微润灌溉系统堵塞评价及处理方法研究

刘国宏，邱照宁，谢香文，江培福

(1．新疆农业科学院 土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2．沙帮科技有限公司，北京 100081)

微润灌溉是一种以利用半透膜为核心材料制成软管状灌水器的灌溉技术[1]，微润管管壁分布有大量纳米级微孔，孔径为10～900 nm，数量为每平方厘米10万个。由于孔道微小精细，对压力反应十分敏感，可通过调节压力控制出流量，是一种精准灌溉产品。灌水器堵塞是影响微灌技术发展的重要问题，灌溉用水过程中悬浮颗粒的沉积是造成微灌灌水器堵塞的主要原因[2]。

国内很多学者对微润灌溉系统进行了研究[3-6]，但大多集中在水力特性及入渗机理的研究和生产方面的应用研究。笔者在进行生产应用的过程中，发现微润灌溉堵塞问题比较严重，但国内关于微润灌溉堵塞问题的研究少见报道。谢香文、刘国宏等[7]通过浑水出流试验，研究得出浑水条件下微润管流量持续下降，微润管初始流量随着泥沙量的增加而降低。微润管堵塞机理及解决方法的研究是微润灌溉系统推广的关键，本文通过大田试验，研究了微润管堵塞情况，提出了解决堵塞的具体办法，以期为微润灌溉系统生产应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地设计

为了探究微润灌溉堵塞机理及解决微润管堵塞问题，在田间构建了微润灌溉系统用于苹果树的种植，试验地点在新疆玛纳斯县，属于温带大陆性气候，昼夜温差大，年平均降雨量173.3 mm，年平均蒸发量为1 691.0 mm，作物种植主要依靠灌溉补水。

苹果树种植面积0.52 hm2，共18行，株行距3 m×3 m，土壤为砂壤土，微润管埋深40 cm，灌溉水源为深层井水，灌溉水的物理、化学及生物学参数在灌溉试验初期测定，见表1。

表1 水质参数 mg/L

微润管设计工作压力为8 m，采用双行布置，总共布置微润管36条，总长3 330 m。微润灌溉系统采用循环供水模式，在试验场地修建一个蓄水池，将井水蓄在蓄水池里，蓄水池可以起到一级过滤的目的，将井水大颗粒泥沙过滤掉。用水泵将水吸入灌溉系统内，系统进水口安装一个过滤精度为120目的叠片过滤器，过滤器前后安装压力表，当压力降低幅度比较大时及时清洗过滤器。输水管道和回水管道上分别安装精密水表，测定系统水量，前后水表读数之差即为苹果树灌溉的总水量。根据蒸发量调整灌溉频率，试验场地平面布置如图1所示。

图1 试验场地平面布置图Fig.1 Test site layout

1.2 灌水器堵塞评价方法

目前国内外尚没有判别滴灌灌水器堵塞的标准，ISO TC23 SC18 Clogging test methods for emitters初稿建议当拟评价灌水器流量与参考灌水器(新灌水器)流量之比小于75%时，即流量降低百分数Rq超过25%时，认为灌水器发生了堵塞。因此，把灌水器堵塞情况分为4种：未堵塞(Q>75%Q额定)、一般堵塞(50%Q额定

灌水器的堵塞程度EC计算公式如下：

(1)

式中：qr为第r个灌水器测试流量校正到20 ℃后的流量，mL/(h·m)；qnew为灌水器的额定流量，mL/(h·m)，试验系统刚启动时通过测试获得。

1.3 灌水均匀度评价方法

微灌均匀度系数是衡量微灌系统灌水均匀性的重要指标, 灌水均匀度是由灌水器的流量变化决定的。影响均匀度的原因有压力水头的偏差, 滴头的制造精度, 温度的差异, 滴头的间距, 不良水质引起的堵塞和系统维修情况等。为保证灌水质量，灌溉要求达到一定的均匀度。目前，我国现行《微灌工程技术规范》要求滴灌系统设计灌水均匀度不能小于85%，实测灌水均匀度不能小于80%[9]。按照Christiansen公式得灌水均匀度系数如下:

(2)

式中:q均为灌水器平均流量，mL/(h·m)；qi为单个灌水器流量，mL/(h·m)；Cu为均匀度系数；n为灌水器个数。

1.4 抗堵塞试验方法

工业输水管道在长期使用的过程中管道表面会形成一层附生的杂质薄膜，常用表面活性剂进行清洗管道。将长期使用的微润管切开也发现微润管管壁附着一层杂质薄膜，分析认为管壁附生薄膜是造成微润管堵塞的主要原因，因此本次试验选择使用表面活性剂进行抗堵塞的试验研究，活性剂的种类分别为洗涤精和抗堵塞肥料。洗涤精的主要成分为表面活性剂，以及一些香料添加剂；抗堵塞肥料是深圳微润灌溉有限公司专门生产用以解决微润灌溉堵塞的肥料，其主要成分是表面活性剂和一些植物需要的营养元素以及其他添加剂。

