低压滴灌施肥条件下温度对滴头堵塞的影响

王浩翔，张新燕*，牛文全, ，刘 敏，李 斌

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

滴灌施肥时，由于滴头内部流道尺寸微小，易被灌溉水源中的细小固体悬浮颗粒[1-3]、肥料离子反应生成的化学沉淀[4-5]、微生物繁殖形成的生物膜等附着[6-7]，导致滴头堵塞。而堵塞滴头会加大滴灌带上其余滴头流量，1%～5%的滴头发生完全堵塞会极大影响灌水均匀度，缩短滴灌系统的使用寿命[8]。温度的变化可导致肥料特性发生变化，可能增加滴灌施肥时滴头的堵塞风险。

【研究意义】灌溉季节、地域、灌溉水源常导致灌溉用水水温存在差异。在太阳辐射等外界热量交换的作用下，裸露在田间的黑色滴灌带内水温能高达77 ℃[9]，且滴灌带首部和尾部温差可达20 ℃以上[10]。研究温度对滴头堵塞的影响，对指导不同地区、不同季节的灌溉施肥模式具有重要意义。【研究进展】温度在滴灌施肥过程中对滴头堵塞的影响较为复杂，一般认为温度升高会增加颗粒碰撞几率，促进絮凝形成[11]，也可以加快水中钙、镁等离子生成碳酸钙、碳酸镁等的化学沉淀，加剧滴头堵塞程度[12]。但温度的升高降低了水的黏滞系数，又能使流体的内能增加，减弱分子间作用力导致扩散系数增大[13]，反而能增强滴头的抗堵塞性能。刘璐等[11]和牛文全等[14]于冬、夏二季进行滴头抗堵塞试验，确定了夏季易堵塞的泥沙粒径，并发现夏季滴头抗堵塞性能高于冬季；冬季施肥质量浓度对堵塞敏感性高于夏季。滴头的抗堵塞性能不仅与温度有关，低压条件下（20～50 kPa）滴头流量受温度变化影响显著，45 ℃较20 ℃流量增幅在16%以上[15]，但随着压力升至100 kPa 乃至200 kPa时，温度对滴头流量变化影响不大[16]。施肥改变水源的温度、黏滞系数、固体颗粒质量浓度、pH 值、电导率等参数，导致各类溶质在流道内水流紊动作用下相互碰撞、吸附、团聚、沉淀，增大堵塞风险[17]。【创新点】以上研究多以全溶肥液结合泥沙进行，没有考虑肥料自身在不同水温、质量浓度等条件下的溶解特性及所携非溶物质情况对滴头堵塞的影响。因此考虑肥料自身特性，细化温度梯度并结合运行压力、加肥浓度对滴头堵塞的影响还有待进一步研究。【拟解决的关键问题】在此背景下，本文选择内镶贴片式滴头，展开短周期间歇式灌水试验，分析温度对水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响，探究不同温度下低压滴灌施肥的质量浓度阈值，为不同温度下制定合适的滴灌施肥模式提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验于2018 年10 月12 日—2019 年7 月15 日在西北农林科技大学灌溉水力学试验大厅内进行。试验滴灌带为内镶贴片式滴灌带（杨凌秦川节水灌溉设备工程有限公司），额定流量2.3 L/h，管径16 mm，壁厚0.2 mm，滴头为齿形迷宫流道，进水格栅数为8，流道宽0.8 mm，流道深0.8 mm，齿高1.1 mm，齿间距3 mm，流道单元数14 个，滴头制造偏差1.76%。每条滴灌带长3 m，滴头间距30 cm，每条滴灌带含10 个滴头。

试验用水为陕西杨凌示范区居民自来水，水质情况如表1 所示。

表1 试验用水水质情况 Table 1 Water quality parameters during experiment

试验肥料为三环果蔬专用复合肥（云南云天化股份有限公司），总养分≥45%，N、P2O5、K2O 质量比为15∶5∶25，硫酸钾型，高塔造粒，常温下为白色颗粒，溶于水呈乳白色液体，pH 值7.33～8.10。不同温度下复合肥溶解度见表2。

表2 不同温度下复合肥溶解度 Table 2 Compound fertilizer solubility at different water temperatures

