王 睿，王文娥，胡笑濤(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，陜西 楊凌 712100 )

石羊河流域位于甘肅省河西地區(qū)，屬干旱地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“非灌不殖”，主要利用雪山融水及地下水灌溉，水資源嚴(yán)重短缺。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，膜下滴灌已成為當(dāng)?shù)刂饕墓?jié)水灌溉技術(shù)，大大促進(jìn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。水肥一體滴灌系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)覆膜后的作物追肥，但由于液態(tài)肥料價(jià)格高，當(dāng)?shù)厣a(chǎn)多用固體化肥，導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)易發(fā)生堵塞，更換堵塞管道使投資大幅度提高，很多用戶放棄使用這項(xiàng)先進(jìn)節(jié)水技術(shù)。因此迫切需要根據(jù)當(dāng)?shù)厮醇胺N植模式，采取有效措施來(lái)減輕水肥一體膜下滴灌系統(tǒng)堵塞問(wèn)題。

滴灌水肥一體灌溉施肥過(guò)程中，常采用固體化肥溶解于水中，其中部分未溶解的固體肥料顆粒隨水流進(jìn)入滴灌管和灌水器，引起堵塞，降低灌溉均勻度和使用壽命，因此在施肥設(shè)備與滴灌管之間設(shè)置過(guò)濾設(shè)備防止堵塞發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)過(guò)濾設(shè)備的過(guò)濾性能及影響因素進(jìn)行了大量研究。葉成恒，范興科[1]等認(rèn)為在泥沙處理方面，離心疊片類過(guò)濾器泥沙處理能力明顯優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng)；在能量損耗方面，離心篩網(wǎng)類過(guò)濾器的水力性能優(yōu)于離心疊片類。劉煥芳，王軍[2]等對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行了系統(tǒng)的水力性能試驗(yàn)，指出過(guò)濾器的局部水頭損失變化與過(guò)濾流量、過(guò)濾時(shí)間、水源含沙量有關(guān)。李楠，翟國(guó)亮[3]等研究分析認(rèn)為疊片過(guò)濾器其水頭損失均隨加砂量的增加而呈非比例的增加，在加砂量達(dá)到一定量時(shí)，水頭損失出現(xiàn)激增，并迅速達(dá)到或超過(guò)安全壓差。阿不都沙拉木，彭立新[4]等認(rèn)為120目以上的疊片式過(guò)濾器的過(guò)濾效率是網(wǎng)式過(guò)濾器的2倍多，堵塞時(shí)間是網(wǎng)式過(guò)濾器的4倍。

在石羊河流域膜下滴灌系統(tǒng)多運(yùn)用壓差式施肥罐裝置施肥，并采用高目數(shù)過(guò)濾器對(duì)難溶于水的肥料顆粒進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾效果雖好，但水頭損失大、清洗頻繁。本文采用兩級(jí)過(guò)濾器組合形式，在使用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫幕是闆r下觀測(cè)過(guò)濾效果及水頭損失情況，以確定適宜的過(guò)濾器組合方式和運(yùn)行模式，為提高當(dāng)?shù)赜衩姿室惑w膜下滴灌抗堵塞性能提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)站概況

本試驗(yàn)于2016年5-9月在甘肅省石羊河生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。該試驗(yàn)站地處騰格里沙漠邊緣，平均海拔1 581 m，干旱指數(shù)15～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸發(fā)量2 000 mm以上，屬于典型的干旱缺水地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 水源來(lái)源

實(shí)驗(yàn)站水源為井水，經(jīng)過(guò)砂石過(guò)濾器后通過(guò)管道水送到試驗(yàn)地頭。水中主要含有碳酸氫根離子、硫酸氫根離子及氯離子等陰離子；陽(yáng)離子主要含有鈣離子、鉀離子及鎂離子。pH值8.0，礦化度510，總硬度250 mg/L，為中性偏弱堿性淡水，水質(zhì)微硬。

