王照熙，趙 雪，張文倩，牛文全

灌溉水磁化處理對(duì)水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響

王照熙1,2，趙 雪1,2，張文倩1,2，牛文全1,3※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

為探究灌溉水磁化處理對(duì)引黃灌區(qū)水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響，該研究針對(duì)內(nèi)鑲片式滴頭，設(shè)置磁化強(qiáng)度為0.2、0.4和0.6 T，對(duì)照組為未磁化處理，并配置質(zhì)量份數(shù)為2 %的硫酸鉀肥、尿素和復(fù)合肥渾水（泥沙濃度為3.0 g/L），采用短周期間歇性灌水試驗(yàn)。結(jié)果表明：磁化極顯著減緩滴頭流量與灌水均勻度的下降趨勢(shì)（<0.01），不同肥料適合的最佳磁化強(qiáng)度不同，磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，對(duì)硫酸鉀肥與復(fù)合肥混合液的灌水均勻度下降的減緩作用最大，磁化強(qiáng)度為0.2 T時(shí)，對(duì)尿素混合液的灌水均勻度下降的減緩作用最大；灌溉水磁化后，硫酸鉀肥和復(fù)合肥處理毛管前段堵塞滴頭的數(shù)量增加，尿素處理的減少；磁化處理顯著影響滴頭堵塞敏感粒徑的沉降和運(yùn)動(dòng)，顯著增加了硫酸鉀肥與復(fù)合肥混合液在毛管中淤積泥沙的敏感粒徑（<0.03 mm）占比，減少了滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比，尿素則相反。研究結(jié)果可為引黃灌區(qū)水肥一體化滴灌滴頭抗堵塞防治措施提供參考。

灌溉；泥沙；磁化；滴頭堵塞；水肥一體化

0 引 言

水肥一體化滴灌可提高作物根區(qū)水肥分布的均勻度[1]、改善旱地農(nóng)業(yè)水肥資源利用現(xiàn)狀、促進(jìn)小麥等作物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量[2-3]。由于水中總是會(huì)含有一定的泥沙等懸浮雜質(zhì)，與肥料相互作用，易在毛管和滴頭迷宮流道內(nèi)形成沉淀，導(dǎo)致滴頭發(fā)生堵塞等問題。黃河水由于細(xì)小顆粒（粒徑小于0.075 mm）含量非常高，即使經(jīng)過沉降、過濾后，仍然有許多細(xì)小顆粒進(jìn)入灌溉管網(wǎng)和滴頭流道，在水肥一體化滴灌過程中，容易產(chǎn)生比較復(fù)雜的滴頭堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重制約黃河水滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，研究解決引黃灌區(qū)水肥一體化滴灌滴頭堵塞問題，對(duì)該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

通常解決滴頭堵塞的方式主要有配置沉淀、過濾設(shè)備、毛管沖洗、酸氯處理和優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)等，但這些措施是以高昂的成本為代價(jià)，并降低了滴灌系統(tǒng)的工作效率，如經(jīng)常需要更換清洗沉沙過濾設(shè)施等。亟待研究一種價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng)的滴頭控堵措施。據(jù)研究，當(dāng)水以一定的速度流經(jīng)磁場(chǎng)形成磁化水后，水分子間部分氫鍵約束力降低[4]，水分子從無序態(tài)轉(zhuǎn)為有序態(tài)[5]，其表面張力系數(shù)、黏度、密度、電導(dǎo)率、pH值等均發(fā)生變化[6]。20世紀(jì)40年代，Vermeiren首先發(fā)現(xiàn)磁化水能抑制水垢的形成[7]，磁化水中大量的微小水分子可以滲透、包圍、松散、溶解和去除老垢[8]。磁化水灌溉可促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量和水分利用效率，增強(qiáng)土壤保水能力，降低土壤鹽分含量，加快土壤鹽分淋洗等[9-10]。磁化處理能顯著提高全尾砂和高濁度黏土在水中的絮凝沉降速度[11-12]，灌溉水磁化后有望改變懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而減緩滴頭堵塞。目前，關(guān)于磁化在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的研究多集中于作物與土壤中，關(guān)于磁化對(duì)滴頭堵塞影響的研究較少。

為探究磁化水灌溉對(duì)水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響，本文設(shè)置3種肥料類型和4種磁化強(qiáng)度，探究磁化對(duì)水肥一體化滴灌過程中滴頭堵塞的影響，為改善滴頭堵塞情況，指導(dǎo)引黃灌區(qū)高含沙水流水肥一體化滴灌提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)采用內(nèi)鑲片式迷宮流道滴灌帶（秦川節(jié)水灌溉設(shè)備工程有限公司），滴頭結(jié)構(gòu)如下：流道寬度0.8 mm、齒高1.1 mm、齒間距1.5 mm、流道深為1.2 mm、流道單元數(shù)為14個(gè)、滴頭間距為15 cm。毛管為PE材料，壁厚0.16 mm、管徑為16 mm。工作壓力在60 kPa時(shí)，滴頭流量為1.8 L/h。滴頭水力性能曲線如圖1，流態(tài)指數(shù)為0.472。