测试平台参照GB/T17187—2009《农业灌溉设备 滴头和滴灌管 技术规范和试验方法》[18]、SL/T 67.1-94《微灌灌水器—滴头》[19]以及国际抗堵塞研究标准草案[20]搭建而成，如图1 所示。平台由单相自吸泵（扬程60 m，吸程20 m，最大流量3 m3/h）、单相异步搅拌泵（0.3 kW，1 390 r/min）、压力表（上海自动化仪表股份有限公司，量程0.25 MPa，精度0.001 MPa）、控制阀门、回流槽、120 目过滤器、电子式温度控制器（控温精度0.1 ℃，测控范围-9～99 ℃）、测温探头、U 型加热棒（220 V，3 kW）以及待测试滴灌带组成。

图1 试验平台示意图 Fig.1 Test platform schematic

1.2 试验设计

为加速试验进程，参照国际滴头抗堵塞研究标准草案[20]，将灌水周期等比例缩短，灌水时间为1 h，每隔2 h 灌水1 次，1 d 灌水5 次，连续4 d，每组处理累计灌水20 h。每组处理结束后，将换下的滴灌带置于遮阴通风处风干，并更换新的滴灌带进行下一组试验。试验因素水平如表3 所示，进行完全试验，共80 组，每组处理3 个重复。

表3 试验处理 Table 3 Experimental treatments

1.3 测定指标与方法

采用称质量法测量滴头出流量，滴头出流量计算式[20]为：

式中：Q 为单个滴头流量（L/h）；T 为流量测量时间（min）；本试验中，T 为10 min；mew空烧杯质量（g）；mtw为空烧杯及测试时间出流液体总质量（g）。

每次灌水期间记录各滴头的流量，并采用电导率仪（HANNA HI4522-02）监测水源pH 值、电导率以及滴灌带首尾滴头水温动态变化情况。将滴头从滴灌带首部至尾部编号1～10 号。每组处理灌水结束后统计堵塞滴头占总滴头数的百分比，并记录堵塞滴头编号。

1.4 评价指标与方法

平均相对流量Dra 及克里斯琴森均匀度系数CU可用于评价多个滴头整体堵塞程度以及滴灌系统滴头抗堵塞性能，计算式[21]为：

式中：qi0为第i 个滴头初始流量（同温度下的清水流量，L/h）；qit为第i 个滴头在t 小时（即第t 次灌水）的出流量（L/h）；n 为单条滴灌带总滴头数。

微灌工程技术规范[22]规定，当滴头流量降低25%时则认为滴头发生堵塞，同时规定设计灌水均匀度系数CU＞85%。各处理发生堵塞的滴头数占该处理滴头总数的比值称为堵塞率。

2 结果与分析

2.1 试验参数对滴头堵塞的影响程度

从表4 可以看出，温度、运行压力的P＜0.05，说明二者对滴头平均相对流量Dra 的影响达显著水平，是影响滴头堵塞发生的重要因素。而加肥质量浓度、三因素之间的交互作用均未达显著水平（P＞0.05），说明加肥质量浓度及三因素之间的交互作用对堵塞的影响并不明显。

表4 试验方差分析结果 Table 4 Test result analysis of variance

图2 不同温度下Dra、CU Fig.2 Effect of temperature on Dra、CU under different temperature

2.2 温度对滴头堵塞的影响

2.2.1 温度对滴头流量及均匀度的影响

温度对平均相对流量Dra、均匀度系数CU 的影响如图2 所示。从图2 可以发现，20 次灌水后，Dra、CU 均表现为40 ℃＞30 ℃＞20 ℃＞10 ℃。比较图2（a）、图2（c）可以发现，10 ℃处理在20 kPa 下第11～13 次灌水Dra 出现明显上升，在50 kPa 下第12～15 次灌水Dra 出现明显上升，说明10 ℃时堵塞-清洗现象明显；而温度升高至30 ℃和40 ℃时，Dra的变化相对较为平稳。CU 随灌水次数的变化过程（图2（b）、图2（d））也可以发现，CU 仅在10 ℃时存在回升，其余温度条件下堵塞-清洗现象并不明显。根据Dra、CU 的变化情况发现，10 ℃时Dra、CU降幅较大，11～13 次灌水Dra 回升明显；虽然其余温度下存在Dra 小幅回升现象，但回升幅度控制在5%以内，且CU 变化平稳未出现回升现象。总的来说，温度越低Dra、CU 降幅越大，升高温度可使Dra、CU 降幅减小并使其变化平稳。

