滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞及防堵措施研究進(jìn)展

張奧齊，張國海，郭洪恩，褚幼暉，韓興昌，3，何青海

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255000；2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250100；3.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250100)

0 引言

節(jié)水灌溉技術(shù)既能節(jié)約水資源，又能提高水資源的利用率，實(shí)現(xiàn)高效率、高效益農(nóng)業(yè)灌溉，在世界各地得到廣泛應(yīng)用[1-3]。滴灌技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的高效節(jié)水灌溉技術(shù)之一，其有針對(duì)性地結(jié)合作物自身的用水量，通過低壓管道系統(tǒng)和灌水器，把水定時(shí)、定量、均勻地滴入作物的主要根系土壤中，以促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量和節(jié)約灌水量的一種灌溉技術(shù)[4-5]。作為滴灌系統(tǒng)的核心部件，灌水器通過復(fù)雜狹小的流道結(jié)構(gòu)將有壓水流消能后，均勻穩(wěn)定地滴入土壤[6]。也正是因?yàn)橄艿男枰?，灌水器流道通常比較狹小，一般只有0.5～1.2 mm，滴灌水源中的固體顆粒物等雜質(zhì)都極易導(dǎo)致灌水器的堵塞，輕則影響灌水均勻度和滴灌系統(tǒng)使用壽命，重則直接導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)報(bào)廢，解決灌水器堵塞已成為推動(dòng)滴灌技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵問題[7-9]。本文針對(duì)滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞原因和防堵措施展開論述，旨在預(yù)防、解決灌水器堵塞問題。

1 灌水器堵塞原因

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，灌水器的實(shí)際流量低于額定流量的75%時(shí)即認(rèn)為灌水器發(fā)生堵塞。灌水器堵塞的原因主要有滴灌水源、灌水器結(jié)構(gòu)、滴灌系統(tǒng)運(yùn)行方式等。

1.1水源因素

滴灌水源是導(dǎo)致灌水器堵塞最主要、最直接的原因[10-11]。目前我國水資源緊缺，水環(huán)境污染比較嚴(yán)重，滴灌水源不僅是地下水及江河、湖泊等地面水，再生水、高含沙水、地表微污染水和微咸水等劣質(zhì)水也常作為滴灌水源，這些水源中的固體顆粒物、化學(xué)離子、微生物等雜質(zhì)會(huì)出現(xiàn)物理、化學(xué)、生物等一系列反應(yīng)，造成灌水器發(fā)生物理堵塞、化學(xué)堵塞、生物堵塞和復(fù)合堵塞[12-13]。不同滴灌水源灌水器堵塞類型如表1所示。

表1 不同滴灌水源灌水器堵塞類型

1.1.1物理堵塞

物理堵塞主要是由水源中有機(jī)或無機(jī)懸浮物、固體顆粒物引起的堵塞。劉璐[14]以內(nèi)鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器為研究對(duì)象，通過對(duì)8種粒徑<0.1 mm的泥沙顆粒進(jìn)行渾水堵塞測試，發(fā)現(xiàn)含沙量是引起灌水器物理堵塞的主要原因。吳澤廣[15]用粒徑<0.1 mm的泥沙進(jìn)行堵塞試驗(yàn)，結(jié)果表明泥沙顆粒粒徑不同，灌水器堵塞機(jī)理不同，當(dāng)0.038 mm≤D<0.100 mm時(shí)，造成灌水器堵塞的原因是泥沙沉降、堆積；當(dāng)D<0.038 mm時(shí)，泥沙易凝結(jié)成團(tuán)聚體，造成灌水器堵塞。通過黃河水滴灌室內(nèi)模擬試驗(yàn)，杜慧慧等[16]發(fā)現(xiàn)泥沙是造成滴灌帶堵塞的主要因素之一，水源中含沙量越大，灌水均勻度越小，滴灌器堵塞速度越快。

