李云開，周 博，2，楊培嶺

（1.中國農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083；2.威斯康辛大學麥迪遜分校 農(nóng)業(yè)與生命科學學院，威斯康辛 WI53706，美國）

1 研究背景

灌水器是滴灌系統(tǒng)的心臟，其主要作用是通過內(nèi)部復雜的流道結構對有壓水流進行消能，保證水源通過后可以均勻、穩(wěn)定地供給作物。但因其消能流道尺寸狹?。▋H0.5～1.2 mm），極易被滴灌水源中的固體顆粒物、微生物、化學沉淀、有機質、氮磷等雜質附著，導致灌水器堵塞［1-2］，輕則影響灌水均勻性和滴灌系統(tǒng)使用壽命，重則直接導致系統(tǒng)報廢。例如，新疆建設兵團地下滴灌技術應用面積就因灌水器堵塞問題被迫從2005年的12萬畝銳減至2014年的1000畝。灌水器堵塞問題已經(jīng)成為滴灌領域的國際難題［2-4］。

尤其目前水資源緊缺與水環(huán)境污染問題并存，迫使滴灌水源多元化，不僅地下水以及江河、湖泊、坑塘等地表水，再生水、微咸水、黃河水等劣質水也常常作為滴灌水源［2-5］，這些水源水質復雜，其中的固體顆粒物、鹽分離子、藻類、有機質以及微生物等物質會發(fā)生一系列物理、化學、生物動力學過程，使得滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞風險更大、堵塞機理更復雜。與此同時，滴灌系統(tǒng)從單一灌溉需求逐步向灌溉、施肥、補氣、加藥等多功能轉變，水肥氣藥多物質共存體系易于進一步發(fā)生耦合作用，這顯著增加了灌水器堵塞風險［6-7］。雖然在新疆地區(qū)大面積成功推廣的大田作物一次性薄壁滴灌帶產(chǎn)品在單生育期緩解了滴灌系統(tǒng)短期應用條件下的灌水器堵塞問題、且大大降低了生產(chǎn)成本，但同時存在滴灌帶質量一般、灌水均勻性較差、回收成本較高、環(huán)境污染嚴重等一系列問題，更是無法滿足滴灌技術在高附加值的多年生經(jīng)濟作物上應用時存在的問題。此外，地下滴灌系統(tǒng)除了上述問題，負壓吸泥作用和根系入侵效應更是加劇了灌水器堵塞風險。其中，負壓吸泥是一種“過程性”堵塞，土壤顆粒因為系統(tǒng)關閉時的負壓作用吸入灌水器，聚集在灌水器出口甚至進入流道內(nèi)部，導致灌水器出流減?。欢等肭质且环N相對更不穩(wěn)定的“觸發(fā)式”堵塞，一旦根系從出口進入灌水器，灌水器流量往往迅速下降［8］。

基于此，本文通過梳理滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生特征、誘發(fā)機理與控制方法領域的研究成果，挖掘該研究領域存在的關鍵問題，提出了急需進一步研究的問題和方向，旨在為解決灌水器堵塞問題，保障滴灌系統(tǒng)長期、高效運行，進而推動滴灌技術規(guī)模化發(fā)展提供支撐。

2 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生特征

2.1 灌水器堵塞發(fā)生類型滴灌水源水質特征是導致灌水器堵塞最主要、最直接的原因，根據(jù)水質誘發(fā)因素可將灌水器堵塞分為物理、化學和生物堵塞3種類型［9］。物理堵塞主要由過濾后進入滴灌系統(tǒng)的水源中的小粒徑有機懸浮物和固體顆粒物引起的，主要受顆粒物粒徑和濃度影響，一般來說粒徑越大、濃度越高，物理堵塞越嚴重［10-11］；化學堵塞通常是由水源中可溶解的化學物質在一定條件下形成的不溶性沉淀導致的，一般來說，水質越硬、離子含量越高越容易誘發(fā)化學堵塞［3，12］；生物堵塞相對比較復雜，既包括水源中的細菌等微生物、藻類、動植物及其產(chǎn)出物（蟲卵、代謝物）等生物質進入滴灌系統(tǒng)后附著在灌水器流道而導致的堵塞，廣義上也包括地下滴灌系統(tǒng)中植物根系入侵灌水器引起的堵塞［13-14］，一般來說，水源中微生物數(shù)量越多、群落組成越復雜，越容易發(fā)生生物堵塞［14-15］。綜合來看，適宜滴灌系統(tǒng)的水源關鍵水質要素及控制閾值見表1。

表1 適宜滴灌系統(tǒng)的水源關鍵水質要素控制閾值

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織顧問統(tǒng)計，灌水器堵塞過程中物理堵塞、化學堵塞和生物堵塞發(fā)生概率分別為31%、22%和37%，其它類型占10%。Gilbert等［18］的研究結果則表明55%的灌水器堵塞是由物理因素引起的，而物理和生物因素共同作用導致的灌水器堵塞占87%。在實際工程應用中，由于水污染問題日益嚴重，水質特征更加復雜，灌水器堵塞往往表現(xiàn)為物理、化學、生物要素中兩者或三者協(xié)同作用、耦合互促導致的復合型堵塞［4］。

2.2 灌水器性能測試與評價方法常用的灌水器性能測試方法分為間接測試和直接測試，且以間接測試為主。間接測試主要通過室內(nèi)短周期和長周期測試進行，雖然試驗條件相對精細、可控，但試驗周期較短、測試次數(shù)較少，說服力相對有限［19-20］；直接測試即通過在田間鋪設滴灌管直接進行測試，雖然能夠高度還原工況，使得試驗結果更貼近田間真實情況，但無法保證水質特征恒定，且成本相對較高［2-4］。另一方面，灌水器實時出流受到水溫、工作壓力、灌水頻率、地形高差以及相鄰灌水器堵塞狀況等多因素的共同影響，在室外條件下影響效果更加顯著，因此需要對灌水器即時流量進行校正，這也是之前大多數(shù)研究中并未考慮的問題。實際上，根據(jù)不同水源滴灌條件下的測試結果，校正前后的灌水器流量相差3%～8%［2，4］，必須予以重視。校正后的流量用于計算灌水器堵塞評估參數(shù)，才可以準確評估灌水器堵塞程度。

