微潤灌溉系統(tǒng)堵塞評價及處理方法研究

劉國宏，邱照寧，謝香文，江培福

(1．新疆農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2．沙幫科技有限公司，北京 100081)

微潤灌溉是一種以利用半透膜為核心材料制成軟管狀灌水器的灌溉技術[1]，微潤管管壁分布有大量納米級微孔，孔徑為10～900 nm，數(shù)量為每平方厘米10萬個。由于孔道微小精細，對壓力反應十分敏感，可通過調節(jié)壓力控制出流量，是一種精準灌溉產(chǎn)品。灌水器堵塞是影響微灌技術發(fā)展的重要問題，灌溉用水過程中懸浮顆粒的沉積是造成微灌灌水器堵塞的主要原因[2]。

國內很多學者對微潤灌溉系統(tǒng)進行了研究[3-6]，但大多集中在水力特性及入滲機理的研究和生產(chǎn)方面的應用研究。筆者在進行生產(chǎn)應用的過程中，發(fā)現(xiàn)微潤灌溉堵塞問題比較嚴重，但國內關于微潤灌溉堵塞問題的研究少見報道。謝香文、劉國宏等[7]通過渾水出流試驗，研究得出渾水條件下微潤管流量持續(xù)下降，微潤管初始流量隨著泥沙量的增加而降低。微潤管堵塞機理及解決方法的研究是微潤灌溉系統(tǒng)推廣的關鍵，本文通過大田試驗，研究了微潤管堵塞情況，提出了解決堵塞的具體辦法，以期為微潤灌溉系統(tǒng)生產(chǎn)應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地設計

為了探究微潤灌溉堵塞機理及解決微潤管堵塞問題，在田間構建了微潤灌溉系統(tǒng)用于蘋果樹的種植，試驗地點在新疆瑪納斯縣，屬于溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，年平均降雨量173.3 mm，年平均蒸發(fā)量為1 691.0 mm，作物種植主要依靠灌溉補水。

蘋果樹種植面積0.52 hm2，共18行，株行距3 m×3 m，土壤為砂壤土，微潤管埋深40 cm，灌溉水源為深層井水，灌溉水的物理、化學及生物學參數(shù)在灌溉試驗初期測定，見表1。

表1 水質參數(shù) mg/L

微潤管設計工作壓力為8 m，采用雙行布置，總共布置微潤管36條，總長3 330 m。微潤灌溉系統(tǒng)采用循環(huán)供水模式，在試驗場地修建一個蓄水池，將井水蓄在蓄水池里，蓄水池可以起到一級過濾的目的，將井水大顆粒泥沙過濾掉。用水泵將水吸入灌溉系統(tǒng)內，系統(tǒng)進水口安裝一個過濾精度為120目的疊片過濾器，過濾器前后安裝壓力表，當壓力降低幅度比較大時及時清洗過濾器。輸水管道和回水管道上分別安裝精密水表，測定系統(tǒng)水量，前后水表讀數(shù)之差即為蘋果樹灌溉的總水量。根據(jù)蒸發(fā)量調整灌溉頻率，試驗場地平面布置如圖1所示。

圖1 試驗場地平面布置圖Fig.1 Test site layout

1.2 灌水器堵塞評價方法

目前國內外尚沒有判別滴灌灌水器堵塞的標準，ISO TC23 SC18 Clogging test methods for emitters初稿建議當擬評價灌水器流量與參考灌水器(新灌水器)流量之比小于75%時，即流量降低百分數(shù)Rq超過25%時，認為灌水器發(fā)生了堵塞。因此，把灌水器堵塞情況分為4種：未堵塞(Q>75%Q額定)、一般堵塞(50%Q額定

灌水器的堵塞程度EC計算公式如下：

(1)

式中：qr為第r個灌水器測試流量校正到20 ℃后的流量，mL/(h·m)；qnew為灌水器的額定流量，mL/(h·m)，試驗系統(tǒng)剛啟動時通過測試獲得。

