石羊河流域玉米膜下滴灌过滤器性能选型研究

2017-03-21王文娥胡笑涛西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

节水灌溉 2017年11期

王睿，王文娥，胡笑涛(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100 )

石羊河流域位于甘肃省河西地区，属干旱地区，农业生产“非灌不殖”，主要利用雪山融水及地下水灌溉，水资源严重短缺。经过多年实践，膜下滴灌已成为当地主要的节水灌溉技术，大大促进了当地农业的发展。水肥一体滴灌系统可以很好地实现覆膜后的作物追肥，但由于液态肥料价格高，当地生产多用固体化肥，导致滴灌系统易发生堵塞，更换堵塞管道使投资大幅度提高，很多用户放弃使用这项先进节水技术。因此迫切需要根据当地水源及种植模式，采取有效措施来减轻水肥一体膜下滴灌系统堵塞问题。

滴灌水肥一体灌溉施肥过程中，常采用固体化肥溶解于水中，其中部分未溶解的固体肥料颗粒随水流进入滴灌管和灌水器，引起堵塞，降低灌溉均匀度和使用寿命，因此在施肥设备与滴灌管之间设置过滤设备防止堵塞发生。目前，国内外学者对过滤设备的过滤性能及影响因素进行了大量研究。叶成恒，范兴科[1]等认为在泥沙处理方面，离心叠片类过滤器泥沙处理能力明显优于离心筛网类过滤系统；在能量损耗方面，离心筛网类过滤器的水力性能优于离心叠片类。刘焕芳，王军[2]等对网式过滤器进行了系统的水力性能试验，指出过滤器的局部水头损失变化与过滤流量、过滤时间、水源含沙量有关。李楠，翟国亮[3]等研究分析认为叠片过滤器其水头损失均随加砂量的增加而呈非比例的增加，在加砂量达到一定量时，水头损失出现激增，并迅速达到或超过安全压差。阿不都沙拉木，彭立新[4]等认为120目以上的叠片式过滤器的过滤效率是网式过滤器的2倍多，堵塞时间是网式过滤器的4倍。

在石羊河流域膜下滴灌系统多运用压差式施肥罐装置施肥，并采用高目数过滤器对难溶于水的肥料颗粒进行过滤，过滤效果虽好，但水头损失大、清洗频繁。本文采用两级过滤器组合形式，在使用当地常用的化肥情况下观测过滤效果及水头损失情况，以确定适宜的过滤器组合方式和运行模式，为提高当地玉米水肥一体膜下滴灌抗堵塞性能提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

本试验于2016年5-9月在甘肃省石羊河生态节水试验站内进行。该试验站地处腾格里沙漠边缘，平均海拔1 581 m，干旱指数15～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸发量2 000 mm以上，属于典型的干旱缺水地区。

1.2 试验设计

1.2.1 水源来源

实验站水源为井水，经过砂石过滤器后通过管道水送到试验地头。水中主要含有碳酸氢根离子、硫酸氢根离子及氯离子等阴离子；阳离子主要含有钙离子、钾离子及镁离子。pH值8.0，矿化度510，总硬度250 mg/L，为中性偏弱碱性淡水，水质微硬。

1.2.2 滴灌系统布置

试验地长55 m，宽22 m，共占地1 210 m2(0.12 hm2)。采用当地先玉四号玉米种植，膜下滴灌采用一膜一带两行种植方法，膜宽40 cm，玉米株距25 cm，行距40 cm。玉米定植前布置滴灌系统、覆膜，滴灌系统包括水源、干管、压差式施肥罐、一级过滤器、支管、二级过滤器、毛管及压力表、阀门、水表等，其中压差式施肥罐容积13 L，一级过滤器采用叠片80目(D80)、叠片40目(D40)及网80目(W80)3种，二级过滤器采用目数一致的网式和叠片式120目(W120、D120)两种，滴灌带采用当地常用的内镶柱形滴灌管、侧翼迷宫式滴灌带及内镶贴片式滴灌带3种，共27个处理，各处理形式见表1。

具体布置如图1所示，试验地划分为9个试验小区(4.4 m×18 m)，3个施肥系统，每3个小区并联组成一个独立的滴管系统进行灌水施肥。每个小区由一条干管控制，每条干管控制3条支管，每条支管控制一个小区的3条毛管(滴灌带长18 m)。干管首部设置阀门、施肥罐及管件用来控制灌水量、施肥量；水表、精密压力表(0.25 MPa)安装位置见图1，过滤器规格见表1和表2。