美國農(nóng)業(yè)工程師學會（ASAE）2003年發(fā)布的“微灌系統(tǒng)田間評價方法”仍是目前最權威的滴灌系統(tǒng)性能評價標準［21］，其中總結了常用的評估參數(shù)，包括評價灌水器生產(chǎn)質量的制造偏差（manufacturing variation coefficient，Cv），評價單個灌水器堵塞的相對流量（relative outflow，Qr）和多個灌水器整體堵塞程度的平均相對流量（discharge ratio variation，Dra）和差異程度的流量偏差（qvar），評價灌水均勻性的克里斯琴森均勻系數(shù)（Christiansen coefficient of uniformity，CU）、設計均勻度（design emission unifor?mity，EU）和統(tǒng)計均勻度（statistical uniformity coefficient，Us）以及灌水器堵塞程度分布特征等。然而，目前大部分相關研究成果中只考慮了其中一部分，從灌水器堵塞發(fā)生特征的某方面進行評價。在此基礎上，馮吉［4］從灌水器個體和滴灌管（帶）多個灌水器兩個層面，初步建立了全面描述灌水器堵塞特征的方法。其中，灌水器個體主要通過Qr、隨機性指數(shù)和可恢復性指數(shù)來表現(xiàn)單個灌水器在某段時間內(nèi)動態(tài)出流的波動征及存在的隨機性，但同時具有一定的可恢復能力；而整條滴灌管（帶）所有灌水器堵塞發(fā)生的整體性和隨機性則分別通過Dra和CU進行表征，這兩個參數(shù)均表現(xiàn)出持續(xù)變化的特征（圖1）。

2.3 灌水器堵塞特征與預報方法摸清滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生特征是揭示灌水器堵塞誘發(fā)機理進而建立堵塞控制方法的前提和基礎。已有學者從物理、化學、生物水質要素成因角度對灌水器堵塞特性開展研究工作，整體來看，不同誘因的灌水器堵塞均表現(xiàn)出相似的發(fā)生特性［2-4，22］：單個灌水器流量變化的波動性和隨機性顯著，且不同堵塞程度下表現(xiàn)出的可恢復性持續(xù)降低，但是由于堵塞物質與壁面的黏附作用不斷加強，使得灌水器的堵塞處于不斷加深狀態(tài)，單個灌水器堵塞發(fā)生的波動性、隨機性和可恢復性并不會改變滴灌系統(tǒng)所有灌水器整體堵塞持續(xù)加重的特性（圖1）。整體來看，灌水器整體堵塞特征表現(xiàn)出隨系統(tǒng)累積運行先平緩波動-后線性下降的趨勢。

為了評估灌水器堵塞發(fā)生特性，現(xiàn)有研究結果大多通過實測數(shù)據(jù)進行回歸分析獲取經(jīng)驗公式來預測灌水器流量［23-24］，或者通過基于威布爾分布和蒙特卡洛法的統(tǒng)計模型預估灌水器堵塞控制起始時間［25］。對于灌水器自身抗堵塞能力而言，可以使用灌水器抗堵塞性能評估指數(shù)進行評估，并通過灌水器額定流量以及流道長、寬和深進行估算，作為快速評價灌水器自身抗堵塞能力及篩選適宜灌水器產(chǎn)品的有效參考［26］。但是，目前相關的研究結果都是基于室內(nèi)條件下的研究和測試，并沒有應用于實際滴灌工程后反饋評估效果準確性的相關報道，需要做進一步的驗證和探討。

圖1 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞動態(tài)發(fā)生特征

3 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞誘發(fā)機理

3.1 堵塞物質測試與分析方法滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞與其內(nèi)部堵塞物質的形成和生長密切相關［14］，因此，摸清堵塞物質來源與其特征組分是揭示灌水器堵塞誘發(fā)機理，進而解決灌水器堵塞問題的前提。從40年前開始，相關學者陸續(xù)探索了地下水、河湖水、水庫水、雨水、再生水、高含沙水、微咸水等多水源滴灌條件下不同類型灌水器堵塞物質中各特征組分相對含量［3-4，10，14］，結果表明灌水器堵塞物質為一種多物質共存體系，是由微生物群體（細菌、原生動物、真菌等）及其分泌的胞外多聚物以及固體顆粒物等多物質構成的三維異質結構和功能整體［27］。但是由于測試技術的限制，上述研究結果多為定性研究，定量結果十分匱乏。

表2 不同堵塞類型堵塞物質各組分含量對比（%）

隨著現(xiàn)代精細測試技術的快速發(fā)展，已經(jīng)逐步探索出堵塞物質表面形貌特征［28］、三維分布特征［29］及特征組分的測試方法［14］，建立了灌水器堵塞物質堵塞測試體系。灌水器內(nèi)部堵塞物質特征組分主要包括物理態(tài)（泥沙顆粒，solid particle，SP）、化學態(tài)（鈣鎂沉淀，Ca-Mg precipitation，C-MP）以及生物態(tài)（磷脂脂肪酸，phospholipid fatty acids，PLFAs；胞外聚合物，extracellular polymeric substanc?es，EPS），但已有研究結果大多集中于其中一部分，全面測試各特征組分的研究報道非常罕見。綜合現(xiàn)有研究結果來看，發(fā)生復合堵塞的灌水器中各特征組分分別占堵塞物質總重的44%～71%，28%～55%，0.08%～0.12%，0.44%～0.84%（表2）；以物理堵塞和化學堵塞為主的灌水器堵塞物質分別主要為SP和C-MP，其含量分別占87.5%和88.1%以上；而以生物堵塞為主的灌水器堵塞物質中的PLFAs和EPS所占比重相對較高，分別為0.73%～0.78%和1.24%～1.32%，但仍然以SP所占質量比最高，達到97.9%～98.0%。

