適用于黃河水滴灌的灌水器篩選研究

劉 露，侯 鵬，劉澤元，吳乃陽，李瑋珊，鄔若男，王海軍，馬永久，李云開

適用于黃河水滴灌的灌水器篩選研究

劉 露1，侯 鵬1，劉澤元1，吳乃陽1，李瑋珊1，鄔若男1，王海軍2，馬永久3，李云開1※

（1. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 唐山致富塑料機械有限公司，唐山 064100；3. 甘肅亞盛亞美特節(jié)水有限公司，蘭州 730000）

傳統(tǒng)的黃河水滴灌系統(tǒng)灌水器選擇方法常以抗堵塞能力高低為標準，極易產生成本過高、資源浪費等問題。該研究提出了綜合考慮使用年限需求、系統(tǒng)成本投入及碳足跡的滴灌帶產品選擇方法，并開展了黃河水原位加速測試試驗。結果表明：黃河水滴灌條件下不同類型灌水器產品的生命周期、投入成本和碳足跡差異較大，以1 a使用期的毛管不沖洗處理組為例，內鑲貼片式生命周期均值最高，內鑲圓柱式、貼條式次之，單翼迷宮式最低，分別為309.8、170.3、158.1、135.9 h；成本與碳足跡為圓柱式最高，內鑲貼片式、貼條式次之，單翼迷宮式最低，較前3者成本分別低52.7%～67.5%、17.1%～63.5%、28.7%～54.7%，產生的碳足跡分別低0～15.5%、10.6%～17.1%、8.9%～12.6%。并在此基礎上建議河套灌區(qū)黃河水滴灌條件下1 a使用期的向日葵、3 a使用期的枸杞及5 a使用期的苜蓿分別選擇流量為2.7 L/h的單翼迷宮式、1.4和2.8 L/h（配合毛管沖洗）的內鑲貼片式灌水器。研究可為沿黃流域滴灌技術高質量發(fā)展和快速推廣提供支撐。

生命周期；灌溉；泥沙；灌水器；堵塞；毛管沖洗

0 引 言

滴灌因其精量、可控等優(yōu)點已成為高質量開發(fā)利用黃河水的方式之一[1]。但黃河水泥沙濃度高達3.7～26.5 kg/m3[2]，極易引起灌水器堵塞問題，制約了黃河水滴灌技術的推廣[3]。目前主要通過修建大型沉沙池和配備過濾器等關鍵設備來緩解泥沙帶來的灌水器堵塞問題，但這無疑會導致系統(tǒng)成本大幅度增加[4-5]。事實上，不同類型灌水器的抗堵塞能力明顯不同，根據(jù)其特性選擇適宜的灌水器產品可降低對系統(tǒng)沉淀、過濾的要求。因此，合理的灌水器選擇方法尤為重要。

國內外學者針對高含沙水滴灌系統(tǒng)灌水器產品的選擇展開了大量的工作。牛文全等[6]建議含沙水條件下選擇抗堵塞性能較好的大流量灌水器；Zhou等[7]提出了面向多水源、多種運行條件下的灌水器抗堵塞性能綜合相對指數(shù)（Anti-Clogging Relative Index，CRI）來選擇灌水器的方法，建議在滿足使用要求的前提下選用CRI較高的灌水器；Wang等[8]通過準確評價灌水器壓頭分布的水力模型來預報灌水器的抗堵塞性能，并結合灌溉模式及灌溉土壤水力特性等來對進行灌水器選擇；王新端等[9]研究表明流道形式和結構參數(shù)是抗堵塞性能的重要影響因素，建議選擇雙向流道灌水器，其水力性能及抗堵性能均優(yōu)于迷宮式流道灌水器；Liu等[10]建議選擇抗堵塞性能好的壓力補償式灌水器進行滴灌，但同時指出其價格昂貴且受溫度影響大；Brown等[11]研究認為滴灌系統(tǒng)中灌水器用量較大，成本是灌水器選擇的重要因素；馬寧等[12]研究表明迷宮式灌水器具有節(jié)本、增效的特點，短期內出流穩(wěn)定，使用期限短時建議選用薄壁迷宮式滴灌帶。總體而言，目前以抗堵塞性能為主、價格為輔的灌水器選擇依據(jù)，并未研究考慮產品使用年限及環(huán)境負效益，還存在一定的局限性，因此急需建立綜合考慮不同使用年限需求、成本和環(huán)境影響（以滴灌系統(tǒng)投入的碳足跡（Carbon Footprint，CF）為例）等多因素影響下的灌水器選擇方法。