1.1.2化學(xué)堵塞

化學(xué)堵塞是指水源中可溶性化學(xué)物質(zhì)在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的沉淀物質(zhì)，導(dǎo)致灌水器堵塞。劉燕芳等[17]選取了不同硬度水源和不同類型灌水器進(jìn)行滴灌堵塞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滴灌水質(zhì)越硬，灌水器堵塞程度越嚴(yán)重，發(fā)生化學(xué)堵塞的主要原因是CaCO3等白色沉淀。ZHANGZHONG Lili等[18]選取5種常見的灌水器進(jìn)行了咸水滴灌堵塞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水源中的陽離子和陰離子反應(yīng)形成的不溶性鈣鎂碳酸鹽類物質(zhì)導(dǎo)致灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞。郝鋒珍等[19]選用2種水源探究化學(xué)離子對(duì)灌水器造成堵塞的影響，發(fā)現(xiàn)在地下水中加入Fe2+、Ca2+，再生水加入Ca2+，增大了灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.3生物堵塞

生物堵塞是指水源中的藻類、細(xì)菌、微生物等生物質(zhì)進(jìn)入灌水器流道后不斷生長繁殖，在其內(nèi)壁面附著生長，形成生物膜導(dǎo)致堵塞。閆大壯等[20]采用6種灌水器進(jìn)行了再生水滴灌堵塞試驗(yàn)，結(jié)果表明灌水器堵塞過程的發(fā)生是以微生物富集開始的，其在流道內(nèi)不斷沉積引起灌水器堵塞。李云開等[21]研究發(fā)現(xiàn)再生水中的微生物在滴灌系統(tǒng)的毛管內(nèi)部形成生物膜，堵塞物質(zhì)不斷聚集，造成灌水器堵塞。ZHOU Bo等[22]采用8種灌水器進(jìn)行了高沙地表水滴灌堵塞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水源中的微生物含量與灌水器堵塞程度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

1.1.4復(fù)合堵塞

隨著滴灌水源的多樣性，水源中含有引起灌水器堵塞的多種物質(zhì)，從而造成灌水器堵塞并非單一的類型。NAKAYAMA F S等[23]指出灌水器堵塞的發(fā)生過程受到物理、化學(xué)和生物3種因素及其交互作用的影響，控制好任何一個(gè)因素可以在一定程度上減輕其他因素導(dǎo)致的堵塞問題。張鐘莉莉[24]發(fā)現(xiàn)利用微咸水進(jìn)行滴灌時(shí)，除鈣鎂碳酸鹽類沉淀誘發(fā)灌水器發(fā)生化學(xué)堵塞外，還存在石英、硅酸鹽等雜質(zhì)引起物理堵塞。張曉晶等[25]發(fā)現(xiàn)引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞由黃河水泥沙顆粒物和微生物共同決定，說明高含沙水源灌水器堵塞不是單一的物理堵塞，同時(shí)也存在生物堵塞。

1.2灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)

灌水器流道結(jié)構(gòu)參數(shù)包括流道形式和流道尺寸，結(jié)構(gòu)參數(shù)決定灌水器流道流場分布，從而影響水源中雜質(zhì)隨水流排出流道的能力，進(jìn)而影響灌水器的抗堵塞性能。

1.流道單元 2.夾角 3.齒間距 4.流道寬 5.齒高 6.流道長圖1 灌水器流道結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of emitter channel

1.2.1流道形式

目前灌水器的流道形式基本上是矩形、齒形、梯形、三角形和弧形等。武鵬等[26]選用4種規(guī)格的灌水器進(jìn)行了短周期抗堵塞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)灌水器的直線段越長，其抗堵塞性能越差，弧形灌水器的抗堵塞性能優(yōu)于弧齒型。楊彬等[27]借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模擬不同流道形式的灌水器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓角梯形和三角形結(jié)構(gòu)灌水器的攜砂出流能力較好，抗堵塞性能相對(duì)較優(yōu)，提出增大流道內(nèi)低速區(qū)域湍流動(dòng)能，可以提高灌水器的抗堵塞性能。

1.2.2流道尺寸

灌水器流道尺寸包括夾角、齒高、齒間距、流道寬度、齒間參差量、上底寬和單元數(shù)等。王建東等[28]探討了低壓條件下灌水器流道結(jié)構(gòu)對(duì)其水力性能的影響，研究表明流道深度、齒間距與齒角度對(duì)低壓下灌水器的流量存在顯著影響，影響灌水器流量的大小順序?yàn)榱鞯郎疃?齒間距>齒角度>齒高。喻黎明等[29]發(fā)現(xiàn)沙粒群通過率能有效描述灌水器迷宮流道結(jié)構(gòu)的抗堵塞性能，影響灌水器堵塞程度從高到低依次為夾角>流道寬度>齒間參差量>上底寬>齒高。