3.2 灌水器堵塞誘發(fā)機理影響滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞物質的因素眾多，其形成和生長過程是灌溉水質等環(huán)境因素［5，9］，灌水器類型、流道幾何參數(shù)等結構特征［2，20］，毛管內(nèi)流速、流道近壁面水力剪切力等水力學特征［31］以及工作壓力、滴灌頻率等系統(tǒng)運行模式［31-32］等多種因素共同影響下的綜合表現(xiàn)?；诙氯镔|特征組分對上述影響因素的動態(tài)響應特征，目前已經(jīng)建立了堵塞物質特征組分生長動力學模型，定量描述了堵塞物質“生長適應期-快速增長期-動態(tài)穩(wěn)定期”三段式生長過程［4，33-34］：在系統(tǒng)運行前期，由于水源中的固體顆粒物、微生物、有機質等多種物質處于初始吸附階段，堵塞物質中微生物及其分泌的胞外聚合物含量整體較少、吸附能力較弱，集中在流速較低的流動滯止區(qū)生長，該階段堵塞物質組分增長較慢。此后，隨著堵塞物質中微生物基數(shù)增加，在營養(yǎng)物質供給充足的條件下，微生物數(shù)量和種類迅速增多，由于堵塞物質表面結構疏松多孔的特征，內(nèi)層的微生物群落也能獲得較多的營養(yǎng)物質，新陳代謝活躍、分泌的黏性胞外聚合物也迅速增加。然而，當堵塞物質不斷生長直至趨于環(huán)境最大容納量時，堵塞物質在水力剪切力等外力作用下脫落后再生長的動態(tài)過程逐漸趨于平衡，堵塞物質特征組分含量也趨于恒定。

目前來看，地下水、再生水、高含沙水、微咸水、河湖庫地表水等常見水源滴灌條件下，基本不存在單一堵塞類型獨立存在的情況，不同水源、工況條件下灌水器堵塞特征的實質差別在于哪種類型的堵塞占據(jù)主導。這主要是因為灌水器內(nèi)部堵塞物質各組分間存在顯著的線性正相關關系，而灌水器堵塞參數(shù)與堵塞物質特征組分含量間也存在顯著的正相關關系［14，33］。堵塞物質各特征組分之間相互影響、耦合互促（圖2）：當固體顆粒物攜帶微生物進入灌水器流道并發(fā)生沉積后，在管道系統(tǒng)內(nèi)不斷附著-生長-脫落-衰亡，微生物在顆粒物之間的空隙附著生長并分泌出黏性的EPS，進而繼續(xù)吸附顆粒物和微生物。隨著堵塞物質的生長其厚度不斷增加，堵塞物質黏附力降低，在水流脈動和水力剪切力作用下，堵塞物質會脫落隨水流進入灌水器流道內(nèi)，易于在流道內(nèi)水流剪切力較低的部位（主要為流道進口、出口）沉積，導致流道尺寸不斷變?。?0］，導致灌水器堵塞不斷加深。由此可見，灌水器流道壁面附著的堵塞物質——附生生物膜的形成是灌水器堵塞發(fā)生的誘因。

圖2 灌水器堵塞耦合互促機理

3.3 灌水器堵塞物質形成的調控途徑從灌水器自身抗堵塞能力的角度來看，其流道設計參數(shù)及組合對灌水器堵塞影響顯著。已有學者利用計算流體力學（CFD）方法研究了灌水器流道內(nèi)部固-液兩相流特性，并根據(jù)水力學特征確定了灌水器流道各參數(shù)閾值及適宜組合模式［35］。為了量化灌水器流道特征參數(shù)作用于灌水器堵塞物質形成和生長的途徑，需要借助結構方程模型中的路徑分析法。結果表明，灌水器內(nèi)部微域水力學特征參數(shù)——斷面平均流速（v）與堵塞物質各特征組分間存在顯著的線性負相關關系（R2＞0.80**，p＜0.01），是直接影響堵塞物質形成和生長的關鍵因素［34］。而斷面平均流速作為灌水器流道設計參數(shù)的綜合表征，主要受到兩個無量綱參數(shù)——W/D和A1/2/L，（其中，L、W、D和A分別表示流道長、寬、深和橫截面積）的影響（R2＞0.72**，p＜0.01）。對于灌水器堵塞物質各特征組分而言，SP、C-MP對灌水器堵塞以直接作用為主，PLFAs與EPS主要通過影響堵塞物質的理化成因間接引發(fā)灌水器堵塞，C-MP同時也在一定程度上通過影響SP間接影響堵塞發(fā)生過程。

4 灌水器堵塞物質持續(xù)生長機理

4.1 灌水器內(nèi)部流動可視化技術實現(xiàn)灌水器流道內(nèi)部流動可視化是摸清灌水器內(nèi)部多物質運移過程的前提。但是灌水器復雜流道通常僅有0.25～1 mm，處于微觀（1～100 μm）和宏觀（＞1 mm）之間的介觀尺度，常規(guī)手段難以實現(xiàn)可視化。經(jīng)過多年探索，相關學者通過激光多普勒測速技術（laser dop?per velocimetry， LDV）［36］、微尺度流體粒子圖像測速技術（micro particle image velocimetry， mi?cro-PIV）［37］、數(shù)字粒子圖像測速技術（digital particle image velocimetry，DPIV）結合平面激光誘導熒光測速技術（planar laser induced fluorescence，PLIF）［38］實現(xiàn)了灌水器內(nèi)部水流可視化；利用粒子圖像測速技術（PIV）［39］、粒子跟蹤測速技術（particle tracking velocimetry，PTV）［40］實現(xiàn)了灌水器內(nèi)部顆粒物運移可視化。然而，流道內(nèi)部多物質流動的可視化過程面臨測試模型與熒光粒子等方面的技術瓶頸。由于灌水器流道狹窄且邊界復雜，滴灌管（帶）不透明，需要通過適宜的透明原型［38］、流道放大模型［41］、平面模型［42］或者單元段模型［43］等實現(xiàn)測試模型的簡化和透明化；而示蹤粒子需要綜合考慮粒子的流動跟隨性、成像可見性、散布均勻度、濃度以及質量分數(shù)等條件。相關學者不斷突破創(chuàng)新，最終建立了一種將單元段模型、DPIV、PLIF等技術相結合的準三維全場無擾測試方法，實現(xiàn)了灌水器流道內(nèi)部多物質流動的可視化［38］。