为了更好的观测试验效果，试验用微润管选择上一年使用一个灌溉周期的管段，将微润管铺在地表进行试验，系统连接同图1。试验开始前先测定微润管的出流量，连接好整个系统，每隔1 h读一次水表读数，两水表之差即为微润管的出流量，同样的方法测定3次，取其平均值即为微润管出流量。

将系统按照图1连接好后，关闭阀门和水表，在阀门和压力表之间的主管道上打孔安装一个施肥泵，将配置好的浓度为500 mg/L的洗涤精溶液和重量比为1%的抗堵塞肥料溶液注入系统内,让溶液在封闭的系统内随着微润管渗出，当压力表的压力下降为0时说明注入的溶液全部渗出，继续向系统内加入配好的溶液，整个过程持续5 h，结束后打开阀门和水表，开启水泵对系统进行冲洗，冲洗半个小时。冲洗结束后分别测定两种处理下微润管的流量值，测定3次取其平均值作为微润管的出流值。

2 结果与分析

2.1 微润管流量变化

微润管流量的变化如图2所示，从图2可以看出随着灌水时间的延长，微润管流量呈现递减的趋势，这主要是由于微润管堵塞造成出流量逐渐减小的缘故，初始流量为472.37 mL/(h·m)，当系统运行66 d后，微润管的流量减为225.23 mL/(h·m)，流量衰减率为52.3%。对微润管出流量Q和使用天数t的关系进行分段拟合，发现呈现良好的线性关系，即Q=at+b，其中Q为微润管出流量，t为运行天数，a、b均为常数，相关系数均在0.99以上，拟合结果见表2。

表2 微润管出流量与使用天数的关系Tab.2 Relationship between the flow rate and the used days

参数a是直线的斜率，a越小直线越陡峭，流量下降得越快，反之流量下降得越慢。从图2中可以看出，微润管出流量根据不同的使用时长呈现出不同的规律，总体呈现前期下降较快，中期较慢，后期又较快的趋势，并且当使用超过44 d之后流量呈现急速下降的趋势。

图2 微润管出流量与使用天数的关系Fig.2 Relationship between the flow rate and the used days

2.2 微润管堵塞评价

微润管堵塞程度与使用天数的关系如图3所示，从图3可以看出，随着灌水时间的延长微润管堵塞程度在逐渐加重，当系统运行48 d以后，堵塞程度达到25%以上；系统运行64 d以后，堵塞程度达到50%以上。根据滴灌灌水器堵塞评价方法进行划分认为：本次微润灌溉系统在使用1～48 d的过程中未堵塞，在使用48～64 d的过程中发生了一般堵塞，当使用64 d以后微润灌溉系统出现了严重堵塞的情况。

图3 微润管堵塞程度与使用天数的关系Fig.3 Relationship between the degree of pipe blockage and used days

对微润管堵塞程度EC与使用天数t的关系进行分段拟合，发现呈现良好的线性关系，即EC=at+b，其中EC为微润管，t为运行天数，a、b均为常数，相关系数均在0.99以上，拟合结果见表3。

表3 微润管堵塞程度与使用天数的关系Tab.3 Relationship between the degree of pipe blockage and used days

参数a是直线的斜率，a越大直线越陡峭，堵塞加剧程度越严重，反之堵塞加剧得越慢。从表3可以看出，微润管堵塞程度随不同的使用时长呈现出不同的规律，总体呈现前期堵塞较快，中期较慢，后期又较快的趋势，堵塞程度加深对使用时长增加表现为“敏感-微敏感-极度敏感”的动态变化特征。结合图3可以得出，当EC在10%以内时，微润管使用天数t的增长会引起EC明显加深，属于EC变化敏感期；当EC在 10%～18%时，EC随使用天数t增长的敏感性明显降低；而EC超过18%以后，进入极度敏感阶段，且敏感性逐渐增强，使用天数t稍有增长就会引起EC急剧增加。这与Pei等[10]、Liu 等[11]研究滴灌发现EC与系统运行时间表现出分段式线性变化特征(即EC=kit+bi，其中t为系统运行时间，h)相一致。

