形成[23-27]。施加硫酸鉀肥料后形成的部分較大的團(tuán)聚體顆粒降低了水流拖曳運(yùn)動(dòng)能力，這部分大團(tuán)聚體易沉積在毛管內(nèi)，影響泥沙顆粒的運(yùn)移。毛管中大的泥沙顆粒團(tuán)聚體的存在會(huì)使水流的紊動(dòng)程度顯著降低，導(dǎo)致泥沙沉積和泥床的形成，降低泥沙顆粒的輸送能力[28-29]。施加硫酸鉀增大了水體的黏滯系數(shù)，滴頭輸沙能力隨肥料濃度的增大而減小，泥沙顆粒易在毛管和流道內(nèi)發(fā)生淤積（表 3）。劉璐等[7]和王心陽等[30]研究發(fā)現(xiàn)施加鉀肥會(huì)形成硫酸鹽或碳酸鹽沉淀，使得泥沙顆粒更容易在毛管中發(fā)生淤積，這與本研究結(jié)果基本相同。因此，當(dāng)肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)（＞2%），滴頭輸沙能力減小。渾水中施加硫酸鉀后可以形成復(fù)雜的絮凝結(jié)構(gòu)和比表面積較大的小團(tuán)聚體，它們易進(jìn)入迷宮流道，增加了滴頭泥沙輸出率（圖4，硫酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）。這些小團(tuán)聚體進(jìn)入滴頭流道后淤積在流道內(nèi)會(huì)減小流道的過水?dāng)嗝妫瑢?dǎo)致灌水后期滴頭泥沙輸出量減小，有效灌水次數(shù)減小。

渾水中施加螯合態(tài)復(fù)合肥后，氨基酸螯合態(tài)Ca、Mg、Fe等中微量元素離子有效避免了與PO43-、CO32-生成沉淀，隨水輸出滴頭的能力變強(qiáng)。另外，由于螯合劑與重金屬配位作用強(qiáng)，絡(luò)合了肥液中的重金屬等離子，并在泥沙顆粒間形成膠團(tuán)，導(dǎo)致泥沙的團(tuán)聚，形成較為穩(wěn)定的螯合物結(jié)構(gòu)，容易在毛管內(nèi)產(chǎn)生淤積[31-32]。這與表2和表3所得結(jié)果相同，施加復(fù)合肥后，灌溉水的黏滯系數(shù)增大，肥料質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，滴頭輸沙能力較未施肥小。管道中長(zhǎng)時(shí)間渾水流動(dòng)的存在會(huì)導(dǎo)致毛管底部淤積形成一層較厚的泥沙，改變管道不同部位的泥沙顆粒濃度分布，影響滴頭的輸沙能力[33]。

本文只對(duì)滴頭輸沙能力做了初步的研究，由于試驗(yàn)條件等方面的限制，不同滴頭流量和較低泥沙含量、較低肥料濃度等條件下的滴頭輸沙能力，以及不同肥料類型和濃度條件，水的黏滯系數(shù)、滴頭輸出能力與滴頭抗堵塞能力之間的關(guān)系等尚需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1）渾水中施加尿素后滴頭輸沙能力增大。且隨著肥料濃度的增大而增大，肥料質(zhì)量濃度為3%時(shí)，滴頭輸沙能力較未施肥增大了11%（P＜0.05）。

2）施加硫酸鉀和復(fù)合肥后，滴頭輸沙能力隨肥料濃度增大而減小。硫酸鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，滴頭輸沙能力較未施肥大，增大了25%；復(fù)合肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%時(shí)，滴頭輸沙能力較未施肥小。

3）標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量與標(biāo)準(zhǔn)化的灌水量的擬合直線斜率可作為滴頭輸沙能力的判斷依據(jù)。渾水中施肥后，標(biāo)準(zhǔn)化的累積泥沙輸出量與標(biāo)準(zhǔn)化的灌水量的擬合直線斜率值從大到小分別為尿素、復(fù)合肥和硫酸鉀處理。說明施加尿素后滴頭的泥沙輸出量增加最快。

4）肥料質(zhì)量濃度是影響滴頭輸沙能力的重要因素，應(yīng)根據(jù)不同的肥料類型，確定適宜的施肥濃度，并加強(qiáng)對(duì)滴灌系統(tǒng)的沖洗，減少毛管泥沙淤積量。

[1] Ling J, Skudarnov P V, Lin C X, et al. Numerical investigations of liquid–solid slurry flows in a fully developed turbulent flow region[J]. International Journal of Heat &Fluid Flow, 2003, 24(3): 389－398.