4.2 灌水器內(nèi)部固-液-氣多相耦合運動的CFD分析方法計算流體力學（CFD）方法在滴灌領域成功應用，通過灌水器內(nèi)部流場數(shù)值模擬與分析為快速、直觀研究灌水器內(nèi)部流動特征提供了一種新的手段。目前，相關分析軟件層出不窮，包括ANSYS FLUENT、NUMECA、CFX、STAR-CD等。其中FLUENT是目前應用較多的軟件，有關學者結合有限元法［44］、壁面函數(shù)法［45］、非定常數(shù)值計算模型［46］等方法對灌水器內(nèi)部水流及顆粒物運動進行了數(shù)值模擬與分析。

模擬過程中使用的湍流模型可以分為直接數(shù)值模擬方法（DNS）和非直接數(shù)值模擬方法。直接數(shù)值模擬方法是指直接求解瞬時紊流控制方程，該方法對計算機的要求非常高，目前還未廣泛用于實際工程計算中。非直接數(shù)值模擬方法是設法簡化紊流，根據(jù)采用的近似和簡化方法不同，可分為大渦模擬（LES）和Reynolds平均法（RANS）。其中LES是介于DNS與RANS之間的湍流數(shù)值模擬方法，模型能夠捕捉到更小的湍流結構，適用于灌水器微小流道內(nèi)部流體計算研究；RANS的優(yōu)點是適用范圍廣、精度合理，但它是個半經(jīng)驗公式，在計算例如強旋流、彎曲壁面流動或彎曲流線等復雜流動時，會產(chǎn)生一定失真。因此學者們對它進行改造，提出RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，廣泛應用于灌水器內(nèi)部固-液-氣多相耦合運動的CFD分析［47］。

4.3 灌水器內(nèi)部堵塞物質持續(xù)生長機理已有學者通過上述可視化測試與CFD模擬方法對灌水器流道內(nèi)部固液兩相流特征進行研究，結果表明，流場中水流和顆粒物較為清晰地分為沿流動方向的主流區(qū)和貼近邊壁處的漩渦區(qū)。主流區(qū)流速分布基本一致，且保持在3 m/s以上，當主流繞過齒尖時，流束發(fā)生明顯的偏轉，使得主流在進入下一單元流道空腔時偏轉到的一側的壁面，在邊界摩阻的作用下，與另一側的壁面之間形成回流漩渦，漩渦中心處流速在0.5 m/s以下，邊界處流速為1 m/s左右。懸浮顆粒等物質在主流中的運動速度與主流流速基本相同，只是在鋸齒迎水面的根部及背水面處速度較低，部分顆粒出現(xiàn)漩渦，顆粒運動發(fā)生滯后。在這種情況下，顆粒與邊壁碰撞后逐漸被吸附到壁面附著的附生生物膜表面并持續(xù)生長。顆粒物及營養(yǎng)物質等多物質隨滴灌水源進入灌水器后的運移-沉積-附著-脫落-再生長過程是導致堵塞物質持續(xù)生長的主要原因［14，28，30］。但是，適宜不同條件的模擬模型目前并沒有定論，關于灌水器內(nèi)部固-液-氣多相耦合的相關報道也極為罕見。

5 滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞控制方法

灌水器內(nèi)部堵塞物質的形成和持續(xù)生長是誘發(fā)灌水器堵塞并持續(xù)加重原因，因此，以限制灌水器內(nèi)部堵塞物質生長過程為靶向目標，目前已經(jīng)形成了“前控”——控制堵塞物質來源（包括水質控制、沉淀及過濾設備選型配置、酸氯處理配合管道沖洗）、“中排”——提升自身抗堵塞能力（灌水器流道優(yōu)化設計與材料改性）、“后清”——有效清除堵塞物質（微生物拮抗、電化學清除）相結合的灌水器堵塞控制方法：

5.1 “前控”——控制堵塞物質來源

（1）水源水質控制。水質因素是影響灌水器堵塞最主要、最直接的原因。水質越好，灌水器堵塞機率越低、堵塞程度越輕。因此，應依據(jù)《農(nóng)田灌溉水質標準》［48］和《微灌工程技術規(guī)范》［49］嚴格控制各水質特征參數(shù)閾值。尤其是使用再生水、微咸水、高含沙水等劣質水源進行滴灌時，單獨使用某項水源前處理技術很難滿足水質要求，通常需要采用反硝化生物濾池+超濾+臭氧接觸池+紫外線消毒等組合工藝以及混凝沉淀、介質過濾（含生物過濾）、膜處理、氧化等深度處理技術［50］。除此之外，目前還出現(xiàn)了一些新型水處理技術，比如微納米氣泡殺菌技術，即利用微納米氣泡爆炸時的能量實現(xiàn)污染物的氧化降解和水質凈化［51］；或者借助磁化處理技術改變?nèi)芤旱奈锢砘瘜W特性（溶解度、電導率、表面張力和pH等），磁化后軟化的水質可以有效地防治灌水器化學堵塞，在使用微咸水進行滴灌時效果顯著［52］。

（2）沉淀、過濾設備合理配置。合理配置沉淀、過濾設備可以有效去除水源中粒徑較大的雜質，降低灌水器堵塞風險。尤其是使用高含沙水進行滴灌時，成功的泥沙沉淀、過濾技術是系統(tǒng)正常運行的基礎。目前常見的沉沙池類型包括直線形沉沙池、曲線形沉沙池、沉沙條渠、混合形沉沙池等，也包括一些特殊形式的沉沙池?？蒲泄ぷ髡邍@沉沙池結構設計、流場分布、泥沙沉降規(guī)律和計算方法以及運行設計、觀測等方面開展了大量卓有成效的工作，得出了適宜不同工況條件下的沉砂池關鍵參數(shù)設計閾值［53-54］。其中，重力沉沙過濾池通過沉沙池和過濾網(wǎng)結合的形式，集沉沙過濾功能為一體，具有體積小、占地少、造價低等優(yōu)勢，泥沙去除率可以達到31%～60%，是目前比較熱門的發(fā)展方向之一。