不同运行压力下升高温度对Dra、CU 的提高程度不同。将20 次灌水后10 ℃和40 ℃下不同运行压力Dra、CU 变化情况列于表5。由表5 可以发现，相同灌水20 次条件下，温度由10 ℃升至40 ℃时，20 kPa Dra 增加50.64%，30 kPa 增加39.97%，40 kPa增加26.77%，50 kPa 增加15.24%。可以发现，升高温度对Dra 的提高程度随着压力的升高而减弱。CU也表现出与Dra相同的趋势。温度由10 ℃升至40 ℃，20 kPa CU 增加105.28%，30 kPa 增加79.98%，40 kPa增加54.32%，50 kPa 增加28.06%。由此得出，升高温度对Dra、CU 的提高程度随着压力的升高而减弱。

表5 10 ℃和40 ℃下不同运行压力Dra、CU 变化情况 Table 5 Changes of Dra and CU under different operating pressures at 10 ℃ and 40 ℃

综上可知，平均相对流量Dra、均匀度系数CU的降幅随温度降低而增大，升高温度可使Dra、CU平稳变化；但升高温度对Dra、CU 的影响程度随着压力的升高而减弱。

2.2.2 温度对堵塞率及堵塞滴头分布位置的影响

温度对堵塞率及堵塞滴头分布位置的影响如表6所示。

表6 不同温度下堵塞率及堵塞滴头分布位置 Table 6 Influence of temperature on clogging rate and distribution position of clogging emitter

由表6 可见，运行压力相同时，温度越低堵塞率越高。50 kPa 下40 ℃时堵塞率为13.33%，堵塞发生在第7、8、9 号滴头；30 ℃时堵塞率为16.67%，第6 号滴头发生堵塞；20 ℃时堵塞率为23.33%，堵塞发生于6～10 号滴头；当温度降低至10 ℃时，堵塞率较40 ℃增加23.34%，堵塞发展至4 号滴头。由此可知，温度降低堵塞率明显增高。温度降低时，肥料溶解度降低，水中固体颗粒浓度增大，滴头堵塞风险提高，在水头损失的共同作用下，堵塞随着温度的降低由滴灌带尾部向滴灌带中部乃至首部发展。

虽然升高温度可以明显降低堵塞率，但不同运行压力下温度升高相同幅度对堵塞率的降低程度不同。温度由10 ℃升至40 ℃时，20 kPa 堵塞率降低50%，30 kPa 降低40%，40 kPa 降低26.77%，50 kPa 降低23.33%。可以发现，升高温度对堵塞率的降低幅度随运行压力的升高而减弱。

综上可知，温度越高堵塞率越低；升高对堵塞率的降低幅度随着压力的升高而减弱；堵塞滴头一般分布于滴灌带尾部，随着温度的降低，滴灌带前端滴头逐渐发生堵塞。

2.3 运行压力对滴头堵塞的影响

2.3.1 运行压力对滴头流量及均匀度的影响

图3 为温度20 ℃时不同运行压力下Dra（图3（a））、CU（图3（b））随灌水次数的变化情况。由图3（a）可见，20 次灌水后，运行压力为20、30、40、50 kPa 时，Dra 分别降至40%、50.52%、62.32%、75%。可知压力越小，Dra 降幅越大。且仅在50 kPa时Dra 大于75%，其余压力均小于75%。由图3（b）可见，20 次灌水后，运行压力为20、30、40、50 kPa时，CU 分别降至-19.11%、6.67%、33.33%、58.64%。可知压力越小，CU 降幅越大。20 次灌水后CU 在各压力下均低于85%且在20 kPa 甚至降至负值，灌水均匀性最差。总的来看，灌水次数相同时，运行压力越小Dra、CU 降幅越大；50 kPa 具有最高的Dra、CU 且Dra、CU 变化相对平稳。

图3 20 ℃时不同运行压力下Dra、CU Fig.3 Effect of operating pressure on Dra and CU at 20 ℃

2.3.2 运行压力对堵塞率及堵塞滴头分布位置的影响

温度20 ℃时不同运行压力下堵塞率及堵塞滴头分布位置列于表7。

表7 20 ℃时不同运行压力下堵塞率及堵塞滴头分布位置 Table 7 Effect of operating pressure at 20 ℃ on clogging rate and clogging dripper distribution position