基于此，本文選取16種灌水器產品，在內蒙古河套灌區(qū)開展了黃河水滴灌系統(tǒng)原位加速測試試驗，并以河套灌區(qū)使用年限需求為1 a（以向日葵為例）、3 a（以枸杞為例）、5 a（以苜蓿為例）的灌溉作物為應用對象，綜合考慮灌水器的使用年限、成本以及碳足跡，建立了面向不同灌溉作物的滴灌帶產品選擇方法，研究可為高含沙水滴灌系統(tǒng)的灌水器選擇提供全新思路，并為黃河水滴灌技術的規(guī)模化應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 滴灌系統(tǒng)灌水器抗堵塞性能測試原位加速試驗

本試驗在內蒙古河套灌區(qū)磴口縣烏蘭布和沙漠邊緣的中國農業(yè)大學引黃滴灌試驗基地（40°24′32′′N，107°02′19′′E）進行。試驗用水為黃河高含沙水，取自河套灌區(qū)烏沈干渠，經(jīng)沉沙池過濾后進入滴灌系統(tǒng)，試驗期間水質特征如表1所示。

表1 高含沙水水質參數(shù)

試驗通過原位加速測試平臺來進行[13]，測試平臺設置為4層，通過分流調壓的方式實現(xiàn)每層工作壓力恒定為0.1 MPa，每天運行前進行壓力校準。系統(tǒng)首部過濾采用兩級過濾模式，一級過濾采用濾料粒徑為1～2 mm的砂石過濾器，二級過濾采用120目疊片過濾器（過濾精度0.125 mm）。系統(tǒng)每運行60 h，對砂石過濾器進行反沖洗，并對疊片過濾器進行手動清洗。當相對平均流量小于50%時停止試驗。試驗自2017年7月1日起運行，不沖洗處理組至2017年9月1日結束，沖洗處理組至9月21日結束。黃河水毛管沖洗和不沖洗處理組每日累計運行9 h，分別累積運行720和600 h。毛管沖洗處理組的沖洗頻率采用60小時1次，流速采用0.45 m/s，沖洗時間為6 min。試驗裝置測試平臺如圖1所示。

試驗共選用16種灌水器，包括8種內鑲貼片式灌水器（Flat Emitter，F(xiàn)E）、3種內鑲圓柱式灌水器（Cylindrical Emitter，CE）、3種單翼迷宮式灌水器（Single Wing Labyrinth Emitter，WE）和2種內鑲貼條式灌水器（Strip Emitter，SE）。每種灌水器設置8個重復，每條滴灌帶布設15 m，灌水器間距為0.3 m，共計45個灌水器。運行期間定期進行流量測試，測試頻率為每60小時1次，測流小車為4層結構，每層凹槽內隔0.3 m放一個直徑為20 cm的小桶進行流量采集。開始測流時，將小車迅速推至待測滴灌帶下方，并同時按下秒表（精度0.01 s），當流量采集3 min后，迅速將小車撤離。采用高精度電子天平（精度0.001 g）分別對空桶和測流小桶質量進行稱量，并記錄數(shù)據(jù)。灌水器及其特征參數(shù)見表2。

1、3、5 a使用期灌水器對應作物的灌水頻率參考張麗霞等[14-16]的研究，選用每7天1次，根據(jù)Han等[13]的研究，該頻率下，可通過式（1）將原位加速測試的流量均勻度轉化為實際大田間歇運行結果。

式中為原位加速測試中流量均勻度，為大田歇運行測試流量均勻度。

1.2 滴灌系統(tǒng)流量均勻度測試與評估方法

采用稱重法[17]對滴灌系統(tǒng)灌水器進行流量測試，采用Pei等[18]的校正方式對實測流量進行校正，消除溫度及壓力對流量測試的影響。灌水器堵塞評價指標流量均勻度（Cristiansen of Uniformity，CU）的計算方法參考Li等[19]的研究。參照《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T 50485-2009），流量均勻度CU不應低于80%。將CU等于80%時對應的滴灌時間定義為灌水器的生命周期（Life Cycle，LC），年累積滴灌時間小于灌水器生命周期時的最大年限值定義為灌水器的使用年限。

