硫酸鉀對(duì)渾水滴灌滴頭堵塞的影響

官雅輝,牛文全,劉 璐，武志廣，潘雅閣

(1 中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 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) a 水土保持研究所，b水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

為緩解農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾，滴灌技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到大田作物灌溉中。近年來(lái)，引黃灌區(qū)灌溉面積逐漸擴(kuò)大，但黃河水所攜帶的泥沙成為引黃灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素[1],即使采用各類(lèi)相關(guān)配套過(guò)濾設(shè)施過(guò)濾掉大部分泥沙，小于0.1 mm的泥沙仍會(huì)大量存在于灌溉水體中，成為滴頭堵塞的重要影響因素。因此，研究黃河水等含有較高泥沙水質(zhì)滴灌時(shí)滴頭的堵塞過(guò)程，以及水肥一體化滴灌過(guò)程中滴頭堵塞的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，對(duì)提高黃河水滴灌效果、擴(kuò)大黃河水滴灌面積等具有重要意義。鉀肥對(duì)植物生長(zhǎng)和發(fā)育具有重要作用，引黃灌區(qū)土壤中有效鉀含量較低，為保證作物的正常生長(zhǎng)并提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)，需人為向土壤中施用鉀肥[2-3]，因此研究黃河高含沙水質(zhì)的硫酸鉀一體化灌溉技術(shù)，對(duì)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的實(shí)際意義。

為此，本試驗(yàn)選擇了3種不同硫酸鉀質(zhì)量濃度和3種不同含沙量水源，探究含沙渾水中施入鉀肥對(duì)滴灌滴頭堵塞的影響，分析滴頭堵塞的機(jī)理，以期為引黃灌區(qū)中渾水灌溉與施鉀一體化滴灌技術(shù)的建立提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)用毛管為內(nèi)鑲片式迷宮流道滴灌帶(萊蕪市春雨滴灌技術(shù)有限公司產(chǎn)品)，滴頭流道寬0.67 mm，齒高0.93 mm，流道深為0.95 mm，齒尖角為30°,毛管管徑為16 mm。滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的常壓水頭為100 kPa，而低壓滴灌的工作水頭不大于50 kPa，實(shí)際生產(chǎn)中滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行壓力大多介于兩者之間。前期預(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，這與前人的研究結(jié)果[11]大致相同。故本試驗(yàn)采用工作壓力為70 kPa。

鉀肥為農(nóng)用硫酸鉀(國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司產(chǎn)品,后面簡(jiǎn)稱(chēng)為K肥)，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥51%，將硫酸鉀加入水中，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙獠㈧o置分層后，濾除溶液底層沉淀，取上清液配制試驗(yàn)用肥液。

由于試驗(yàn)條件有限，不便于直接引用黃河水進(jìn)行試驗(yàn)，因此以泥沙與水混配方式模擬黃河含沙水流。試驗(yàn)用水為自來(lái)水；試驗(yàn)?zāi)嗌橙∽晕己雨兾鳁盍瓒魏勇┑睾哟灿倌啵磳⒑哟灿倌啾砻娴臉?shù)枝、草等雜質(zhì)剔除之后，用鐵鏟收集表層0～15 cm淤泥，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨，最后過(guò)0.1 mm的篩網(wǎng)。試驗(yàn)用泥沙級(jí)配為粒徑<0.002 mm的占13.24%，≥0.002～<0.005 mm的占3.61%，≥0.005～<0.01 mm的占4.85%，≥0.01～<0.02 mm的占11.98%，≥0.02～<0.05 mm的占41.4%，≥0.05～<0.1 mm的占24.92%，其中黏粒、粉砂和砂粒分別占13.24%,20.44%和66.32%。因此，為了減少測(cè)試過(guò)程中過(guò)濾設(shè)備對(duì)設(shè)置泥沙量的影響，測(cè)試系統(tǒng)未配置過(guò)濾裝置。結(jié)合本課題組已有調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)用泥沙級(jí)配與引黃灌溉水流中泥沙級(jí)配大致相同，因此本試驗(yàn)所配制的渾水基本能代表引黃灌溉的渾水情況。

