引黄滴灌器堵塞环境因子的相关性分析

杜慧慧，马太玲，于 健 ，宋耀兴

(1.三亚学院管理学院，海南 三亚 572000；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018； 3. 内蒙古水利科学研究院，呼和浩特 010018)

乌海市深处大陆中纬度地区，属于草原与沙漠过渡带，降雨量少，搜集多年资料分析乌海市年均降水量仅仅160 mm，是年蒸发量的1/21，人均水资源量不足全国的1/5，属严重缺水地区。乌海市近年来积极引入先进的节水灌溉技术，在林业上已发展滴灌面积达3 000 多hm2，同时发展以葡萄种植为主的温室滴灌面积达0.33多万hm2。乌海市滴灌用水主要引用黄河水，在引黄滴灌的过程中出现了如下问题，虽然对高泥沙黄河水进行了泥沙沉淀处理，但仍然经常出现滴灌器头部、喷嘴甚至管道的堵塞，严重影响了节水灌溉技术的推广和发展。

长期以来，大多数认为造成滴灌器堵塞的主要原因是颗粒物堵塞，而颗粒物大多是泥沙。近年来的研究[1-3]表明，造成滴灌器堵塞的直接原因除了物理因素外还有生物因素。在本研究中滴灌用水主要是黄河水，黄河水的特点便是高泥沙 ，因而分析认为物理因素主要是泥沙颗粒，生物因素主要是微生物。国外研究[4]表明滴灌器的堵塞主要是物理、生物和化学因素间进行相互作用，使得颗粒物形成具有一定黏性的小团体，加速了堵塞，研究表明如果控制其中一种因素的作用，便可降低滴灌器的堵塞。Bucks[4]认为，各种滴头堵塞因素中，生物堵塞所占比重较大。

黄河水的水体中泥沙颗粒表面属于微界面，具有较大的表面积促使营养物质附着，使得各污染物质在其表面进行耦合作用。泥沙颗粒表面的微生物在适宜的环境中生长繁殖，进一步形成具有一定黏性的菌胶团，使得泥沙颗粒表面的吸附作用增大且具有更大的微界面，形成具有较复杂的泥沙颗粒污染物。由于泥沙颗粒本身具有一定的黏性，在微生物的作用使得它们相互作用，形成一个在水体中携带水体中主要物质的载体，随着水体运动，促进了水体中微生物和营养物质的迁移转化。

微生物会在泥沙颗粒表面作用。水体中的多数营养物质会被泥沙表面的微生物吸收转化，同时泥沙自身表面也会吸附营养物质，因此大部分营养物质伴随泥沙运动，沉降在水体底部的泥沙颗粒便会形成具有高营养的泥沙沉积层，起到污染物“汇”的作用[5]，而在一定的作用条件下，“汇”的营养物质会以不同的形态再一次的返回到水体中，使得成为一个循环。研究表明，水体中藻类会悬浮在水体中，在生长过程中需要吸收营养物质，而随泥沙沉降到底部的营养物质的吸收和释放，会使水体中的浓度保证藻类的生长[6]。

项目组于2013年5-10月对乌海市3个不同模式的黄河原水沉淀池及滴灌器出水的水质指标，包括细菌总数、浊度、藻类、CODMn、TP和TN等进行了取样及检测分析。根据检测分析结果，本文为了研究引用黄河水对滴灌器堵塞影响因素，着重分析了泥沙含量与其他各指标的相关性，揭示了引黄滴灌水在沉淀过滤过程中浊度与其相关因素的变化规律。

1 试验方案

1.1 试验场地

在乌海市选取了3个具有代表性的沉淀过滤系统，分别是林业湖、朝阳湖和如意湖。其中如意湖为供林业灌溉用水的蓄水沉淀池，朝阳湖既是灌溉蓄水沉淀池又兼做养鱼塘之用，林业湖蓄水主要为景观用水兼做灌溉备用水。3个沉淀池均为平流式沉淀池，由前池和后池组成，池后设有加压泵房，泵房内安装有网式过滤器。黄河水通过约9.8 km的引水渠道由提升泵站送到各湖前池，进入前池的水经初步沉淀后翻越挡水墙进入后池再次沉淀，沉淀后的水由加压泵房打入到网式过滤器内进行过滤，再输送到滴灌器经滴头流入作物根部。

1.2 监测点布设和采样频次

在每个沉淀池的前、后池分别设置两个监测断面，每个监测断面分别设置3条垂线，共12个监测点，在每个监测点表面以下0.5 m处采集水样(水深<2 m)；同时在每个沉淀池过滤器后的滴头处设置一个监测点，采集滴头出水水样。