2.3 微润管灌水均匀度评价

在灌溉系统运行75 d之后，对试验地分区进行流量观测，每6行果树为一个片区，共分为3个片区，分别测定微润管出流量，折算成米流量进行比较，不同小区微润管出流量如图4所示。从图4可以看出小区1、小区2、小区3的流量分别为：185.76、266.07、233.20 mL/(h·m)。将3个流量值带入Christiansen公式得灌水均匀度系数Cu等于87.6%，大于现行的《节水灌溉技术规范》中明确要求的85%，说明微润灌溉灌水均匀度能满足技术规范的要求。

图4 不同片区微润管出流量Fig.4 Outflow quantity of different area

2.4 抗堵塞试验分析

不同冲洗方式下微润管出流量如图5所示，由图5可以看出抗堵塞肥料清洗微润管时流量从282.02 mL/(h·m)增加到536.86 mL/(h·m)，增加幅度为47.47%，流量基本已经恢复到微润管额定流量的水平；洗涤液清洗时流量从304.21 mL/(h·m)增加到405.62 mL/(h·m)，增加幅度为25%，微润灌溉抗堵塞肥料的清洗效果要好于洗涤液的清洗效果。表面活性剂的作用主要是改变界面张力、表面润湿度等方面,最终改变堵塞物在管壁表面的构造形态,阻止堵塞物质的形成，微润管为管壁沿程渗水的灌水方式，管壁附生薄膜在表面活性剂的作用下分解、散落，再由循环水流将管道内脱落的堵塞物排出系统，使得管壁清洁，出流量增大。在进行试验的过程中发现未完全堵塞的微润管经过有效清洗后流量加大，完全堵塞的微润管在使用两种方法进行清洗时出流效果仍旧不十分明显，建议当系统出现一般堵塞的情况下即进行抗堵塞清洗，能够更好的解决微润管堵塞问题。

图5 不同冲洗方式与流量变化关系Fig.5 Relationship between different washing methods and flow rate change

3 结 语

(1)微润管出流量随着使用时间的延长递减，出流量Q和使用天数t之间呈现良好的线性关系，前期流量下降较快，中期较慢，后期又较快，并且当使用超过44 d之后流量呈现急速下降的趋势。

(2)微润管在使用1～48 d的过程中未堵塞，在使用48～64 d的过程中发生了一般堵塞，当使用64 d以后微润灌溉系统出现了严重堵塞的情况。堵塞程度加深对使用时长增加表现为“敏感-微敏感-极度敏感”的动态变化特征，当EC在 10%以内时属于EC变化敏感期，当EC在10%～18%时属于微敏感期；而EC超过18%以后，进入极度敏感期。

(3)用Christiansen公式得灌水均匀度系数Cu等于87.6%，大于现行的《节水灌溉技术规范》中明确要求的85%，说明微润灌溉灌水均匀度能满足技术规范的要求。

(4)用微润管抗堵塞肥料清洗微润管，流量基本已经恢复到额定流量的水平。微润灌溉抗堵塞肥料的清洗效果要好于洗涤液的清洗效果，建议当系统出现一般堵塞的情况下即进行抗堵塞清洗，能够更好的解决微润管堵塞问题。

[1] 李跻嵘. 绿色创新是推动产业升级的发动机——微润灌溉：国际高效节水的创新先行者[J]．国际融资，2013,(7):12-15．

[2] Smajstrla AG，Koo RC，Weldon J H，et al．Clogging of trickle irrigation emitters under field conditions [J]．Proc．Fla．State Hort．Soc．，1983，96：13-17．

[3] 薛万来，牛文全，罗春艳，等．微润灌溉土壤湿润体运移模型研究[J] ．水土保持学报，2014，28(4)：49-54．

[4] 张 俊，牛文全，张琳琳，等．初始含水率对微润灌溉线源入渗特征的影响[J]．排灌机械工程学报，2014，32(1):72-79．

[5] 张 俊，牛文全，张琳琳，等．微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究[J]． 中国水土保持科学，2012，10(6):32-38．

[6] 牛文全，薛万来．矿化度对微润灌土壤入渗特性的影响[J]．农业机械学报，2014，45(4)：163-172．

[7] 谢香文，祁世磊，刘国宏，等．灌溉水泥沙量及粒径对微润管出流的影响[J] ．灌溉排水学报，2014，33(6)：38-41．

[8] ISO．ISO/TC 23/SC 18/WG 5N4, Clogging test methods for emitters[S]．

[9] GB/T 50485-2009，微灌工程技术规范[S]．

[10] Pei Yiting, Li Yunkai, Liu Yaoze, 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．

[11] Lowry O H, Rosebrough N J, Farr A L, et al. Protein measurement with the Folin phenol reagent[J]. The Journal of Biological Chemistry, 1951,193(2):265-275．

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