不同的過濾器組合模式對滴灌水源的過濾效果也差異明顯。綜合目前研究結果，離心過濾器（一級過濾）+砂石過濾器（二級過濾）+網(wǎng)式/疊片過濾器（三級過濾）是常見的過濾器分級配置模式。當使用高含沙水、微咸水等進行滴灌時，需要同時配置三級過濾。如果高含沙水源中顆粒物較細，離心式過濾器效果不佳，可以直接省掉，同時配置暗渠結構提升砂石過濾器的過濾性能，濾料前后濁度可以降低20%～45%，結合反沖洗過程可以達到50%～80%［17，23］。對于再生水以及河湖庫地表微污染水等，砂石過濾器+網(wǎng)式/疊片過濾器效果較好。當?shù)喂嗨|較好時，可以直接使用網(wǎng)式/疊片過濾器作為過濾系統(tǒng)。目前來看，具有自清洗功能的砂石過濾器和疊片過濾器產(chǎn)品是過濾器研發(fā)的重要趨勢［55］。

（3）酸氯處理+毛管沖洗。酸氯處理和毛管沖洗是目前最常用的堵塞控制方法之一。加氯處理是利用氯的強氧化作用殺死微生物（細菌）或抑制其增殖過程，進而抑制堵塞物質生長。然而，目前不同學者在加氯濃度、注入頻率、注入方式等關鍵運行參數(shù)的研究結果差異很大，例如加氯濃度范圍從1～20 mg/L到100～500 mg/L，加入方式也有連續(xù)注入、間歇注入和定期注入等，甚至出現(xiàn)了由于注入時機、控制濃度和保持時間不當導致灌水器堵塞加劇的情況［56］，需要進一步研究、驗證。另一方面，毛管沖洗可以提高灌水器流量5%～8%，恢復效果主要受到滴灌方式、灌水器類型和沖洗模式的影響。已有研究表明，加氯處理配合毛管沖洗可以有效控制不同水源滴灌條件下灌水器堵塞問題［57］，例如再生水滴灌系統(tǒng)中，合理的氯處理+毛管沖洗模式可以分別提高灌水器Dra和CU 7.4%和10.3%以上。而對于以化學堵塞為主的微咸水滴灌系統(tǒng)，酸處理對化學沉淀有較好的清除效果，硫酸、鹽酸和磷酸等無機酸是比較常用的類型。加酸量需要綜合考慮水源離子組分、pH等因素，一般可以通過滴定方法確定?？紤]到水質的波動變化，往往會進行多次滴定試驗。對于大部分pH在8.0左右的水源來說，加入1 mel/L的無機酸通常可以將pH值降至6.0～6.5，這也是比較適宜pH范圍［3］。

5.2 “中排”——提升自身抗堵塞能力

（1）灌水器流道優(yōu)化設計。提高灌水器自身抗堵塞能力是緩解灌水器堵塞問題的根本，而提高灌水器自身抗堵塞能力的核心是流道邊界優(yōu)化。目前流道邊界優(yōu)化主要有兩種核心思想：一種是傳統(tǒng)的主航道抗堵塞設計方法，該方法認為應該消除流道內(nèi)流動滯止區(qū)和低速區(qū)，即消除泥沙容易淤積的漩渦區(qū)域，僅保留灌水器主流區(qū)來增強灌水器流道內(nèi)顆粒物的輸移能力，讓顆粒物盡快排出灌水器外，從而降低灌水器堵塞［36］；另一種是流道漩渦洗壁抗堵塞設計方法，該方法認為應該保留流道內(nèi)流速滯止或低速的漩渦區(qū)，對壁面夾角進行圓弧優(yōu)化以使漩渦充分發(fā)展、水流旋轉起來，提升水流對流道壁面的自清洗能力，進而降低堵塞物質的附著、促進堵塞物質的脫落，以此提高灌水器抗堵塞能力［58］。

（2）灌水器材料改性。材料改性是提高灌水器自身抗堵塞能力的領一種有效方法，主要是通過添加特殊抗菌類材料降低微生物的活性、抑制堵塞物質附著能力，從而減少堵塞物質的形成和生長。NETAFIM公司最早曾探索性地在滴灌灌水器中加入有機砷10-oxybisphenoxyarsine，取得了一定的抗堵效果，但有機砷化合物具有潛在毒性，存在一定的風險，因此并未長期投入。此后該公司推出的Bioline壓力補償型系列產(chǎn)品，該系列將灌水器浸入抗菌劑一段時間后再用于滴灌管生產(chǎn)，以抵制微生物積聚和生長，但由于成本較高，也并未大面積打入市場。目前該方面急需系統(tǒng)研究，取得重大突破。

5.3 “后清”——有效清除堵塞物質

（1）微生物拮抗。微生物拮抗關系是指微生物在其生命活動中，通過產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件抑制其它微生物的生長繁殖，甚至將其殺死其它的現(xiàn)象。已有學者探索性地將3種農(nóng)業(yè)常用的拮抗細菌添加到使用再生水滴灌系統(tǒng)后已發(fā)生堵塞的灌水器中，在14天內(nèi)流量近乎為0的灌水器流量幾乎完全恢復［59］。微生物拮抗技術為清除堵塞物質提供了一種新的思路與方法。后續(xù)學者通過培養(yǎng)、分離、篩選灌水器堵塞物質中的優(yōu)勢菌，進而選用抗病性能強的廣譜型農(nóng)用芽孢桿菌，篩選出了與灌水器堵塞物質優(yōu)勢菌拮抗作用較強的枯草芽孢桿菌和內(nèi)生芽孢桿菌［60］，但如何構建合理、長效、安全的微生物拮抗控堵模式，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；茝V仍需進一步研究。