[2] Messa G V, Malavasi S. Computational investigation of liquid-solid slurry flow through an expansion in a rectangular duct[J]. Journal of Hydrology & Hydromechanics, 2014,62(3): 234－240.

[3] James L G, King B A. Predicting sediment deposition patterns in pipes with diminishing flow[J]. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 1984, 27(6):1758－1762.

[4] 吳澤廣，牛文全. 泥沙級(jí)配對(duì)迷宮流道滴頭堵塞及毛管內(nèi)泥沙沉積的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，42(5)：223－228.Wu Zeguang, Niu Wenquan. Influence of sediment composition on clogging of labyrinth channels emitters and deposition in emitter-pipe[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat Sci Ed, 2014, 42(5): 223－228. (in Chinese with English abstract)

[5] Shannon W M, James L G, Bassett D L, et al. Sediment transport and deposition in trickle irrigation laterals[J].Transactions of the American Society of Agricultural Engineers,1982, 25(1): 0160－0164.

[6] Nabil Tamer, El-Sawaf Imam, et al. Sand-water slurry flow modelling in a horizontal pipeline by computational fluid dynamics technique[J].International Water Technology Journal,2014, 4(1): 1－17.

[7] 劉璐，牛文全，武志廣，等. 施肥滴灌加速滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)與誘發(fā)機(jī)制研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(1)：228－236.Lu Liu, Niu Wenquan, Wu Zhiguang, et al. Risk and inducing mechanism of acceleration emitter clogging with fertigation through drip irrigation systems[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1):228－236. (in Chinese with English abstract)

[8] 李康勇，牛文全，張若嬋，等. 施肥對(duì)渾水灌溉滴頭堵塞的加速作用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(17)：81－90.Li Kangyong, Niu Wenquan, Zhang Ruochan, et al. Accelerative effect of fertigation on emitter clogging by muddy water irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(17): 81－90. (in Chinese with English abstract)

[9] Bozkurt S, Ozekici B. The Effects of fertigation management in the different type of in-line emitters on trickle irrigation system[J]. Journal of Applied Sciences, 2006, 6(5): 1165－1171.

[10] 王心陽，王文娥，胡笑濤，等. 泥沙粒徑及壓力對(duì)滴頭抗堵塞性能的影響[J]. 節(jié)水灌溉，2014(10)：18－21.Wang Xinyang, Wang Wen'e, Hu Xiaotao, et al. Influences of particle diameter and inlet pressure on emitter clogging[J].Water Saving Irrigation, 2014(10): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[11] 全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法：GB/T17187-2009[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：6.

[12] 王茜，楊建全. 寧夏引黃灌區(qū)滴灌冬小麥、玉米灌溉施肥制度研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(36)：17585－17588.Wang Qian, Yang Jianquan. Study on drip irrigation program of winter wheat and crop in Ningxia yellow river irrigation district[J]. Journal of Anhui Agriculture Science, 2012,40(36): 17585－17588. (in Chinese with English abstract)

[13] 杜軍，沈振榮，張達(dá)林. 寧夏引黃灌區(qū)滴灌水肥一體化冬小麥灌溉施肥技術(shù)研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011(12)：44－49.Du Jun, Shen Zhenrong, Zhang Dalin. Study on drip fertigation technology for winter wheat in Ningxia Yellow River irrigation district[J]. Water Saving Irrigation, 2011(12): 44－49. (in Chinese with English abstract)

[14] 牛文全，劉璐. 渾水泥沙粒徑與含沙量對(duì)迷宮流道堵塞的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，29(6)：547－552.Niu Wenquan, Liu Lu. Influence of muddy water concentration and particle diameter on clogging of labyrinth channels[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2011, 29(6): 547－552. (in Chinese with English abstract)

[15] 李真樸，劉學(xué)軍，翟汝偉，等. 寧夏半干旱區(qū)玉米滴灌灌溉制度試驗(yàn)研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2017，28(5)：242－246.Li Zhenpu，Liu Xuejun，Zhai Ruwei, et al.Experimental study on irrigation schedule of maize drip irrigation in semi-arid region of Ningxia Province[J]. Journal of Water Resources＆Water Engineering, 2017, 28(5): 242－246. (in Chinese with English abstract)

[16] 孫義，馬沛生. 巴豆酸乙酯與乙醇混合液密度和粘度的測(cè)定及關(guān)聯(lián)[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，21(3)：511－515.Sun Yi, Ma Peisheng. Densities and viscosities for binary mixture of the ethyl crotonate with ethanol at different temperatures[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2007, 21(3): 511－515. (in Chinese with English abstract)

[17] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 微灌工程技術(shù)規(guī)范：GB/T 50485-2009[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009：13.