表1 小区过滤装置组合形式

注：D为叠片式过滤器，W为网式过滤器；下标L、M及N分别为内镶柱形滴灌管、侧翼迷宫式滴灌带及内镶贴片式滴灌带。

1-水泵；2-阀门；3-水表；4-精密压力表；5-取水口；6-一级过滤器；7-二级网式过滤器；8-二级叠片式过滤器图1 试验滴灌系统布置图

过滤器类型目数孔径/μm网式800.1801200.125叠片式400.400800.2001200.130

1.2.3 试验方法与步骤

该大田试验首部设有施肥装置，一次施肥灌溉一条干管控制的3个小区面积。试验采用压差式施肥罐，施肥罐在运行最初15 min肥液浓度由最大迅速下降，随后45 min趋于稳定，后3种肥液浓度几乎均接近于清水，即施肥结束。试验过程中每种肥料每次随水施肥1 h，首部压力控制为0.16 MPa，施肥罐压差0.1 MPa，过滤器首部压力0.06 MPa。当系统运行平稳后，每15 min观测记录一次压力表、水表的读数。灌水施肥结束后取出滤网(芯)，观察并记录滤网(芯)的堵塞情况，为保证滴灌系统的正常运行，将滤网(芯)进行人工清洗。

玉米生育期内共进行4轮灌水施肥，根据当地灌溉施肥量，试验设定灌水定额223 mm，化肥施用总量尿素8 kg、硫酸钾4 kg及磷酸二氢铵6 kg，将其平均分配到4轮灌水中，每轮施用量均等，再分配到每个滴灌系统化肥用量尿素2 kg(施肥质量分数0.1%)、硫酸钾1 kg(施肥质量分数0.04%)及磷酸二氢铵1.5 kg(施肥质量分数0.1%)。

2 结果与分析

2.1 一级过滤器过滤效果及堵塞因素分析

运用压差式施肥罐，运行初期罐内肥液浓度值最大，相应未溶液的固体肥料颗粒最多，施肥罐内一部分未溶解的固体肥料颗粒随肥液进入管道。滴灌施肥过程中未溶解的肥料固体颗粒通过过滤器时，部分被滤网(芯)拦截，使滤网(芯)有效过水面积逐渐减小，引起过滤器局部水头损失增大；同时施肥罐内流出的肥液中挟带有固体颗粒，其含量在随时间变化，故过滤器的堵塞程度也在随之变化；部分颗粒在重力作用下会沉积在管道内，若不及时清理不仅使过滤器堵塞程度逐渐加剧，增加水头损失，也会对管道造成一定程度的腐蚀。肥料种类及流量不同时，施肥罐内溶解的肥料量及未溶解的肥料颗粒大小也不尽相同，因此需要根据肥料的种类确定适宜的过滤器目数及清洗周期，以保证系统正常运行。

图2和图3给出了只设一级过滤器(D80、D40及W80)条件下，分别施加N、K、P肥及清水过程中过滤器流量、水头损失随时间变化的过程。1 h灌溉清水过程中流经过滤器流量0.04 m3/min左右，流量大小只有过滤器允许最大过流量的1/10，因此三者的水头损失大小都极小且接近于0。对比N、K肥料，流量则比清水灌溉时降低了0.01 m3/min左右且保持平稳过流量，其水头损失大小却增加了0.1 m其值占总水头损失的2%。根据水头损失变化曲线看到，施加N肥(施肥质量分数0.1%)和K肥(施肥质量分数0.04%)不会引起过滤器有效过水面积急剧减小，二者肥料均溶解于水但伴有少量杂质导致水头损失的小幅度增加。所以施加N、K肥不是影响滴头堵塞的主要因素，从而滴灌施肥保障了N、K肥能有效随水流入田间，提高了施肥及灌水效率。

