引黄滴灌滴灌器堵塞室内模拟试验研究

杜慧慧 马太玲 于健 王利明 卢俊平 赵琳琳

摘要：针对内蒙古乌海市农林灌溉工程中滴灌带堵塞的问题，取用该地区引黄滴灌原水进行室内模拟试验，在不同水质及环境状况下研究滴灌器堵塞情况，分析滴灌器堵塞的主要影响因素。经6组对比试验研究确定，影响滴灌器堵塞的主要水质指标是浊度和微生物总数，且二者有很高的相关性;主要环境因子是水温。含沙量越大，灌水均匀度越小，滴灌器堵塞速度越快。温度越高，灌水均匀度变化幅度越大，进而对滴灌器流量的影响越明显。微生物（主要测定细菌总数）附着在泥沙颗粒上，与泥沙协同作用造成对滴灌器的堵塞;而浊度的增大和水温的升高促使微生物的数量增加。

关键词：滴灌器;堵塞：室内试验;浊度;细菌总数;水温

中图分类号：S275.6

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01.033

滴灌是农田用水最节水的一种技术[1]，水得到充分利用，但滴灌器的堵塞是滴灌应用中最主要的问题，严重时会使整个系统无法正常工作。内蒙古乌海市属于沙化地区，不适宜耕种，但黄河水流经乌海市，为了能够充分利用黄河水资源，该地区发展了大量的园林和温室，直接取用黄河水进行灌溉，而黄河水高含沙的特点，经沉淀过滤处理后，仍然会对滴灌器造成堵塞。高含沙水在滴灌系统使用是一个世界性难题，在我国沿黄地区使用黄河水滴灌较为普遍，属于我国重点研究课题[2-5]。针对上述问题，笔者进行室内试验模拟，主要研究不同水环境条件下滴灌器堵塞情况，分析引起滴灌器堵塞的主要因素，以期为乌海市大面积利用黄河水进行滴灌提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由潜水泵、管道、阀门、调节水池及试验用滴灌带组成。滴灌带选用与现场结构统一的型号，设计流量为1.6 L/h，管径为16 mm，孔径为0.13 mm，滴头间距为0.3 m。铺设3条同一型号的滴灌带，进行平行试验，每条滴灌带长20 m，滴灌带上每隔Sm设置一个滴灌器作为采样点。试验过程中需要控制不同的温度，在调节池内配有两个恒温加热棒。试验装置见图1。

1.2 试验内容

为了与实际滴灌用水接近，试验中使用黄河源水进行模拟，将水体浊度分别设置为15、20、25 ntu，同时分别设置20℃和30℃两个温度，共6组。每组连续运行Sd，分别在每天的早9时和晚9时测定采样点的流量。工作压力均设定为0.06 MPa。试验内容如下：

（1）测定不同条件下各采样点的流量，分析不同运行条件下不同距离出水口处的流量变化。

（2）测定不同条件下运行Sd后调节池内水和滴灌器内堵塞物的细菌总数、叶绿素a含量，分析滴灌器堵塞的影响因素。

1.3 试验过程控制

为了试验用水的浊度在运行过程中保持不变，在调节池中设置一个小型潜水泵，搅拌调节池内的水。将所有装置安装好后，开启潜水泵，调节阀门使得滴灌带内水压保持为0.06 MPa。压力稳定后，测定各采样点的流量，在整个运行过程观测流量的变化，同时每天检查所有滴灌器的堵塞情况。每组试验结束后，取完全堵塞的滴灌器若干个，取下滴灌器内的堵塞物质，将堵塞物溶于一定量的超纯水中，测定其浊度、细菌总数和叶绿素a含量，分析引起滴灌器堵塞的主要物质。同时分别测定每次运行前、后调节池内试验用水的细菌总数、浊度和叶绿素a含量，分析不同运行条件下水质的变化，进一步分析滴灌器堵塞的影响因素。

1.4 灌水质量评价

评价滴灌带对作物灌水质量的重要指标之一是灌水均匀度，通过经验公式计算的灌水均匀度大于80%时，灌水质量较好[6]。通常用Christianson均匀度来表示，计算公式如下。

灌水均匀度的影响因素主要包括灌水地区的地质情况，地表的平整度，滴灌带的型号及质量，滴灌用水的质量、温度变化和水压力变化等[7]根據我国实际使用的情况，一些学者重点研究了一些影响滴灌器堵塞的因素，如：范兴科等[8-9]研究了滴灌带的制造偏差、地形平整度偏差和水力偏差对流量变化的影响，分析认为降低滴灌器的设计流量，采用多级组合过滤模式，低压滴灌可减少堵塞;张志澍等[10]研究认为灌水均匀度主要与管内的流态指数相关：王瑛等[11]在田间进行实测研究，认为滴灌带铺设长度影响灌水均匀度。

2 试验结果与讨论

试验中尽量减少客观条件对滴灌器堵塞的影响，根据试验得出6组灌水均匀度变化情况，见图2、图3、图4。

2.1 浊度对灌水质量指标的影响

通过分析不同浊度条件下灌水均匀度的变化，得出以下结论。

（1）浊度不变时，在运行过程中随着时间的增加，灌水均匀度呈降低趋势，说明滴灌带的堵塞是逐渐积累形成的。

（2）随着浊度的增大，灌水均匀度越来越小，滴灌器完全堵塞所需要的时间越来越短。运行过程中浊度为15 ntu时，灌水均匀度变化较缓，说明灌水质量较好：而浊度为20 ntu时，运行到最后一天时灌水均匀度明显降低，灌水均匀度较差，会加快滴灌器的堵塞。