1.3 灌水均勻度評價方法

微灌均勻度系數(shù)是衡量微灌系統(tǒng)灌水均勻性的重要指標, 灌水均勻度是由灌水器的流量變化決定的。影響均勻度的原因有壓力水頭的偏差, 滴頭的制造精度, 溫度的差異, 滴頭的間距, 不良水質引起的堵塞和系統(tǒng)維修情況等。為保證灌水質量，灌溉要求達到一定的均勻度。目前，我國現(xiàn)行《微灌工程技術規(guī)范》要求滴灌系統(tǒng)設計灌水均勻度不能小于85%，實測灌水均勻度不能小于80%[9]。按照Christiansen公式得灌水均勻度系數(shù)如下:

(2)

式中:q均為灌水器平均流量，mL/(h·m)；qi為單個灌水器流量，mL/(h·m)；Cu為均勻度系數(shù)；n為灌水器個數(shù)。

1.4 抗堵塞試驗方法

工業(yè)輸水管道在長期使用的過程中管道表面會形成一層附生的雜質薄膜，常用表面活性劑進行清洗管道。將長期使用的微潤管切開也發(fā)現(xiàn)微潤管管壁附著一層雜質薄膜，分析認為管壁附生薄膜是造成微潤管堵塞的主要原因，因此本次試驗選擇使用表面活性劑進行抗堵塞的試驗研究，活性劑的種類分別為洗滌精和抗堵塞肥料。洗滌精的主要成分為表面活性劑，以及一些香料添加劑；抗堵塞肥料是深圳微潤灌溉有限公司專門生產(chǎn)用以解決微潤灌溉堵塞的肥料，其主要成分是表面活性劑和一些植物需要的營養(yǎng)元素以及其他添加劑。

為了更好的觀測試驗效果，試驗用微潤管選擇上一年使用一個灌溉周期的管段，將微潤管鋪在地表進行試驗，系統(tǒng)連接同圖1。試驗開始前先測定微潤管的出流量，連接好整個系統(tǒng)，每隔1 h讀一次水表讀數(shù)，兩水表之差即為微潤管的出流量，同樣的方法測定3次，取其平均值即為微潤管出流量。

將系統(tǒng)按照圖1連接好后，關閉閥門和水表，在閥門和壓力表之間的主管道上打孔安裝一個施肥泵，將配置好的濃度為500 mg/L的洗滌精溶液和重量比為1%的抗堵塞肥料溶液注入系統(tǒng)內,讓溶液在封閉的系統(tǒng)內隨著微潤管滲出，當壓力表的壓力下降為0時說明注入的溶液全部滲出，繼續(xù)向系統(tǒng)內加入配好的溶液，整個過程持續(xù)5 h，結束后打開閥門和水表，開啟水泵對系統(tǒng)進行沖洗，沖洗半個小時。沖洗結束后分別測定兩種處理下微潤管的流量值，測定3次取其平均值作為微潤管的出流值。

2 結果與分析

2.1 微潤管流量變化

微潤管流量的變化如圖2所示，從圖2可以看出隨著灌水時間的延長，微潤管流量呈現(xiàn)遞減的趨勢，這主要是由于微潤管堵塞造成出流量逐漸減小的緣故，初始流量為472.37 mL/(h·m)，當系統(tǒng)運行66 d后，微潤管的流量減為225.23 mL/(h·m)，流量衰減率為52.3%。對微潤管出流量Q和使用天數(shù)t的關系進行分段擬合，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)良好的線性關系，即Q=at+b，其中Q為微潤管出流量，t為運行天數(shù)，a、b均為常數(shù)，相關系數(shù)均在0.99以上，擬合結果見表2。

表2 微潤管出流量與使用天數(shù)的關系Tab.2 Relationship between the flow rate and the used days

參數(shù)a是直線的斜率，a越小直線越陡峭，流量下降得越快，反之流量下降得越慢。從圖2中可以看出，微潤管出流量根據(jù)不同的使用時長呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，總體呈現(xiàn)前期下降較快，中期較慢，后期又較快的趨勢，并且當使用超過44 d之后流量呈現(xiàn)急速下降的趨勢。