1.3滴灌系統(tǒng)運(yùn)行方式

滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行方式指不同次序灌水、施肥組成的運(yùn)行方案，包括系統(tǒng)的沖洗周期、工作壓力、沖洗速度等[30]。選擇合適的運(yùn)行方式，可以在一定程度上降低灌水器堵塞的概率。

1.3.1沖洗周期

滴灌系統(tǒng)合適的沖洗周期能有效降低雜質(zhì)留存流道的機(jī)率，從而延長使用壽命，目前專家學(xué)者對(duì)于最佳沖洗周期還沒有定論。LI Yunkai等[31]研究了再生水在3種沖洗頻率下灌水器堵塞和生物膜形成過程，發(fā)現(xiàn)沖洗可以有效沖刷管道內(nèi)的生物膜結(jié)構(gòu)，并且沖洗周期兩周一次最好。FENG Di等[32]研究了含鹽地下水5種沖洗頻率下的沖刷效果，發(fā)現(xiàn)利用含鹽地下水進(jìn)行滴灌時(shí)，改變沖洗頻率不能防止灌水器堵塞。張文倩等[33]研究了沖洗周期對(duì)灌水器堵塞的影響，結(jié)果表明沖洗周期對(duì)灌水器抗堵塞性能的提高有極顯著作用，提出適宜的沖洗周期為5 d。

1.3.2工作壓力

滴灌系統(tǒng)工作壓力直接影響流道內(nèi)部水流的流速和流態(tài)，從而影響水源中雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)[34]。ZHANG Lin等[35]研究了脈動(dòng)與恒壓條件下對(duì)灌水器堵塞的影響，結(jié)果表明灌水器在脈動(dòng)壓力下的抗堵塞性能優(yōu)于恒定壓力，在滴灌中使用脈動(dòng)壓力可防止灌水器堵塞。YU Liming等[36]研究了不同壓力對(duì)水流沖刷沉積物的影響，發(fā)現(xiàn)增大沖刷壓力，可以延長正常流量下的灌溉時(shí)間。LIU Zeyuan等[37]選用了5個(gè)工作壓力進(jìn)行了高含沙灌水器堵塞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)工作壓力保持在6 kPa以上，灌水器可以保持較好的抗堵塞性能。由此可見，對(duì)于滴灌系統(tǒng)的最佳工作壓力，專家學(xué)者還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。

2 灌水器防堵塞措施

針對(duì)上述導(dǎo)致灌水器堵塞的原因，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同堵塞的特點(diǎn)，提出不同的措施來預(yù)防、解決堵塞。

2.1水源預(yù)處理

水源水質(zhì)越好，灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)越小。當(dāng)?shù)喂嗨次廴境潭容^低時(shí)，僅僅是含有水藻等物質(zhì)，可以采用化學(xué)處理方法，在水源中加入化學(xué)物質(zhì)，使其進(jìn)行化學(xué)、生物反應(yīng)以達(dá)到疏通和凈化灌水器目的[38-39]。除此之外，可利用磁化技術(shù)清除水源中的微生物，并使滴灌系統(tǒng)中的CaCO3和MgCO3沉積物分解生成較松軟的Ca(CO3)2和Mg(HCO3)2等，可以有效地防止灌水器化學(xué)堵塞[24，40]。

2.2配置過濾設(shè)備

配置合適的過濾設(shè)備可以有效清除水源中部分雜質(zhì)，降低灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。目前滴灌系統(tǒng)中常用的過濾器(圖2)包括一級(jí)過濾裝置砂石過濾器、離心過濾器，二級(jí)過濾裝置網(wǎng)式過濾器、疊片過濾器。滴灌水源較好時(shí)，可選用單級(jí)過濾器；對(duì)條件較差的地上水源，選用砂石過濾器與疊片過濾器；對(duì)條件較差的地下水源，選用離心過濾器與疊片過濾器[41-42]。目前具有自清洗功能的過濾裝置大范圍使用。