抗堵塞測(cè)試平臺(tái)(圖1)參照SL/T 67.1-94《微灌灌水器 滴頭》、GB/T 17187-2009《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》以及國(guó)際抗堵塞研究標(biāo)準(zhǔn)草案[12]關(guān)于室內(nèi)滴灌滴頭堵塞敏感性測(cè)試試驗(yàn)搭建而成，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。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)間的間隔為1 s，水沙混合設(shè)備由水桶和攪拌機(jī)組成，通過(guò)攪拌機(jī)攪拌使渾水混合均勻。每組測(cè)試4條滴灌帶，每條有5個(gè)灌水器[13]。本試驗(yàn)?zāi)康氖翘骄繙喫腥苋肓蛩徕浽斐傻晤^堵塞的機(jī)理，選擇較短的滴灌帶長(zhǎng)度能減小各滴頭受工作壓力和毛管不同位置泥沙含量差異性的影響，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

1.滴頭;2.壓力表;3.電腦;4.變頻箱;5.水泵;6.攪拌機(jī);7.水箱1.Emitter;2.Pressure gauge;3.Computer;4.Frequency conversion box;5.Pump;6.Blender;7.Water tank圖1 渾水滴灌抗堵塞試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.1 Test platform schematic of drip anti-clogging with muddy water

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 50485-2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[13]并結(jié)合相關(guān)研究成果[14]，考慮到黃河水含沙量大、泥沙顆粒小的特點(diǎn)，按照過(guò)濾后灌溉水中最大含沙量0.1 g/L的10，15，20倍配制灌溉渾水的含沙量(ρs)為1.0，1.5，和2.0 g/L。依照生產(chǎn)實(shí)踐，分別配制硫酸鉀質(zhì)量濃度(ρn)為0(未施肥)，10，20和30 g/L。采用完全組合試驗(yàn)，共15個(gè)處理(其中3個(gè)為清水施肥處理)。

采用固定周期的間歇渾水抗堵塞試驗(yàn)方法，測(cè)試壓力為70 kPa，每次灌水30 min，灌水間隔30 min，灌水結(jié)束后通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)記錄每個(gè)滴頭的出水量，計(jì)算平均相對(duì)流量qr(%)和灌水均勻度Cu(%)。在試驗(yàn)前，先進(jìn)行了清水滴灌試驗(yàn)，確定工作壓力為70 kPa時(shí)滴頭的流量為1.59 L/h。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

1.3.1 平均相對(duì)流量和灌水均勻度 我國(guó)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》認(rèn)為，當(dāng)?shù)晤^流量小于設(shè)計(jì)流量的75%時(shí)滴頭發(fā)生嚴(yán)重堵塞[13]；國(guó)際微灌系統(tǒng)灌水器堵塞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)滴灌堵塞的定義為:當(dāng)?shù)晤^流量降幅達(dá)到25%～30%則認(rèn)為發(fā)生嚴(yán)重堵塞[12]。在本試驗(yàn)中，為適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)中的灌水次數(shù)，設(shè)定當(dāng)平均相對(duì)流量小于70%時(shí)停止試驗(yàn)，若灌水次數(shù)達(dá)到20次后，即使未達(dá)到相應(yīng)的停止灌水標(biāo)準(zhǔn)也停止灌水。平均相對(duì)流量qr和灌水均勻度Cu的計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

計(jì)算平均相對(duì)流量和灌水均勻度前，先利用流量-溫度修正公式[15]對(duì)滴頭流量進(jìn)行校正，以消除溫度對(duì)滴頭流量的影響。

1.3.2 堵塞位置 對(duì)于只有進(jìn)水口處被堵塞物完全填充的情況，定義為進(jìn)水口堵塞；對(duì)于只有流道被泥沙完全填充或者流道與進(jìn)水口完全被堵塞物填充，而流道出口未被堵塞物完全填充的情況，稱(chēng)之為流道堵塞；對(duì)于出水口被泥沙完全填充的情況，稱(chēng)之為出水口堵塞。