1.2.2 滴灌系統(tǒng)布置

試驗(yàn)地長(zhǎng)55 m，寬22 m，共占地1 210 m2(0.12 hm2)。采用當(dāng)?shù)叵扔袼奶?hào)玉米種植，膜下滴灌采用一膜一帶兩行種植方法，膜寬40 cm，玉米株距25 cm，行距40 cm。玉米定植前布置滴灌系統(tǒng)、覆膜，滴灌系統(tǒng)包括水源、干管、壓差式施肥罐、一級(jí)過(guò)濾器、支管、二級(jí)過(guò)濾器、毛管及壓力表、閥門、水表等，其中壓差式施肥罐容積13 L，一級(jí)過(guò)濾器采用疊片80目(D80)、疊片40目(D40)及網(wǎng)80目(W80)3種，二級(jí)過(guò)濾器采用目數(shù)一致的網(wǎng)式和疊片式120目(W120、D120)兩種，滴灌帶采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫膬?nèi)鑲柱形滴灌管、側(cè)翼迷宮式滴灌帶及內(nèi)鑲貼片式滴灌帶3種，共27個(gè)處理，各處理形式見(jiàn)表1。

具體布置如圖1所示，試驗(yàn)地劃分為9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)(4.4 m×18 m)，3個(gè)施肥系統(tǒng)，每3個(gè)小區(qū)并聯(lián)組成一個(gè)獨(dú)立的滴管系統(tǒng)進(jìn)行灌水施肥。每個(gè)小區(qū)由一條干管控制，每條干管控制3條支管，每條支管控制一個(gè)小區(qū)的3條毛管(滴灌帶長(zhǎng)18 m)。干管首部設(shè)置閥門、施肥罐及管件用來(lái)控制灌水量、施肥量；水表、精密壓力表(0.25 MPa)安裝位置見(jiàn)圖1，過(guò)濾器規(guī)格見(jiàn)表1和表2。

表1 小區(qū)過(guò)濾裝置組合形式

注：D為疊片式過(guò)濾器，W為網(wǎng)式過(guò)濾器；下標(biāo)L、M及N分別為內(nèi)鑲柱形滴灌管、側(cè)翼迷宮式滴灌帶及內(nèi)鑲貼片式滴灌帶。

1-水泵；2-閥門；3-水表；4-精密壓力表；5-取水口；6-一級(jí)過(guò)濾器；7-二級(jí)網(wǎng)式過(guò)濾器；8-二級(jí)疊片式過(guò)濾器圖1 試驗(yàn)滴灌系統(tǒng)布置圖

過(guò)濾器類型目數(shù)孔徑/μm網(wǎng)式800.1801200.125疊片式400.400800.2001200.130

1.2.3 試驗(yàn)方法與步驟

該大田試驗(yàn)首部設(shè)有施肥裝置，一次施肥灌溉一條干管控制的3個(gè)小區(qū)面積。試驗(yàn)采用壓差式施肥罐，施肥罐在運(yùn)行最初15 min肥液濃度由最大迅速下降，隨后45 min趨于穩(wěn)定，后3種肥液濃度幾乎均接近于清水，即施肥結(jié)束。試驗(yàn)過(guò)程中每種肥料每次隨水施肥1 h，首部壓力控制為0.16 MPa，施肥罐壓差0.1 MPa，過(guò)濾器首部壓力0.06 MPa。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，每15 min觀測(cè)記錄一次壓力表、水表的讀數(shù)。灌水施肥結(jié)束后取出濾網(wǎng)(芯)，觀察并記錄濾網(wǎng)(芯)的堵塞情況，為保證滴灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將濾網(wǎng)(芯)進(jìn)行人工清洗。

玉米生育期內(nèi)共進(jìn)行4輪灌水施肥，根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔仁┓柿?，試?yàn)設(shè)定灌水定額223 mm，化肥施用總量尿素8 kg、硫酸鉀4 kg及磷酸二氫銨6 kg，將其平均分配到4輪灌水中，每輪施用量均等，再分配到每個(gè)滴灌系統(tǒng)化肥用量尿素2 kg(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)、硫酸鉀1 kg(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%)及磷酸二氫銨1.5 kg(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 一級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾效果及堵塞因素分析

