硫酸钾对浑水滴灌滴头堵塞的影响

官雅辉,牛文全,刘 璐，武志广，潘雅阁

(1 中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；3 中国科学院大学，北京 100049；4 西北农林科技大学 a 水土保持研究所，b水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

为缓解农业水资源供需矛盾，滴灌技术越来越多地应用到大田作物灌溉中。近年来，引黄灌区灌溉面积逐渐扩大，但黄河水所携带的泥沙成为引黄灌区节水农业发展的制约因素[1],即使采用各类相关配套过滤设施过滤掉大部分泥沙，小于0.1 mm的泥沙仍会大量存在于灌溉水体中，成为滴头堵塞的重要影响因素。因此，研究黄河水等含有较高泥沙水质滴灌时滴头的堵塞过程，以及水肥一体化滴灌过程中滴头堵塞的发生发展规律，对提高黄河水滴灌效果、扩大黄河水滴灌面积等具有重要意义。钾肥对植物生长和发育具有重要作用，引黄灌区土壤中有效钾含量较低，为保证作物的正常生长并提高农产品产量与品质，需人为向土壤中施用钾肥[2-3]，因此研究黄河高含沙水质的硫酸钾一体化灌溉技术，对引黄灌区农业生产具有十分重要的实际意义。

为此，本试验选择了3种不同硫酸钾质量浓度和3种不同含沙量水源，探究含沙浑水中施入钾肥对滴灌滴头堵塞的影响，分析滴头堵塞的机理，以期为引黄灌区中浑水灌溉与施钾一体化滴灌技术的建立提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验用毛管为内镶片式迷宫流道滴灌带(莱芜市春雨滴灌技术有限公司产品)，滴头流道宽0.67 mm，齿高0.93 mm，流道深为0.95 mm，齿尖角为30°,毛管管径为16 mm。滴灌系统运行的常压水头为100 kPa，而低压滴灌的工作水头不大于50 kPa，实际生产中滴灌系统的运行压力大多介于两者之间。前期预试验发现，工作压力对滴头堵塞的影响非常小，工作压力在60～120 kPa时，滴头堵塞情况基本一致，这与前人的研究结果[11]大致相同。故本试验采用工作压力为70 kPa。

钾肥为农用硫酸钾(国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司产品,后面简称为K肥)，K2O质量分数≥51%，将硫酸钾加入水中，经充分搅拌溶解并静置分层后，滤除溶液底层沉淀，取上清液配制试验用肥液。

由于试验条件有限，不便于直接引用黄河水进行试验，因此以泥沙与水混配方式模拟黄河含沙水流。试验用水为自来水；试验泥沙取自渭河陕西杨凌段河漫滩地河床淤泥，即将河床淤泥表面的树枝、草等杂质剔除之后，用铁铲收集表层0～15 cm淤泥，带回实验室风干、研磨，最后过0.1 mm的筛网。试验用泥沙级配为粒径<0.002 mm的占13.24%，≥0.002～<0.005 mm的占3.61%，≥0.005～<0.01 mm的占4.85%，≥0.01～<0.02 mm的占11.98%，≥0.02～<0.05 mm的占41.4%，≥0.05～<0.1 mm的占24.92%，其中黏粒、粉砂和砂粒分别占13.24%,20.44%和66.32%。因此，为了减少测试过程中过滤设备对设置泥沙量的影响，测试系统未配置过滤装置。结合本课题组已有调查结果，试验用泥沙级配与引黄灌溉水流中泥沙级配大致相同，因此本试验所配制的浑水基本能代表引黄灌溉的浑水情况。

抗堵塞测试平台(图1)参照SL/T 67.1-94《微灌灌水器 滴头》、GB/T 17187-2009《农业灌溉设备 滴头和滴灌管 技术规范和试验方法》以及国际抗堵塞研究标准草案[12]关于室内滴灌滴头堵塞敏感性测试试验搭建而成，试验装置由压力变频器、数据自动采集设备、水沙混合设备和堵塞测试台组成。工作水头控制精度为0.01 m；设定数据自动采集时间的间隔为1 s，水沙混合设备由水桶和搅拌机组成，通过搅拌机搅拌使浑水混合均匀。每组测试4条滴灌带，每条有5个灌水器[13]。本试验目的是探究浑水中溶入硫酸钾造成滴头堵塞的机理，选择较短的滴灌带长度能减小各滴头受工作压力和毛管不同位置泥沙含量差异性的影响，提高试验结果的可靠性。