1.4 泥沙收集和堵塞物質(zhì)分析

每次灌水結(jié)束后，將所有滴頭的出水統(tǒng)一收集到水桶中靜置，待水體變清澈形成水沙兩層結(jié)構(gòu)后，收集桶內(nèi)泥沙，裝入錫箔紙碗中，并放入烘箱(105 ℃)烘干。將烘干的土樣裝入自封袋，用天平測(cè)定其質(zhì)量。灌水結(jié)束后，取下滴灌帶，豎直懸掛，從頂部用水進(jìn)行沖洗，底部用量杯盛裝泥沙，待滴灌帶內(nèi)泥沙全部沖出后，靜置、烘干并稱(chēng)取毛管淤積泥沙質(zhì)量，獲取毛管內(nèi)泥沙淤積量并用于其他相關(guān)指標(biāo)的分析。采用馬爾文2000激光粒度儀測(cè)定毛管淤積泥沙與滴頭輸出泥沙的機(jī)械組成，分別計(jì)算黏粒、粉砂和砂粒比例，并參考文獻(xiàn)[16-17]計(jì)算淤積泥沙顆粒分形維數(shù)。將各處理的堵塞滴頭在自然狀態(tài)下風(fēng)干，收集滴頭流道內(nèi)的泥沙顆粒堵塞物，并用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡S-4800觀測(cè)堵塞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 渾水灌溉時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭流量的影響

2.1.1 灌水過(guò)程中硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度的影響 圖2反映了不含沙清水滴灌過(guò)程中不同質(zhì)量濃度硫酸鉀對(duì)滴頭平均相對(duì)流量(qr)和灌水均勻度(Cu)的影響。從圖2可以看出，清水滴灌時(shí)，施加硫酸鉀后滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度隨灌水次數(shù)的增加下降幅度均較小，不同硫酸鉀質(zhì)量濃度處理之間差異不顯著，灌水均勻度為90.4%～97.0%。

圖2 含沙量ρs=0 g/L時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)平均相對(duì)流量與灌水均勻度的影響Fig.2 Sediment content ρs=0 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

圖3～5為滴灌過(guò)程中不同硫酸鉀質(zhì)量濃度與含沙量組合對(duì)滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度的影響情況。圖3～5表明，在渾水滴灌時(shí)，硫酸鉀質(zhì)量濃度越大，隨灌水次數(shù)增加滴頭平均相對(duì)流量的下降幅度越大，有效灌水次數(shù)減少。如當(dāng)含沙量為1.0 g/L時(shí)，未施肥和10 g/L硫酸鉀處理的平均相對(duì)流量、灌水均勻度分別保持在97%和95%以上，隨灌水次數(shù)的增加，二者的下降幅度均較小；當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量濃度為20和30 g/L時(shí)，平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的增加大幅度下降，有效灌水次數(shù)僅為16次。當(dāng)含沙量為1.5 g/L時(shí)，未施肥和10 g/L硫酸鉀處理的滴頭平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的增加下降趨勢(shì)比較緩慢；當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量濃度為20和30 g/L時(shí)，滴頭平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的增加下降幅度較大，有效灌水次數(shù)分別較未施肥處理減少了7次(35%)和9次(45%)。當(dāng)含沙量為2.0 g/L時(shí)，硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度的影響與含沙量1.5 g/L處理基本類(lèi)似。

圖3 含沙量ρs=1.0 g/L時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)平均相對(duì)流量與灌水均勻度的影響Fig.3 Sediment content ρs=1.0 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

圖4 含沙量ρs=1.5 g/L時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)平均相對(duì)流量與灌水均勻度的影響Fig.4 Sediment content ρs=1.5 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

圖5 含沙量ρs=2.0 g/L時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)平均相對(duì)流量與灌水均勻度的影響Fig.5 Sediment content ρs=2.0 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

綜上可知，不同含沙量下，未施肥時(shí)滴頭平均相對(duì)流量隨灌水次數(shù)的增加變化非常小，而隨著硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加，滴頭平均相對(duì)流量下降幅度增大。表明施加硫酸鉀具有加速滴頭堵塞的效果，且硫酸鉀質(zhì)量濃度越大加速堵塞的作用越明顯，在硫酸鉀質(zhì)量濃度較高時(shí)(20和30 g/L)，渾水滴灌滴頭更易發(fā)生堵塞。

2.1.2 灌水結(jié)束時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭平均相對(duì)流量的影響 對(duì)灌水結(jié)束時(shí)不同處理的平均相對(duì)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 灌水結(jié)束時(shí)含沙量與硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭平均相對(duì)流量的影響Table 1 Effect of the average relative flow under diffierent sediment content and potassium sulfate mass concentration at the finish of dipper %

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference after the column data (P<0.05).