試驗(yàn)肥料選取3種常用品種：1）硫酸鉀肥（國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司），K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于51%。2）尿素（陜西渭河重化工有限責(zé)任公司）含氮量不小于46.6%，可完全溶解。3）可溶性復(fù)合肥（史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司），N∶P2O5∶K2O為19∶19∶19，可完全溶解。將肥料加入水中，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙?、靜置分層后，濾除溶液底層沉淀，取上清液配置試驗(yàn)用肥液。當(dāng)施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～3.0%之間時(shí)，不同肥料類型之間滴頭流量變幅差異較大[13]，故本試驗(yàn)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的3種肥液。試驗(yàn)肥液一次性配置完成并混入水源。

試驗(yàn)用含砂渾水配制：泥沙取自渭河陜西楊凌段河漫灘地河床泥沙。采用鐵鏟收集距河床地表深度10 cm左右的泥沙，將取得泥沙經(jīng)自然烘干后，剔除樹枝、雜草等雜質(zhì)后進(jìn)行研磨，過140目（孔徑0.104 mm）篩網(wǎng)，用激光粒度儀（馬爾文2000，英國(guó)）測(cè)定試驗(yàn)用泥沙，其級(jí)配（體積份數(shù)）如下：粒徑<0.002 mm為21.39%，0.002～0.005 mm為4.15%，>0.005～0.01 mm為9.00%，>0.01～0.02 mm為19.35%，>0.02～0.05 mm為28.28%，>0.05～0.1 mm為17.83%。黃河水泥沙含量高且細(xì)微粒含量比例大，黃河中游地區(qū)灌溉季節(jié)泥沙含量平均在4.5 g/L左右，內(nèi)蒙古昭君墳水文站4—9月平均2.5 g/L[14]，寧夏段黃河水含沙量為0.61～1.1 g/L[15]，綜合考慮黃河水泥沙含量，也為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，突出磁化的作用效果，本試驗(yàn)配置了較高的渾水含沙量，為3.0 g/L。將肥液與渾水混合，共同磁化后進(jìn)行灌溉試驗(yàn)。

試驗(yàn)用水為陜西楊凌示范區(qū)自來水，水質(zhì)情況如表1所示。

表1 楊凌示范區(qū)自來水水質(zhì)表

磁化器由包頭鑫達(dá)磁性材料廠生產(chǎn)，永磁體采用燒結(jié)汝鐵硼制成，磁鐵呈對(duì)稱式布置，保證水流能夠垂直通過磁感線，經(jīng)過數(shù)字特斯拉計(jì)（東莞泰仕電子HT20型）測(cè)量，強(qiáng)度為0.2、0.4和0.6 T。圖2為磁化裝置安裝方法及磁化過程示意圖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

滴頭水力性能測(cè)試平臺(tái)參照SL/T 67.1—94《微灌灌水器滴頭》、GB/T 17187—2009《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》[16]搭建而成，如圖3所示。平臺(tái)由磁化裝置、攪拌裝置、水泵、壓力變頻箱、燒杯和滴灌帶等組成。

通過預(yù)試驗(yàn)與王心陽等[17]的研究結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)工作壓力在60～120 kPa時(shí)，滴頭堵塞情況基本相同，因此設(shè)置本次試驗(yàn)的工作壓力為60 kPa，控制工作壓力變化幅度為2%以內(nèi)。毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度越短，灌水均勻度越好[18]，為控制灌水均勻度，本試驗(yàn)毛管長(zhǎng)度為2.0 m[19]。試驗(yàn)用渾水全程持續(xù)攪拌，輸水管道與滴灌帶較短，不同毛管內(nèi)的肥沙混合液濃度基本保持一致。

最大灌水次數(shù)為20次，每次灌水1 h，間隔45 min，總灌水時(shí)間20 h。其中3種化肥分別記為：鉀肥（K）、尿素（N）、復(fù)合肥（F），設(shè)置4種不同磁化強(qiáng)度分別為：0（W0）、0.2 T（W1）、0.4 T（W2）、0.6 T（W3）。每組處理共計(jì)5條毛管，即5次重復(fù)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)組合試驗(yàn)，將未磁化組設(shè)置為對(duì)照組，共計(jì)12組處理。為了減少測(cè)試過程中過濾設(shè)備截沙量，測(cè)試平臺(tái)并未設(shè)置過濾裝置。

試驗(yàn)過程：測(cè)試平臺(tái)開啟前，將磁化器固定在循環(huán)管路上，打開循環(huán)管路閥門，啟動(dòng)水泵，使儲(chǔ)水桶中的肥沙混合液通過磁化器，循環(huán)時(shí)間設(shè)定為30 min。循環(huán)流量為1.2 L/s，循環(huán)結(jié)束后關(guān)閉水泵與循環(huán)管路閥門，立即取距表層10 cm的液體1 000 mL進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)并測(cè)量水樣電導(dǎo)率（意大利哈納HI5522）及黏滯系數(shù)（烏氏粘度計(jì)法），每組試驗(yàn)重復(fù)3次。將磁化后的肥沙混合液經(jīng)攪拌器充分混合，打開進(jìn)水口閥門與水泵，通過電腦控制運(yùn)行測(cè)試平臺(tái)。滴頭下方放置2 000 mL燒杯以承接流出水。本試驗(yàn)采用非循環(huán)水，每個(gè)試驗(yàn)周期停止時(shí)，測(cè)量燒杯質(zhì)量并重新配置水源。將所有滴頭流出渾水倒入21 L沉沙桶中，靜置12 h，形成水沙兩層結(jié)構(gòu)，傾倒上層水，將剩余水沙混合液倒入錫紙碗中，二次沉降4 h后，倒掉上清液，將錫紙碗放入烘箱，經(jīng)過105 ℃烘干。采用馬爾文2000激光粒度儀（馬爾文公司APA2000）測(cè)量烘干土樣的粒徑組成。試驗(yàn)結(jié)束后將毛管剖開風(fēng)干，并分為前、中、后3段，分別測(cè)量毛管前、中和后段淤積泥沙質(zhì)量與其機(jī)械組成。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