運(yùn)用壓差式施肥罐，運(yùn)行初期罐內(nèi)肥液濃度值最大，相應(yīng)未溶液的固體肥料顆粒最多，施肥罐內(nèi)一部分未溶解的固體肥料顆粒隨肥液進(jìn)入管道。滴灌施肥過(guò)程中未溶解的肥料固體顆粒通過(guò)過(guò)濾器時(shí)，部分被濾網(wǎng)(芯)攔截，使濾網(wǎng)(芯)有效過(guò)水面積逐漸減小，引起過(guò)濾器局部水頭損失增大；同時(shí)施肥罐內(nèi)流出的肥液中挾帶有固體顆粒，其含量在隨時(shí)間變化，故過(guò)濾器的堵塞程度也在隨之變化；部分顆粒在重力作用下會(huì)沉積在管道內(nèi)，若不及時(shí)清理不僅使過(guò)濾器堵塞程度逐漸加劇，增加水頭損失，也會(huì)對(duì)管道造成一定程度的腐蝕。肥料種類及流量不同時(shí)，施肥罐內(nèi)溶解的肥料量及未溶解的肥料顆粒大小也不盡相同，因此需要根據(jù)肥料的種類確定適宜的過(guò)濾器目數(shù)及清洗周期，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖2和圖3給出了只設(shè)一級(jí)過(guò)濾器(D80、D40及W80)條件下，分別施加N、K、P肥及清水過(guò)程中過(guò)濾器流量、水頭損失隨時(shí)間變化的過(guò)程。1 h灌溉清水過(guò)程中流經(jīng)過(guò)濾器流量0.04 m3/min左右，流量大小只有過(guò)濾器允許最大過(guò)流量的1/10，因此三者的水頭損失大小都極小且接近于0。對(duì)比N、K肥料，流量則比清水灌溉時(shí)降低了0.01 m3/min左右且保持平穩(wěn)過(guò)流量，其水頭損失大小卻增加了0.1 m其值占總水頭損失的2%。根據(jù)水頭損失變化曲線看到，施加N肥(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)和K肥(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%)不會(huì)引起過(guò)濾器有效過(guò)水面積急劇減小，二者肥料均溶解于水但伴有少量雜質(zhì)導(dǎo)致水頭損失的小幅度增加。所以施加N、K肥不是影響滴頭堵塞的主要因素，從而滴灌施肥保障了N、K肥能有效隨水流入田間，提高了施肥及灌水效率。

圖2 3種一級(jí)過(guò)濾器不同肥料和清水條件下流量變化曲線

滴灌系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，從節(jié)約能源考慮，過(guò)濾器的水頭損失以不超過(guò)3 m為宜，即當(dāng)過(guò)濾器造成的局部水頭損失達(dá)到3 m時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行清洗[11]。同時(shí)，過(guò)濾元件清潔度C(過(guò)濾元件的實(shí)際過(guò)水面積與其總過(guò)水面積之比)[2]與水頭損失呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，它可以直接反應(yīng)過(guò)濾元件是否需要清洗。同樣，利用一級(jí)過(guò)濾器(D80、D40及W80)施加P肥(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)，從圖2(d)看到，15 min內(nèi)D80、W80的水頭損失已增大到3 m左右其值占總水頭損失的50%，其后45 min內(nèi)沒(méi)有明顯變化，三者流量相對(duì)于清水灌溉有明顯不同程度的降低依次是D80、W80、D40。造成過(guò)濾器短時(shí)期內(nèi)堵塞的主要原因是施肥罐運(yùn)行初期罐內(nèi)不溶解的肥料顆粒含量最多、濃度最大，因此前15 min大量不溶于水肥料顆粒在水流作用下從施肥罐內(nèi)輸送至管道，引發(fā)大量顆粒肥料聚集在濾網(wǎng)和疊片流道凹槽內(nèi)使濾網(wǎng)(芯)短時(shí)間被堵塞85%以上，即C≤0.2，水頭損失達(dá)到3 m，導(dǎo)致D80、W80的流量相比于清水灌溉降低了50%左右，而后隨著水流不斷注入罐內(nèi)，使罐內(nèi)肥液濃度急速降低、不溶顆粒含量減小，少許肥料顆粒附著在濾網(wǎng)(芯)上不足以引起濾網(wǎng)(芯)相對(duì)有效面積的增加，可見(jiàn)施肥罐運(yùn)行初期罐內(nèi)肥液濃度高、不溶肥料顆粒含量多是導(dǎo)致過(guò)濾元件被堵塞的直接原因。由圖3(d)還看出D40水頭損失大小在施肥過(guò)程中是逐漸增大到1 m的，其值占總水頭損失的17%，造成水頭損失變化不明顯的原因是D40過(guò)濾精度低，大部分未溶解于水中的顆?？梢詿o(wú)阻礙通過(guò)疊片流道致使過(guò)濾器水頭損失增幅甚微，隨著施肥的繼續(xù)進(jìn)行，濾芯上較大的肥料顆粒緩慢累積，有效過(guò)水面積逐漸減小，導(dǎo)致水頭損失大小呈現(xiàn)緩慢且小幅度增加，流量與N、K肥情況下幾乎保持不變?？梢?jiàn)，P肥溶解度低是導(dǎo)致過(guò)濾器堵塞的主要原因，過(guò)濾器的堵塞程度可通過(guò)其水頭損失大小反映，水頭損失大小與過(guò)濾器濾網(wǎng)(芯)的有效過(guò)水面積呈正相關(guān)，其有效過(guò)水面積與施肥的種類、濃度、時(shí)間密切相關(guān)，還與濾網(wǎng)(芯)過(guò)濾精度間接相關(guān)。