1.3 灌水器產品選擇方法

1.3.1 模型假設

在對不同使用年限的作物計算過程中，為實現(xiàn)滴灌帶鋪設產生的成本及碳足跡的計算目標，做出以下假設：

1）選擇1 a生向日葵、3 a生枸杞和5 a生苜蓿作為河套灌區(qū)灌水器產品使用年限為1、3、5 a的大田灌溉作物，經(jīng)調研，1 a使用期采用壁厚為0.2 mm的4大類滴灌帶，3、5 a使用期分別采用壁厚為0.4、0.6 mm的內鑲貼片式和內鑲圓柱式滴灌帶進行分析。

2）向日葵、枸杞和苜蓿的滴灌系統(tǒng)控制面積均為80 hm2，灌水定額分別為2 745、6 675、3 750 m3/hm2[14-16]，毛管間距分別為80、150、50 cm，枸杞的毛管布設采用一帶灌一行，向日葵、苜蓿的毛管布設采用一帶灌兩行。單位面積滴灌帶鋪設參照《微灌工程技術規(guī)范》（GB/T 50485-2009）。

3）本文中滴灌帶的碳足跡，其生命周期的研究邊界劃定為從產品生產到報廢，即考慮灌溉設備和相關材料的生產、運行和使用過程，不包括生命周期邊界上游生產設備制造與耗材、運輸和下游的農產品銷售、運輸與消費者使用等[20]。

4）滴灌帶鋪設成本為灌水器在使用年限內單位面積的總投入，不考慮滴灌帶的折舊。其他設備的折舊年限為10 a，主要設備及材料的估算參考Chen等[20]的研究。

表2 試驗用灌水器幾何參數(shù)

注：灌水器間距均為0.3 m，管徑均為16 mm；FE為內鑲貼片式灌水器，記作FE1～FE8，統(tǒng)稱FEs；CE為內鑲圓柱式灌水器，記作CE1～CE3，統(tǒng)稱CEs；WE為單翼迷宮式灌水器，記作WE1～WE3，統(tǒng)稱WEs；SE為內鑲貼條式灌水器，記作SE1～SE2，統(tǒng)稱SEs。下同。

Note: The distance between emitters are 0.3 m, and the pipe diameters are 16 mm; FE is flat emitters, written as FE1-FE8, collectively referred to as FEs; CE is cylindrical emitters, written as CE1-CE3, collectively referred to as CEs; WE is single wing labyrinth emitters, written as WE1-WE3, collectively referred to as WEs; SE is strip emitters, written as SE1-SE2, collectively referred to as SEs. Same as below.

1.3.2 灌水器選擇模型

為建立綜合考慮使用年限、成本和碳足跡（CF）多因素影響下的灌水器選擇方法，該研究提出灌水器評價指標a，來表征總體的變異程度，a值最小的產品即選取的目標灌水器產品。計算過程如下：

利用相關系數(shù)法將3個影響因子原始值（流量均勻度CU、成本（元）、總碳足跡CFt（kg））標準化，得到影響因子下各灌水器的隸屬度值(x)；運用SPSS統(tǒng)計軟件中主成分分析法得到各公因子方差e，將其折算為權重系數(shù)K。

式中x為影響因子下第個灌水器的原始值；xmax為第種灌水器的最大值；xmin為第種灌水器的最小值。

影響因子流量均勻度CU、成本和總碳足跡CFt的原始值x的計算公式[19-20]如下：

2 結果與分析

2.1 不同類型灌水器CU變化及生命周期

黃河水滴灌系統(tǒng)16種灌水器CU變化如圖2所示。從圖2可知，CU隨系統(tǒng)運行時間的增長呈現(xiàn)出先緩慢后快速的下降趨勢。每種灌水器各取平均值進行比較，相同運行時間下，F(xiàn)Es的CU最高，其余從大到小依次為CEs、SEs、WEs。不進行毛管沖洗條件下，CU降至80%（對應滴灌時間為生命周期）時，4種類型灌水器（FEs、CEs、SEs、WEs）累積滴灌時間的平均值分別為309.8、170.3、158.1、135.9 h，沖洗后滴灌時間平均值增加至372.3、260.7、164.7、172.2 h，分別增加了20.2%、53.1%、26.7%、4.2%。