參考《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[19]，滴頭流量小于額定流量75%時(shí)，認(rèn)為滴頭堵塞。為消除溫度對(duì)滴頭流量的影響，通過Pei等[20]的校正方式對(duì)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行校正，最后用相對(duì)流量評(píng)價(jià)滴頭堵塞情況。

為擴(kuò)大試驗(yàn)對(duì)比規(guī)模，設(shè)定當(dāng)平均相對(duì)流量小于 70%時(shí)，停止試驗(yàn)。灌水次數(shù)達(dá)到20次后，若平均相對(duì)流量大于70%，也停止灌水，并記灌水次數(shù)為20次。

灌水均勻度采用克里斯琴森均勻系數(shù)（CU）計(jì)算。

為識(shí)別不同毛管位置滴頭堵塞程度，將滴灌帶分為前、中、后三部分，不同段堵塞滴頭數(shù)與整條毛管堵塞滴頭數(shù)之比稱為滴頭相對(duì)堵塞占比B，計(jì)算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

將各數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，通過SPSS軟件進(jìn)行多重比較分析（Least Significant Difference Test，LSD）、Origin繪圖軟件進(jìn)行繪圖與圖像趨勢(shì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化對(duì)滴頭流量及灌水均勻度變化的影響

從圖4可以看出，磁化極顯著減緩了滴頭流量與灌水均勻度的下降趨勢(shì)（<0.01），且對(duì)不同肥料混合液的影響不同。硫酸鉀肥混合液W2處理的流量極顯著大于W1和W3處理（<0.01），W1與W3處理間無顯著差異（>0.05）；磁化強(qiáng)度對(duì)尿素混合液和復(fù)合肥混合液的流量變化無顯著性影響（>0.05）。

硫酸鉀肥、尿素和復(fù)合肥混合液未磁化處理的有效灌水次數(shù)（CU大于75%的灌水次數(shù)）分別為10、10、3次；磁化處理后，不同肥料混合液的有效灌水次數(shù)增加，磁化強(qiáng)度分別為0.4、0.2和0.4 T時(shí)，硫酸鉀肥、尿素和復(fù)合肥混合液的有效灌水次數(shù)增幅最大，分別為16、15、7次。W2及W3處理，硫酸鉀肥混合液的灌水均勻度顯著大于（<0.05）W1處理，前兩者并無顯著差異（>0.05）；W1處理尿素混合液的灌水均勻度顯著大于W2及W3處理（<0.05），后兩者并無顯著差別（>0.05）；磁化強(qiáng)度對(duì)復(fù)合肥混合液的灌水均勻度曲線變化無顯著影響（>0.05）。

2.2 磁化對(duì)不同毛管位置滴頭堵塞的影響

由圖5可知，滴頭相對(duì)堵塞占比（B）能夠間接反映毛管中泥沙沉降情況。肥料類型不同，磁化對(duì)不同毛管位置滴頭堵塞數(shù)量的影響不同，對(duì)堵塞滴頭數(shù)量影響最大的磁化強(qiáng)度也不同。當(dāng)施加硫酸鉀肥或復(fù)合肥時(shí)，磁化能夠增加毛管前段堵塞滴頭的數(shù)量，當(dāng)施加尿素時(shí)，減少了毛管前段堵塞滴頭的數(shù)量。W2處理的硫酸鉀肥與復(fù)合肥混合液毛管前段堵塞滴頭數(shù)量增幅最大，分別為68.77%和27.50%，W1處理對(duì)尿素混合液毛管前段堵塞滴頭數(shù)量的降幅最大，為55.36%。

2.3 磁化對(duì)毛管淤積及滴頭輸出泥沙的影響

統(tǒng)計(jì)各處理下每條毛管淤積泥沙和滴頭輸出泥沙質(zhì)量，每種處理取5根滴灌帶平均數(shù)，不同磁化處理下毛管淤積泥沙量與滴頭輸出泥沙量的比值（）如表2所示。

表2 不同磁化強(qiáng)度及肥料類型下毛管淤積泥沙量與滴頭輸出泥沙量比值

比值反映了不同處理下毛管淤積與輸出泥沙量的相對(duì)大小，越大說明毛管淤積的泥沙相對(duì)于滴頭輸出的泥沙較多。施加硫酸鉀肥和復(fù)合肥時(shí)，磁化處理可以增大值，且二者均在0.4 T時(shí)增幅最大。磁化處理減小了施加尿素時(shí)的值，并在0.2 T時(shí)降幅最明顯。

通過對(duì)灌水結(jié)束后的毛管不同位置淤積泥沙進(jìn)行粒徑觀察，得到各處理毛管淤積泥沙的機(jī)械組成表3。磁化對(duì)不同肥料混合液淤積泥沙機(jī)械組成的影響不同。硫酸鉀肥混合液與復(fù)合肥混合液磁化后，毛管淤積泥沙的粉粒和黏粒占比增多（<0.01）；尿素混合液磁化后，粉粒及黏粒占比減少（<0.01）。肥料類型不同，對(duì)于毛管內(nèi)淤積泥沙機(jī)械組成影響最大的磁化強(qiáng)度也不同。硫酸鉀肥混合液和復(fù)合肥混合液在磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，毛管內(nèi)淤積泥沙的黏粒與粉粒占比之和增幅最大，平均值分別為21.89%和11.09%，尿素混合液在磁化強(qiáng)度為0.2 T時(shí)，毛管內(nèi)淤積泥沙的黏粒與粉粒占比之和降幅最大，平均為15.61%。

表3 磁化對(duì)不同毛管位置的淤積泥沙機(jī)械組成的影響

注：不同字母表示同一肥料類型各磁化強(qiáng)度處理間差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different letters indicate significant differences among magnetization strength treatmens for same fertilizer type(<0.05). The same below.