图2 3种一级过滤器不同肥料和清水条件下流量变化曲线

滴灌系统实际运行过程中，从节约能源考虑，过滤器的水头损失以不超过3 m为宜，即当过滤器造成的局部水头损失达到3 m时，应对其进行清洗[11]。同时，过滤元件清洁度C(过滤元件的实际过水面积与其总过水面积之比)[2]与水头损失呈负相关关系，它可以直接反应过滤元件是否需要清洗。同样，利用一级过滤器(D80、D40及W80)施加P肥(施肥质量分数0.1%)，从图2(d)看到，15 min内D80、W80的水头损失已增大到3 m左右其值占总水头损失的50%，其后45 min内没有明显变化，三者流量相对于清水灌溉有明显不同程度的降低依次是D80、W80、D40。造成过滤器短时期内堵塞的主要原因是施肥罐运行初期罐内不溶解的肥料颗粒含量最多、浓度最大，因此前15 min大量不溶于水肥料颗粒在水流作用下从施肥罐内输送至管道，引发大量颗粒肥料聚集在滤网和叠片流道凹槽内使滤网(芯)短时间被堵塞85%以上，即C≤0.2，水头损失达到3 m，导致D80、W80的流量相比于清水灌溉降低了50%左右，而后随着水流不断注入罐内，使罐内肥液浓度急速降低、不溶颗粒含量减小，少许肥料颗粒附着在滤网(芯)上不足以引起滤网(芯)相对有效面积的增加，可见施肥罐运行初期罐内肥液浓度高、不溶肥料颗粒含量多是导致过滤元件被堵塞的直接原因。由图3(d)还看出D40水头损失大小在施肥过程中是逐渐增大到1 m的，其值占总水头损失的17%，造成水头损失变化不明显的原因是D40过滤精度低，大部分未溶解于水中的颗粒可以无阻碍通过叠片流道致使过滤器水头损失增幅甚微，随着施肥的继续进行，滤芯上较大的肥料颗粒缓慢累积，有效过水面积逐渐减小，导致水头损失大小呈现缓慢且小幅度增加，流量与N、K肥情况下几乎保持不变。可见，P肥溶解度低是导致过滤器堵塞的主要原因，过滤器的堵塞程度可通过其水头损失大小反映，水头损失大小与过滤器滤网(芯)的有效过水面积呈正相关，其有效过水面积与施肥的种类、浓度、时间密切相关，还与滤网(芯)过滤精度间接相关。

图3 3种一级过滤器不同肥料和清水条件下水头损失变化曲线

2.2 二级组合过滤器过滤效果及堵塞因素分析

一级过滤器堵塞程度与过滤器滤网(芯)的有效过水面积呈正相关，与流量呈反相关。当一级过滤器堵塞程度大，则有效过水面积急剧减小，流量大幅下降，致使肥液无法流入田间，为此是否有必要加二级过滤器再次过滤，进行了设有二级过滤器的水头损失、流量随时间的试验。如图4所示，施P肥(施肥质量分数0.1%)下6组不同组合类型的过滤器流量、水头损失随时间变化过程。从图4可以看到设有二级W120的D80/W80+W120组合方式的水头损失在15 min内均达到最大总水头损失6 m，流量均降至0，即过滤器几乎完全堵塞，查看过滤器堵塞状况，见表3，一级(D80、W80)、二级(W120)过滤器堵塞率均在90%以上，造成流量降至0的主要原因是二级W120的完全堵塞；二级设有D120的D80/W80+D120组合方式的水头损失在15 min内增大到4～5 m其值占总水头损失的66%～83%，15 min后水头损失下降了1 m其值占总水头损失的17%，查看堵塞状况，一级过滤器(D80、W80)滤网(芯)被堵塞均在85%以上(即C≤0.15)，二级D120滤芯被堵塞不到30%(即C≥0.7)。

因此从图2～图4可以看出组合过滤器的水头损失、流量大小与一、二级过滤器堵塞程度密切相关，但流入毛管的流量大小则主要取决于二级过滤器的有效过水面积。由于一级过滤器过滤精度较低，过滤大颗粒杂质，当堵塞程度大时，由于这些大颗粒杂质形状不规则，相互“咬合”不紧密，使得水流依靠缝隙穿过。二级过滤器过滤精度较高，当发生堵塞程度严重时，颗粒物质相互“咬合”紧密，水流几乎无法继续前行。进一步影响二级过滤器流量不同的原因在于其构造及水通过的流向不同：网式过滤器构造简单，通过简单的一层薄滤网过滤杂质，只是简单的平面过滤，其水流是由内到外的，没有切向水流，大部分杂质堆积在滤网内；而叠式过滤器运行过程中，水流是从外通过叠片流道进人叠片内部，叠片通过弹簧和流体压力压紧，压差越大，叠片压得越紧，且水由叠片外缘通过沟槽流向叠片内缘，经过多个过滤点形成深层过滤，杂质附着在叠片外表面，形成过滤效果，水流通过一段较长狭窄流道才能达到过滤效果。