不同使用期灌水器代表作物對應的灌水時間、灌水器生命周期如表3所示，當作物滴灌時間小于灌水器生命周期時，即認為該灌水器滿足灌水要求。對于1 a使用期（以向日葵為例）灌水器而言，即使不進行毛管沖洗，各灌水器的滴灌時間仍在其生命周期范圍內，滿足灌水要求；對于3 a使用期（以枸杞為例）而言，不進行毛管沖洗條件下，SEs的累積灌水時間超出灌水器生命周期，盡管毛管沖洗處理雖使其生命周期延長了2.6%～5.6%，但依然不滿足灌水要求；而對于5 a使用期（以苜蓿為例）而言，若不進行毛管沖洗，僅有FE2、FE8、CE1這3種灌水器累積灌水時間在其生命周期內，毛管沖洗處理分別將FE5、FE7、CE3的生命周期提升了82.9%、12.5%、63.2%，可以滿足生命周期灌水要求，F(xiàn)E2設置毛管沖洗后反而無法滿足生命周期灌水要求，其余灌水器毛管沖洗處理前后均無法滿足灌水要求。

注：CU為克里斯琴森均勻系數(shù)，即流量均勻度。

Note: CU is Cristiansen coefficient of uniformity, namely the flow uniformity.

圖2 黃河水滴灌條件下不同類型灌水器CU變化

Fig.2 Variation of CU in different types of drip irrigation emitters using Yellow River water

表3 不同作物滴灌時間及灌水器生命周期

注：LC為生命周期；向日葵、枸杞、苜蓿分別代表1 a生向日葵、3 a生枸杞和5 a生苜蓿。下同。

Note: LC is life cycle; Sunflower, Chinese wolfberry and alfalfa represent 1-year-old sunflower, 3-year-old Chinese wolfberry and 5-year-old alfalfa, respectively. Same as below.

2.2 不同類型灌水器滴灌帶成本核算

不同類型滴灌帶毛管、支管極限鋪設長度及其消耗成本見表4，其中，單價為不同類型灌水器對應每米滴灌帶的價格（1、3、5 a使用期的滴灌帶壁厚分別為0.2、0.4、0.6 mm，故價格不同）。由表4可知，雖然所有灌水器均滿足1 a使用期（以向日葵為例）的灌水要求，但不同類型灌水器的成本明顯不同，毛管沖洗前，CEs成本最高，F(xiàn)Es、SEs次之，WEs分別比前面三者低52.7%～67.5%、17.1%～63.5%、28.7%～54.7%；毛管沖洗后，成本投入均有所增加，增加幅度最高的是WEs（14.5%～17.2%），其次是FEs（5.7%～10.4%）、SEs（5.8%～7.5%）、CEs（5.1%～5.9%）。對于3 a使用期（以枸杞為例）而言，毛管沖洗前后，整體變化規(guī)律與向日葵較一致，WEs、FEs、CEs成本分別增加了9.5%～9.9%、6.3%～8.5%、6.0%～6.6%。對于5 a使用期（以苜蓿為例）而言，毛管不沖洗條件下FE2、FE8、CE1三者的成本分別為14.00、12.00、19.20千元/hm2，毛管沖洗處理后FE5、FE7、CE3滿足了灌水要求，但成本分別增加了6.4%、9.8%、6.2%。

2.3 不同類型灌水器產品碳足跡

依據(jù)毛管、支管的極限鋪設長度核算每公頃地塊使用不同灌水器產品所產生的碳足跡，見表5。對于1 a使用期而言，不進行毛管沖洗時，CEs產生的碳足跡最高，其次是SEs、FEs，WEs最低，比前面三者分別低10.6%～14.7%、8.9%～12.6%、0～13.2%，毛管沖洗后，碳足跡均有所增加，增加幅度最大的是WEs（25.3%～26.5%），其余依次為FEs（19.6%～24.8%）、CEs（20.1%～21.8%）、SEs（18.6%～18.9%）。3 a使用期（以枸杞為例）的碳足跡總體變化規(guī)律與1 a使用期（以向日葵為例）一致，WEs的碳足跡分別比CEs、FEs低12.4%～17.1%、0～15.5%；毛管沖洗后，三者的碳足跡分別增加了20.7%～21.2%、16.8%～17.5%、16.6%～20.3%。對于5 a使用期（以苜蓿為例）而言，F(xiàn)E2、FE8、CE1三者產生的碳足跡分別為1.27×103、1.29×103、1.47×103kg/hm2，毛管沖洗后FE5、FE7、CE3滿足了灌水要求，但碳足跡分別增加了19.3%、19.6%、17.0%。