1.滴头;2.压力表;3.电脑;4.变频箱;5.水泵;6.搅拌机;7.水箱1.Emitter;2.Pressure gauge;3.Computer;4.Frequency conversion box;5.Pump;6.Blender;7.Water tank图1 浑水滴灌抗堵塞试验测试平台示意图Fig.1 Test platform schematic of drip anti-clogging with muddy water

1.2 试验方法

根据GB/T 50485-2009《微灌工程技术规范》[13]并结合相关研究成果[14]，考虑到黄河水含沙量大、泥沙颗粒小的特点，按照过滤后灌溉水中最大含沙量0.1 g/L的10，15，20倍配制灌溉浑水的含沙量(ρs)为1.0，1.5，和2.0 g/L。依照生产实践，分别配制硫酸钾质量浓度(ρn)为0(未施肥)，10，20和30 g/L。采用完全组合试验，共15个处理(其中3个为清水施肥处理)。

采用固定周期的间歇浑水抗堵塞试验方法，测试压力为70 kPa，每次灌水30 min，灌水间隔30 min，灌水结束后通过数据自动采集系统记录每个滴头的出水量，计算平均相对流量qr(%)和灌水均匀度Cu(%)。在试验前，先进行了清水滴灌试验，确定工作压力为70 kPa时滴头的流量为1.59 L/h。

1.3 评价指标与方法

1.3.1 平均相对流量和灌水均匀度 我国《微灌工程技术规范》认为，当滴头流量小于设计流量的75%时滴头发生严重堵塞[13]；国际微灌系统灌水器堵塞测试标准草案对滴灌堵塞的定义为:当滴头流量降幅达到25%～30%则认为发生严重堵塞[12]。在本试验中，为适当延长试验中的灌水次数，设定当平均相对流量小于70%时停止试验，若灌水次数达到20次后，即使未达到相应的停止灌水标准也停止灌水。平均相对流量qr和灌水均匀度Cu的计算公式分别为：

(1)

(2)

计算平均相对流量和灌水均匀度前，先利用流量-温度修正公式[15]对滴头流量进行校正，以消除温度对滴头流量的影响。

1.3.2 堵塞位置 对于只有进水口处被堵塞物完全填充的情况，定义为进水口堵塞；对于只有流道被泥沙完全填充或者流道与进水口完全被堵塞物填充，而流道出口未被堵塞物完全填充的情况，称之为流道堵塞；对于出水口被泥沙完全填充的情况，称之为出水口堵塞。

1.4 泥沙收集和堵塞物质分析

每次灌水结束后，将所有滴头的出水统一收集到水桶中静置，待水体变清澈形成水沙两层结构后，收集桶内泥沙，装入锡箔纸碗中，并放入烘箱(105 ℃)烘干。将烘干的土样装入自封袋，用天平测定其质量。灌水结束后，取下滴灌带，竖直悬挂，从顶部用水进行冲洗，底部用量杯盛装泥沙，待滴灌带内泥沙全部冲出后，静置、烘干并称取毛管淤积泥沙质量，获取毛管内泥沙淤积量并用于其他相关指标的分析。采用马尔文2000激光粒度仪测定毛管淤积泥沙与滴头输出泥沙的机械组成，分别计算黏粒、粉砂和砂粒比例，并参考文献[16-17]计算淤积泥沙颗粒分形维数。将各处理的堵塞滴头在自然状态下风干，收集滴头流道内的泥沙颗粒堵塞物，并用场发射扫描电镜S-4800观测堵塞物质的结构。

2 结果与分析

2.1 浑水灌溉时硫酸钾质量浓度对滴头流量的影响

2.1.1 灌水过程中硫酸钾质量浓度对滴头平均相对流量和灌水均匀度的影响 图2反映了不含沙清水滴灌过程中不同质量浓度硫酸钾对滴头平均相对流量(qr)和灌水均匀度(Cu)的影响。从图2可以看出，清水滴灌时，施加硫酸钾后滴头平均相对流量和灌水均匀度随灌水次数的增加下降幅度均较小，不同硫酸钾质量浓度处理之间差异不显著，灌水均匀度为90.4%～97.0%。

图2 含沙量ρs=0 g/L时硫酸钾质量浓度对平均相对流量与灌水均匀度的影响Fig.2 Sediment content ρs=0 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