（2）電化學清除。電化學方法主要是利用水在電壓作用下被電解成的活性氯、活性自由基等物質，破壞菌類及藻類的細胞膜結構、核酸、蛋白質及其他大分子物質，使細胞失活，進而清除堵塞物質。目前已有公司推出了基于該原理的除垢棒產(chǎn)品，通過引入高電壓、低電流，使微生物和顆粒物帶有相同電荷而互相排斥［61］，從而清除壁面附著的堵塞物質，但目前該領域的研究仍處于起步階段。

5.4 根系入侵與負壓吸泥堵塞控制方法針對地下滴灌系統(tǒng)負壓吸泥作用，已有學者提出無紡布包裹滴頭［62］、在毛管末端增加沖洗管［63］等方法。以色列NETAFIM公司開發(fā)了出口處帶“舌片”的地下滴灌系統(tǒng)專用灌水器系列，PLASTRO公司也發(fā)明了一種灌水器出口可以在系統(tǒng)停止灌水時自動鎖閉的內(nèi)鑲式壓力補償式滴頭。王榮蓮等［64］比較了不同灌水器類型對抗負壓堵塞的影響，發(fā)現(xiàn)小流量灌水器在防止負壓堵塞方面具有一定的優(yōu)勢。

針對地下滴灌系統(tǒng)根系入侵效應，于穎多等［65］和美國GEOFLOW公司Rootguard系列灌水器都曾在灌水器材料中拌入氟樂靈進行探索，但是通過摻入材料的方式改良的灌水器產(chǎn)品釋放有效成分的過程并不穩(wěn)定，同時可能給土壤、環(huán)境和人類健康帶來潛在風險，未能大面積推廣應用。近幾年，抗菌材料以及微膠囊技術的發(fā)展為灌水器材料改良提供了一個全新、有效、安全的方法。微膠囊化產(chǎn)品“有效緩釋”的特點克服了傳統(tǒng)材料高毒性、易揮發(fā)、易氧化的缺點，“靶向滅殺”的特性可以有效針對堵塞物質組分進行定向控制，應用前景巨大。但是，目前該技術與滴灌系統(tǒng)相結合仍處于探索階段，理論與技術都急需突破。

5.5 典型劣質水源滴灌系統(tǒng)堵塞綜合控制方法針對黃河水滴灌系統(tǒng)細粒徑、黏性泥沙含量高的特點，以控制細顆粒泥沙在系統(tǒng)內(nèi)的輸移過程為目標，構建了“灌水器排沙-毛管沖沙-過濾器攔沙-沉沙池沉沙”的灌水器堵塞逐級調控技術：通過流道結構優(yōu)化提升灌水器自排沙能力，使更多的細顆粒通過灌水器流道排出，適宜產(chǎn)品可通過灌水器抗堵塞能力評估方法篩選［26］；毛管內(nèi)淤積的泥沙可以通過周期性毛管沖洗沖出，系統(tǒng)每運行64 h左右，以0.4 m/s的流速沖洗6 min左右為宜［66］；過濾系統(tǒng)可選用砂石過濾器＋篩網(wǎng)/疊片過濾器，其中砂石過濾器濾料粒徑宜選擇1.70～2.35 mm，過濾流速和反沖洗流速分別控制在0.014～0.021 m/s和0.007～0.022 m/s，配置的篩網(wǎng)過濾器適宜目數(shù)為100目，疊片過濾器則為120目［17，23］；最后確定沉沙池的處理標準，通過安裝斜管和調流板可保證泥沙去除效率提高 15%～20%［80］。

針對微咸水水源礦化度高，水中含有大量的鈣、鎂離子等極易形成化學沉淀的特點，采用“控制水質（電導率閾值控制來減少關鍵組分來源）-調節(jié)運行（調控輪灌制度、灌溉頻率等控制沉淀物附著過程）-配施酸肥（配施酸性肥料清除生成的堵塞物質）”相結合可以有效控制灌水器堵塞［5］。目前確定了適宜的電導率閾值在4 dS/m以下，宜采用高頻滴灌，系統(tǒng)工作壓力應不低于0.06MPa，采用淡水與微咸水交替滴灌或者配施酸性肥料均可以有效緩解灌水器堵塞［53］。

6 進一步研究的問題

6.1 適宜不同水源的水質預處理方法及關鍵參數(shù)閾值系統(tǒng)研究適宜地下水、河湖庫地表水、再生水、微咸水、高含沙水源等常見滴灌水源的水質深度處理工藝及配套的沉淀、過濾等水源前處理模式，探究不同水質滴灌條件下灌水器堵塞發(fā)生特征及堵塞物質時空分布特征，確定進入滴灌系統(tǒng)時滴灌水源關鍵水質參數(shù)的有效控制閾值。

6.2 肥料-水質耦合作用下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞誘發(fā)機理及適配裝備互饋選擇研究肥料-水質耦合作用下滴灌毛管及灌水器內(nèi)部多物質運移特征，系統(tǒng)揭示水肥耦合作用條件下灌水器堵塞誘發(fā)機理與作用路徑。研究肥料類型-灌溉水質-系統(tǒng)裝備的適配機理，提出面向滴灌系統(tǒng)灌水均勻度控制需求的三者互饋選擇技術參數(shù)閾值，實現(xiàn)肥料、水源與裝備的有機結合。

6.3 抗堵塞灌水器產(chǎn)品參數(shù)化設計軟件研發(fā)耦合堵塞物質三維重構模型、顆粒-壁面碰撞動力學模型及非穩(wěn)態(tài)湍流Lattice-Boltzmann大渦模型，建立灌水器內(nèi)部固-液-氣多相流動耦合模型及求解方法。探究抗堵塞灌水器流道參數(shù)組合快速適配方法，開發(fā)抗堵塞灌水器產(chǎn)品參數(shù)化設計軟件，實現(xiàn)灌水器流道設計標準化、快速化、程序化。