一般每个灌溉期每月采样1次，以便采集到各种情况下的水样，掌握各种条件下的沉淀和过滤情况，分别测定各项指标，分析其相关性。

2 分析结果与讨论

对采样数据利用SPSS 统计分析软件进行相关性分析，得到各水质指标与浊度的相关系数，见表1。

表1 浊度与各项指标的相关系数Tab.1 The correlation coefficient of the turbidity and other indicators

注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关； **表示在0.01 水平(双侧)上显著相关。

2.1 浊度与各项指标的相关性分析

(1)浊度与细菌总数呈显著正相关。根据数据分析水中泥沙含量降低的同时，细菌总数也在减少，说明水体中的微生物大部分与泥沙颗粒共同作用形成一个整体。微生物在生长繁殖的过程汲取水体中大量的营养物质，只是泥沙表面聚集大量营养物质。微生物在泥沙颗粒表面附着生长，逐渐形成具有一定黏性的菌胶团，进而使得滴灌器更容易堵塞。在天然水体中，由于存在泥沙和营养物质，因此滴灌带堵塞物质中只要有泥沙颗粒，就必然有细菌存在。Taylor[7]等对再生水和自来水进行滴灌带堵塞的试验研究结果发现，沙粒引起滴灌器堵塞仅仅占6%，而微生物在泥沙表面作用形成的黏聚物引起的滴灌器堵塞占90%以上。

(2)如意湖和林业湖水中浊度与CODMn呈正相关性，而朝阳湖水中浊度与CODMn呈负相关性。CODMn是水体中还原性物质的污染指标。有研究表明，泥沙颗粒大小、泥沙含量、微生物种类及数量，水温及水力条件等影响水中CODMn的浓度[6]。黄河水的CODMn的浓度和泥沙的含量呈正比关系[8]，粒径越小比表面积越大越有利于生物降解。微生物数量越高，微生物代谢作用速度越大， CODMn降低得越快。由于如意湖和林业湖两沉淀池内的营养物质相对较低，大部分均被泥沙颗粒表面吸附。因此这两个沉淀池的CODMn与浊度呈正相关性。而朝阳湖营养物质相对较高，微生物数量较多，而泥沙颗粒不能满足微生物的附着，部分被水体中游离的微生物吸收降解， CODMn降低，致使该湖中CODMn与浊度呈负相关性。

(3)浊度与叶绿素a呈不明显的负相关性。泥沙颗粒在水中会影响光线在水中的辐射，进而影响叶绿素a在水中的生长。沉淀池水经过沉淀，悬浮在水中的颗粒较少，因而对光的影响也较低，因此两者的负相关性不明显。

(4)林业湖水中的浊度与TN呈正相关性，如意湖和朝阳湖的浊度与TN呈负相关性。氮元素是生物生长过程中必不可少的元素之一，尤其可促进藻类的大量生长繁殖，随着社会的发展，大量的生活污水及工业废水大量排入到在天然水体中，使得水体中的营养物质超标，导致水体中藻类大量繁殖，造成富营养化。有研究发现泥沙吸附氮的能力与泥沙浓度、泥沙粒径、污染物浓度等有一定影响，TN浓度越大、泥沙含量越高、泥沙粒径越小，吸附效果越明显[9]。

林业湖浊度与TN呈正相关性，且TN含量总体均低于其他两湖。这除了可印证泥沙颗粒能够吸附氮外，同时证实，由于引黄水进入该湖后静置时间较长，水体中的氮被泥沙充分吸附后随泥沙沉淀进入底泥，表明增加静置时间有利于泥沙对氮的吸附作用。朝阳湖和如意湖浊度与TN呈负相关性，这是由于如意湖中生长有大量的高等水生植物，浊度越低时，释放的氮含量越高；朝阳湖由于兼有鱼类养殖的功能，沉积的泥沙中含有大量的氮化合物，在一定的条件下会向水体释放，朝阳湖水体更新快，黄河水引入朝阳湖是氮化合物浓度含量较低，而此时浊度较高，在沉降过程中，朝阳湖中鱼类及个生物代谢活动使得水体中的浓度提高，因此导致朝阳湖浊度与TN呈负相关性。