图3～5为滴灌过程中不同硫酸钾质量浓度与含沙量组合对滴头平均相对流量和灌水均匀度的影响情况。图3～5表明，在浑水滴灌时，硫酸钾质量浓度越大，随灌水次数增加滴头平均相对流量的下降幅度越大，有效灌水次数减少。如当含沙量为1.0 g/L时，未施肥和10 g/L硫酸钾处理的平均相对流量、灌水均匀度分别保持在97%和95%以上，随灌水次数的增加，二者的下降幅度均较小；当硫酸钾质量浓度为20和30 g/L时，平均相对流量随灌水次数的增加大幅度下降，有效灌水次数仅为16次。当含沙量为1.5 g/L时，未施肥和10 g/L硫酸钾处理的滴头平均相对流量随灌水次数的增加下降趋势比较缓慢；当硫酸钾质量浓度为20和30 g/L时，滴头平均相对流量随灌水次数的增加下降幅度较大，有效灌水次数分别较未施肥处理减少了7次(35%)和9次(45%)。当含沙量为2.0 g/L时，硫酸钾质量浓度对滴头平均相对流量和灌水均匀度的影响与含沙量1.5 g/L处理基本类似。

图3 含沙量ρs=1.0 g/L时硫酸钾质量浓度对平均相对流量与灌水均匀度的影响Fig.3 Sediment content ρs=1.0 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

图4 含沙量ρs=1.5 g/L时硫酸钾质量浓度对平均相对流量与灌水均匀度的影响Fig.4 Sediment content ρs=1.5 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

图5 含沙量ρs=2.0 g/L时硫酸钾质量浓度对平均相对流量与灌水均匀度的影响Fig.5 Sediment content ρs=2.0 g/L and potassium sulfate mass concentration on average relative flow rate and coefficient of uniformity

综上可知，不同含沙量下，未施肥时滴头平均相对流量随灌水次数的增加变化非常小，而随着硫酸钾质量浓度的增加，滴头平均相对流量下降幅度增大。表明施加硫酸钾具有加速滴头堵塞的效果，且硫酸钾质量浓度越大加速堵塞的作用越明显，在硫酸钾质量浓度较高时(20和30 g/L)，浑水滴灌滴头更易发生堵塞。

2.1.2 灌水结束时硫酸钾质量浓度对滴头平均相对流量的影响 对灌水结束时不同处理的平均相对流量进行统计与分析，结果见表1。

表1 灌水结束时含沙量与硫酸钾质量浓度对滴头平均相对流量的影响Table 1 Effect of the average relative flow under diffierent sediment content and potassium sulfate mass concentration at the finish of dipper %

注：同列数据后标不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference after the column data (P<0.05).

由表1可知，灌水结束时，不同含沙量和硫酸钾质量浓度组合处理对滴头平均相对流量均有一定程度的影响。与未施肥处理相比，施加硫酸钾处理的滴头平均相对流量均有所减小，且硫酸钾质量浓度越大，滴头平均相对流量越小。在含沙量为1.0 g/L，硫酸钾质量浓度为10，20和30 g/L时，滴头平均相对流量分别较未施肥处理降低2.5%，30.2%和34.2%；当含沙量为2.0 g/L，硫酸钾质量浓度为10，20和30 g/L时，滴头平均相对流量分别较未施肥处理降低23.2%，28.4%和32.0%。总体来看，与未施肥处理相比，不同含沙量下当硫酸钾质量浓度为20和30 g/L时，滴头平均相对流量均显著降低，而10 g/L硫酸钾处理的降低程度均不明显。

2.2 浑水施肥灌溉对滴头堵塞的影响

将各试验处理的堵塞滴头(每处理20个滴头，12个浑水滴灌处理总共240个滴头)剖开，观察滴头内堵塞物所处的位置，统计并计算滴头堵塞率，结果见表2。从表2可以看出，随着硫酸钾质量浓度的增加，进水口堵塞和流道堵塞滴头的数量均呈增加趋势，且流道堵塞滴头数较进水口堵塞滴头数多，增加趋势更为明显。未施肥条件下，滴头堵塞个数为0；硫酸钾质量浓度为10，20和30 g/L时，流道堵塞滴头数分别较未施肥处理增加7，18和17个，堵塞滴头总数分别为8，19和20个，硫酸钾质量浓度越大，堵塞滴头数的增加趋势越明显。当硫酸钾质量浓度为20和30 g/L时，滴头总堵塞率大致相等，均为30%～35%。由此可见，浑水中施加硫酸钾肥料加速了滴头的堵塞，且当硫酸钾质量浓度超过20 g/L时，堵塞率均超过了30%。

表2 浑水含沙量和硫酸钾质量浓度对滴头堵塞位置与堵塞率的影响Table 2 Effect of sediment content and potassium sulfate mass concentration on dipper clogging location and the rate of clogged drippers