由表1可知，灌水結(jié)束時(shí)，不同含沙量和硫酸鉀質(zhì)量濃度組合處理對(duì)滴頭平均相對(duì)流量均有一定程度的影響。與未施肥處理相比，施加硫酸鉀處理的滴頭平均相對(duì)流量均有所減小，且硫酸鉀質(zhì)量濃度越大，滴頭平均相對(duì)流量越小。在含沙量為1.0 g/L，硫酸鉀質(zhì)量濃度為10，20和30 g/L時(shí)，滴頭平均相對(duì)流量分別較未施肥處理降低2.5%，30.2%和34.2%；當(dāng)含沙量為2.0 g/L，硫酸鉀質(zhì)量濃度為10，20和30 g/L時(shí)，滴頭平均相對(duì)流量分別較未施肥處理降低23.2%，28.4%和32.0%?？傮w來(lái)看，與未施肥處理相比，不同含沙量下當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量濃度為20和30 g/L時(shí)，滴頭平均相對(duì)流量均顯著降低，而10 g/L硫酸鉀處理的降低程度均不明顯。

2.2 渾水施肥灌溉對(duì)滴頭堵塞的影響

將各試驗(yàn)處理的堵塞滴頭(每處理20個(gè)滴頭，12個(gè)渾水滴灌處理總共240個(gè)滴頭)剖開(kāi)，觀察滴頭內(nèi)堵塞物所處的位置，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算滴頭堵塞率，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，隨著硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加，進(jìn)水口堵塞和流道堵塞滴頭的數(shù)量均呈增加趨勢(shì)，且流道堵塞滴頭數(shù)較進(jìn)水口堵塞滴頭數(shù)多，增加趨勢(shì)更為明顯。未施肥條件下，滴頭堵塞個(gè)數(shù)為0；硫酸鉀質(zhì)量濃度為10，20和30 g/L時(shí)，流道堵塞滴頭數(shù)分別較未施肥處理增加7，18和17個(gè)，堵塞滴頭總數(shù)分別為8，19和20個(gè)，硫酸鉀質(zhì)量濃度越大，堵塞滴頭數(shù)的增加趨勢(shì)越明顯。當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量濃度為20和30 g/L時(shí)，滴頭總堵塞率大致相等，均為30%～35%。由此可見(jiàn)，渾水中施加硫酸鉀肥料加速了滴頭的堵塞，且當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量濃度超過(guò)20 g/L時(shí)，堵塞率均超過(guò)了30%。

表2 渾水含沙量和硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭堵塞位置與堵塞率的影響Table 2 Effect of sediment content and potassium sulfate mass concentration on dipper clogging location and the rate of clogged drippers

2.3 渾水灌溉時(shí)硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭堵塞物結(jié)構(gòu)的影響

含沙量和硫酸鉀質(zhì)量濃度不同時(shí)，滴頭流道內(nèi)堵塞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)并不相同，含沙量1.0,1.5和2.0 g/L時(shí)，未施肥及20 g/L硫酸鉀處理?xiàng)l件下滴頭堵塞物微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡觀察結(jié)果(×1 000)見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，未施肥處理的滴頭內(nèi)較難形成大的穩(wěn)定堆積體，所形成堆積體的泥沙顆粒相對(duì)較小，且主要以分散的形式存在，為懸浮顆粒碎片[18]。當(dāng)含沙量為1.0 g/L,硫酸鉀質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)，堵塞物結(jié)構(gòu)基本與未施肥處理相似。當(dāng)含沙量為1.5和2.0 g/L時(shí)，20 g/L硫酸鉀處理的滴頭堵塞物為致密堆積體，呈團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，且在泥沙顆粒表面粘附有針狀物，形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)較密實(shí)。總體上而言，與未施肥相比，施加硫酸鉀后，堵塞物較為致密，表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且隨著硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加，堵塞物結(jié)構(gòu)的致密性和穩(wěn)定性增強(qiáng)，加速滴頭堵塞的風(fēng)險(xiǎn)更大。

a.ρs=1.0 g/L,ρn=0 g/L;b.ρs=1.5 g/L,ρn=0 g/L;c.ρs=2.0 g/L,ρn=0 g/L;d.ρs=1.0 g/L,ρn=20 g/L;e.ρs=1.5 g/L,ρn=20 g/L;f.ρs=2.0 g/L,ρn=20 g/L圖6 不同質(zhì)量濃度硫酸鉀與不同含沙量時(shí)滴頭流道堵塞物的電鏡掃描觀測(cè)Fig.6 Blockage structure observed by FESEM under different sediment content and potassium sulfate mass concentration