研究表明[21]，粒徑小于0.030 mm的泥沙微粒是造成滴頭堵塞的敏感粒徑，其最易粘附在迷宮流道內(nèi)造成滴頭堵塞。圖6為灌水結(jié)束后毛管各部位淤積泥沙中敏感粒徑占比。

由圖6可知，磁化能夠極顯著增加毛管前、中部硫酸鉀肥混合液和復(fù)合肥混合液淤積泥沙中敏感粒徑占比（<0.01），當(dāng)磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，毛管前、中部泥沙敏感粒徑增幅最大：分別為25.75%、11.17%和17.87%、10.36%。磁化顯著地減少了尿素混合液毛管前部淤積泥沙中敏感粒徑占比（<0.05）；當(dāng)磁化強(qiáng)度為0.2 T時(shí)，降幅最大。

為探究磁化對(duì)滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比的影響，測(cè)量輸出泥沙中敏感粒徑占比隨灌水次數(shù)的變化，如圖7所示。

隨灌水次數(shù)增加，磁化前后的滴頭輸出泥沙圖像呈波動(dòng)狀態(tài)。磁化極顯著降低硫酸鉀肥混合液和復(fù)合肥混合液滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比（<0.01），提高尿素混合液滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比（<0.01）。當(dāng)磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，硫酸鉀肥混合液和復(fù)合肥混合液滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比降幅最大，分別為5.33%和4.61%，磁化強(qiáng)度為0.2 T時(shí)，尿素混合液滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比增幅最大，為5.26%。同時(shí)可以看出，毛管前部及中部淤積泥沙敏感粒徑占比和滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比的增減情況呈相反趨勢(shì)。在施加硫酸鉀肥和復(fù)合肥時(shí)，毛管前部及中部淤積泥沙敏感粒徑占比在0.4 T處理下增幅最大，但滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比在此時(shí)降幅最大；施加尿素時(shí)，毛管前部及中部淤積泥沙敏感粒徑占比在0.2 T處理下降幅最大，此時(shí)滴頭輸出泥沙中敏感粒徑占比增幅最大。

2.4 磁化對(duì)水的物理性質(zhì)的影響

由表4可知，磁化極顯著地增加了硫酸鉀肥混合液和復(fù)合肥混合液的電導(dǎo)率（<0.01），且W2處理時(shí)增幅最大，分別為23.26%和7.86%。磁化對(duì)尿素混合液的電導(dǎo)率影響不顯著（>0.05）。磁化極顯著地增大了肥料混合液的黏滯系數(shù)（<0.01），且黏性系數(shù)在0.4和0.6 T時(shí)較大。

表4 磁化后水的物理性質(zhì)

2.5 磁化對(duì)流道內(nèi)淤積泥沙微觀形貌的影響

圖8為磁化后滴頭流道內(nèi)泥沙微觀形態(tài)的掃描電鏡圖。未磁化處理時(shí)，硫酸鉀肥和復(fù)合肥使滴頭流道內(nèi)的大顆粒堵塞物孔隙中儲(chǔ)存了少量小顆粒，但結(jié)構(gòu)總體比較松散；磁化后，2種肥料混合液在滴頭流道內(nèi)形成的堵塞物結(jié)構(gòu)變得更加致密，大顆粒表面附著有細(xì)顆粒，大顆?？p隙中的細(xì)小顆粒填充明顯增多，顆粒間的鏈接更加緊密。未磁化處理，尿素混合液在滴頭流道內(nèi)形成的堵塞物結(jié)構(gòu)較緊密，大顆粒間有明顯的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，且小顆粒粘結(jié)填充空隙，磁化后，堵塞物結(jié)構(gòu)相對(duì)比較松散，大顆粒間的絮團(tuán)填充物減少，大顆粒表面的細(xì)小顆粒附著物也減少。

3 討 論

當(dāng)流道結(jié)構(gòu)一定時(shí)，水質(zhì)因素如懸浮物類型、懸浮物量、微生物數(shù)量、離子含量和類型、pH值和電導(dǎo)率等是影響滴頭堵塞的主要因素[22-23]。而灌溉水流經(jīng)磁場(chǎng)后，水在磁場(chǎng)中以一定速度沿垂直磁力線方向流動(dòng)并被磁化[6]，其氫鍵斷裂、鍵角變化，從而引起水分子結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致水的性質(zhì)發(fā)生了變化，表面張力系數(shù)、黏度、電導(dǎo)率、pH值等均發(fā)生變化[6]。

