微灌系统堵塞原因和抗堵方法探讨

杨振杰 张新星 彭云 胡红超 油瑞菊 余杨

摘要：微灌是节水灌溉技术中效率最高的一种，但微灌系统的灌水器极易堵塞，严重影响该系统的正常工作。主要从灌溉水源、灌溉方式、灌水器构造3方面分析微灌系统堵塞的原因，并从灌水器构造、灌溉水化学处理、灌溉系统管理3方面探讨抗堵方法，以期解决微灌系统的堵塞问题，提高微灌系统的灌水效率。

关键词：微灌；堵塞原因；抗堵方法

中图分类号： S274.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0440-04

微灌是一种高效节水灌溉技术，它是将管道中的水和养料以小流量均匀、精确地通过滴头和孔口等灌水器滴入或渗入到作物根部附近的土壤或土层的一种灌溉技术[1]。微灌主要包括滴灌和渗灌，与漫灌和喷灌相比，微灌具有节水效率高、水肥耦合性好等优点[1-3]，不足之处在于微灌系统常堵塞，已严重影响到整个系统的正常运行。许多专家和学者对微灌系统的堵塞原因、抗堵方法进行了深入研究。

1 微灌系统堵塞原因

微灌系统堵塞主要包括物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞。物理堵塞由水中有机或无机悬浮物引起，有机悬浮物包括藻类物质、浮游植物、浮游动物残体、塑料颗粒、蜗牛等，无机悬浮物包括泥沙、黏粒等。化学堵塞由水中溶解的化学物质引起，此类物质可在一定条件下经化学反应变得不溶，并沉积在灌水器出水孔、管道内部而造成堵塞。生物堵塞是指水中生物进入灌水管道、灌水器内部并大量繁殖和生长，使管道空间减小，最终引起堵塞[4-6]。Taylor等则认为系统堵塞由灌水器结构引起[7]。Nakayama等指出系统堵塞是很多因素共同作用的结果[8]。Bucks等对微灌系统的堵塞类型、物质、程度进行了研究，提出了灌溉系统堵塞程度的区分标准（表1）[4]。

根据联合国粮农组织土地及水利开发处的灌溉专家、顾问的统计，各种堵塞的概率分别为：物理堵塞31%、化学堵塞22%、生物堵塞37%、其他10%[2，9]。可见，物理堵塞、生物堵塞发生的概率较高，灌溉系统堵塞常由这2种堵塞共同引起。

1.1 灌溉水源

目前，农业灌溉用水主要来自雨水、江河、池塘、地下水、城市废水再生水等。针对不同的农业灌溉水源，微灌系统堵塞的原因也有所不同。

1.1.1 池塘和水窖 农村、偏远地区、干旱少雨地区的农业灌溉用水大部分来源于池塘和水窖，天然雨水、地下水流入池塘和水窖中，使水体富含氮、磷、钾、有机质、微生物，绝大多数处于富营养化状态[10]。池塘和水窖中的水经过滤处理后仍存有部分杂质、藻类、微生物[10-11]，它们附着于灌水器出水孔转角处，并依靠水中有机质大量繁殖形成微生物群[12]。这类微生物群常覆盖黏性外鞘，一些微粒和藻类极易粘连并沉积于黏性外鞘，当微生物、微粒、藻类生长到一定程度，或细菌数量达到50 000个/mL时，灌水系统将严重堵塞[4]。

1.1.2 矿物质灌溉水 含有高浓度矿物质的水称为硬水，主要来源于井水和泉水，含有高浓度的钙离子、镁离子、碳酸氢根离子等。长期使用井水和泉水灌溉，会使灌溉系统发生化学堵塞[13]。堵塞原理为泉水和井水中的钙离子、镁离子、碳酸氢根离子会在灌水器出水孔处发生化学反应。当周围环境温度升高、压强变小时，水中的碳酸氢钙将发生化学反应，生成碳酸钙、水、二氧化碳；水中的碳酸氢镁将发生化学反应，生成碳酸镁、水、二氧化碳。因此，使用含有碳酸氢钙、碳酸氢镁的泉水和井水灌溉，会使灌水器内部、出水孔附近生成难溶于水的碳酸钙、碳酸镁，从而造成灌溉系统的化学堵塞。