2.4 施加硫酸鉀對(duì)毛管淤積泥沙和滴頭輸出泥沙機(jī)械組成的影響

表3表明，與初始泥沙的機(jī)械組成相比，毛管淤積泥沙中的黏粒和粉砂比例減小，砂粒比例增大。毛管淤積泥沙的黏粒比例最小，砂粒比例最大。含沙量為1.0 g/L、硫酸鉀質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí)，毛管淤積泥沙的砂粒比例最大，為87%；含沙量為2.0 g/L時(shí)，隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的增大，毛管淤積泥沙中的黏粒和粉砂比例增大，砂粒比例減小，砂粒比例最大為85%。

表3 含沙量和硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)毛管淤積泥沙機(jī)械組成的影響Table 3 Effect of different sediment content and potassium sulfate mass concentration on the mechanical composition of deposition sediment in capillary %

根據(jù)各試驗(yàn)處理的總灌水次數(shù)，分析了首次、第10次和末次灌水過(guò)程中滴頭輸出泥沙的機(jī)械組成，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，當(dāng)含沙量為1.0 g/L，在首次和第10次灌水后，施肥處理與未施肥處理相比，輸出泥沙中黏粒、粉砂和砂粒比例的最大差值分別為7%和12%,5%和5%，12%和13%；含沙量為1.5 g/L，在首次和第10次灌水后，施肥處理與未施肥處理相比，輸出泥沙中黏粒、粉砂和砂粒比例的最大差值分別為7%和7%，7%和4%，4%和11%；含沙量為2.0 g/L，在首次和第10次灌水后，施肥處理與未施肥處理相比，輸出泥沙黏粒、粉砂和砂粒比例的最大差值分別為9%和8%，3%和10%，9%和11%。該結(jié)果說(shuō)明，施加硫酸鉀肥對(duì)滴頭輸出泥沙中砂粒比例影響最大。另外還可以看出，渾水中施加硫酸鉀肥后，輸出泥沙中的粉砂和黏粒比例較毛管淤積泥沙大，砂粒比例則較毛管淤積泥沙小，總體上與毛管淤積泥沙的機(jī)械組成差異較大。

表4 含沙量和硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)滴頭輸出泥沙機(jī)械組成的影響Table 4 Effect of different sediment content and potassium sulfate mass concentration on the mechanical composition of the dipper output sediment %

2.5 硫酸鉀對(duì)毛管淤積泥沙特性的影響

表5反映了不同含沙量和硫酸鉀處理對(duì)毛管泥沙淤積量、表面陽(yáng)離子量(CEC)和泥沙分形維數(shù)的影響。施加硫酸鉀肥后，淤積泥沙CEC越大，說(shuō)明泥沙顆粒表面吸附的K+量越多。淤積泥沙質(zhì)量分形維數(shù)越大，說(shuō)明泥沙顆粒表面吸附的黏粒等細(xì)小顆粒較多，形成的泥沙顆粒團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，反之，淤積泥沙顆粒表面吸附的細(xì)小顆粒較少，淤積泥沙顆粒團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)比較松散，易被水流沖散而隨水流出。由表5可知，當(dāng)含沙量為1.0和1.5 g/L時(shí)，施加硫酸鉀處理的毛管泥沙淤積量和CEC均小于未施肥處理，且CEC隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的提高而增大。當(dāng)含沙量為1.5和2.0 g/L時(shí)，施加硫酸鉀處理的淤積泥沙分形維數(shù)較未施肥大，且均隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的提高而增大。

表5 含沙量和硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)毛管淤積泥沙特性的影響Table 5 Effect of different sediment content and potassium sulfate mass concentration on siltation sedimentation characteristics

經(jīng)測(cè)定，未施肥處理灌溉用水的pH值為8.63，施加硫酸鉀后灌溉用水的pH值為7.8～8.2，不同處理之間pH值差異較小。表6顯示，不同含沙量灌溉用水的電導(dǎo)率均隨著硫酸鉀質(zhì)量濃度的提高而變大。

表6 硫酸鉀質(zhì)量濃度對(duì)灌溉用水電導(dǎo)率的影響Table 6 Effect of potassium sulfate mass concentration on the conductivity of water in different sediment content ms/cm