表4 毛管、支管極限鋪設長度及成本

注：“-”為不滿足灌水生命周期要求的灌水器，對其不進行分析；毛管報價來源于生產廠家；內鑲貼條式和單翼迷宮式滴灌帶使用周期為1 a，表中價格未考慮更換問題；3種作物鋪設的滴灌帶壁厚分別為0.2、0.4、0.6 mm；成本為該作物種植年限內的總投入；MDL代表毛管極限鋪設長度，MBT代表支管極限鋪設長度。

Note: “-”is emitters that do not meet the requirements of the life cycle, and they are not analyzed; The price of drip irrigation lateral were from manufacturers; The drip irrigation lateral with inlaid strip and single-wing labyrinth have one year service life. Therefore, the price mentioned in the table did not considered the replacement issue; The wall thickness of drip irrigation lateral for the three crops are 0.2, 0.4 and 0.6 mm respectively; The cost includes the total investment within the crops planting life; MDL means the maximum laying length of drip irrigation laterals, MBT means the maximum laying length of branch tubes.

表5 不同滴灌帶的碳足跡

注：UM代表單位質量，數(shù)據(jù)來源于生產廠家；CFC代表碳足跡系數(shù)，為能源及材料系數(shù)的總和；CF代表碳足跡。下同。

Note: UM means the unit mass, and the data comes from manufacturers; CFC means the carbon footprint coefficient, which is the sum of energy and material factors; CF means the carbon footprint. Same as below.

2.4 黃河水滴灌系統(tǒng)灌水器產品選擇

基于本文建立的灌水器產品選擇模型，指標影響因子權重和選擇結果分別見表 6和表7。整體來看，不同類型灌水器產品評價指標a值差異比較明顯。對于1 a使用期（以向日葵為例）而言，各處理組均滿足生命周期內灌水要求，建議選擇a值最低的灌水器產品，即毛管不沖洗處理組的WE2產品（a=0.33）。對于3 a使用期（以枸杞為例）而言，在不進行毛管沖洗時，WEs和FEs的a值較低，毛管沖洗后a值的變化無明顯規(guī)律。整體來看，建議選擇a值最低的灌水器產品，即毛管不沖洗處理組的FE7產品（a=0.30）。而對于5 a使用期（以苜蓿為例）而言，不沖洗處理組滿足灌水要求的產品為FE2、FE8、CE1，三者a值分別是0.47、0.45、0.92，經(jīng)過毛管沖洗后FE5、FE7、CE3達到灌水要求（三者a值分別為0.63、0.45、0.90），且FE8（a=0.44）、CE1（a=0.89）依然滿足灌水要求，因此從中選取a值最低的灌水器產品，即毛管沖洗處理組的FE8產品。

表6 灌水器評價指標的公因子方差和權重系數(shù)

表7 不同作物灌水器產品選擇

注：a為灌水器評價指標。

Note:ais evaluation index of emitter.

3 討 論

滴灌灌水器流道尺寸微小，黃河水高泥沙濃度等特征加劇了灌水器堵塞的風險[21]。準確、合理地選擇適宜的灌水器產品，有利于延長滴灌系統(tǒng)的使用壽命，避免頻繁更換滴灌帶[7]。試驗選用4大類共16種灌水器產品，發(fā)現(xiàn)不同類型灌水器之間生命周期存在差異，主要原因是自身結構特征及材質不同[22-24]?？傮w來看，灌水器生命周期最長的是FEs，其次為CEs、SEs、WEs。SEs和WEs系列產品，整體生產基于吸附成型工藝，流道往往難以形成尖角且伴隨老化形變等問題[12]，同時灌水器內部水流紊亂程度不高、泥沙隨水的跟隨性偏低[25]，易堵塞灌水器，從而導致生命周期變短，因此普遍用作一次性滴灌帶。FEs與CEs的流道結構等參數(shù)基本一致，湍流強度以及泥沙隨水跟隨性高且堵塞物質容易脫落[26-28]，故其抗堵塞能力較強，生命周期較長。但CEs的流道長度遠遠大于FEs，使得堵塞物質容易在流道內沉積[29]，導致其生命周期低于FEs。

