引黃滴灌滴灌器堵塞室內(nèi)模擬試驗研究

杜慧慧 馬太玲 于健 王利明 盧俊平 趙琳琳

摘要：針對內(nèi)蒙古烏海市農(nóng)林灌溉工程中滴灌帶堵塞的問題，取用該地區(qū)引黃滴灌原水進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗，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組對比試驗研究確定，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)而對滴灌器流量的影響越明顯。微生物（主要測定細(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;濁度;細(xì)菌總數(shù);水溫

中圖分類號：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)用中最主要的問題，嚴(yán)重時會使整個系統(tǒng)無法正常工作。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)沉淀過濾處理后，仍然會對滴灌器造成堵塞。高含沙水在滴灌系統(tǒng)使用是一個世界性難題，在我國沿黃地區(qū)使用黃河水滴灌較為普遍，屬于我國重點(diǎn)研究課題[2-5]。針對上述問題，筆者進(jìn)行室內(nèi)試驗?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 試驗裝置

試驗裝置由潛水泵、管道、閥門、調(diào)節(jié)水池及試驗用滴灌帶組成。滴灌帶選用與現(xiàn)場結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的型號，設(shè)計流量為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條同一型號的滴灌帶，進(jìn)行平行試驗，每條滴灌帶長20 m，滴灌帶上每隔Sm設(shè)置一個滴灌器作為采樣點(diǎn)。試驗過程中需要控制不同的溫度，在調(diào)節(jié)池內(nèi)配有兩個恒溫加熱棒。試驗裝置見圖1。

1.2 試驗內(nèi)容

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

（1）測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 試驗過程控制

為了試驗用水的濁度在運(yùn)行過程中保持不變，在調(diào)節(jié)池中設(shè)置一個小型潛水泵，攪拌調(diào)節(jié)池內(nèi)的水。將所有裝置安裝好后，開啟潛水泵，調(diào)節(jié)閥門使得滴灌帶內(nèi)水壓保持為0.06 MPa。壓力穩(wěn)定后，測定各采樣點(diǎn)的流量，在整個運(yùn)行過程觀測流量的變化，同時每天檢查所有滴灌器的堵塞情況。每組試驗結(jié)束后，取完全堵塞的滴灌器若干個，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)。同時分別測定每次運(yùn)行前、后調(diào)節(jié)池內(nèi)試驗用水的細(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)量評價

評價滴灌帶對作物灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是灌水均勻度，通過經(jīng)驗公式計算的灌水均勻度大于80%時，灌水質(zhì)量較好[6]。通常用Christianson均勻度來表示，計算公式如下。

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)我國實際使用的情況，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流量變化的影響，分析認(rèn)為降低滴灌器的設(shè)計流量，采用多級組合過濾模式，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)行實測研究，認(rèn)為滴灌帶鋪設(shè)長度影響灌水均勻度。

2 試驗結(jié)果與討論

試驗中盡量減少客觀條件對滴灌器堵塞的影響，根據(jù)試驗得出6組灌水均勻度變化情況，見圖2、圖3、圖4。

2.1 濁度對灌水質(zhì)量指標(biāo)的影響

通過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，在運(yùn)行過程中隨著時間的增加，灌水均勻度呈降低趨勢，說明滴灌帶的堵塞是逐漸積累形成的。

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

（3）濁度為25 ntu時，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，表明在試驗中該型號的滴灌帶不適用濁度大于25 ntu的水質(zhì)。

2.2 溫度對灌水質(zhì)量指標(biāo)的影響

通過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)行過程中通過測定認(rèn)為灌水均勻度變化規(guī)律基本一致。水溫為30℃時不同濁度情況下，灌水均勻度均在第3d時小于80%，說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

每組試驗結(jié)束后取下10個完全堵塞的滴灌器，將其上的堵塞物質(zhì)溶于300 mL的無菌超純水中測定其濁度、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)不會繼續(xù)富集，葉綠素a受光照條件的限制也不會改變，但是細(xì)菌會繼續(xù)生長，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，說明葉綠素a對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)菌就會大量生長繁殖，加快滴灌器堵塞的速度。

通過分析認(rèn)為，僅僅有泥沙不會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，在適宜的條件下細(xì)菌會大量繁殖，形成菌膠團(tuán)類的黏聚物，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。本試驗研究中認(rèn)為濁度小于15 ntu時灌水質(zhì)量較好，灌水均勻度較好：濁度大于20 ntu時灌水質(zhì)量較差，灌水均勻度較差，會加快滴灌器的堵塞。

（2）有泥沙在灌溉水中時，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繁殖，在高含沙水灌溉用水中，高溫是滴灌帶堵塞的另一個重要因素。溫度越高，越有利于細(xì)菌的繁殖，灌水均勻度在短時間內(nèi)降低越明顯，滴灌器堵塞所需時間越短。

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

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