肥料混合液中Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子化學(xué)沉淀的析出，易形成穩(wěn)定性更強(qiáng)的堵塞物質(zhì)[13]。灌溉水磁化后，正負(fù)離子被單個(gè)水分子包圍，使水中的鈣、鎂離子締合物由正交晶系的針狀結(jié)晶改變?yōu)閱涡本档牧罱Y(jié)晶體，相互粘附與聚積的特性受到了破壞，從而難以生成沉淀，且磁化后水分子偶極距增大，使水分子與鹽類正負(fù)離子吸引力增大，致使滴灌帶管壁上原有的沉淀物開裂、疏松、脫落[24]。磁化可斷裂水分子中氫鍵，減弱分子間的相互作用力，導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)增大[25-27]，宏觀表現(xiàn)為滴頭流量增加，抗堵塞性能提高[21]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁化后，施加硫酸鉀與復(fù)合肥后的滴頭堵塞位置前移，施加尿素后滴頭堵塞位置移后。這是因?yàn)?，硫酸鉀肥屬?gòu)?qiáng)電解質(zhì)溶液[28]，試驗(yàn)選用復(fù)合肥為氨基酸螯合態(tài)高鉀型，渾水中的K+和SO42-的存在會(huì)形成大的泥沙顆粒團(tuán)聚體以及硫酸鹽等沉淀，加速了流道內(nèi)堵塞淤積物的形成[29-33]，使硫酸鉀加速了泥沙顆粒絮凝沉降過程[34]；磁化后，絮凝作用增強(qiáng)，敏感粒徑范圍內(nèi)的泥沙填補(bǔ)大顆粒間的空隙，使泥沙顆粒聚集體致密性增強(qiáng)，比密度增大，但黏滯系數(shù)增大，兩者出現(xiàn)交互作用，因硫酸鉀與復(fù)合肥懸液中離子含量較大，絮凝作用對(duì)沉降的影響大于粘滯系數(shù)對(duì)沉降的影響，故宏觀表選為加速泥沙沉降（圖9a、圖9c），致使敏感粒徑范圍內(nèi)的泥沙更容易在毛管前部絮凝與淤積，中后部分淤積減少，堵塞情況有明顯改善。而尿素分子間易形成氫鍵，分子間作用力及有效接觸面積大，分子締合程度高，流動(dòng)性差，與流道壁面間黏附性強(qiáng)，含沙水加入尿素后，pH值升高，水中更易生成化學(xué)沉淀。由于尿素是分子態(tài)，磁化作用破壞了尿素分子結(jié)構(gòu)，使尿素對(duì)細(xì)小顆粒的黏結(jié)作用減弱，削弱了絮凝效果，且懸液黏滯系數(shù)增加，宏觀表現(xiàn)為沉降速度減慢（圖9b），磁化后水體攜沙能力提高[35]，使渾水中的泥沙較為均勻的分布在毛管當(dāng)中，滴頭堵塞位置由前部移動(dòng)至中部及后部，從而減少處于敏感粒徑范圍的泥沙局部大量淤積，降低滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

施加硫酸鉀肥和復(fù)合肥時(shí)，由于磁化處理增強(qiáng)了其絮凝沉降作用，導(dǎo)致大部分泥沙更容易淤積在毛管前中部，形成泥沙臺(tái)，阻礙了后續(xù)泥沙的進(jìn)一步移動(dòng)，減弱了泥沙的隨水性，導(dǎo)致輸出的泥沙量減小，毛管淤積物質(zhì)量與輸出泥沙質(zhì)量的比值增大。而在施加尿素時(shí)，磁化作用減弱了泥沙的絮凝沉降作用，使泥沙隨水性增強(qiáng)，更容易隨水流排出，導(dǎo)致輸沙量增加，毛管淤積物質(zhì)量與輸出泥沙質(zhì)量的比值減小。

毛管內(nèi)淤積泥沙和滴頭輸出泥沙均對(duì)滴頭堵塞產(chǎn)生影響，但毛管內(nèi)淤積泥沙的增加并非一定會(huì)導(dǎo)致滴頭堵塞，敏感粒徑范圍內(nèi)的泥沙顆粒不一定會(huì)流入滴頭流道造成堵塞，無法證明滴頭本身的抗堵塞性能較強(qiáng)。滴頭輸出泥沙后，輸出部分中敏感粒徑范圍內(nèi)的泥沙一定已通過滴頭流道，并未造成堵塞，這與滴頭本身的抗堵塞能力較強(qiáng)有關(guān)。因此，滴頭輸出敏感粒徑泥沙情況與滴頭堵塞相關(guān)性更大。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并非磁化強(qiáng)度越大，滴頭抗堵塞性能越強(qiáng)，隨著磁化強(qiáng)度增加，溶液表面張力系數(shù)存在多個(gè)“谷”值[6]，且谷值所對(duì)應(yīng)的磁化強(qiáng)度因灌溉水源不同而不同，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用鉀肥與復(fù)合肥時(shí)，W2（0.4 T）處理下滴頭堵塞減緩效果最大，這是因?yàn)殁浄逝c復(fù)合肥渾水的電導(dǎo)率在磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)絮凝作用最強(qiáng)，且沉速最快（圖9），毛管中的泥沙沉積在前、中部最多且其敏感粒徑占比最大，輸出的泥沙量及其敏感粒徑占比最小。施加尿素時(shí)，W1（0.2 T）處理下滴頭堵塞減緩效果最大，這是因?yàn)槟蛩販喫诖呕瘡?qiáng)度為W1（0.2 T）時(shí)，沉降速率最慢，顆粒隨水性最強(qiáng)，毛管內(nèi)泥沙沉積最少，排出滴頭泥沙最多，其中的敏感粒徑占比最大，滴頭堵塞減緩效果達(dá)到最大。