通过过滤原理的不同还可以看到水头损失大小与过滤器的类型相关。网式过滤器的滤网可以在短时间内减小滤网有效过水面积，堵塞程度未达到一定范围对流量、水头损失大小影响并不大，而通过叠片式过滤器过滤需要经过流道内的多个过滤点才能达到过滤效果，其堵塞时间比网式过滤器要长，故抗堵塞性能远远好于网式过滤器。因此，肥液通过一级过滤器(D80、W80)过滤掉大颗粒肥料后，其余的小颗粒肥料随着水流流入W120，短时期内大量小颗粒附着在滤网上造成有效过水面积急剧减小，滤网被堵塞达90%以上(即C≤0.1)，流量降至0，水头损失大幅增加达到最大6 m；而流入D120后大部分颗粒肥料附着在了滤芯外部，一部分小颗粒肥料进入流道内进行深层过滤，短时间内水头损失增大到4～5 m，随后15 min水头损失下降，该原因可能是在水压的冲击下附着在滤芯外部的杂质剥落，使得压差有所回落。

过滤器水头损失大小还与过滤器的过滤精度相关联。由图4(b)还可看出D40+W80/D120组合形式的水头损失大小均不到1 m其值仅占总水头损失的17%，滤网(芯)被堵塞不到20%(即C≥0.8)，可见未溶解于水的肥料颗粒大部分均小于D40的孔径大小0.4 μm，使得大部分大颗粒肥料通过D40，但这些通过的大颗粒肥料并没有在水流的带动下流入到二级过滤器，而是经过管道拐弯、收缩等部位时与管道内壁产生了碰撞、摩擦造成一部分颗粒杂质在摩擦、碰撞过程中能量降低聚集在了管道内，致使颗粒杂质并没有进入二级过滤器进行二次过滤，在冲洗管道过程中观察到有大量颗粒物质从干管中冲刷出来，验证了大颗粒杂质大部分未流入到二级过滤器中进行二次过滤。二级过滤器水头损失大小主要与堵塞影响相关，同时还与过滤器类型、精度相关。

图4 过滤器的水头损失、流量随时间变化过程

2.3 二级过滤器优势分析

多设一级过滤器的过滤效果同只有一级过滤器的过滤效果是否有所差异，为此我们选择其中一种内镶圆柱形滴灌管，根据其滴头流量大小来反过来判断过滤器设置的合理性。首先对施加一次P肥(施肥质量分数0.1%)下只有一级过滤器和设有二级过滤器的滴头相对流量进行大小比较，如表3所示其值可以反应过滤器的过滤效果是否良好。选取已知的内镶柱式滴灌管的流量～压力关系式：q=13.91H0.605[5]，已知清水灌水压力0.06 MPa下灌水器流量2.45 L/h。由施肥流入灌水器的流量与清水灌溉下灌水器的流量比值得到滴头相对流量。看到设有二级(D120)过滤器后的滴头相对流量比设有一级(D80、W80)过滤器后的滴头相对流量分别提高4%、10%左右。可见二级W120及D120可以对小颗粒肥料杂质进行二次过滤，在一定程度上缓解了滴头的堵塞程度，提高了肥液的利用效率，且W80缓解滴头堵塞的能力要高于D80。D40的滴头相对流量理论上应该比D80、W80的滴头相对流量小，但实际要大很多，可见肥料大颗粒杂质没有经过二级过滤器(W120、D120)，而是沉积在了管道内，进一步说明经由D40肥液中的大颗粒肥料未进入到下一级过滤器中。因此，得出过滤效果由好到差依次是：W80>D80>D40。