本文研究發(fā)現(xiàn)是否設置毛管沖洗與灌水器的使用年限有關：對于1、3 a使用期（分別以向日葵和枸杞為例）而言，毛管沖洗并未改變其灌水要求，且會增加系統(tǒng)成本；僅5 a使用期（以苜蓿為例）需設置毛管沖洗，在該使用期內，由于試驗誤差，F(xiàn)E2毛管沖洗處理組生命周期略低于不沖洗處理組，但整體來看毛管沖洗處理對5 a使用期灌水器生命周期提升的效果明顯。根據(jù)本文建立的在黃河水滴灌條件下針對不同使用年限需求的灌溉作物，綜合考慮灌水器生命周期、成本和碳足跡的滴灌帶選擇方法模型，使用期為1、3、5 a時（分別以向日葵、枸杞和苜蓿為例）應分別選擇WE2、FE7、FE8灌水器產品，這與以往的選擇方法明顯不同（表8）。比較而言，流量法[6]和CRI法[7]對滴灌帶的使用年限考慮較少，所有使用年限作物均選擇毛管沖洗條件下具有高抗堵塞性能的WE3、FE8產品，這將使得1 a使用期灌水器的成本將分別增加30.6%、77.4%，碳足跡分別增加23.5%、27.0%；對于3 a使用期灌水器，碳足跡將分別增加21.5%、4.7%；對于5 a使用期而言，第1種方法的選擇結果不滿足灌水要求，這是由于灌水器的抗堵塞性能評價需要考慮多方面的因素，單一考慮額定流量存在局限性[30]。

本文僅初步建立了黃河水滴灌灌水器適用性產品的選擇方法，由于試驗條件有限，僅分析了4種類型共16種灌水器，適用于不同水源、多種作物以及全部灌水器選擇體系的建立有待進一步研究。

表8 不同灌水器選擇方法比較

注：“-”為不進行毛管沖洗，“+”為進行毛管沖洗；CRI為抗堵塞性能綜合相對指數(shù)。

Note: “-” is no flushing, “+” is flushing; CRI is anti-clogging relative index.

4 結 論

1）黃河水滴灌系統(tǒng)在不進行毛管沖洗條件下，不同灌水器之間生命周期、成本和碳足跡均存在較為明顯的差異。對于生命周期而言，內鑲貼片式均值最高，單翼迷宮式最低；以1 a使用期的毛管不沖洗處理組為例，單翼迷宮式灌水器產品的成本較內鑲圓柱式、內鑲貼片式和內鑲貼條式灌水器產品成本分別低52.7%～67.5%、17.1%～63.5%、28.7%～54.7%，且產生的碳足跡低10.6%～14.7%、0～13.2%、8.9%～12.6%。

2）黃河水滴灌系統(tǒng)設置毛管沖洗后，灌水器生命周期延長了2.6%～82.9%，但毛管沖洗的同時會使得滴灌帶的鋪設成本和碳足跡分別增加5.1%～17.2%、16.6%～26.5%。整體來看，毛管沖洗對1、3 a使用期（分別以向1 a生向日葵和3 a生枸杞為例）灌水器的整體效果較差，對5 a使用期（以5 a生苜蓿為例）灌水器的效果較明顯。

3）在本文過濾模式下，綜合考慮滴灌帶產品的生命周期、生產成本和碳足跡等因素，目前黃河水滴灌條件下1、3 a使用期（分別以1 a生向日葵和3 a生枸杞為例）建議分別選擇在毛管不沖洗條件下流量為2.7 L/h的單翼迷宮式和1.4 L/h的內鑲貼片式灌水器，而對于5 a使用期（以5 a生苜蓿為例）宜選用帶有毛管沖洗流量為2.8 L/h的內鑲貼片式灌水器。

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Selection of suitable drip-emitters for Yellow River water drip irrigation

