地下滴灌不同毛管抗负压堵塞性能试验研究

王荣莲，任志宏，莫 彦，王建东，于 健

(1.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109；2.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010051；3.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

地下滴灌是将滴灌毛管埋在土壤中的先进灌溉技术，可将水和养分直接灌到作物根区[1,2]，有效减少土壤蒸发和地表径流[3-5]，同时不影响田间耕作。与其他灌溉方式相比，地下滴灌节水增产优势比较明显[6]，是今后微灌发展的方向之一[7]，备受国内外专家和学者的重视，但该技术在国内的应用尚处于起步阶段，而且面临着萎缩的困境。目前制约地下滴灌系统纵深发展的一个重要原因是系统易堵塞，其中一种堵塞方式是负压堵塞，是由于在关闭地下滴灌系统时,管网中易产生负压，可将毛管外壁的微小土粒吸入滴头流道,而造成堵塞[8-13]。目前主要解决措施包括：一是在系统局部高点(包括首部、各级管道等)安装进排气阀,来消除负压[14,15]，存在问题是当地形起伏较大时,使用的进排气阀数量太多,且有时不能完全消除负压；二是国外的措施，即在毛管末端安装冲洗管和冲洗阀，定期对系统进行自动冲洗[17,18]，但我国目前还未研制出相关适用性较强的自动冲洗设备，故应用范围不是很广泛；三是研制专用防负压堵塞滴头，如以色列NETAFIM公司研制的出水口形式为舌片式的滴头,在负压作用下可将舌片关闭避免土壤颗粒进入滴头[19]。国攀等[20]研究得出灌水器及土壤类型对地下滴灌负压堵塞的影响显著，压力补偿式灌水器抗负压堵塞性能优于流量可调式灌水器；在红壤土中比黄沙土中更易出现负压堵塞现象；灌溉方式(灌溉次数、单次灌水量、灌水间隔)对灌水器负压堵塞的影响显著。目前我国在防负压堵塞专用设备还不是很成熟的条件下,使用常规的地表滴灌设备是难以避免的，故开展常用滴灌带在不同土壤内的抗负压堵塞性能试验研究尤为重要。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在内蒙古呼和浩特市东郊园艺科技试验中心的日光温室内进行，采用目前国内外常用的3种类型滴灌带(管)，分别为单翼迷宫式滴灌带、内镶片式滴灌带及内镶圆柱状滴灌管，型号分别为MGD16×300-2.57-100、NFG16×300-1.53-100及DN16×300-3.62-100，额定压力都为100 kPa，额定流量分别为2.57、1.53及3.62 L/h，滴头间距都为300 mm，壁厚分别为0.2、0.3及0.6 mm。试验土样为内蒙古自治区具有代表性的东部赤峰市松山区、中部呼和浩特市后桃花村、西部巴彦淖尔市磴口县土壤，土壤类型分别为黏壤土、壤土及砂壤土，黏性由高到低，土壤0～80 cm内平均容重分别为1.36、1.44及1.53 g/cm3，田持(体积含水量)分别为39%、25%及21%。

1.2 试验装置及试验方法

1.2.1 试验装置

该试验装置包括供水水箱、订制的DC50E系列三相直流水泵(带电位调速器)、输水管、土箱、地下滴灌带(管)、压力表、KN213金属管浮子流量计、负压计、阀门、回水管、回水水箱、水循环式真空泵(内部按照电接点真空表)、三通、阀门及负压计等。

试验土箱采用订制的110×100×90 cm(长×宽×高)钢化玻璃箱(安装3个滴头，滴头间距30 cm)，每个土箱内埋设滴灌带(管)3层，每层3条，共9条滴灌带(管)。供水和回水水箱采用订制的20×20×50 cm(长×宽×高)钢化玻璃箱，箱体四周贴皮尺，用于测试、校核灌水流量。水循环式真空泵、三通及阀门安装到滴灌带之前的供水管上。水泵带电位调速器，方便调速调压，实现恒压供水。试验测试系统示意图见图1。

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4、6-阀门；5-回水管；7-压力表；8-流量计；9-滴灌带(管)；10-土箱；11-土壤；12-回水水箱；13-阀门；14-水循环式真空泵图1 抗负压堵塞性能试验系统示意图