圖3 3種一級(jí)過(guò)濾器不同肥料和清水條件下水頭損失變化曲線

2.2 二級(jí)組合過(guò)濾器過(guò)濾效果及堵塞因素分析

一級(jí)過(guò)濾器堵塞程度與過(guò)濾器濾網(wǎng)(芯)的有效過(guò)水面積呈正相關(guān)，與流量呈反相關(guān)。當(dāng)一級(jí)過(guò)濾器堵塞程度大，則有效過(guò)水面積急劇減小，流量大幅下降，致使肥液無(wú)法流入田間，為此是否有必要加二級(jí)過(guò)濾器再次過(guò)濾，進(jìn)行了設(shè)有二級(jí)過(guò)濾器的水頭損失、流量隨時(shí)間的試驗(yàn)。如圖4所示，施P肥(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)下6組不同組合類型的過(guò)濾器流量、水頭損失隨時(shí)間變化過(guò)程。從圖4可以看到設(shè)有二級(jí)W120的D80/W80+W120組合方式的水頭損失在15 min內(nèi)均達(dá)到最大總水頭損失6 m，流量均降至0，即過(guò)濾器幾乎完全堵塞，查看過(guò)濾器堵塞狀況，見(jiàn)表3，一級(jí)(D80、W80)、二級(jí)(W120)過(guò)濾器堵塞率均在90%以上，造成流量降至0的主要原因是二級(jí)W120的完全堵塞；二級(jí)設(shè)有D120的D80/W80+D120組合方式的水頭損失在15 min內(nèi)增大到4～5 m其值占總水頭損失的66%～83%，15 min后水頭損失下降了1 m其值占總水頭損失的17%，查看堵塞狀況，一級(jí)過(guò)濾器(D80、W80)濾網(wǎng)(芯)被堵塞均在85%以上(即C≤0.15)，二級(jí)D120濾芯被堵塞不到30%(即C≥0.7)。

因此從圖2～圖4可以看出組合過(guò)濾器的水頭損失、流量大小與一、二級(jí)過(guò)濾器堵塞程度密切相關(guān)，但流入毛管的流量大小則主要取決于二級(jí)過(guò)濾器的有效過(guò)水面積。由于一級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾精度較低，過(guò)濾大顆粒雜質(zhì)，當(dāng)堵塞程度大時(shí)，由于這些大顆粒雜質(zhì)形狀不規(guī)則，相互“咬合”不緊密，使得水流依靠縫隙穿過(guò)。二級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾精度較高，當(dāng)發(fā)生堵塞程度嚴(yán)重時(shí)，顆粒物質(zhì)相互“咬合”緊密，水流幾乎無(wú)法繼續(xù)前行。進(jìn)一步影響二級(jí)過(guò)濾器流量不同的原因在于其構(gòu)造及水通過(guò)的流向不同：網(wǎng)式過(guò)濾器構(gòu)造簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的一層薄濾網(wǎng)過(guò)濾雜質(zhì)，只是簡(jiǎn)單的平面過(guò)濾，其水流是由內(nèi)到外的，沒(méi)有切向水流，大部分雜質(zhì)堆積在濾網(wǎng)內(nèi)；而疊式過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中，水流是從外通過(guò)疊片流道進(jìn)人疊片內(nèi)部，疊片通過(guò)彈簧和流體壓力壓緊，壓差越大，疊片壓得越緊，且水由疊片外緣通過(guò)溝槽流向疊片內(nèi)緣，經(jīng)過(guò)多個(gè)過(guò)濾點(diǎn)形成深層過(guò)濾，雜質(zhì)附著在疊片外表面，形成過(guò)濾效果，水流通過(guò)一段較長(zhǎng)狹窄流道才能達(dá)到過(guò)濾效果。