圖2 微潤管出流量與使用天數(shù)的關系Fig.2 Relationship between the flow rate and the used days

2.2 微潤管堵塞評價

微潤管堵塞程度與使用天數(shù)的關系如圖3所示，從圖3可以看出，隨著灌水時間的延長微潤管堵塞程度在逐漸加重，當系統(tǒng)運行48 d以后，堵塞程度達到25%以上；系統(tǒng)運行64 d以后，堵塞程度達到50%以上。根據(jù)滴灌灌水器堵塞評價方法進行劃分認為：本次微潤灌溉系統(tǒng)在使用1～48 d的過程中未堵塞，在使用48～64 d的過程中發(fā)生了一般堵塞，當使用64 d以后微潤灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重堵塞的情況。

圖3 微潤管堵塞程度與使用天數(shù)的關系Fig.3 Relationship between the degree of pipe blockage and used days

對微潤管堵塞程度EC與使用天數(shù)t的關系進行分段擬合，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)良好的線性關系，即EC=at+b，其中EC為微潤管，t為運行天數(shù)，a、b均為常數(shù)，相關系數(shù)均在0.99以上，擬合結果見表3。

表3 微潤管堵塞程度與使用天數(shù)的關系Tab.3 Relationship between the degree of pipe blockage and used days

參數(shù)a是直線的斜率，a越大直線越陡峭，堵塞加劇程度越嚴重，反之堵塞加劇得越慢。從表3可以看出，微潤管堵塞程度隨不同的使用時長呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，總體呈現(xiàn)前期堵塞較快，中期較慢，后期又較快的趨勢，堵塞程度加深對使用時長增加表現(xiàn)為“敏感-微敏感-極度敏感”的動態(tài)變化特征。結合圖3可以得出，當EC在10%以內時，微潤管使用天數(shù)t的增長會引起EC明顯加深，屬于EC變化敏感期；當EC在 10%～18%時，EC隨使用天數(shù)t增長的敏感性明顯降低；而EC超過18%以后，進入極度敏感階段，且敏感性逐漸增強，使用天數(shù)t稍有增長就會引起EC急劇增加。這與Pei等[10]、Liu 等[11]研究滴灌發(fā)現(xiàn)EC與系統(tǒng)運行時間表現(xiàn)出分段式線性變化特征(即EC=kit+bi，其中t為系統(tǒng)運行時間，h)相一致。

2.3 微潤管灌水均勻度評價

在灌溉系統(tǒng)運行75 d之后，對試驗地分區(qū)進行流量觀測，每6行果樹為一個片區(qū)，共分為3個片區(qū)，分別測定微潤管出流量，折算成米流量進行比較，不同小區(qū)微潤管出流量如圖4所示。從圖4可以看出小區(qū)1、小區(qū)2、小區(qū)3的流量分別為：185.76、266.07、233.20 mL/(h·m)。將3個流量值帶入Christiansen公式得灌水均勻度系數(shù)Cu等于87.6%，大于現(xiàn)行的《節(jié)水灌溉技術規(guī)范》中明確要求的85%，說明微潤灌溉灌水均勻度能滿足技術規(guī)范的要求。

圖4 不同片區(qū)微潤管出流量Fig.4 Outflow quantity of different area

2.4 抗堵塞試驗分析

不同沖洗方式下微潤管出流量如圖5所示，由圖5可以看出抗堵塞肥料清洗微潤管時流量從282.02 mL/(h·m)增加到536.86 mL/(h·m)，增加幅度為47.47%，流量基本已經(jīng)恢復到微潤管額定流量的水平；洗滌液清洗時流量從304.21 mL/(h·m)增加到405.62 mL/(h·m)，增加幅度為25%，微潤灌溉抗堵塞肥料的清洗效果要好于洗滌液的清洗效果。表面活性劑的作用主要是改變界面張力、表面潤濕度等方面,最終改變堵塞物在管壁表面的構造形態(tài),阻止堵塞物質的形成，微潤管為管壁沿程滲水的灌水方式，管壁附生薄膜在表面活性劑的作用下分解、散落，再由循環(huán)水流將管道內脫落的堵塞物排出系統(tǒng)，使得管壁清潔，出流量增大。在進行試驗的過程中發(fā)現(xiàn)未完全堵塞的微潤管經(jīng)過有效清洗后流量加大，完全堵塞的微潤管在使用兩種方法進行清洗時出流效果仍舊不十分明顯，建議當系統(tǒng)出現(xiàn)一般堵塞的情況下即進行抗堵塞清洗，能夠更好的解決微潤管堵塞問題。