6.4 地下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞特征識別及控制方法研究地下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞發(fā)生規(guī)律、影響因素及其與地表滴灌系統(tǒng)堵塞發(fā)生的差異性，量化物理、化學、生物以及負壓吸泥、根系入侵因素對灌水器堵塞的貢獻程度及其耦合作用途徑，辨識其中關鍵誘因。建立多因素影響、多類型耦合條件下堵塞物質生長動力學模型，建立地下滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞控制方法。

［1］NAKAYAMA F S，BUCKS D A.Water quality in drip/trickle irrigation：a review［J］.Irrigation Science，1991，12（4）：187-192 ．

［2］PEI Y T，LI Y K，LIU Y Z，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 ．

［3］張鐘莉莉.微咸水滴灌系統(tǒng)灌水器化學堵塞機理及控制方法研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2016．

［4］馮吉.引黃滴灌系統(tǒng)泥沙逐級調控機制及方法研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2017．

［5］CAPRA A，SCICOLONE B.Water quality and distribution uniformity in drip/trickle irrigation systems［J］.Jour?nal of Agricultural Engineering Research，1998，70（4）：355-365 ．

［6］王迪.不同類型灌水器對再生水滴灌施肥的適宜性及堵塞機制［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2014．

［7］盧澤華.不同方式加氣灌溉對溫室番茄生長及產(chǎn)量的影響［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2012．

［8］CAMP C R.Subsurface drip irrigation：a review［J］.Transaction of the ASAE，1998，41（5）：1353-1367 ．

［9］BUCKS D A，NAKAYAMA F S，GILBERT R G.Trickle irrigation water quality and preventive maintenance［J］.Agricultural Water Management，1979，2（2）：149-162 ．

［10］BOUNOUA S，TOMAS S，LABILLE J，et al.Understanding physical clogging in drip irrigation：in situ，in-lab and numerical approaches［J］.Irrigation Science，2016，34（4）：327-331.

［11］NIU W Q，LIU L.Influence of fine particle size and concentration on the clogging of labyrinth emitters［J］.Irri?gation Science，2013，31（4）：6-7 ．

［12］KANG Y H，CHEN M，WAN S Q.Effects of drip irrigation with saline water on waxy maize(zea mays L.Var.ceratina Kulesh)in north China plain［J］.Agricultural Water Management，2010，97（9）：1303-1309 ．

［13］趙和鋒，李光永.微灌水質分析與指標判定［J］.節(jié)水灌溉，2004（6）：4-7．

［14］ZHOU B，LI Y K，PEI Y T，et al.Quantitative relationship between biofilms components and emitter clogging un?der reclaimed water drip irrigation［J］.Irrigation Science，2013，31（6）：1251-1263 ．

［15］李久生，栗巖峰，王軍，等.微灌在中國：歷史、現(xiàn)狀和未來［J］.水利學報，2016，47（3）：373-381．

［16］PITTS D J，HARMAN D Z，SMAJSTRLA A G.Causes and prevention of emitter plugging in microirrigation sys?tems［J］．Agricultural and Biological Engineering，1990，40（1/2）：201-218 ．

［17］FORD H W，TUCKER D P H.Blockage of drip irrigation filters and emitters by iron sulfur bacterial products［J］.Hortscience，1975，10（1）：62-64 ．

［18］GILBERT R G，NAKAYAMA F S，BUCKS D A，et al.Trickle irrigation：predominant bacteria in treated Colora?do River water and biologically clogged emitters［J］.Irrigation Science，1982，3（2）：123-132 ．

［19］Clogging test methods for emitters［S］.ISO/TC 23/SC 18/WG 5 N 4，2003．

［20］王建東，龔時宏，李光永，等.低壓下流道結構參數(shù)對鋸齒型滴頭水力性能影響的試驗研究［J］.水利學報，2014，45（1）：72-78 ．

［21］Design and installation of micro-irrigation systems，EP405.1［S］.St Joseph，Mich：ASAE.2003 ．

［22］李久生，陳磊，栗巖峰.地下滴灌灌水器堵塞特性田間評估［J］.水利學報，2008，39（10）：1272-1278．

［23］CAPRA A，SCICOLONE B.Emitter and filter tests for wastewater reuse by drip irrigation［J］.Agricultural Water Management，2004，68：135-149 ．

［24］DEHGHANISANIJ H，YAMAMOTO T，OULD A B，et al.The effect of chlorine on emitter clogging induced by algae and protozoa and the performance of drip irrigation［J］.Transaction of the ASAE，2005，48（2）：519-527 ．

［25］SUBRAMNIAN K，SENTHILVEL S.Reliability analysis of trickle emitter clogging using WEIBULL distribution［J］.Agricultural Engineering Journal，2003，2（3）：179-190 ．

［26］ZHOU B，LI Y K，SONG P，et al.Anti-clogging evaluation for drip irrigation emitters using reclaimed water［J］.Irrigation Science，2017，35（3）：181-192 ．

［27］LI Y K，LIU Y Z，LI G B，et al.Surface topographic characteristics of suspending sediment in two reclaimed wastewater and its effects on the clogging in labyrinth drip irrigation emitters［J］.Irrigation Science，2012，30（1）：43-56 ．

［28］LI Y K，ZHOU B，LIU Y Z，et al.Preliminary surface topographical characteristics of bio fi lms attached on drip irrigation emitters using reclaimed water［J］.Irrigation Science，2013，31（4）：557-574 ．

［29］增勇，湯光平，李建文，等.工業(yè)CT技術進展及應用［J］.無損檢測，2010，7：504-508．

［30］LI G B，LI Y K，XU T W，et al.Effects of average velocity on the growth and surface topography of biofilms at?tached to the reclaimed wastewater drip irrigation system laterals［J］.Irrigation Science，2012，30（2）：103-113.