1.1.3 含沙灌溉水 含沙灌溉水主要来源于江河。黄河是我国第2大河流，也是世界含沙量最大的河流，是流经省（市、自治区）农业灌溉水的主要来源。使用含沙量大的水灌溉一段时间后，灌溉系统中泥沙不断增多，并沉积于灌水管、灌水器内部、出水孔处。当水中悬浮颗粒超过100 mg/L时[4]，整个灌水系统将严重堵塞，致使灌溉系统无法正常运行[12]。

1.1.4 城市废水再生水 根据国家统计局统计，2011年、2012年全国城市废水排放总量分别达6 591 922万、6 847 612万t[14]，合理利用城市废水对于缓解我国水资源危机具有重要意义。在农业灌溉用水方面，以色列对城市污水再生水进行氯化处理并通过滴灌、地下滴灌系统对瓜类植物进行灌溉[15]，Mollie等对饮用水和城市废水作了化学成分分析[15]（表2）。在国内，吴显斌、闫大壮等对城市废水再生水滴灌系统滴头抗堵性能方面作了研究，发现城市废水再生水中含有大量污染物质、病原体、微生物细菌、有机质，使用城市废水再生水作为灌溉用水需对其进行消毒氯化处理，以免影响农作物和人体健康，另外，城市废水再生水中的微生物细菌、悬浮颗粒会对灌溉系统造成生物堵塞[16-17]。由表2可知，城市废水中高浓度的磷元素、钾元素、有机质为大量大肠杆菌、粪大肠杆菌等微生物细菌提供了良好的生长繁殖环境，使其在灌水器内部、出水孔处附着并大量繁殖，当水中微粒、微生物细菌达到一定数量时灌水器将被堵塞。

1.2 灌溉方式

根据管道和灌水器是否被埋入地下，将微灌分为地表微灌、地下微灌。2种灌溉方式均具有水分利用率高、节水增产等优点[1-3]，不足之处在于灌水器极易堵塞。

1.2.1 地表微灌 地表微灌是指灌溉管道铺设在地上或地面，灌溉水和养料通过安装在灌溉管道上的灌水器或在管道周围开的小孔以小流量缓慢、均匀地滴入或渗入到土壤中并浸润作物根部[1]。根据地表微灌的特点，灌溉水会以水珠状逐滴连续不断从出水孔处流出，在水、空气、养料的共同作用下，水和空气中的微生物细菌极易在出水孔转角处附着并繁殖形成微生物群[12]，水中的杂质、微粒遇到黏性微生物菌群会黏附在其表面，最终不断变大并堵塞灌水器出水孔（图1）。

1.2.2 地下微灌 地下微灌是指灌溉管道和灌水器埋于地下，灌溉水和養料通过安装在灌溉管道上的灌水器以小流量缓慢、均匀地渗入到作物根部附近[18-19]。与地表微灌堵塞相比，地下微灌还存在另外4个堵塞诱因（图2）：（1）地下微灌存在负压堵塞[20]，即灌溉系统停止供水时，灌溉管道中产生负压将土壤中的泥沙吸入灌水器的微孔中造成堵塞。（2）由于作物根系的向水性[21]，作物的根系会侵入灌水器的微孔并造成堵塞。（3）埋于地下的沙石化学成分主要是碳酸钙，它遇到水、二氧化碳时变为可溶性的碳酸氢钙，当埋于地下的灌水器受热或压强突然变小时，水中的碳酸氢钙又分解为碳酸钙并沉积于灌水器孔口处[13，22]。Abdallah等总结出灌溉水、灌水器附近水的化学成分[22]（表3）。灌水器出水孔附近的钙、镁离子含量明显增多，极易造成灌水器出水孔堵塞。（4）土壤中含有蛹、蜗牛等微小生物[13]时，它们可进入灌水器孔口中并造成堵塞。