2.3 浑水灌溉时硫酸钾质量浓度对滴头堵塞物结构的影响

含沙量和硫酸钾质量浓度不同时，滴头流道内堵塞物质的结构并不相同，含沙量1.0,1.5和2.0 g/L时，未施肥及20 g/L硫酸钾处理条件下滴头堵塞物微观结构的扫描电镜观察结果(×1 000)见图6。从图6可以看出，未施肥处理的滴头内较难形成大的稳定堆积体，所形成堆积体的泥沙颗粒相对较小，且主要以分散的形式存在，为悬浮颗粒碎片[18]。当含沙量为1.0 g/L,硫酸钾质量浓度为20 g/L时，堵塞物结构基本与未施肥处理相似。当含沙量为1.5和2.0 g/L时，20 g/L硫酸钾处理的滴头堵塞物为致密堆积体，呈团块状结构，且在泥沙颗粒表面粘附有针状物，形成的团聚体结构较密实。总体上而言，与未施肥相比，施加硫酸钾后，堵塞物较为致密，表面结构复杂，且随着硫酸钾质量浓度的增加，堵塞物结构的致密性和稳定性增强，加速滴头堵塞的风险更大。

a.ρs=1.0 g/L,ρn=0 g/L;b.ρs=1.5 g/L,ρn=0 g/L;c.ρs=2.0 g/L,ρn=0 g/L;d.ρs=1.0 g/L,ρn=20 g/L;e.ρs=1.5 g/L,ρn=20 g/L;f.ρs=2.0 g/L,ρn=20 g/L图6 不同质量浓度硫酸钾与不同含沙量时滴头流道堵塞物的电镜扫描观测Fig.6 Blockage structure observed by FESEM under different sediment content and potassium sulfate mass concentration

2.4 施加硫酸钾对毛管淤积泥沙和滴头输出泥沙机械组成的影响

表3表明，与初始泥沙的机械组成相比，毛管淤积泥沙中的黏粒和粉砂比例减小，砂粒比例增大。毛管淤积泥沙的黏粒比例最小，砂粒比例最大。含沙量为1.0 g/L、硫酸钾质量浓度为30 g/L时，毛管淤积泥沙的砂粒比例最大，为87%；含沙量为2.0 g/L时，随硫酸钾质量浓度的增大，毛管淤积泥沙中的黏粒和粉砂比例增大，砂粒比例减小，砂粒比例最大为85%。

表3 含沙量和硫酸钾质量浓度对毛管淤积泥沙机械组成的影响Table 3 Effect of different sediment content and potassium sulfate mass concentration on the mechanical composition of deposition sediment in capillary %

根据各试验处理的总灌水次数，分析了首次、第10次和末次灌水过程中滴头输出泥沙的机械组成，结果见表4。由表4可知，当含沙量为1.0 g/L，在首次和第10次灌水后，施肥处理与未施肥处理相比，输出泥沙中黏粒、粉砂和砂粒比例的最大差值分别为7%和12%,5%和5%，12%和13%；含沙量为1.5 g/L，在首次和第10次灌水后，施肥处理与未施肥处理相比，输出泥沙中黏粒、粉砂和砂粒比例的最大差值分别为7%和7%，7%和4%，4%和11%；含沙量为2.0 g/L，在首次和第10次灌水后，施肥处理与未施肥处理相比，输出泥沙黏粒、粉砂和砂粒比例的最大差值分别为9%和8%，3%和10%，9%和11%。该结果说明，施加硫酸钾肥对滴头输出泥沙中砂粒比例影响最大。另外还可以看出，浑水中施加硫酸钾肥后，输出泥沙中的粉砂和黏粒比例较毛管淤积泥沙大，砂粒比例则较毛管淤积泥沙小，总体上与毛管淤积泥沙的机械组成差异较大。

表4 含沙量和硫酸钾质量浓度对滴头输出泥沙机械组成的影响Table 4 Effect of different sediment content and potassium sulfate mass concentration on the mechanical composition of the dipper output sediment %

2.5 硫酸钾对毛管淤积泥沙特性的影响

表5反映了不同含沙量和硫酸钾处理对毛管泥沙淤积量、表面阳离子量(CEC)和泥沙分形维数的影响。施加硫酸钾肥后，淤积泥沙CEC越大，说明泥沙颗粒表面吸附的K+量越多。淤积泥沙质量分形维数越大，说明泥沙颗粒表面吸附的黏粒等细小颗粒较多，形成的泥沙颗粒团聚体结构越复杂，反之，淤积泥沙颗粒表面吸附的细小颗粒较少，淤积泥沙颗粒团聚体结构比较松散，易被水流冲散而随水流出。由表5可知，当含沙量为1.0和1.5 g/L时，施加硫酸钾处理的毛管泥沙淤积量和CEC均小于未施肥处理，且CEC随硫酸钾质量浓度的提高而增大。当含沙量为1.5和2.0 g/L时，施加硫酸钾处理的淤积泥沙分形维数较未施肥大，且均随硫酸钾质量浓度的提高而增大。