通過(guò)過(guò)濾原理的不同還可以看到水頭損失大小與過(guò)濾器的類型相關(guān)。網(wǎng)式過(guò)濾器的濾網(wǎng)可以在短時(shí)間內(nèi)減小濾網(wǎng)有效過(guò)水面積，堵塞程度未達(dá)到一定范圍對(duì)流量、水頭損失大小影響并不大，而通過(guò)疊片式過(guò)濾器過(guò)濾需要經(jīng)過(guò)流道內(nèi)的多個(gè)過(guò)濾點(diǎn)才能達(dá)到過(guò)濾效果，其堵塞時(shí)間比網(wǎng)式過(guò)濾器要長(zhǎng)，故抗堵塞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于網(wǎng)式過(guò)濾器。因此，肥液通過(guò)一級(jí)過(guò)濾器(D80、W80)過(guò)濾掉大顆粒肥料后，其余的小顆粒肥料隨著水流流入W120，短時(shí)期內(nèi)大量小顆粒附著在濾網(wǎng)上造成有效過(guò)水面積急劇減小，濾網(wǎng)被堵塞達(dá)90%以上(即C≤0.1)，流量降至0，水頭損失大幅增加達(dá)到最大6 m；而流入D120后大部分顆粒肥料附著在了濾芯外部，一部分小顆粒肥料進(jìn)入流道內(nèi)進(jìn)行深層過(guò)濾，短時(shí)間內(nèi)水頭損失增大到4～5 m，隨后15 min水頭損失下降，該原因可能是在水壓的沖擊下附著在濾芯外部的雜質(zhì)剝落，使得壓差有所回落。

過(guò)濾器水頭損失大小還與過(guò)濾器的過(guò)濾精度相關(guān)聯(lián)。由圖4(b)還可看出D40+W80/D120組合形式的水頭損失大小均不到1 m其值僅占總水頭損失的17%，濾網(wǎng)(芯)被堵塞不到20%(即C≥0.8)，可見(jiàn)未溶解于水的肥料顆粒大部分均小于D40的孔徑大小0.4 μm，使得大部分大顆粒肥料通過(guò)D40，但這些通過(guò)的大顆粒肥料并沒(méi)有在水流的帶動(dòng)下流入到二級(jí)過(guò)濾器，而是經(jīng)過(guò)管道拐彎、收縮等部位時(shí)與管道內(nèi)壁產(chǎn)生了碰撞、摩擦造成一部分顆粒雜質(zhì)在摩擦、碰撞過(guò)程中能量降低聚集在了管道內(nèi)，致使顆粒雜質(zhì)并沒(méi)有進(jìn)入二級(jí)過(guò)濾器進(jìn)行二次過(guò)濾，在沖洗管道過(guò)程中觀察到有大量顆粒物質(zhì)從干管中沖刷出來(lái)，驗(yàn)證了大顆粒雜質(zhì)大部分未流入到二級(jí)過(guò)濾器中進(jìn)行二次過(guò)濾。二級(jí)過(guò)濾器水頭損失大小主要與堵塞影響相關(guān)，同時(shí)還與過(guò)濾器類型、精度相關(guān)。

