聶一品，郝志豪，高子涵，魯成澤，陳慧芳，劉燕芳，陳俊英,3

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 咸陽 712100； 2. 魯東大學資源與環(huán)境工程學院，山東 煙臺264025；3. 西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院，陜西 咸陽 712100)

受水資源短缺的限制，我國仍有較大面積農業(yè)灌溉區(qū)利用高硬度地下水進行灌溉[1]。對于缺水且水質較硬的地區(qū)，滲灌無疑是最有利的農業(yè)灌溉方式[2,3]。但存在于硬水中的無機質及可溶性鹽類等物質會造成灌水器的堵塞[4]。因此探究硬水滲灌系統中堵塞物質的形成過程和機理對預防和處理滲灌系統灌水器的堵塞問題具有重要意義。

為此，本文選用同種砂基陶瓷灌水器，采用地下水和配置3種不同硬度的灌溉水，組成硬水陶瓷灌水器灌溉系統，試驗通過測定其流量變化、觀察和分析堵塞物成分和堵塞物圖像研究硬水作用下堵塞物的形成機理，以便對陶瓷灌水器硬水灌溉技術的應用提供科學建議。

1 材料與方法

1.1 石英砂基微孔陶瓷灌水器

試驗所用的灌水器為西北農林科技大學自主研制的砂基管間式微孔陶瓷灌水器[24]，設計流量為0.07 L/h。砂基微孔陶瓷灌水器工作過程中，水流首先通過灌水器內壁上的微孔隙向外滲流，然后經過微孔陶瓷灌水器外壁-土壤界面，產生滲流[25]。

1.2 灌溉用水

本試驗灌溉用水根據總硬度設置4個水平，分別記為E1、E2、E3、E4。其中，E1(對照)為楊凌區(qū)自來水；E2、E3、E4利用楊凌區(qū)自來水添加化學試劑NaHCO3與CaCl2(物質的量比為2∶1)配制；待水質均勻后取水樣檢測，主要指標如表1所示。

1.3 試驗裝置與布置

試驗在西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院灌溉水力學實驗大廳進行，根據水源類型，試驗設置4個相同且獨立的灌溉系統，裝置如圖1所示(僅展示了兩組試驗)。每個系統由一個馬氏瓶(直徑20 cm，高100 cm)和兩條平行布置的管道(長2.5 m，直徑20 mm)組成。其中，馬氏瓶為系統提供恒定微壓(約1 m水頭)；每條管道上等間距20 cm安裝8個相同規(guī)格的砂基陶瓷灌水器，即每個處理16個重復。

表1 試驗用水水質參數Tab.1 Parameters of experimental water quality

圖1 試驗裝置圖Fig.1 The experiment system

硬水灌溉前，對4個滲灌系統進行徹底清洗，并用自來水連續(xù)灌溉7 d，排空陶瓷灌水器內部的空氣，使流量穩(wěn)定。之后，試驗自2018年9月17日開始至2018年11月10日結束(共55 d)，4個滲灌系統分別連續(xù)灌溉E1、E2、E3、E4，期間連續(xù)采集每個灌水器流量、試驗環(huán)境溫度和濕度。試驗期間每隔6 d清洗一次馬氏瓶，管道系統不再清洗。

1.4 試驗評價指標

灌水器的堵塞程度用同一處理下所有灌水器的相對流量的平均值，即流量百分數進行評價:

(1)

式中：Dra為平均相對流量，%；n為灌水器總數；qi為第i個灌水器的流量，L/h;q0為灌水器初始流量，L/h。

1.5 試驗監(jiān)測內容

(1)實驗室環(huán)境條件監(jiān)測。實驗室環(huán)境條件監(jiān)測包括環(huán)境溫度監(jiān)測以及環(huán)境濕度監(jiān)測。

實驗室環(huán)境溫度和環(huán)境濕度于每日9∶00和15∶00分別用水銀溫度計(最小刻度0.5 ℃)和濕度計(最小刻度1%)進行兩次監(jiān)測，取平均值作為當日環(huán)境溫度和環(huán)境濕度。試驗期間環(huán)境溫度和環(huán)境濕度變化分別如圖2和圖3所示，試驗期間環(huán)境溫度和環(huán)境濕度最高、最低值分別為30 ℃、11 ℃和60%、5%。

圖2 系統運行期間環(huán)境溫度監(jiān)測圖Fig.2 Variation in irrigation ambient temperature during the experiment

圖3 系統運行期間環(huán)境濕度監(jiān)測圖Fig.3 Variation in irrigation ambient humidity during the experiment