表5 含沙量和硫酸钾质量浓度对毛管淤积泥沙特性的影响Table 5 Effect of different sediment content and potassium sulfate mass concentration on siltation sedimentation characteristics

经测定，未施肥处理灌溉用水的pH值为8.63，施加硫酸钾后灌溉用水的pH值为7.8～8.2，不同处理之间pH值差异较小。表6显示，不同含沙量灌溉用水的电导率均随着硫酸钾质量浓度的提高而变大。

表6 硫酸钾质量浓度对灌溉用水电导率的影响Table 6 Effect of potassium sulfate mass concentration on the conductivity of water in different sediment content ms/cm

3 讨 论

3.1 硫酸钾肥加速滴头堵塞的机理

Tarchitzky等[28]研究发现，滴头堵塞物中存在丝状或网状细菌，而本试验并未发现这些细菌的存在，说明生物堵塞并不是施加硫酸钾后滴头堵塞风险增大的主要原因，物理和化学堵塞仍是其主因。本试验中发现，随硫酸钾质量浓度的增加，滴头流量和有效灌水次数快速下降，故在施加硫酸钾的水肥一体化滴灌过程中，应控制硫酸钾的质量浓度，并通过毛管冲洗等措施，降低滴头堵塞的发生和发展[29]。

3.2 硫酸钾对滴头堵塞物结构及堵塞位置的影响

本研究发现，未施肥处理的堵塞物团聚体比较松散，颗粒间空隙较大，絮状物质较少，易被冲散。施加硫酸钾后，水中大量的K+易吸附在泥沙颗粒表面，填充团聚体的孔隙，易使堵塞物形成更复杂、更大块的团粒结构[30]。此外，淤积泥沙的CEC和质量分形维数随硫酸钾质量浓度的变化进一步证明，施硫酸钾肥更易形成结构复杂的泥沙颗粒团聚体。因此，施加硫酸钾处理的堵塞物更加致密、稳定。

本试验中，清水中施加硫酸钾处理的滴头未出现堵塞现象，这与刘璐等[5]的研究结果相同。浑水中施加硫酸钾后，流道堵塞的滴头数量增加。滴头的进口、迷宫流道内低流速区和强紊流区都是泥沙颗粒易沉积并造成滴头堵塞的位置[31-32]，施加硫酸钾易形成大而稳定的团聚体，增加了滴头进水口和流道内缓水区淤积的机率。进水口处的淤积物易被水流带进流道内，而流道内淤积的致密泥沙团聚体不易被水流带走。因此，流道内发生堵塞的滴头数更多。

3.3 硫酸钾对滴头输出泥沙和毛管淤积泥沙机械组成的影响

浑水中施加硫酸钾肥后，对滴头输出泥沙中的砂粒比例影响最大，说明浑水中的砂粒是滴头堵塞的主要组分。毛管淤积泥沙中的砂粒所占比例越大，越易造成滴头堵塞；随着含沙量的增加，滴头输出泥沙的砂粒比例下降，毛管内淤积泥沙的砂粒比例增多。因此浑水中施加硫酸钾肥时，含沙量越高越易造成滴头堵塞。

毛管内泥沙淤积量受灌水时间和施肥等因素的综合影响。未施肥时，滴头不易堵塞，有效灌水次数较多，毛管内淤积的泥沙量较大。施加硫酸钾后，滴头易堵塞，总灌水量减少，毛管内泥沙淤积量减少。

4 结 论

1)浑水中施加硫酸钾肥后，滴灌滴头堵塞加速，且硫酸钾质量浓度越大，加速堵塞作用越明显。当硫酸钾质量浓度小于10 g/L时，硫酸钾对浑水滴灌滴头堵塞的影响较小。

2)随着硫酸钾质量浓度的增大，一方面，浑水中的K+含量增加，水的电导率增大，滴头堵塞物表面结构的复杂程度明显增强，泥沙团聚体变大，致密性和稳定性增强；另一方面，浑水中容易产生硫酸盐沉淀，滴头堵塞风险明显增大。

3)砂粒是造成滴头堵塞的主要组分，黏粒和粉砂则相对容易随水流流出。