圖4 過(guò)濾器的水頭損失、流量隨時(shí)間變化過(guò)程

2.3 二級(jí)過(guò)濾器優(yōu)勢(shì)分析

多設(shè)一級(jí)過(guò)濾器的過(guò)濾效果同只有一級(jí)過(guò)濾器的過(guò)濾效果是否有所差異，為此我們選擇其中一種內(nèi)鑲圓柱形滴灌管，根據(jù)其滴頭流量大小來(lái)反過(guò)來(lái)判斷過(guò)濾器設(shè)置的合理性。首先對(duì)施加一次P肥(施肥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)下只有一級(jí)過(guò)濾器和設(shè)有二級(jí)過(guò)濾器的滴頭相對(duì)流量進(jìn)行大小比較，如表3所示其值可以反應(yīng)過(guò)濾器的過(guò)濾效果是否良好。選取已知的內(nèi)鑲柱式滴灌管的流量～壓力關(guān)系式：q=13.91H0.605[5]，已知清水灌水壓力0.06 MPa下灌水器流量2.45 L/h。由施肥流入灌水器的流量與清水灌溉下灌水器的流量比值得到滴頭相對(duì)流量。看到設(shè)有二級(jí)(D120)過(guò)濾器后的滴頭相對(duì)流量比設(shè)有一級(jí)(D80、W80)過(guò)濾器后的滴頭相對(duì)流量分別提高4%、10%左右?？梢?jiàn)二級(jí)W120及D120可以對(duì)小顆粒肥料雜質(zhì)進(jìn)行二次過(guò)濾，在一定程度上緩解了滴頭的堵塞程度，提高了肥液的利用效率，且W80緩解滴頭堵塞的能力要高于D80。D40的滴頭相對(duì)流量理論上應(yīng)該比D80、W80的滴頭相對(duì)流量小，但實(shí)際要大很多，可見(jiàn)肥料大顆粒雜質(zhì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)二級(jí)過(guò)濾器(W120、D120)，而是沉積在了管道內(nèi)，進(jìn)一步說(shuō)明經(jīng)由D40肥液中的大顆粒肥料未進(jìn)入到下一級(jí)過(guò)濾器中。因此，得出過(guò)濾效果由好到差依次是：W80>D80>D40。

表3 一次施P肥下過(guò)濾器堵塞率及毛管的滴頭相對(duì)流量 %

其次，在四輪灌水施肥過(guò)程中，未對(duì)支管后的毛管進(jìn)行任何處理，因此毛管的累積堵塞程度可以反應(yīng)過(guò)濾器在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)濾器過(guò)濾效果是否有所下降，對(duì)累積4次施加K、P肥情況下毛管的滴頭相對(duì)流量進(jìn)行比較見(jiàn)表4。連續(xù)4次累積施加K肥時(shí)，當(dāng)只有一級(jí)過(guò)濾器(D80、W80)時(shí)，其后的滴頭相對(duì)流量隨著施肥次數(shù)的增加逐漸下降到初次施肥流量的40%左右，當(dāng)設(shè)有二級(jí)過(guò)濾器(W120、D120)時(shí)，隨著施肥次數(shù)的增加其后的滴頭相對(duì)流量降幅有所緩解，比只有一級(jí)過(guò)濾器(D80、W80)后的滴頭相對(duì)流量提高了20%左右。連續(xù)4次累積施加P肥時(shí)，當(dāng)只有一級(jí)過(guò)濾器(D80、W80)時(shí)，其后的滴頭相對(duì)流量隨著施肥次數(shù)的增加流量大幅度下降。其中下降幅度最大的是一級(jí)D80的3種情形，下降大小分別是58%、45%及56%；下來(lái)是一級(jí)W80的3種情形，下降大小分別是48%、33%及36%。設(shè)有二級(jí)D120的下降幅度均最小，由此可見(jiàn)二級(jí)D120的過(guò)濾效果要優(yōu)于W120。在只設(shè)有一級(jí)D80后的滴頭相對(duì)流量在第3次施P肥時(shí)發(fā)生完全堵塞，W80在第4次施P肥時(shí)發(fā)生完全堵塞，可見(jiàn)累積4次施加K肥并未使滴頭發(fā)生堵塞，而累積四次施加P肥對(duì)滴頭造成完全堵塞。因此一級(jí)W80在一定程度上減緩了滴頭的堵塞，但連續(xù)多次施肥下會(huì)導(dǎo)致滴頭完全堵塞直至流量降為0，設(shè)有二級(jí)過(guò)濾器(W120、D120)后，一定程度上可以提高施肥次數(shù)，延長(zhǎng)滴頭使用壽命。綜上所述，設(shè)有二級(jí)過(guò)濾器具有明顯優(yōu)勢(shì)，提高了肥液的利用率。