Liu Lu1, Hou Peng1, Liu Zeyuan1, Wu Naiyang1, Li Weishan1, Wu Ruonan1, Wang Haijun2, Ma Yongjiu3, Li Yunkai1※

(1.,,,100083,;2..,.,,064100,;3.-.,.,730000,)

Diversified irrigation water has become an increasingly urgent need, due mainly to the limited fresh water resources and water pollution in China. Consequently, Yellow-river water irrigation has attracted more attention in recent decades. Since the Yellow River is the most sediment-filled river on earth, emitter clogging by a high concentration of sand has confined to the application of drip irrigation. Naturally, anti-clogging performance has been a commonly-used indicator to select the appropriate emitters. However, resource waste, high costs, and carbon footprint have posed a great challenge on both the anti-clogging performance and service life, when selecting the emitter products. In this study, an experimental field test was conducted to select emitter and lateral products suitable for drip irrigation with Yellow-River water, concurrently considering the anti-clogging performance, service life, system cost, and carbon footprint. SPSS Principal Component Analysis (PCA) was used to establish selection indexes, and then to screen the suitable emitter products for various crops in different years. 16 kinds of emitters were also analyzed using Cristiansen Uniformity (CU) coefficient, including inlaid plain channel emitters, inlaid cylindrical emitters, single-wing labyrinth, and inlaid strip emitters. 3 crops were selected to evaluate the drip irrigation laterals. The experimental water was taken from the Wushen Canal in Hetao Irrigation District, and then filtered with sedimentation basin before entering into the drip irrigation system. Irrigation water was treated through the homogeneous filtration of a sand filter and a laminated filter. The work pressure was maintained at 0.1 MPa in operation. The Yellow-River water was operated for 9 h/d with a flushing frequency of once every 60 h at a flow rate of 0.45 m/s and a flushing time of 6 min, a total of 600 h (flushing water) and 720 h (non-flushing water). The results showed that there were significant differences in life cycle, cost and carbon footprint in different types of drip-emitters. The longest life cycle was found in flat emitters, followed by cylindrical emitters, strip emitters, and single wing labyrinth emitters. The highest cost was found in cylindrical emitters, followed by flat emitters, strip emitters, and single wing labyrinth emitters. CU of all emitters showed a slow and then rapid downward trend. The highest carbon footprint was cylindrical emitters, followed by flat emitters, strip emitters, and single wing labyrinth emitters. Taking the no-flushing capillary for one-year life cycle as an example, the costs of single wing labyrinth emitters are 52.7%-67.5%, 17.1%-63.5% and 28.7%-54.7% lower than that of cylinder emitters, flat emitters and strip emitters, respectively, and the carbon footprint is 10.6%-14.7%, 0-13.2% and 8.9%-12.6% lower. Consequently, it was recommended to use the single wing labyrinth drip emitter with 2.7 L/h for a 1-year usage period (sunflower), the flat emitter with 1.4 L/h for a 3-year usage period (Chinese wolfberry), and the flat emitter with 2.8 L/h (with capillary flushing) for a 5-year usage period (alfalfa) in the crop irrigation in Inner Mongolia Hetao Irrigation Area. Capillary flushing demonstrated relatively low effects on the 1 and 3-year period (sunflower and Chinese wolfberry), however, the effects were more obvious on the 5-year use period (alfalfa). This finding can provide a new perspective for the selection of drip-emitter products in large-scale drip irrigation with the high-sand Yellow-River water.

life cycle; irrigation; silt; emitter; clogging; lateral flushing

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.013

S275.6

A

1002-6819(2021)-06-0099-09

劉露，侯鵬，劉澤元，等. 適用于黃河水滴灌的灌水器篩選研究[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(6)：99-107.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.013 http://www.tcsae.org

Liu Lu, Hou Peng, Liu Zeyuan, et al. Selection of suitable drip-emitters for Yellow River water drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 99-107. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.013 http://www.tcsae.org

2021-01-06

2021-03-05

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0201504）；國家自然科學基金重大項目（51790531）

劉露，研究方向為引黃滴灌灌水器堵塞。Email：1418685169@qq.com

李云開，教授，博士生導師，研究方向為精量高效滴灌裝備原理、設計及應用。Email：yunkai@cau.edu.c