（3）浊度为25 ntu时，运行到第3d，不同水温下灌水均匀度均降低到80%以下，灌水能力明显降低，表明在试验中该型号的滴灌带不适用浊度大于25 ntu的水质。

2.2 温度对灌水质量指标的影响

通过分析不同温度条件下灌水均匀度的变化，得出以下结论：浊度不变，温度改变，在运行过程中通过测定认为灌水均匀度变化规律基本一致。水温为30℃时不同浊度情况下，灌水均匀度均在第3d时小于80%，说明高温促使滴灌带的灌水质量变差，滴灌器流量降低，在实际运行中应尽量降低水温。

2.3 不同条件下滴灌器堵塞物质分析

每组试验结束后取下10个完全堵塞的滴灌器，将其上的堵塞物质溶于300 mL的无菌超纯水中测定其浊度、细菌总数和叶绿素a含量，分析在不同情况下滴灌器内堵塞物含量（见表1），定性分析滴灌器堵塞原因。

由表1中数据分析，滴灌用水的浊度改变，滴灌器上堵塞物的不溶物质（主要为泥沙）和叶绿素a的含量差别不大，但是细菌总数的含量随着灌水浊度的增大有明显的增加。分析认为，滴灌器堵塞后，不溶物质不会继续富集，叶绿素a受光照条件的限制也不会改变，但是细菌会继续生长，进一步加剧滴灌器的堵塞，滴灌器堵塞物质中含有叶绿素a，说明叶绿素a对滴灌器的堵塞起到了一定的作用。只要有不溶物质积聚在滴灌器内，细菌就会大量生长繁殖，加快滴灌器堵塞的速度。

通过分析认为，仅仅有泥沙不会造成滴灌器完全堵塞，当有少量泥沙聚集在滴灌器内部时，在适宜的条件下细菌会大量繁殖，形成菌胶团类的黏聚物，加速滴灌器的堵塞，导致灌水均匀度降低。细菌总数随浊度的增大而增加，随着温度的升高，细菌迅速繁殖，加速了泥沙的聚集，进而加速堵塞滴灌器。微生物的参与加快了堵塞的速度，而且造成完全堵塞的现象。泥沙和微生物共同作用是造成高含沙水滴灌带灌溉堵塞问题的重要原因。

3 结论

（1）泥沙是造成滴灌带堵塞的主要因素之一。泥沙含量越大，越容易堵塞。本试验研究中认为浊度小于15 ntu时灌水质量较好，灌水均匀度较好：浊度大于20 ntu时灌水质量较差，灌水均匀度较差，会加快滴灌器的堵塞。

（2）有泥沙在灌溉水中时，微生物是加速滴灌器堵塞的另一主要因素。微生物在适宜的条件下附着于泥沙表面，会大量繁殖形成黏聚物，造成滴灌器完全堵塞。

（3）自然环境中温度越高越有利于微生物的生长繁殖，在高含沙水灌溉用水中，高温是滴灌带堵塞的另一个重要因素。温度越高，越有利于细菌的繁殖，灌水均匀度在短时间内降低越明显，滴灌器堵塞所需时间越短。

（4）在室内进行试验，没有充足的阳光照射，水中的叶绿素a没有现场情况变化明显，但是在堵塞物质中检测到叶绿素a，叶绿素a（藻类）积聚加快了滴灌器的堵塞。

参考文献：

[1] 王福军，王文娥，滴头流道CFD分析的研究进展与问题[J].农业工程学报，2006，22（7）：188-192.

[2] CHIENC S，GHAEMI A.Uniformity in a Micro-Imgationwith Partially Clogged Emitters[C]// ASAE.2003 ASAE An-nual Intemational Meeting. Michigan： ASAE，2003：1- 11.

[3]李光永，曾德超，段中锁，等，地埋点源滴灌土壤水分运动规律的研究[J].农业工程学报，1996（3）：66-71.

[4] NAKAYAMA F S，BUCKS D A.Water Quality in Drip/Trickle nrigation：a Review[J].Imgation Science，1991（12）： 18，7-192.

[5]侯峥，刘学军，周立华，宁夏滴灌技术应用调查与发展对策[J].人民黄河，2013，35（2）：75-77.

[6]喻黎明，滴灌灌水器水力特性及抗堵塞研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2009：22-30.

[7]武鹏，牛全文，滴灌器抗堵塞及对滴灌器系统灌水均匀度的影响[D].北京：中国科学院研究生院，2010：25-38.

[8] 范興科，吴普特，毛管对灌水均匀度及系统管网布局的影响[C]中国农业工程学会.2005午中国农业工程学会学术年会论文集，北京：中国农业工程学会，2005：268- 292.

[9] 范兴科，吴普特，牛文全，等，低压滴灌条件下提高系统灌水均匀度的途径探讨[J].灌溉排水学报，2008，27（1）：18-20.

[10] 张志澎，郑耀泉，田春元，等，灌水器的工作水头对微灌系统灌水均匀度影响的研究[J].内蒙古水利，1996（1）：28-31.

[11] 王瑛，范宗良，冯辉霞，等，滴灌带灌水均匀度的田间测试与分析[J].甘肃农业大学学报，2000，35（1）：66-69.