(5)3个沉淀池水体浊度与TP浓度均呈正相关性，说明泥沙对TP的吸附与池水静置时间、水生植物的生长、底泥的释放特性均无明显关系。有研究也表明，水中TP的浓度与泥沙对磷的吸附呈线性关系，且含沙量越大吸附磷的速度越快[10]。影响泥沙对磷吸附和释放的主要因素有泥沙浓度、粒径、pH值、磷的浓度、水中有机碳水和温等。泥沙对磷的吸附程度与其颗粒粒径有关，粒径越小，比表面积越大，吸附能力越强[11]。由表1可见，如意湖水体浊度与TP浓度呈显著正相关性，而朝阳湖和林业湖水体浊度与TP浓度呈一定正相关性。这是由于如意湖用水较大，水体扰动较大，进水、出水频繁，而林业湖和朝阳湖用水量较小，表明水体的扰动可促进泥沙对TP的有效吸附。

2.2 影响滴灌器堵塞的主要原因及防治措施

(1)检测到滴灌器出水的细菌总数值均在1万个/mL以上，根据有关滴灌器堵塞水质分类等级的规定，该微生物的数量在水质标准的规定中达到了中度堵塞等级；而微生物的数量根据沉淀池中水停留的时间，季节不同温度的影响以及人类投放营养物质的不同而不同。因此要想降低堵塞率，需适宜的调节沉淀、过滤泥沙的效果，同时还要减短停水时间、降低水温以及减少营养物质的投放等其他影响因素。

(2)由于各沉淀池的后池大于前池，经检测后池的叶绿素a也高于前池得含量，说明沉淀池的面积越大越有利于藻类的生长繁殖；同时朝阳湖后池兼做养鱼塘，投放的饵料及鱼类的活动促进了藻类的生长繁殖。但是如意湖后池内种有一些大型水生植物，同属绿色植物，需要沉淀池中的营养物质，因此与藻类处于竞争关系，因此在沉淀池内适量的水生植物可以抑制藻类的生长，同时水生植物还可以吸附水中悬浮颗粒。

微生物之间具有相互制约和相互竞争关系。过滤装置对叶绿素a有一定的过滤作用。池水停留时间越长越有利于叶绿素a的生长。

水生植物可以净化水体，同时大量吸收水中营养物质，抑制了其他生物对营养物质的吸收，因此抑制了微小的藻类的生长繁殖，进而降低了藻类对滴灌器的堵塞。但是水生植物的生命周期较长，因而吸收的营养物质也较多，死亡后会再次腐蚀释放回水体，为了降低水体营养物质，需将死亡的植物及时打捞，这样可避免水中微生物的生长繁殖。依据8-10月份数据分析，如意湖后池内水生植物生长吸收了营养物质，抑制了藻类的生长，TP含量逐渐降低。因此沉淀池内的大型水生植物需在死亡及时打捞，避免将营养物质再次释放到水体中，加剧微生物的生长繁殖，增加滴灌器堵塞的可能性。

3 结 论

影响滴灌带滴灌器堵塞水质指标包括浊度、叶绿素a、细菌总数、TP、TN、CODMn等，本文通过浊度和其他各水质指标相关性分析，分析了滴灌器堵塞的主要影响因素。

(1)浊度与细菌总数呈显著正相关关系，说明泥沙的含量和细菌的生长繁殖共同存在，由于细菌在生长繁殖过程需要一个载体依附，而在水中微小的泥沙颗粒表面会有较多的营养物质因此最适宜细菌的生长。因此滴灌带滴灌器堵塞有泥沙就必然有细菌。

(2) 泥沙颗粒表面的物质对CODMn会进行吸收，与泥沙表面微生物的活动有一定关系。微生物活动越多，生物吸收营养物质能力会越大，水中CODMn越易被吸收。

(3)浊度与叶绿素a呈不太明显的负相关性。泥沙颗粒在水中会影响光线在水中的辐射，进而影响叶绿素a在水中的生长。沉淀池水经过沉淀，悬浮在水中的颗粒较少，因而对光的影响也较低，因此两者的相关性不明显。

(4)泥沙颗粒能够吸附氮，增加水体静置时间有利于泥沙颗粒对氮的吸附沉降。水生植物可吸收和释放氮营养物质；沉积在底部的泥沙中含有较多的氮，在一定的 条件下会向水体释放。

(5)TP的浓度与泥沙吸附磷的速度呈一定的线性关系，且泥沙含量正比关系。水体的扰动可促进泥沙对TP的有效吸附。

综上分析，影响滴灌器堵塞主要因素是泥沙与细菌的共同作用；而细菌的生长繁殖与环境因素相关，因此在实际运行中应降低营养物质的投放，适量种植水生植物。

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