［31］杜少卿，曾文杰，施澤，等.工作壓力對滴灌管迷宮流道灌水器水力性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（S2）：55-60 ．

［32］栗巖峰，李久生，李蓓.滴灌系統(tǒng)運行方式和施肥頻率對番茄根區(qū)土壤氮素動態(tài)的影響［J］.水利學報，2007，38（7）：857-865 ．

［33］ZHOU B，LI Y K，SONG P，et al.A kinetic model for biofilm growth inside non-PC emitters under reclaimed wa?ter drip irrigation［J］.Agricultural Water Management，2016，168：23-34 ．

［34］薛松.滴灌系統(tǒng)灌水器復合型堵塞物質形成機制及動力學模型研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2016．

［35］ZHANG J，ZHAO W H，TANG Y P，et al.Structural optimization of labyrinth-channel emitters based on hydrau?lic and anti-clogging performances［J］.Irrigation Science，2011，29（5）：351-357 ．

［36］魏正英，趙萬華，唐一平，等.滴灌灌水器迷宮流道主航道抗堵設計方法研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21（6）：1-7 ．

［37］王元，金文，何文博.鋸齒型微通道內(nèi)流流場的微尺度粒子圖像測量［J］.西安交通大學學報，2009，43（9）：109-113．

［38］LI Y K，YANG P L，XU T W，et al.CFD and digital particle tracking to assess flow characteristics in the laby?rinth flow path of a drip irrigation emitter［J］.Irrigation Science，2008，26（5）：427-438．

［39］喻黎明，吳普特，牛文全，等．迷宮流道轉角對灌水器水力性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（2）：63-67．

［40］杜向潤，孫楠，王蒙.基于PIV測量技術的變曝氣量下氣液兩相流速度場研究［J］.水利學報，2015，46（11）：1371-1377．

［41］王建東，李光永，邱象玉，等.流道結構形式對滴頭水力性能影響的試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21（S1）：100-103 ．

［42］李治勤，馬靜.迷宮灌水器水流流態(tài)試驗［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（1）：82-86．

［43］LI Y K，YANG P L，LIU H L，et al.Pressure losses mechanism analyzed with pipe turbulence theory and friction coefficient prediction in labyrinth path of drip irrigation emitter［J］ .Irrigation and Drainage，2011，60（2）：179-186．

［44］王尚錦，劉小民，席光，等 .農(nóng)灌用新型迷宮式滴頭內(nèi)流動特性分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2000，16（6）：61-63．

［45］孟桂祥，張鳴遠，趙萬華，等.滴灌滴頭內(nèi)流場的數(shù)值模擬及流道優(yōu)化設計［J］.西安交通大學學報，2004，38（9）：920-924 ．

［46］王文娥，王福軍.迷宮式水力特性非定常數(shù)值模擬研究［J］.水利學報，2010，41（3）：332-337．

［47］LIU H S，LI Y K，LIU Y Z，et al.Flow characteristics in energy dissipation units of labyrinth path in the drip irri?gation emitters with DPIV technology［J］.Journal of Hydrodynamics，2010，22（1）：137-145 ．

［48］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 5084-2005，農(nóng)田灌溉水質標準［S］.北京：中國標準出版社，2006．

［49］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB/T 50485-2009，微灌工程技術規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009．

［50］甘一萍，白宇.污水處理廠深度處理與再生利用技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［51］RAV-ACHA C，KUMMEL M，SALAMON I，et al.The effect of chemical oxidants on effluent constituents for drip irrigation［J］.Water Research，1995，29（1）：119-129 ．

［52］AALI KA，LIAGHAT A，DEHGHANISANIJ H.The effect of acidification and magnetic field on emitter clogging under saline water application［J］.Journal of Agricultural Science（Toronto），2009，1（1）：132-141 ．

［53］申庚午.引黃滴灌條件下重力式沉沙-過濾復合系統(tǒng)優(yōu)化設計與應用研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2016.

［54］ARBAT G，PUJOL T，PUIG-BARGUéS J，et al.An experimental and analytical study to analyze hydraulic be?havior of nozzle-type underdrains in porous media filters［J］ .Agricultural Water Management，2013，126：64-74．

［55］宗全利，劉煥芳，鄭鐵剛，等.微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器的設計與試驗研究［J］.灌溉排水學報，2010，29（1）：78-82 ．

［56］SONG P，LI YK，ZHOU B，et al.Controlling mechanism of chlorination on emitter bio-clogging for drip irriga?tion using reclaimed water［J］.Agricultural Water Management，2017，184：36-45．

［57］LI Y K，SONG P，PEI Y T，et al.Effects of lateral flushing on emitter clogging and biofilm components in drip ir?rigation systems with reclaimed water［J］.Irrigation Science，2015，33（3）：235-245．

［58］FENG J，LI Y K，WANG W N，et al.Effect of optimization forms of flow path on emitter hydraulic and anti-clog?ging performance in drip irrigation system［J］.Irrigation Science，2017，doi：10.1007/s00271-017-0561-9．

［59］SAHIN U，TUNC T，EROGLU S.Evaluation of CaCO3clogging in emitters with magnetized saline waters.Desali?nation and Water Treatment，2012，40（1/3）：168-173 ．

［60］李云開，王克遠，王天志，等.利用微生物拮抗作用清除滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的方法［P］.國家發(fā)明專利：ZL 201410019340.9，2016．

［61］王志毅，陳勇，王世榮.Ts系列靜電離子水處理除垢棒在工業(yè)循環(huán)水中的應用［J］.氯堿工業(yè)，2003，2：43-45．

［62］楊寶中，曹猷界.多孔滲灌管的防堵措施研究［J］.灌溉排水，2000，19（2）：69-71．

［63］LAMM F R，JAUME P B.Simplified equations to estimate flushline diameter for subsurface drip irrigation systems［J］.Transactions of the ASABE，2016，60（1）：185-192 ．

［64］王榮蓮，龔時宏，王建東，等.地下滴灌抗負壓堵塞的試驗研究［J］.灌溉排水學報，2005，24（5）：18-21．

［65］于穎多，龔時宏，王建東，等.冬小麥地下滴灌氟樂靈注入制度對根系生長及作物產(chǎn)量影響的試驗研究［J］.水利學報，2008，39（4）：454-459．

［66］HAN S Q，LI Y K，XU F P，et al.Effect of lateral flushing on emitter clogging under drip irrigation with Yellow River water and a suitable method［J］.Irrigation and Drainage，2017，doi：10.1002/ird.2193．