由表7 可知，运行压力越高堵塞率越低。50 kPa处理堵塞率最低，堵塞滴头分布于第6、7、8、9、10号；压力降低至20 kPa 时，堵塞率上升至60%，堵塞情况最为严重并由滴灌带后半段发展至第3 号滴头。由于水头损失的存在，滴灌带尾部流速相对首部较小，水流携带固体颗粒能力较弱，增加了固体颗粒堵塞流道的风险。运行压力的降低加上水头损失的存在使得堵塞由滴灌带尾部不断向前半段发展。总的来说，堵塞率与运行压力呈负相关；堵塞一般发生于滴灌带后半段，随运行压力的降低向滴灌带前半段发展。

2.4 加肥质量浓度对滴头堵塞的影响

2.4.1 加肥质量浓度对滴头流量及均匀度的影响

温度恒定为20 ℃下不同加肥质量浓度Dra 及CU 随灌水次数的变化如图4 所示。从图4（a）可以发现，加肥质量浓度越大，Dra 减小越大。20 次灌水后3 g/L、4 g/L 处理Dra 均维持在80%以上，且3 g/L在8～15 次灌水还存在有Dra 升高的现象，堵塞程度较轻；而5 g/L 则在第18 灌水后减小至75%以下，堵塞情况较为严重。由图4（b）可见，CU 减小幅度随加肥质量浓度增大而增大。虽然20 次灌水后各加肥质量浓度CU 均低于85%，但3 g/L 前18 次灌水CU均维持在85%以上，第20 次灌水CU 也能维持80%，灌水均匀性较好；4 g/L于第16次灌水CU 减小至85%以下并在20 次灌水后维持在75%左右；5 g/L 灌水均匀性最差，20 次灌水后CU 仅为60%且仅有7 次灌水CU 大于85%。总的来说，相同灌水20 次后，加肥质量浓度越大Dra、CU 减小越大。3 g/L 堵塞风险较低，Dra、CU 变化相对平稳且维持最高水平。

以20 次灌水后Dra 下降超过25%为标准，探究不同温度下加肥质量浓度阈值的变化情况。各温度下以3 g/L 加肥质量浓度为基础，观测20 次灌水后Dra变化情况。若20 次灌水后Dra 下降未超过25%，冲洗滴灌系统并更换新滴灌带，同时增加1 g/L 加肥浓度，直至20 次灌水后Dra 下降超过25%。若20 次灌水后Dra 下降超过25%则认为该加肥浓度为当前温度下的加肥质量浓度阈值。不同温度下加肥质量浓度阈值列于表8。

由表8 可见，温度越高，加肥质量浓度阈值越大，水中固体颗粒质量浓度也越高。随着温度由10 ℃升高至40 ℃，肥料溶解度由2.6 g/L 升至4.8 g/L，加肥质量浓度阈值由4 g/L 相应提高至8 g/L，固体颗粒质量浓度也由1.4 g/L 升至3.2 g/L，说明温度的升高能提高加肥质量浓度阈值及水流携带固体颗粒的能力。温度通过增大肥料溶解度，使得加肥质量浓度阈值得到提高。温度升高，肥料溶解度增大，同一加肥质量浓度下固体颗粒质量浓度减小，固体颗粒相互碰撞形成团聚体堵塞流道的风险降低；同时由于温度升高，流体内能增加，水流携带固体颗粒能力提高，滴头抗堵塞性能增强，加肥质量浓度阈值得以增大。

图4 20 ℃时不同加肥质量浓度下Dra、CU Fig.4 Effect of fertilizer concentration on Dra and CU at 20 ℃

表8 不同温度下加肥质量浓度阈值 Table8 Thresholds of fertilizer concentration at different temperatures

表9 20 ℃时堵塞率及堵塞滴头分布位置 Table 9 Effect of fertilizer concentration at 20 ℃ on clogging rate and distribution position of clogging emitters

2.4.2 加肥质量浓度对堵塞率及堵塞滴头分布位置的影响

表9 为20 ℃时加肥浓度对堵塞率及堵塞滴头分布位置的影响情况。加肥质量浓度越高堵塞率越高。3 g/L 处理堵塞率仅为6.67%，仅有第8、第9 号滴头发生堵塞；随着加肥质量浓度增加至5 g/L，堵塞率升至23.33%，第6～第10 号滴头发生堵塞。加肥质量浓度增加时，固体颗粒碰撞形成团聚体堵塞流道的风险增加，加上水头损失的存在使得堵塞由滴灌带尾部不断向前半段发展。综上所述，堵塞率与加肥质量浓度呈正相关；第8、第9 号滴头最易发生堵塞，随加肥质量浓度的增加而向滴灌带中部发展。