1.3 灌水器构造

灌水器是微灌系统最核心的部件之一，灌水器堵塞将降低整个微灌系统的灌水效率，严重时会造成灌水系统全面瘫痪。

目前许多灌水器的流道设计均为迷宫式，迷宫式灌水器可分为圆弧迷宫式、矩形迷宫式、锯齿形迷宫式等。迷宫式灌水器的水利特性较好，可以控制灌溉水的压力使其均匀、缓慢地流出，但其抗堵性能较差。为使迷宫式灌水器同时具备较好的水利特性和较强的抗堵性能，国内外专家对迷宫式灌水器流道作了深入研究[23]。Adin等发现灌水器的流道结构对灌水器的抗堵性能有一定影响[24]。郑耀泉认为灌溉水的流量、灌水器流道均可影响灌水器的抗堵性能[2]。吴显斌等、闫大壮等研究发现，使用再生水灌溉时，流道长度、锯齿间距、锯齿高度均会影响滴头抗堵性能[16-17]。魏正英等提出迷宫式灌水器的流道宽度对抗堵性能影响最大，其次是流道深度和长度[25-26]。圆弧形迷宫式灌水器中，存在于圆弧转弯处的流动滞止区会引起灌水器堵塞；矩形、锯齿形迷宫式灌水器中，存在于流道内的涡旋区、低速区也会引起灌水器堵塞。李光永等提出片式灌水器的齿间距、齿高、齿角度均会影响灌水器抗堵性能[27]。刘璐等发现灌水器堵塞主要发生于流道转角处、流道进水口处[12]。

国内外专家不仅对灌水器流道进行了深入研究，杨宝中等指出渗灌管的孔径大小、孔口的制造精度也是影响堵塞的因素之一[28]。程先军等、何静等同样指出灌水器的制造偏差、出水孔的制造精度、灌水器的材料均会影响水的均匀性、灌水器的抗堵性[3，29]。

2 微灌系统抗堵方法探讨

2.1 灌水器构造

国内外专家针对不同堵塞研制出各类抗堵塞灌水器，并对灌水器流道进行改造。现对各类抗堵塞灌水器和改进后的流道进行总结分析。

2.1.1 灌水器内部结构 郑耀泉认为灌溉系统流量大时，水中的杂质、微粒不易引起灌水器堵塞，当灌水器的流道变大时也不易堵塞[2]。李光永等发现片式灌水器的齿间距、齿高、齿角度均会影响灌水器的抗堵性能，灌水器的的抗堵性能随流道宽度的增大而逐步提高，却不能完全随灌溉水流量的增大而提高[27]。闫大壮等研究发现较大的流道长度、锯齿间距、锯齿高度（h<1.2 mm）均无法减轻灌水器的堵塞程度[17]。魏正英等对圆弧形迷宫式灌水器的流道进行了优化设计，首先降低流道的2个圆弧高度，同时对上、下连接圆弧进行偏移，并将小直线段加长以减小极低速度区，考虑到灌水器的制造难度，将上、下2个圆弧的半径设为相同值。魏正英等还对矩形、锯齿形迷宫式灌水器的流道进行了优化设计，将矩形、锯齿形流道转角处的尖角改为圆弧连接，优化后的流道不存在涡旋区和低速区，此改进解决了部分堵塞问题[25-26]。杨宝中等指出孔眼不易堵塞的尺寸在0.7～1.2 mm[28]。孔径小于0.7 mm时，灌溉水中的泥沙极易堵塞孔眼；孔径大于1.2 mm时，土壤中的泥沙会堵塞渗灌管的孔眼和渗灌管。因此渗灌孔眼直径一般取为1.0 mm。程先军等指出，采用人工扎孔方式制成的出水孔制造精度差，极易堵塞[3]。由以上分析可知，灌水器内部、出水孔的制造精度要求很高，在灌溉水流量保持不变的情况下，可将灌水器流道长度保持不变，流道宽度适当增大，流道转角处设计为光滑过渡圆弧，灌水器孔径取为1.0 mm。