[18] 張建合. 疏水凝膠及疏水相互作用研究進(jìn)展[J]. 信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，17(2)：237－243.Zhang Jianhe. Progress in hydrophobic hydrogel and hydrophobic interaction[J].Journal of Xinyang Normal University: Natural Science Edition, 2004, 17(2): 237－243.(in Chinese with English abstract)

[19] 王鏡和. 含無機(jī)鹽和尿素的直鏈烷基苯磺酸鈉濃溶液的粘度性質(zhì)[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，1995，16(2)：287－289.Wang Jinghe. Viscosity behavior of sodium linear alkyl benzene sulfonate solution with high concentration containing inorganic salts and urea[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 1995, 16(2): 287－289. (in Chinese with English abstract)

[20] Rupley J A. The effect of urea and amides upon water structure[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1964, 68(7):2002－2003.

[21] Pasupati Mukerjee, Ashoka Ray. The effect of urea on micelle formation and hydrophobic bonding[J]. Journal of Physical Chemistry, 1963, 67(1): 190－192.

[22] Matou?ek V. Concentration distribution in pipeline flow of sand-water mixtures[J]. Journal of Hydrology & Hydromechanics,2000, 48(3): 180－196.

[23] 王兆印，王文龍，田世民. 黃河流域泥沙礦物成分與分布規(guī)律[J]. 泥沙研究，2007(5)：1－8.Wang Zhaoyin, Wang Wenlong, Tian Shimin. Mineral composition and distribution of the sediment in the Yellow River basin[J]. Journal of Sediment Research , 2007(5): 1－8.(in Chinese with English abstract)

[24] Khaled E M, Stucki J W. Iron oxidation state effects on cation fixation in smectites[J]. Soil Science Society of America Journal, 1991, 55: 550－554..

[25] 徐國(guó)華，鮑士旦，史瑞和. 生物耗竭土壤的層間鉀自然釋放及固鉀特性[J]. 土壤，1995(4)：182－185.

[26] 陳竹君，高佳佳，趙文艷，等. 磷鉀肥施用對(duì)日光溫室土壤溶液離子組成的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(2)：261－266.Chen Zhujun, Gao Jiajia, Zhao Wenyan,et al. Effects of application of phosphorus and potassium fertilizers on icon compositions of soil solution in solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 261－266. (in Chinese with English abstract)

[27] 余海英，李廷軒，周健民. 設(shè)施土壤鹽分的累積、遷移及離子組成變化特征[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007，13(4)：642－650.Yu Haiying, Li Tingxuan, Zhou Jianmin. Salt accumulation,translocation and ion composition in greenhouse soil profiles[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(4):642－650. (in Chinese with English abstract)

[28] Vreman A W. Turbulence attenuation in particle-laden flow in smooth and rough channels[J]. Journal of Fluid Mechanics,2015, 773: 103－136.

[29] Pathak M, Khan M K. Inter-phase slip velocity and turbulence characteristics of micro particles in an obstructed two-phase flow[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2013, 13(4): 371－388.

[30] 王心陽，王文娥，胡笑濤. 滴灌施肥對(duì)滴頭抗堵塞性能及系統(tǒng)均勻度影響試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015(11)：1－5，10.Wang Xinyang, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Research on the emitter anti-clogging performance and system uniformity caused by fertigation[J]. China Rural Water and Hydropower,2015(11): 1－5, 10. (in Chinese with English abstract)

[31] 彭麗華，朱志鋒，張國(guó)林，等. 馬鈴薯產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)會(huì)議論文集：A集[C]. 哈爾濱：哈爾濱地圖出版社，2015.

[32] 袁有憲. 螯合劑EDTA的性質(zhì)及其在水生生物培養(yǎng)與育苗中的作用[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào)，1991，15(8)：260－271.Yuan Youxian. Properties and actions of chelator EDTA in hydrobiontculture[J]. Journal of Fisheries of China, 1991,15(8): 260－271. (in Chinese with English abstract)

[33] Matousek V. Interaction of slurry pipe flow with a stationary bed[J]. Journal of the Southern African Institute of Mining &Metallurgy, 2007, 107(6): 365－372.