3 討 論

3.1 硫酸鉀肥加速滴頭堵塞的機(jī)理

Tarchitzky等[28]研究發(fā)現(xiàn)，滴頭堵塞物中存在絲狀或網(wǎng)狀細(xì)菌，而本試驗(yàn)并未發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌的存在，說(shuō)明生物堵塞并不是施加硫酸鉀后滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)增大的主要原因，物理和化學(xué)堵塞仍是其主因。本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加，滴頭流量和有效灌水次數(shù)快速下降，故在施加硫酸鉀的水肥一體化滴灌過(guò)程中，應(yīng)控制硫酸鉀的質(zhì)量濃度，并通過(guò)毛管沖洗等措施，降低滴頭堵塞的發(fā)生和發(fā)展[29]。

3.2 硫酸鉀對(duì)滴頭堵塞物結(jié)構(gòu)及堵塞位置的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，未施肥處理的堵塞物團(tuán)聚體比較松散，顆粒間空隙較大，絮狀物質(zhì)較少，易被沖散。施加硫酸鉀后，水中大量的K+易吸附在泥沙顆粒表面，填充團(tuán)聚體的孔隙，易使堵塞物形成更復(fù)雜、更大塊的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[30]。此外，淤積泥沙的CEC和質(zhì)量分形維數(shù)隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的變化進(jìn)一步證明，施硫酸鉀肥更易形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的泥沙顆粒團(tuán)聚體。因此，施加硫酸鉀處理的堵塞物更加致密、穩(wěn)定。

本試驗(yàn)中，清水中施加硫酸鉀處理的滴頭未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，這與劉璐等[5]的研究結(jié)果相同。渾水中施加硫酸鉀后，流道堵塞的滴頭數(shù)量增加。滴頭的進(jìn)口、迷宮流道內(nèi)低流速區(qū)和強(qiáng)紊流區(qū)都是泥沙顆粒易沉積并造成滴頭堵塞的位置[31-32]，施加硫酸鉀易形成大而穩(wěn)定的團(tuán)聚體，增加了滴頭進(jìn)水口和流道內(nèi)緩水區(qū)淤積的機(jī)率。進(jìn)水口處的淤積物易被水流帶進(jìn)流道內(nèi)，而流道內(nèi)淤積的致密泥沙團(tuán)聚體不易被水流帶走。因此，流道內(nèi)發(fā)生堵塞的滴頭數(shù)更多。

3.3 硫酸鉀對(duì)滴頭輸出泥沙和毛管淤積泥沙機(jī)械組成的影響

渾水中施加硫酸鉀肥后，對(duì)滴頭輸出泥沙中的砂粒比例影響最大，說(shuō)明渾水中的砂粒是滴頭堵塞的主要組分。毛管淤積泥沙中的砂粒所占比例越大，越易造成滴頭堵塞；隨著含沙量的增加，滴頭輸出泥沙的砂粒比例下降，毛管內(nèi)淤積泥沙的砂粒比例增多。因此渾水中施加硫酸鉀肥時(shí)，含沙量越高越易造成滴頭堵塞。

毛管內(nèi)泥沙淤積量受灌水時(shí)間和施肥等因素的綜合影響。未施肥時(shí)，滴頭不易堵塞，有效灌水次數(shù)較多，毛管內(nèi)淤積的泥沙量較大。施加硫酸鉀后，滴頭易堵塞，總灌水量減少，毛管內(nèi)泥沙淤積量減少。

4 結(jié) 論

1)渾水中施加硫酸鉀肥后，滴灌滴頭堵塞加速，且硫酸鉀質(zhì)量濃度越大，加速堵塞作用越明顯。當(dāng)硫酸鉀質(zhì)量濃度小于10 g/L時(shí)，硫酸鉀對(duì)渾水滴灌滴頭堵塞的影響較小。

2)隨著硫酸鉀質(zhì)量濃度的增大，一方面，渾水中的K+含量增加，水的電導(dǎo)率增大，滴頭堵塞物表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度明顯增強(qiáng)，泥沙團(tuán)聚體變大，致密性和穩(wěn)定性增強(qiáng)；另一方面，渾水中容易產(chǎn)生硫酸鹽沉淀，滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。

3)砂粒是造成滴頭堵塞的主要組分，黏粒和粉砂則相對(duì)容易隨水流流出。