1.2.2 试验方法

本试验在3种土壤内测试3种类型滴灌带(管)，共9个处理，每处理重复3次。试验前，先对土壤容重、颗粒组成、田持进行取样测试，用环刀取0～20、20～40、40～60、60～80 cm内原状土，用烘干法测试各层容重；用筛分法测试土壤颗粒组成，确定土壤质地；用环刀法测试0～20、20～40、40～60、60～80 cm内土壤田持。将试验所需土样运到试验场地后，先过1 mm筛，洒水到最优含水率搅拌均匀后分层装入各自土箱，按实测0～80 cm内各层容重进行装土，每装5 cm夯实一次，然后将表层刨毛，再装上层，依次进行。装土到设计滴灌带(管)埋设高度时，将事先在空气中测试了压力、流量关系曲线的3种滴灌带(管)，沿土箱长度方向穿孔铺设，每条3个滴头，距离箱壁25 cm，滴灌带(管)首末两个滴头距离箱壁也为25 cm。除单翼迷宫式滴头外，其他滴灌带(管)滴头向上，防止滴头堵塞。在距离每条滴灌带20 cm处安装2支负压计。为保证与实际运行情况一致，待其他设备安装好后，让每条滴灌带(管)稳定运行一段时间，压力始终保持0.10 MPa，通过负压计读数控制，使每条滴灌带(管)周围的初始土壤含水量一致后，开始负压堵塞试验。试验时，将电接点真空表设置在-30 kPa(从试验的可行性及效果考虑确定，并尽量接近实际负压值)，关闭水源，打开真空泵，使滴头处形成负压，当真空表读数指到-30 kPa时，真空泵自动关闭，系统停止运行，稳定一段时间后，再通过流量计及供水水箱水位变化来测定该滴灌带(管)的流量。依次逐条循环测试，通过流量变化反映其负压堵塞程度(因为灌水水源采用自来水，水质较好，可排除由水质不良造成的堵塞；该类试验不种植作物，故可排除根系入侵堵塞，只有负压堵塞的可能)。每个处理共进行了72次灌水、抽真空的循环，此时几条滴灌带(管)的流量已有明显降低，试验结束。

1.3 数据分析

使用Office 2010进行试验数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌带(管)流量变化规律分析

绘制不同土壤内不同处理3次重复的平均流量随时间的变化曲线，见图2。

图2 不同土壤内不同滴灌带(管)流量随时间变化曲线

由图2(a)可知，每种处理滴头流量总体都呈下降趋势，但下降幅度不同，赤峰市黏壤土中，内镶柱状滴灌管下降较明显，流量下降0.43 L/h，下降12%，其余两种下降不明显。

由图2(b)可知，呼市壤土内，单翼迷宫式滴灌带下降最明显，流量下降0.86 L/h，下降34%，其次为内镶柱状滴灌管，流量下降0.43 L/h，下降12%，内镶片式滴灌带下降不明显。

由图2(c)可知，巴彦淖尔市砂壤土内规律与呼市土内类似，单翼迷宫式滴灌带下降最明显，流量下降0.43 L/h，下降12%，其余两种下降不明显。

2.2 负压堵塞程度评价

目前国内外尚没有判别滴灌带(管)堵塞的标准，ISO/TC23/SC18“Clogging test methods for emitters”初稿建议当拟评价滴灌带(管)流量与参考滴灌带(管)流量[同一滴灌带(管)在空气中额定压力下的自由流量]之比小于75%时，即流量降低百分数Rq超过25%时，认为发生了堵塞[23]。本文采用这一标准对滴灌带(管)的堵塞情况进行评价。

本试验只有在呼市壤土内，单翼迷宫式滴灌带流量降低34%，超过了25%，认为发生了堵塞；在砂壤土中流量下降12%，继续试验，发生堵塞的可能较大。由此可见，单翼迷宫式滴灌带用于地下滴灌时，一定要特别注意做好管路中防负压装置的安装设计。内镶片式滴灌带抗负压堵塞性能较好，在3种土壤内都没有出现明显的堵塞现象。内镶柱状滴灌管在黏壤及壤土内流量下降均为12%，若继续试验，有发生堵塞的趋势。该类滴灌管与其余两种滴灌带相比，除滴头流道不同外，其流量最大，说明增大流量并不能明显降低负压堵塞。

3 结 语

通过开展单翼迷宫式滴灌带、内镶片式滴灌带及内镶圆柱状滴灌管分别在黏壤土、壤土及砂壤土内的抗负压堵塞性能试验研究，得出如下结论：

(1)单翼迷宫式滴灌带抗负压堵塞性能较差，在壤土内流量降低34%，发生了堵塞；在砂壤土中流量下降12%，继续试验，发生堵塞的可能较大。

(2)内镶片式滴灌带抗负压堵塞性能较好，在3种土壤内都没有出现明显的堵塞现象。

(3)内镶柱状滴灌管在黏壤及壤土内流量下降均为12%，若继续试验，有发生堵塞的趋势。该类滴灌管与其余两种滴灌带相比，除滴头流道不同外，其流量最大，说明增大流量并不能明显降低负压堵塞。