圖5 不同沖洗方式與流量變化關系Fig.5 Relationship between different washing methods and flow rate change

3 結 語

(1)微潤管出流量隨著使用時間的延長遞減，出流量Q和使用天數(shù)t之間呈現(xiàn)良好的線性關系，前期流量下降較快，中期較慢，后期又較快，并且當使用超過44 d之后流量呈現(xiàn)急速下降的趨勢。

(2)微潤管在使用1～48 d的過程中未堵塞，在使用48～64 d的過程中發(fā)生了一般堵塞，當使用64 d以后微潤灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重堵塞的情況。堵塞程度加深對使用時長增加表現(xiàn)為“敏感-微敏感-極度敏感”的動態(tài)變化特征，當EC在 10%以內時屬于EC變化敏感期，當EC在10%～18%時屬于微敏感期；而EC超過18%以后，進入極度敏感期。

(3)用Christiansen公式得灌水均勻度系數(shù)Cu等于87.6%，大于現(xiàn)行的《節(jié)水灌溉技術規(guī)范》中明確要求的85%，說明微潤灌溉灌水均勻度能滿足技術規(guī)范的要求。

(4)用微潤管抗堵塞肥料清洗微潤管，流量基本已經(jīng)恢復到額定流量的水平。微潤灌溉抗堵塞肥料的清洗效果要好于洗滌液的清洗效果，建議當系統(tǒng)出現(xiàn)一般堵塞的情況下即進行抗堵塞清洗，能夠更好的解決微潤管堵塞問題。

[1] 李躋嶸. 綠色創(chuàng)新是推動產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)動機——微潤灌溉：國際高效節(jié)水的創(chuàng)新先行者[J]．國際融資，2013,(7):12-15．

[2] Smajstrla AG，Koo RC，Weldon J H，et al．Clogging of trickle irrigation emitters under field conditions [J]．Proc．Fla．State Hort．Soc．，1983，96：13-17．

[3] 薛萬來，牛文全，羅春艷，等．微潤灌溉土壤濕潤體運移模型研究[J] ．水土保持學報，2014，28(4)：49-54．

[4] 張 俊，牛文全，張琳琳，等．初始含水率對微潤灌溉線源入滲特征的影響[J]．排灌機械工程學報，2014，32(1):72-79．

[5] 張 俊，牛文全，張琳琳，等．微潤灌溉線源入滲濕潤體特性試驗研究[J]． 中國水土保持科學，2012，10(6):32-38．

[6] 牛文全，薛萬來．礦化度對微潤灌土壤入滲特性的影響[J]．農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45(4)：163-172．

[7] 謝香文，祁世磊，劉國宏，等．灌溉水泥沙量及粒徑對微潤管出流的影響[J] ．灌溉排水學報，2014，33(6)：38-41．

[8] ISO．ISO/TC 23/SC 18/WG 5N4, Clogging test methods for emitters[S]．

[9] GB/T 50485-2009，微灌工程技術規(guī)范[S]．

[10] Pei Yiting, Li Yunkai, Liu Yaoze, et al. Eight emitters clogging characteristics and its suitability evaluation under on-site reclaimed water drip irrigation[J]. Irrigation Science,2014, 32(2):141-157．

[11] Lowry O H, Rosebrough N J, Farr A L, et al. Protein measurement with the Folin phenol reagent[J]. The Journal of Biological Chemistry, 1951,193(2):265-275．

·信息·