2.1.2 抗负压堵塞

王荣莲等指出，以色列Plastro公司针对负压堵塞发明了一种内镶式压力补偿滴头，该滴头可有效防止负压堵塞[20]。根据此原理，我国成功研制出类似的地下滴灌灌水器（图3）。当灌水器进水口处的水压达到一定值时，压力补偿片会自动打开，使水流顺利通过管道；当灌水器进水口处的水压小于0而产生负压时，压力补偿片会紧压于流道进水口的凸缘，将流道完全关闭以防止负压吸泥。此灌水器既可调节水压，又可防止负压堵塞。王荣莲等发现，窄缝出口形式的抗负压堵塞效果优于圆孔出口形式、带舌片的出口形式；小流量滴灌带的抗负压堵塞效果优于大流量滴灌带[30]。另有专家指出，在灌水器外包无纺布，以及在微灌系统中安装真空破坏装置，均可起到抗负压效果[3]。

2.1.3 压力补偿型灌水器 压力补偿型灌水器是指在一定压力范围内实现恒流出水的灌水末端装置。压力补偿型灌水器主要分为管上式压力补偿灌水器、迷宫式流道补偿式灌水器[31]。管上式压力补偿灌水器不仅具有压力调节功能，还具有自清洗功能，可将杂质、微粒冲出灌水器以达到抗堵效果。在管上式压力补偿灌水器的调节腔内有1个弹性薄片，其下有出水孔的底座。灌水器通水时，当水压大于某恒定值时，弹性片压向出水孔底座，使出水流道变小，且出水流道随水压的增大而逐渐变小；水压变小时，出水流道将变大，当压力低至一定值时，弹性片将完全脱离出水孔底座，此时出水流道变到最大，流量也相应增大，转换为冲洗状态[32]（图4）。

2.2 水化处理

灌溉水的化学处理是指在灌溉水中通入或加入化学物质，使其进行化学、生物反应以达到疏通灌水器出水孔的效果[33]。氯气作为一种低成本杀菌灭藻劑，具有良好的经济性，在保证加氯设备安全的前提下，氯气可以很好地疏通灌水器。氯气极易溶于水并发生化学反应。氯气与水反应生成次氯酸、盐酸；次氯酸电离为次氯酸根、氢离子。

在酸性环境中，次氯酸分子易于扩散到带负电荷的细菌表面，并通过细胞壁进入细菌内部破坏其内部系统，从而杀死细菌和藻类。对于中度或重度堵塞可采用100～150 mg/L浓度的氯水冲洗10～30 min，再用清水冲洗，即可达到杀菌除藻的效果。氯水中的盐酸可与灌水器中的沉淀物发生化学反应。碳酸钙与盐酸反应生成氯化钙、水、二氧化碳；碳酸镁与盐酸反应生成氯化镁、水、二氧化碳。反应生成的氯化物易溶于水，用水冲洗便可疏通出水孔。对于根系堵塞，可向灌溉水中加入一定浓度的除草剂，灌溉时间不超过15 min，灌溉后用清水冲洗，便可解决根系堵塞问题[21]。

2.3 灌溉系统管理

灌溉系统的设计和管理对抗堵至关重要[3，5]，需严格过滤灌溉水，并定期冲洗系统以去除管中积累的泥沙等沉积物。若水中杂质主要为泥沙，首部过滤可选择网式过滤器、离心式过滤器组合；若水中杂质主要为藻类，可选择网式过滤器、砂石过滤器组合；若水中杂质既有泥沙又有藻类，则需要砂石过滤器、网式过滤器、离心式过滤器组合。过滤精度要求不高时，可选用120目过滤器；过滤精度要求较高时，可选用150目过滤器。

3 结语

从灌溉水源、灌溉方式、灌水器构造3方面对微灌系统的堵塞原因、抗堵方法进行探讨。目前，国内外尚未找到可解决全部堵塞问题的方法，一般仍通过改进灌水器流道、优化灌水器内部结构来实现抗堵。合理的灌溉系统设计和管理可起到良好的防堵效果，化学抗堵方法会对环境、土壤造成污染，要严格控制使用量，一般不提倡使用。

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