但本試驗(yàn)未考慮到磁化對(duì)生物堵塞的影響，且磁化強(qiáng)度梯度設(shè)置較少，磁化時(shí)間及磁化次數(shù)對(duì)磁化效果的影響還有待研究。

4 結(jié) 論

1）磁化極顯著減緩滴頭流量與灌水均勻度的下降速度（<0.01），不同類型肥料作用效果最大的磁化強(qiáng)度不同。當(dāng)磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)，硫酸鉀肥混合液與復(fù)合肥混合液的滴頭流量和灌水均勻度減緩效果最明顯；磁化強(qiáng)度為0.2 T時(shí)，尿素混合液的減緩效果最明顯。磁化顯著提高了不同肥料混合液滴頭的有效灌水次數(shù)，硫酸鉀肥、尿素和復(fù)合肥混合液的有效灌水次數(shù)分別從未磁化的10、10和3次，提高到16、15和7次。

2）硫酸鉀肥混合液或復(fù)合肥混合液滴灌時(shí)，磁化加快了毛管前段滴頭的堵塞數(shù)量，尿素混合液滴灌時(shí)，磁化減少了毛管前段滴頭的堵塞數(shù)量。

3）磁化顯著改變滴頭堵塞敏感粒徑的沉降量。磁化后，硫酸鉀肥混合液和復(fù)合肥混合液在毛管內(nèi)淤積泥沙的敏感粒徑占比增加，滴頭輸出泥沙的敏感粒徑占比減小，磁化強(qiáng)度為0.4 T時(shí)效果最大。磁化后，尿素混合液在毛管內(nèi)淤積泥沙的敏感粒徑占比減小，滴頭輸出泥沙的敏感粒徑占比增加，且磁化強(qiáng)度為0.2 T時(shí)效果最大。

[1] Fan J L, Wu L F, Zhang F C, et al. Evaluation of drip fertigation uniformity affected by injector type, pressure difference and lateral layout[J]. Irrigation and Drainage, 2017, 66(4): 520-529.

[2] 李久生，張建君，薛克宗. 滴管施肥灌溉原理與應(yīng)用［M］. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[3] 張麗霞，楊永輝，尹鈞，等. 水肥一體化對(duì)小麥干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52(2)：275-282，319.

Zhang Lixia, Yang Yonghui, Yin Jun, et al. Effects of drip fertigation on accumulation and translocation of dry matter and nitrogen together with yield in wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2021, 52(2): 275-282, 319. (in Chinese with English abstract)

[4] 安立新. 活化水灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2021，41(7)：61-63.

[5] 張偉偉，張志峰，薄華濤，等. 磁化水性能的時(shí)效性研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2020，49(2)：71-73，154.

Zhang Weiwei, Zhang Zhifeng, Bo Huatao, et al. Study on the timeliness of performance of magnetized water[J]. Mechanical and Electrical Engineering Technology, 2020, 49(2): 71-73, 154. (in Chinese with English abstract)

[6] 王全九，張繼紅，門旗，等. 磁化或電離化微咸水理化特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(10)：60-66.

Wang Quanjiu, Zhang Jihong, Men Qi, et al. Experiment on physical and chemical characteristics of activated brackish water by magnetization or ionization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 60-66. (in Chinese with English abstract)

[7] Vermeiren T. Magnetic treatment of liquids for scale and corrosion prevention[J]. 1958, 5(7): 215-219

[8] 侯新剛，姚夏妍，姜麗麗，等. 磁處理水阻垢性能的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 中國(guó)冶金，2017，27(5)：1-7.

Hou Xingang, Yao Xiayan, Jiang Lili, et al. Research status and progress of anti-scaling property of magnetized water[J]. China Metallurgy, 2017, 27(5): 1-7. (in Chinese with English abstract) (in Chinese with English abstract)

[9] Yusuf K O, Ogunlela A O. Impact of magnetic treatment of irrigation water on the growth and yield of tomato[J]. Notulae Scientia Biologicae, 2015, 7(3): 345-348.

[10] 王全九，李宗昱，張繼紅，等. 磁化強(qiáng)度對(duì)磁電一體活化水土壤水鹽運(yùn)移特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51(8)：278-284.

Wang Quanjiu, Li Zongyu, Zhang Jihong, et al. Effect of magnetization intensity on characteristics of soil water and salt transport in magnetization-de-electronic activation water[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(8): 278-284. (in Chinese with English abstract)

[11] 陳秋松，張欽禮，王新民，等. 磁化水改善全尾砂絮凝沉降效果的試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，46(11)：4256-4261.

Chen Qiusong, Zhang Qinli, Wang Xinmin, et al. Experimental study on effect of magnetized water on flocculating sedimentation of unclassified tailings[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2015, 46(11): 4256-4261. (in Chinese with English abstract)

[12] 李建軍，朋許杰，謝蔚，等. 強(qiáng)場(chǎng)預(yù)磁化對(duì)高濁度黏土污水混凝沉降的影響[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2019，44(7)：2253-2259.

Li Jianjun, Peng Xujie, Xie Wei, et al. Effect of high-field pre-magnetization on the floc-culation sedimentation of high turbidity clay sewage[J]. Journal of China Coal Society, 2019, 44(7): 2253-2259. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉璐，牛文全，武志廣，等. 施肥滴灌加速滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)與誘發(fā)機(jī)制研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(1)：228-236.