圖2 滴灌系統(tǒng)過濾器類型Fig.2 Filter type of drip irrigation system

2.3提高灌水器抗堵塞性能

改進(jìn)灌水器流道結(jié)構(gòu)以提高灌水器抗堵塞性能是防止灌水器堵塞的根本。目前提高灌水器自身抗堵塞性能的研究方向主要有兩個(gè)。一是優(yōu)化灌水器流道，消除雜質(zhì)容易沉積的流動(dòng)滯止區(qū)，讓水流主體充盈灌水器整個(gè)流道，微小雜質(zhì)被水流主體承載著流出，以提高灌水器的抗堵能力[43-44]。二是對(duì)灌水器的制造材料進(jìn)行改性，通過添加抗菌類材料降低微生物的活性，抑制堵塞物質(zhì)的形成和生長，從而減小灌水器堵塞風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)在將來有很大的研究前景[7，45]。

2.4清除堵塞物質(zhì)

利用某些技術(shù)清除灌水器中的堵塞物質(zhì)，以防止灌水器堵塞，目前常用的技術(shù)手段主要有微生物拮抗、電化學(xué)清除等方法。微生物拮抗是指在水源中加入一定數(shù)量的微生物，通過其產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件抑制其他微生物的生長繁殖，甚至殺死其他微生物[21，46]。電化學(xué)方法則是通過某些特有輸電裝置，對(duì)水源進(jìn)行電化學(xué)處理，使灌溉水中產(chǎn)生活性氯、活性自由基等物質(zhì)，從而氧化和降解水源中的大分子有機(jī)污染物，達(dá)到清除堵塞物質(zhì)的目的[47-48]。目前這些技術(shù)手段還不成熟，沒有大范圍推廣使用。

2.5定期管理維護(hù)滴灌系統(tǒng)

根據(jù)地形、水源、作物種類合理布設(shè)干、支、毛各級(jí)管道，灌水器出水口盡量靠近作物根部；系統(tǒng)運(yùn)行過程中定時(shí)檢查水表、定時(shí)沖洗管道，做到早發(fā)現(xiàn)早處理，沖洗的頻率要根據(jù)水源水質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇[49-50]。

隨著灌溉水源越來越復(fù)雜，灌水器堵塞的因素越來越多，對(duì)防堵措施的要求也越來越高，目前在滴灌中采取單一措施已不能很好地解決灌水器堵塞問題，應(yīng)在多個(gè)方面采取多種方式提高灌水器抗堵塞性能，從而延長滴灌系統(tǒng)的使用壽命。

3 問題及建議

3.1問題

在目前的滴灌系統(tǒng)應(yīng)用中，灌水器堵塞一般以復(fù)合堵塞為主，但大量研究多側(cè)重單一因素，造成試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用存在一定的區(qū)別，導(dǎo)致所提出的方法不能完全解決灌水器堵塞問題。

專家學(xué)者在滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞研究中，大多數(shù)通過短期灌水試驗(yàn)，或者采用CFD數(shù)值模擬、PIV流場試驗(yàn)，沒有深入分析灌水器實(shí)際堵塞機(jī)理。

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還沒有大規(guī)模實(shí)現(xiàn)智能化，農(nóng)業(yè)從業(yè)者的文化程度也普遍偏低，滴灌系統(tǒng)在后期管理維護(hù)中大多依靠經(jīng)驗(yàn)，較少采用科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2建議

針對(duì)不同的灌水器堵塞原因，在明確單一的堵塞機(jī)理之后，應(yīng)對(duì)實(shí)際中的復(fù)合堵塞展開進(jìn)一步探究，以提高滴灌系統(tǒng)的使用壽命。

研究過程應(yīng)盡量貼合實(shí)際，在實(shí)地應(yīng)用中針對(duì)不同因素完善、規(guī)范不同組合灌溉設(shè)備的應(yīng)對(duì)措施，包括水源預(yù)處理、過濾器配置、灌水器選擇等方面，從而提高灌水器抗堵塞性能。

4 結(jié)束語

學(xué)者們對(duì)灌水器堵塞問題做了大量的理論分析和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)引起堵塞的原因十分復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中多種因素交互影響灌水器抗堵塞性能，因此，應(yīng)從水源預(yù)處理、過濾設(shè)備配置、灌水器結(jié)構(gòu)改進(jìn)、滴灌系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇等方面形成并完善規(guī)范科學(xué)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同灌溉水源選用針對(duì)性的防治措施。更需要專家學(xué)者在各方面不斷研究，利用新技術(shù)預(yù)防、解決灌水器堵塞問題，從而推動(dòng)滴灌技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。