表3 一次施P肥下过滤器堵塞率及毛管的滴头相对流量 %

其次，在四轮灌水施肥过程中，未对支管后的毛管进行任何处理，因此毛管的累积堵塞程度可以反应过滤器在连续运行过程中的过滤器过滤效果是否有所下降，对累积4次施加K、P肥情况下毛管的滴头相对流量进行比较见表4。连续4次累积施加K肥时，当只有一级过滤器(D80、W80)时，其后的滴头相对流量随着施肥次数的增加逐渐下降到初次施肥流量的40%左右，当设有二级过滤器(W120、D120)时，随着施肥次数的增加其后的滴头相对流量降幅有所缓解，比只有一级过滤器(D80、W80)后的滴头相对流量提高了20%左右。连续4次累积施加P肥时，当只有一级过滤器(D80、W80)时，其后的滴头相对流量随着施肥次数的增加流量大幅度下降。其中下降幅度最大的是一级D80的3种情形，下降大小分别是58%、45%及56%；下来是一级W80的3种情形，下降大小分别是48%、33%及36%。设有二级D120的下降幅度均最小，由此可见二级D120的过滤效果要优于W120。在只设有一级D80后的滴头相对流量在第3次施P肥时发生完全堵塞，W80在第4次施P肥时发生完全堵塞，可见累积4次施加K肥并未使滴头发生堵塞，而累积四次施加P肥对滴头造成完全堵塞。因此一级W80在一定程度上减缓了滴头的堵塞，但连续多次施肥下会导致滴头完全堵塞直至流量降为0，设有二级过滤器(W120、D120)后，一定程度上可以提高施肥次数，延长滴头使用寿命。综上所述，设有二级过滤器具有明显优势，提高了肥液的利用率。

表4 4次累积施K、P肥条件下滴头相对流量 %

3 过滤器组合及系统运行模式优化分析

对6组过滤器组合形式进行探讨，由于P肥中大部分未溶解的肥料颗粒粒径小于D40孔径(0.4 μm)大小，排除掉过滤精度较低的D40的组合形式。首先从过滤器水头损失、流量大小来看(见图4)，W80/D80+D120的组合方式最优，其流量大小比施加N、K肥流量相差不大，水头损失达到总水头损失的50%。其次对过滤器后的毛管滴头流量大小进行比较，见表4，滴头流量降幅最大的是D80+W120的组合形式，最小的是W80+D120的组合形式。最终得出，W80+D120的组合形式最优，过滤效果最好且可以最大限度地延长滴头使用寿命，提高肥液利用率。

针对压差式施肥罐在初始阶段施肥液中不溶颗粒过多造成过滤器短时间内堵塞严重，提出滴灌系统运行模式的优化方案：将流出施肥罐初始阶段的肥液用一分支管道导出，运行开始首先关闭主管道阀门，开启导出肥液的分支阀门，一段时间后再关闭分支阀门继续肥液的输送。其难点在于分流导出时间的把握，既不能让大量肥液被分流出也不能让不溶于水的颗粒物质堵塞滴灌系统。

4 结语

通过在石羊河流域膜下滴灌系统水肥一体运行过程中，由两级过滤器不同组合条件下的过滤效果及水头损失大小试验，得到以下结论。

(1)过滤器水头损失的增加与滤网(芯)的有效过水面积呈正相关。但一级W80发生严重堵塞(滤网被堵塞达85%以上，即C≤0.15)时其过流量并没有大幅度减小，其原因是滤网有效过水面积短时期内急剧减小，但堵塞物质在滤网上形成一层咖色结痂物，随后肥液浓度降低在较大水压的冲击下，在结痂物上形成了许多细小孔隙，肥料由此穿过，对流量影响较小。

(2)膜下滴灌系统水肥一体运行过程中，设二级过滤器(W120、D120)相比只设有一级过滤器而言具有一定优势，一次施P肥下设有二级过滤器的滴头平均流量与只设有一级过滤器的滴头平均相对流量相比提高了3%～10%；累积连续四次施K、P肥下滴头平均流量对比，发现W80相比D80可以延缓滴头堵塞时间，且使用二级D120比W120多提高20%左右的滴头平均流量。

(3)由两级过滤器不同组合条件下的过滤效果及水头损失大小试验来分析最优组合形式，认为D40精度过低，无法过滤掉大颗粒物质使得这些物质最终沉淀、聚集在管道内无法再次进行二次过滤；相同堵塞程度下D80水头损失比W80大很多，对流入二级过滤器的初始水头损失有一定削弱，从而影响毛管滴头出流量。对于二级过滤器的选取需要选择抗堵塞性能较好的过滤器，从滴头的出流量大小可以看出D120的抗堵塞性能要优于W120，且叠片式过滤器在短时期内水头损失与网式过滤器水头损失大小相差不到1 m。从过滤器水头损失、过滤效果及毛管滴头的流量来看，W80+D120的组合形式最优。

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