Liu Lu, Niu Wenquan, Wu Zhiguang, et al. Risk and inducing mechanism of acceleration emitter clogging with fertigation through drip irrigation systems[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 228-236. (in Chinese with English abstract)

[14] 于健，史吉?jiǎng)偅瞵|，等. 引黃灌區(qū)規(guī)?；l(fā)展滴灌投資與效益[J]. 節(jié)水灌溉，2020(9)：12-15.

Yu Jian, Shi Jigang, Li Wei, et al. Investment and benefit of scale development of drip irrigation in Yellow River Irrigation Area[J]. Water Saving Irrigation, 2020(9): 12-15. (in Chinese with English abstract)

[15] 張文倩，牛文全，李學(xué)凱，等. 減緩滴頭堵塞風(fēng)險(xiǎn)的毛管首次沖洗時(shí)間及周期的確定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(7)：70-77.

Zhang Wenqian, Niu Wenquan, Li Xuekai, et al. Determination of the first lateral flushing time and period to mitigate risk of emitter clogging in drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2019, 35(7): 70-77. (in Chinese with English abstract)

[16] 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法：GB/T 17187—2009[S].

[17] 王心陽，王文娥，胡笑濤，等. 泥沙粒徑及壓力對(duì)滴頭抗堵塞性能的影響[J]. 節(jié)水灌溉，2014(10)：18-21.

Wang Xinyang, Wang Wen'e, Hu Xiaotao, et al. Influences of particle diameter and inlet pressure on emitter clogging[J]. Water-saving Irrigation, 2014(10): 18-21. (in Chinese with English abstract)

[18] 王建眾，牛文全，吳普特，等. 滴灌毛管灌水均勻度試驗(yàn)研究[J]. 人民黃河，2008(3)：56-57，68.

[19] 微灌工程技術(shù)規(guī)范GB/T 50485-2009 [S].

[20] Pei Y T, Li Y K, Liu Y Z, et al. Eight emitters clogging characteristics and its suitability under on-site reclaimed water drip irrigation[J]. Irrigation Science, 2014, 32(2): 141-157.

[21] 牛文全，劉璐. 渾水特性與水溫對(duì)滴頭抗堵塞性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(3)：39-45.

Niu Wenquan, Liu Lu. Influences of sediment concentration and water temperature of muddy water on emitter clogging[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(3): 39-45. (in Chinese with English abstract)

[22] 武志廣. 肥液對(duì)不同迷宮結(jié)構(gòu)滴頭抗堵塞性能影響試驗(yàn)研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

Wu Zhiguang. Study on The Anti Clogging Performance of Water Fertilizer Dripirrigation for Labyrinth Structure[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[23] 李洪建. 基于臭氧水的溫室灌溉系統(tǒng)研制與試驗(yàn)[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

Li Hongjian. Research of Irrigation System of Facilities Vegetables Based Electrolyzed Functional Water[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[24] 王巍，周浩，王寬強(qiáng). 高強(qiáng)稀土永磁阻垢除垢設(shè)備在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 區(qū)域供熱，2020(1)：138-143.

[25] 周健，陸小華，王延儒，等. 不同溫度下水的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1999，16(4)：241-244.

Zhou Jian, Lu Xiaohua, Wang Yanru, et al. Molecular dynamics simulation of water at different temperatures[J]. Computers and Applied Chemistry, 1999, 16(4): 241-244. (in Chinese with English abstract)

[26] 婁彥敏，劉娟紅，周曉平，等. 溫度對(duì)水的粘度和擴(kuò)散系數(shù)影響的研究[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，34(6)：34-39.

[27] 王浩翔，張新燕，牛文全，等. 低壓滴灌施肥條件下溫度對(duì)滴頭堵塞的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2020，39(3)：63-71.

Wang Haoxiang, Zhang Xinyan, Niu Wenquan, et al. The effect of temperature on emitter clogging in low-pressure drip fertilization system[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(3): 63-71. (in Chinese with English abstract)

[28] 巴拉諾夫，考列尼科夫. 鉀肥及其施用[M]. 王統(tǒng)正，譯. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1957.

[29] 王兆印，王文龍，田世民. 黃河流域泥沙礦物成分與分布規(guī)律[J]. 泥沙研究，2007(5)：1-8.

Wang Zhaoyin, Wang Wenlong, Tian Shimin. Mineral composition and distribution of the sediment in the Yellow River Basin[J]. Sediment Research, 2007(5): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[30] Khaled E M, Stucki J W. Iron oxidation state effects on cation fixation in smectites[J]. Soil Science Society of America Journal, 1991, 55(2): 550-554.

[31] 徐國(guó)華，鮑士旦，史瑞和. 生物耗竭土壤的層間鉀自然釋放及固鉀特性[J]. 土壤，1995(4)：182-185.

[32] 陳竹君，高佳佳，趙文艷，等. 磷鉀肥施用對(duì)日光溫室土壤溶液離子組成的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(2)：261-266.

Chen Zhujun, Gao Jiajia, Zhao Wenyan, et al. Effects of application of phosphorus and potassium fertilizers on ion compositions of soil solution in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 261-266. (in Chinese with English abstract)

[33] 余海英，李廷軒，周健民. 設(shè)施土壤鹽分的累積、遷移及離子組成變化特征[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007(4)：642-650.