3 讨 论

温度对滴头堵塞的影响较为复杂。温度升高黏滞系数增大[23]，降低了水流挟带固体颗粒的能力。但同时温度的升高增加了水和固体颗粒的动能，减小颗粒间的剪切力，一定程度上破坏团聚体，增加水流挟带固体颗粒的能力[24]。本试验研究发现，低压滴灌施肥条件下滴头堵塞程度对温度变化较为敏感。温度变化引起肥料溶解度发生较大变化，使得水源中固体颗粒质量浓度改变，进而影响滴头堵塞程度。温度升高，肥料溶解度增大，加肥质量浓度阈值提高，水流携带固体颗粒能力的增强，滴头抗堵塞性能提高；温度降低，肥料溶解度减小，固体颗粒质量浓度增加，滴头堵塞风险增大。但温度对滴头堵塞的影响随着压力的升高逐渐减弱。当压力为20 kPa 时，升高温度对滴头堵塞风险的降低较为明显，随着压力提升至50 kPa时，升高温度对降低滴头堵塞风险的效果减弱，说明压力的提高使得温度的影响逐渐减弱。当压力升至100 kPa 甚至200 kPa 时，温度的改变对滴头流量的影响甚微[21]。

温度一定时提高运行压力能显著降低滴头堵塞风险，而加肥质量浓度的增高则使得滴头发生堵塞的风险增大。在低压（<50 kPa）运行条件下，运行压力的变化主要影响流态的转捩以及流道摩阻系数f 的变化，转捩的压力阈值在40～45 kPa 之间[25]。当工作压力P≤40 kPa 时，f 随P 的增加而减少，该情况下流态为层流；当工作压力P≥45 kPa 时，摩阻系数f 随工作压力的增加趋于稳定，流动变为紊流，紊流和水流剪切力的存在会使形成的固体颗粒团聚体分散破碎，不利于形成更大的团聚体，固体颗粒易随水流出，故50 kPa 处理堵塞程度较轻。本试验所用复合肥为硫酸钾型复合肥，pH 值在7.33～8.10 之间，属于中高堵塞范围，易加速水中钙、镁离子形成沉淀。加肥质量浓度增大时，水中K+和SO42-离子数量在增大，流体黏性增大，细小的固体颗粒也在增多，颗粒间连接力增强[26]，易形成大的颗粒团聚体以及硫酸盐等沉淀，加速流道内堵塞物质的形成[23]；当阳离子增加到一定值时，双电层受静电引力压缩而变薄，悬浮物絮凝强度及沉降强度显著增大[24]。同时加肥质量浓度的增大导致不溶固体颗粒质量浓度增加，使得固体颗粒相互碰撞几率增加，易形成大颗粒团聚体堵塞流道[27]，故加肥质量浓度为3 g/L 时滴头堵塞程度较轻。 本试验研究发现，堵塞情况最容易发生在滴灌带尾部。水头损失的存在使得滴灌带末端流速较低，水流的脉动强度较小，固体颗粒不易随水流经迷宫流道流出，造成滴头堵塞。外界条件改变，例如温度降低、运行压力的减小及加肥质量浓度的增加，与水头损失共同作用下，堵塞由滴灌带尾部发展至中部乃至首部。 本试验采用温控设备控制温度，但由于环境因素滴灌带首尾存在一定的温差，虽采取一定措施使温差控制在4 ℃以内，仍影响温度梯度的进一步细化设置，试验装置和管网布置方式有待改进。试验所用复合肥在20～30 ℃溶解度有较大提升，针对这一温度范围，温度的精确控制以及温度梯度的进一步细化设置有待改善。试验所用复合肥溶解度随温度变化影响较大，故针对不同肥料的物理、化学和生物特性探究温度对滴头堵塞的影响有待进一步的深入研究。

4 结 论

1）升高温度、提高运行压力、降低加肥质量浓度能有效提高平均相对流量和均匀度系数，降低堵塞率。此外，升高温度还能提高加肥质量浓度阈值及水流携带固体颗粒的能力；但升高温度对滴头堵塞风险的降低程度随运行压力的升高而减弱。

2）滴灌带尾部的第8、9、10 号滴头最易发生堵塞，随温度的降低、运行压力的减小、加肥质量浓度的增加而逐渐影响滴灌带中部乃至首部。

3）不同温度下加肥质量浓度阈值不同，10、20、30、40 ℃下分别为4、5、7、8 g/L。