(2)灌水器流量測定。灌水器流量于每日9∶00和15∶00測定兩次，用布置于灌水器下面的量杯(容積1 L)接取30 min內灌水器出水量。用電子天平(精度為0.1 g)測量出水量凈重，換算成灌水器流量。

(3)灌水器內壁面附著物物分析。為探明系統運行期間灌水器內堵塞物質成分連續(xù)變化情況，在試驗過程中對灌水器進行取樣。當系統運行至第11、22、33、44、55 d時進行取樣，每個處理每次取1個灌水器，在取樣位置用相同長度的聚乙烯管連接，共計得到20個樣品灌水器。

將樣品灌水器常溫下風干7 d后，解剖灌水器，觀察灌水器內壁狀況，并對內壁面附著物進行拍照記錄。

本文分別對E1，E2，E3與E4組的堵塞沉積物進行分析處理：首先分割陶瓷灌水器，分別收集E1，E2，E3與E4組在不同堵塞程度下，灌水器內部相同位置、相同厚度的堵塞物；隨后對收集到的堵塞沉積物進行X射線衍射儀掃描，以獲取多晶衍射圖譜；最后利用XRD分析軟件Jade6.5對其衍射圖像以及堵塞物樣品各物質相對百分含量進行分析，確定灌水器運行過程中附著物成分的變化情況。

2 結果分析

2.1 硬水灌溉對灌水器流量的影響

圖4描述了硬水灌溉期間各處理陶瓷灌水器日均流量百分數(Dra)的日動態(tài)變化情況。從圖4可以看到，4個處理下的日均Dra在滲灌系統運行期間存在較大波動，這是由陶瓷灌水器本身的性質決定的。由董愛紅等人的研究可知[26]，陶瓷灌水器因其自身的工作原理，極易受到工作環(huán)境的溫度、濕度、壓強等因素的影響導致流量出現波動，而在本試驗滲灌系統運行期間，環(huán)境溫度和濕度的每日平均值均存在較大波動(見圖2和圖3)，故導致4個處理的Dra出現較大波動。

圖4 試驗期間4個處理灌水器的平均相對流量百分數的變化過程Fig.4 Variations of Dra of emitters with different hard water

為消除環(huán)境因素導致灌水器流量的波動影響，本文用其移動均值線來代表其流量平均變化過程，如圖4所示。對比4個處理的流量變化圖像可知，E1處理下Dra在系統運行期間一直以較大的波動持續(xù)至試驗結束，在第50～55 d，流量峰值最低達到50%、最高達到140%，移動均值未見持續(xù)性下降現象，即該處理灌水器未發(fā)生堵塞；E2、E3經歷較長時間的波動后，其移動均值分別在運行的第43、38 d出現明顯、連續(xù)的下降過程，運行結束時Dra分別為61.6%、57.0%；E4在整個系統運行期間的Dra波動幅度較小，且流量高峰值僅106%，在灌水31 d后移動均值持續(xù)大幅度下降，結束時灌水器Dra達到最低值34.8%，流量降幅最大。由此可知，硬水灌溉會導致微孔陶瓷灌水器會發(fā)生堵塞，且硬度越高，堵塞越嚴重；在滲灌系統運行前期，流量波動明顯，且下降不明顯，而在后期，流量出現穩(wěn)定、連續(xù)的下降現象。

對E2、E3、E4分別以第43、38、31d為分界點將日均Dra變化過程劃分階段，分界點之前成為“波動階段”，之后稱為“下降階段”。用分界點處的當日流量作為初始流量，對3個處理下的兩個階段中的灌水器日均Dra分別進行線性擬合，擬合直線的斜率k、相關系數R2及顯著性檢驗結果列于表2。從表2和圖4可以看出，第一階段4個處理的灌水器Dra未見明顯下降，均維持在波動階段均值附近波動，擬合直線斜率k為0.27～0.48，相對第二階段斜率較小，且最終流量較初始流量下降較小；第二階段擬合直線斜率在-2.59～-2.46之間，線性相關關系顯著(R2>0.733*)，即灌水器在該階段呈現顯著的線性下降趨勢(p<0.05)；在該階段，E2、E3和E4的擬合直線斜率絕對值逐漸增大，表明硬水濃度影響陶瓷灌水器堵塞速率，且濃度越大，灌水器堵塞速率越大。

表2 硬水灌溉灌水器Dra在兩階段的線性擬合參數Tab.2 Linear fitting parameters of emitter Dra in two stages for hard water irrigation