Yu Haiying, Li Tingxuan, Zhou Jianmin. Salt accumulation, translocation and ion composition in greenhouse soil profiles[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2007(4): 642-650. (in Chinese with English abstract)

[34] 李學(xué)凱，牛文全，張文倩，等. 硫酸鉀肥對(duì)靜止黃河水泥沙絮凝沉降的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2019，33(4)：140-146，227.

Li Xuekai, Niu Wenquan, Zhang Wenqian, et al. Effect of postassium sulfate fertilizer on flocculation and sedimentation of static Yellow River water[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(4): 140-146, 227. (in Chinese with English abstract)

[35] 官雅輝，牛文全，劉璐，等. 尿素對(duì)渾水水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2018，36(2)：93-100.

Guan Yahui, Niu Wenquan, Liu Lu, et al. Influence of urea on emitter clogging with muddy water fertigation[J]. Agricultural Research in Arid Areas, 2018, 36(2): 93-100. (in Chinese with English abstract)

Effect of magnetization of irrigation water on the clogging of drip irrigation emitters with integrated water and fertilizer

Wang Zhaoxi1,2, Zhao Xue1,2, Zhang Wenqian1,2, Niu Wenquan1,3※

(1.,,712100,;2.,,712100,;3.,,712100,)

This study aims to explore the effect of magnetization treatment on the clogging of drippers for the integrated drip irrigation of water and fertilizer in the area of the Yellow River. Taking the inner-embedded drip emitter as the research object, the intensity of magnetization was set to 0.2, 0.4, and 0.6 T, where the control group was unmagnetized. A short-term intermittent irrigation test was also carried out for 2% of the mass of potassium sulfate fertilizer, urea, and compound fertilizer muddy water (sediment content of 3.0 g/L). The results showed that the magnetization significantly slowed down the downward trend of dripper flow and irrigation uniformity (<0.01). The optimal magnetization intensity greatly varied in the different fertilizers. Specifically, there was the greatest mitigation effect of dripper flow for the mixture of potassium sulfate fertilizer and compound fertilizer, when the magnetization intensity was 0.4T. The greatest mitigation effect was found during the decrease in the flow rate of the dripper in the urea mixture at the magnetization intensity of 0.2 T. The effective irrigation times for the mixture of potassium sulfate fertilizer, urea, and compound fertilizer without magnetization treatment (irrigation times with a relative flow rate greater than 75%) were 10, 10, and 3 times, respectively. Furthermore, the effective irrigation times of different fertilizer mixtures increased after the magnetization treatment. When the magnetization intensity was 0.4, 0.2, and 0.4 T, the effective irrigation times of potassium sulfate fertilizer, urea, and compound fertilizer mixture increased the most, which were 16, 15, and 7 times, respectively. The number of clogged emitters increased significantly in the front section of the capillary tube for the potassium sulfate fertilizer and compound fertilizer treatment, whereas, the urea decreased after magnetizing the irrigation water. In the 0.4 T treatment, the most increased number of blocked drippers was found in the front section of the capillary for the potassium sulfate fertilizer and compound fertilizer mixture, which were 68.77% and 27.50%, respectively. In the 0.2 T treatment, there was the largest decrease (55.36%) in the number of blocked drippers in the front section of the urea mixed liquid capillary tube. The ratio for the amount of sediment in the capillary tube to the amount of sediment output from the dripper was represented byunder different magnetization treatments. When applying potassium sulfate fertilizer and compound fertilizer, the magnetization treatment increased the value of, indicating the largest increase at 0.4 T. By contrast, the magnetization treatment reduced the value ofwhen the urea was applied, indicating the most obvious decrease at 0.2 T. As such, the magnetization significantly dominated the sedimentation and movement for the sensitive particle size of emitter blockages. Specifically, the magnetization significantly increased the proportion of sensitive particle size (smaller than 0.03 mm) in the siltation sediment for the capillary of the potassium sulfate and the compound fertilizer mixture, reducing the proportion of sensitive particle size in the sediment output from the emitter, where that of urea was the opposite. When the magnetization intensity was 0.4 T, after applying potassium sulfate fertilizer and compound fertilizer, the sediment-sensitive particle size in the front and middle of the capillary increased the most: 25.75%, 11.17%, and 17.87%, 10.36%, respectively. After applying urea, the magnetization presented the largest decrease, when the magnetization was 0.2 T. When the magnetization intensity was 0.4 T, the proportion of sensitive particle size in the output sediment of the potassium sulfate and the compound fertilizer mixture dripper presented the largest decrease, which was 5.33% and 4.61%, respectively. When the magnetization intensity was 0.2 T, the urea mixed liquid dripper presented the largest increase in the proportion of sensitive particle size in the sediment output, which was 5.26%. The finding can provide a strong reference for the anti-clogging prevention measures in the drip irrigation drippers with integrated water and fertilizer in the Yellow River irrigation areas.

irrigation; sediments; magnetization; dripper clogging; integration of water and fertilizer

王照熙，趙雪，張文倩，等. 灌溉水磁化處理對(duì)水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(20)：127-135.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.014 http://www.tcsae.org

Wang Zhaoxi, Zhao Xue, Zhang Wenqian, et al. Effect of magnetization of irrigation water on the clogging of drip irrigation emitters with integrated water and fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 127-135. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.014 http://www.tcsae.org

2021-05-06

2021-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.52079112、51679205）

王照熙，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉新技術(shù)。Email：WangZhaoxi2021@163.com

牛文全，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗临Y源高效利用與節(jié)水灌溉新技術(shù)。Email：nwq@nwafu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.014

S275.6

A

1002-6819(2021)-20-0127-09