劉國(guó)宏，邱照寧，謝香文，江培福

(1．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)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(rùn)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(shù)[1]，微潤(rùn)管管壁分布有大量納米級(jí)微孔，孔徑為10～900 nm，數(shù)量為每平方厘米10萬(wàn)個(gè)。由于孔道微小精細(xì)，對(duì)壓力反應(yīng)十分敏感，可通過(guò)調(diào)節(jié)壓力控制出流量，是一種精準(zhǔn)灌溉產(chǎn)品。灌水器堵塞是影響微灌技術(shù)發(fā)展的重要問(wèn)題，灌溉用水過(guò)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(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究[3-6]，但大多集中在水力特性及入滲機(jī)理的研究和生產(chǎn)方面的應(yīng)用研究。筆者在進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)微潤(rùn)灌溉堵塞問(wèn)題比較嚴(yán)重，但國(guó)內(nèi)關(guān)于微潤(rùn)灌溉堵塞問(wèn)題的研究少見報(bào)道。謝香文、劉國(guó)宏等[7]通過(guò)渾水出流試驗(yàn)，研究得出渾水條件下微潤(rùn)管流量持續(xù)下降，微潤(rùn)管初始流量隨著泥沙量的增加而降低。微潤(rùn)管堵塞機(jī)理及解決方法的研究是微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)推廣的關(guān)鍵，本文通過(guò)大田試驗(yàn)，研究了微潤(rùn)管堵塞情況，提出了解決堵塞的具體辦法，以期為微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地設(shè)計(jì)

為了探究微潤(rùn)灌溉堵塞機(jī)理及解決微潤(rùn)管堵塞問(wèn)題，在田間構(gòu)建了微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)用于蘋果樹的種植，試驗(yàn)地點(diǎn)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(bǔ)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(rùn)管埋深40 cm，灌溉水源為深層井水，灌溉水的物理、化學(xué)及生物學(xué)參數(shù)在灌溉試驗(yàn)初期測(cè)定，見表1。

表1 水質(zhì)參數(shù) mg/L

微潤(rùn)管設(shè)計(jì)工作壓力為8 m，采用雙行布置，總共布置微潤(rùn)管36條，總長(zhǎng)3 330 m。微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)采用循環(huán)供水模式，在試驗(yàn)場(chǎng)地修建一個(gè)蓄水池，將井水蓄在蓄水池里，蓄水池可以起到一級(jí)過(guò)濾的目的，將井水大顆粒泥沙過(guò)濾掉。用水泵將水吸入灌溉系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)水口安裝一個(gè)過(guò)濾精度為120目的疊片過(guò)濾器，過(guò)濾器前后安裝壓力表，當(dāng)壓力降低幅度比較大時(shí)及時(shí)清洗過(guò)濾器。輸水管道和回水管道上分別安裝精密水表，測(cè)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(diào)整灌溉頻率，試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置圖Fig.1 Test site layout

1.2 灌水器堵塞評(píng)價(jià)方法

目前國(guó)內(nèi)外尚沒有判別滴灌灌水器堵塞的標(biāo)準(zhǔn)，ISO TC23 SC18 Clogging test methods for emitters初稿建議當(dāng)擬評(píng)價(jià)灌水器流量與參考灌水器(新灌水器)流量之比小于75%時(shí)，即流量降低百分?jǐn)?shù)Rq超過(guò)25%時(shí)，認(rèn)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(jì)算公式如下：

(1)

式中：qr為第r個(gè)灌水器測(cè)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(yàn)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)通過(guò)測(cè)試獲得。

1.3 灌水均勻度評(píng)價(jià)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(biāo), 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(zhì)引起的堵塞和系統(tǒng)維修情況等。為保證灌水質(zhì)量，灌溉要求達(dá)到一定的均勻度。目前，我國(guó)現(xiàn)行《微灌工程技術(shù)規(guī)范》要求滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌水均勻度不能小于85%，實(shí)測(cè)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(gè)灌水器流量，mL/(h·m)；Cu為均勻度系數(shù)；n為灌水器個(gè)數(shù)。

1.4 抗堵塞試驗(yàn)方法

工業(yè)輸水管道在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中管道表面會(huì)形成一層附生的雜質(zhì)薄膜，常用表面活性劑進(jìn)行清洗管道。將長(zhǎng)期使用的微潤(rùn)管切開也發(fā)現(xiàn)微潤(rùn)管管壁附著一層雜質(zhì)薄膜，分析認(rèn)為管壁附生薄膜是造成微潤(rùn)管堵塞的主要原因，因此本次試驗(yàn)選擇使用表面活性劑進(jìn)行抗堵塞的試驗(yàn)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(rùn)灌溉有限公司專門生產(chǎn)用以解決微潤(rùn)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(yíng)養(yǎng)元素以及其他添加劑。

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

將系統(tǒng)按照?qǐng)D1連接好后，關(guān)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(gè)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(nèi),讓溶液在封閉的系統(tǒng)內(nèi)隨著微潤(rùn)管滲出，當(dāng)壓力表的壓力下降為0時(shí)說(shuō)明注入的溶液全部滲出，繼續(xù)向系統(tǒng)內(nèi)加入配好的溶液，整個(gè)過(guò)程持續(xù)5 h，結(jié)束后打開閥門和水表，開啟水泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，沖洗半個(gè)小時(shí)。沖洗結(jié)束后分別測(cè)定兩種處理下微潤(rùn)管的流量值，測(cè)定3次取其平均值作為微潤(rùn)管的出流值。