表4 4次累積施K、P肥條件下滴頭相對(duì)流量 %

3 過(guò)濾器組合及系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化分析

對(duì)6組過(guò)濾器組合形式進(jìn)行探討，由于P肥中大部分未溶解的肥料顆粒粒徑小于D40孔徑(0.4 μm)大小，排除掉過(guò)濾精度較低的D40的組合形式。首先從過(guò)濾器水頭損失、流量大小來(lái)看(見(jiàn)圖4)，W80/D80+D120的組合方式最優(yōu)，其流量大小比施加N、K肥流量相差不大，水頭損失達(dá)到總水頭損失的50%。其次對(duì)過(guò)濾器后的毛管滴頭流量大小進(jìn)行比較，見(jiàn)表4，滴頭流量降幅最大的是D80+W120的組合形式，最小的是W80+D120的組合形式。最終得出，W80+D120的組合形式最優(yōu)，過(guò)濾效果最好且可以最大限度地延長(zhǎng)滴頭使用壽命，提高肥液利用率。

針對(duì)壓差式施肥罐在初始階段施肥液中不溶顆粒過(guò)多造成過(guò)濾器短時(shí)間內(nèi)堵塞嚴(yán)重，提出滴灌系統(tǒng)運(yùn)行模式的優(yōu)化方案：將流出施肥罐初始階段的肥液用一分支管道導(dǎo)出，運(yùn)行開(kāi)始首先關(guān)閉主管道閥門，開(kāi)啟導(dǎo)出肥液的分支閥門，一段時(shí)間后再關(guān)閉分支閥門繼續(xù)肥液的輸送。其難點(diǎn)在于分流導(dǎo)出時(shí)間的把握，既不能讓大量肥液被分流出也不能讓不溶于水的顆粒物質(zhì)堵塞滴灌系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在石羊河流域膜下滴灌系統(tǒng)水肥一體運(yùn)行過(guò)程中，由兩級(jí)過(guò)濾器不同組合條件下的過(guò)濾效果及水頭損失大小試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

(1)過(guò)濾器水頭損失的增加與濾網(wǎng)(芯)的有效過(guò)水面積呈正相關(guān)。但一級(jí)W80發(fā)生嚴(yán)重堵塞(濾網(wǎng)被堵塞達(dá)85%以上，即C≤0.15)時(shí)其過(guò)流量并沒(méi)有大幅度減小，其原因是濾網(wǎng)有效過(guò)水面積短時(shí)期內(nèi)急劇減小，但堵塞物質(zhì)在濾網(wǎng)上形成一層咖色結(jié)痂物，隨后肥液濃度降低在較大水壓的沖擊下，在結(jié)痂物上形成了許多細(xì)小孔隙，肥料由此穿過(guò)，對(duì)流量影響較小。

(2)膜下滴灌系統(tǒng)水肥一體運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)二級(jí)過(guò)濾器(W120、D120)相比只設(shè)有一級(jí)過(guò)濾器而言具有一定優(yōu)勢(shì)，一次施P肥下設(shè)有二級(jí)過(guò)濾器的滴頭平均流量與只設(shè)有一級(jí)過(guò)濾器的滴頭平均相對(duì)流量相比提高了3%～10%；累積連續(xù)四次施K、P肥下滴頭平均流量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)W80相比D80可以延緩滴頭堵塞時(shí)間，且使用二級(jí)D120比W120多提高20%左右的滴頭平均流量。

(3)由兩級(jí)過(guò)濾器不同組合條件下的過(guò)濾效果及水頭損失大小試驗(yàn)來(lái)分析最優(yōu)組合形式，認(rèn)為D40精度過(guò)低，無(wú)法過(guò)濾掉大顆粒物質(zhì)使得這些物質(zhì)最終沉淀、聚集在管道內(nèi)無(wú)法再次進(jìn)行二次過(guò)濾；相同堵塞程度下D80水頭損失比W80大很多，對(duì)流入二級(jí)過(guò)濾器的初始水頭損失有一定削弱，從而影響毛管滴頭出流量。對(duì)于二級(jí)過(guò)濾器的選取需要選擇抗堵塞性能較好的過(guò)濾器，從滴頭的出流量大小可以看出D120的抗堵塞性能要優(yōu)于W120，且疊片式過(guò)濾器在短時(shí)期內(nèi)水頭損失與網(wǎng)式過(guò)濾器水頭損失大小相差不到1 m。從過(guò)濾器水頭損失、過(guò)濾效果及毛管滴頭的流量來(lái)看，W80+D120的組合形式最優(yōu)。

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