注：Dra=kt+b，其中：t為系統運行時間；k為Dra線性擬合斜率；b為截距。 *代表在顯著性水平a=0.05達到顯著。

移動標準偏差可以體現每一日波動量相于其移動均值的標準偏差[27]。表3中列出了兩個階段日均Dra數據的統計參數?？梢钥闯?，E2、E3、E4的3組處理第二階段的移動標準偏差均比第一階段的值小，說明隨著運行時間的增加，波動特征不明顯了，即堵塞對Dra的影響超過了環(huán)境因素；同時，在兩個階段內，隨著硬水硬度的增加，灌水器日均Dra數據變化呈現逐漸減小的趨勢，說明硬水抑制了灌水器Dra每日波動。由此可知，硬水導致的堵塞，其對流量的影響具有時間上的累積效應，且硬度越大，這個特性越明顯。

表3 硬水灌溉灌水器Dra在兩階段的移動標準偏差 %

2.2 灌水器堵塞物成分與含量

獲取的樣品XRD檢測圖譜數據繪制圖5。圖5縱坐標數值含義為被吸收的能量與照射能量的比值。在圖5每幅圖中，從下至上依次為該組中第11、22、33、44與55 d的樣品所測得X射線衍射圖譜。由圖5可觀察到E2、E3、E4的3組灌水器沉積物的多晶衍射圖譜的峰較為規(guī)整，說明硬水的3種處理下、不同灌水時長的灌水器內沉積物組成成分比較一致。而E1組多晶衍射圖譜與E2、E3、E4的3組在衍射峰的位置上存在不同，但也較為規(guī)整，說明在該組灌水器內部沉積物成分與另外3組有較大的不同。

通過軟件分析，得出了不同處理在不同時期堵塞物相對含量表(見表4)。表4中數據為CaCO3與SiO2相對含量，由于兩種物質相對含量總和為1，在總成分中CaCO3相對增加，則代表SiO2相對減少。檢測取樣為灌水器內部相同位置、相同厚度的物質，若灌水器內部CaCO3沉積較少，則樣品中會含有較多的灌水器成分即SiO2，以至于通過X射線衍射后，樣品中極少量的CaCO3無法被檢測出。

圖5 沉積物XRD檢測圖譜圖Fig.5 Phase analysis by XRD

%

2.3 灌水器內堵塞物圖像分析及堵塞機理

圖6給出了硬水灌溉灌水器(E4組)內部堵塞物在第11、33與55 d的情況。其中圖6(a)為灌水器剖開的堵塞物俯視圖，圖6(b)為堵塞物側視圖。結合圖6(a)可以看出，在E4組中，隨著運行時間的增長，灌水器內表面逐漸被堵塞物覆蓋。從圖6(b)可以看出堵塞物厚度從0增長至300 μm左右。綜合圖6結果可知，隨著灌水器內部堵塞物厚度逐漸增加，灌水器內部腔體過流能力減小并逐漸堵塞滲流通道入口，從而導致灌水器流量減小。

圖6 陶瓷灌水器內堵塞物圖像(E4)Fig.6 The picture of the ceramic emitter inner stemming (E4)

用光學顯微鏡分別觀察未使用的、E4處理灌水55 d后的灌水器的自然斷面形態(tài)，如圖7所示。從圖7可以看出，硬水灌溉55 d后的陶瓷灌水器，其自然斷面試驗形態(tài)較未使用的灌水器無明顯變化，且未見堵塞物存在。結合圖6堵塞物圖像可知，硬水灌溉時，水中生成的化學沉淀只會沉淀、附著在灌水器的內壁面，不會進入灌水器內部孔隙。

圖7 陶瓷灌水器自然斷面拍攝圖Fig.7 The picture of ceramic emitter natural section

根據上述分析，陶瓷灌水器內的堵塞過程是：硬水中的離子在隨灌溉水進入灌水器的過程中，不斷發(fā)生反應形成化學沉淀物。由于灌水器內壁并不完全光滑，故化學沉淀隨水流滲出的過程中隨機地附著于灌水器內壁表面，并逐漸形成一層疏松的附著層，堵塞了陶瓷灌水器滲水通道，灌水器流量相應減小。隨著試驗的運行，硬水中的化學離子不斷進入灌水器內腔繼續(xù)沉淀，導致灌水器內壁更加粗糙，更有利于沉淀形成[28]。隨著附著層的厚度不斷增大，最終造成了灌水器的堵塞。

3 結 語

(1)硬水灌溉條件下，試驗陶瓷灌水器流量隨時間的變化過程分為“波動階段”和“下降階段”，而自來水處理下陶瓷灌水器流量未見明顯下降。

(2)試驗用硬水處理下陶瓷灌水器堵塞物成分為CaCO3，其相對含量隨著試驗灌水時間增長和試驗硬度增加而增加。

(3)硬水灌溉條件下，灌水器內壁面形成層狀堵塞物，但堵塞物不會進入灌水器內部。層狀物堵塞灌水器滲流通道是灌水器流量下降的原因。