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤(rùn)管流量變化

微潤(rùn)管流量的變化如圖2所示，從圖2可以看出隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)，微潤(rùn)管流量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，這主要是由于微潤(rùn)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(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行66 d后，微潤(rùn)管的流量減為225.23 mL/(h·m)，流量衰減率為52.3%。對(duì)微潤(rùn)管出流量Q和使用天數(shù)t的關(guān)系進(jìn)行分段擬合，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，即Q=at+b，其中Q為微潤(rùn)管出流量，t為運(yùn)行天數(shù)，a、b均為常數(shù)，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，擬合結(jié)果見表2。

表2 微潤(rùn)管出流量與使用天數(shù)的關(guān)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(rùn)管出流量根據(jù)不同的使用時(shí)長(zhǎng)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(shì)，并且當(dāng)使用超過(guò)44 d之后流量呈現(xiàn)急速下降的趨勢(shì)。

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

2.2 微潤(rùn)管堵塞評(píng)價(jià)

微潤(rùn)管堵塞程度與使用天數(shù)的關(guān)系如圖3所示，從圖3可以看出，隨著灌水時(shí)間的延長(zhǎng)微潤(rùn)管堵塞程度在逐漸加重，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行48 d以后，堵塞程度達(dá)到25%以上；系統(tǒng)運(yùn)行64 d以后，堵塞程度達(dá)到50%以上。根據(jù)滴灌灌水器堵塞評(píng)價(jià)方法進(jìn)行劃分認(rèn)為：本次微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)在使用1～48 d的過(guò)程中未堵塞，在使用48～64 d的過(guò)程中發(fā)生了一般堵塞，當(dāng)使用64 d以后微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重堵塞的情況。

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

對(duì)微潤(rùn)管堵塞程度EC與使用天數(shù)t的關(guān)系進(jìn)行分段擬合，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，即EC=at+b，其中EC為微潤(rùn)管，t為運(yùn)行天數(shù)，a、b均為常數(shù)，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，擬合結(jié)果見表3。

表3 微潤(rùn)管堵塞程度與使用天數(shù)的關(guān)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(yán)重，反之堵塞加劇得越慢。從表3可以看出，微潤(rùn)管堵塞程度隨不同的使用時(shí)長(zhǎng)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(shì)，堵塞程度加深對(duì)使用時(shí)長(zhǎng)增加表現(xiàn)為“敏感-微敏感-極度敏感”的動(dòng)態(tài)變化特征。結(jié)合圖3可以得出，當(dāng)EC在10%以內(nèi)時(shí)，微潤(rùn)管使用天數(shù)t的增長(zhǎng)會(huì)引起EC明顯加深，屬于EC變化敏感期；當(dāng)EC在 10%～18%時(shí)，EC隨使用天數(shù)t增長(zhǎng)的敏感性明顯降低；而EC超過(guò)18%以后，進(jìn)入極度敏感階段，且敏感性逐漸增強(qiáng)，使用天數(shù)t稍有增長(zhǎng)就會(huì)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)間，h)相一致。

2.3 微潤(rùn)管灌水均勻度評(píng)價(jià)

在灌溉系統(tǒng)運(yùn)行75 d之后，對(duì)試驗(yàn)地分區(qū)進(jìn)行流量觀測(cè)，每6行果樹為一個(gè)片區(qū)，共分為3個(gè)片區(qū)，分別測(cè)定微潤(rùn)管出流量，折算成米流量進(jìn)行比較，不同小區(qū)微潤(rùn)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(gè)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(shù)規(guī)范》中明確要求的85%，說(shuō)明微潤(rùn)灌溉灌水均勻度能滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

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

2.4 抗堵塞試驗(yàn)分析

不同沖洗方式下微潤(rùn)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(rùn)管時(shí)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(fù)到微潤(rùn)管額定流量的水平；洗滌液清洗時(shí)流量從304.21 mL/(h·m)增加到405.62 mL/(h·m)，增加幅度為25%，微潤(rùn)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(rùn)濕度等方面,最終改變堵塞物在管壁表面的構(gòu)造形態(tài),阻止堵塞物質(zhì)的形成，微潤(rùn)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(nèi)脫落的堵塞物排出系統(tǒng)，使得管壁清潔，出流量增大。在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)未完全堵塞的微潤(rùn)管經(jīng)過(guò)有效清洗后流量加大，完全堵塞的微潤(rùn)管在使用兩種方法進(jìn)行清洗時(shí)出流效果仍舊不十分明顯，建議當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一般堵塞的情況下即進(jìn)行抗堵塞清洗，能夠更好的解決微潤(rùn)管堵塞問(wèn)題。

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

3 結(jié) 語(yǔ)

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

(2)微潤(rùn)管在使用1～48 d的過(guò)程中未堵塞，在使用48～64 d的過(guò)程中發(fā)生了一般堵塞，當(dāng)使用64 d以后微潤(rùn)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重堵塞的情況。堵塞程度加深對(duì)使用時(shí)長(zhǎng)增加表現(xiàn)為“敏感-微敏感-極度敏感”的動(dòng)態(tài)變化特征，當(dāng)EC在 10%以內(nèi)時(shí)屬于EC變化敏感期，當(dāng)EC在10%～18%時(shí)屬于微敏感期；而EC超過(guò)18%以后，進(jìn)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(shù)規(guī)范》中明確要求的85%，說(shuō)明微潤(rùn)灌溉灌水均勻度能滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

(4)用微潤(rùn)管抗堵塞肥料清洗微潤(rùn)管，流量基本已經(jīng)恢復(fù)到額定流量的水平。微潤(rùn)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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一般堵塞的情況下即進(jìn)行抗堵塞清洗，能夠更好的解決微潤(rùn)管堵塞問(wèn)題。

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