滴灌系统灌水器堵塞及防堵措施研究进展

张奥齐，张国海，郭洪恩，褚幼晖，韩兴昌，3，何青海

(1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博255000；2.山东省农业机械科学研究院，山东 济南250100；3.山东大学机械工程学院，山东 济南250100)

0 引言

节水灌溉技术既能节约水资源，又能提高水资源的利用率，实现高效率、高效益农业灌溉，在世界各地得到广泛应用[1-3]。滴灌技术是目前应用最为广泛的高效节水灌溉技术之一，其有针对性地结合作物自身的用水量，通过低压管道系统和灌水器，把水定时、定量、均匀地滴入作物的主要根系土壤中，以促进作物生长、提高作物产量和节约灌水量的一种灌溉技术[4-5]。作为滴灌系统的核心部件，灌水器通过复杂狭小的流道结构将有压水流消能后，均匀稳定地滴入土壤[6]。也正是因为消能的需要，灌水器流道通常比较狭小，一般只有0.5～1.2 mm，滴灌水源中的固体颗粒物等杂质都极易导致灌水器的堵塞，轻则影响灌水均匀度和滴灌系统使用寿命，重则直接导致滴灌系统报废，解决灌水器堵塞已成为推动滴灌技术应用发展的关键问题[7-9]。本文针对滴灌系统灌水器堵塞原因和防堵措施展开论述，旨在预防、解决灌水器堵塞问题。

1 灌水器堵塞原因

根据国际标准化组织评价标准，灌水器的实际流量低于额定流量的75%时即认为灌水器发生堵塞。灌水器堵塞的原因主要有滴灌水源、灌水器结构、滴灌系统运行方式等。

1.1水源因素

滴灌水源是导致灌水器堵塞最主要、最直接的原因[10-11]。目前我国水资源紧缺，水环境污染比较严重，滴灌水源不仅是地下水及江河、湖泊等地面水，再生水、高含沙水、地表微污染水和微咸水等劣质水也常作为滴灌水源，这些水源中的固体颗粒物、化学离子、微生物等杂质会出现物理、化学、生物等一系列反应，造成灌水器发生物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞和复合堵塞[12-13]。不同滴灌水源灌水器堵塞类型如表1所示。

表1 不同滴灌水源灌水器堵塞类型

1.1.1物理堵塞

物理堵塞主要是由水源中有机或无机悬浮物、固体颗粒物引起的堵塞。刘璐[14]以内镶片式斜齿形迷宫流道灌水器为研究对象，通过对8种粒径<0.1 mm的泥沙颗粒进行浑水堵塞测试，发现含沙量是引起灌水器物理堵塞的主要原因。吴泽广[15]用粒径<0.1 mm的泥沙进行堵塞试验，结果表明泥沙颗粒粒径不同，灌水器堵塞机理不同，当0.038 mm≤D<0.100 mm时，造成灌水器堵塞的原因是泥沙沉降、堆积；当D<0.038 mm时，泥沙易凝结成团聚体，造成灌水器堵塞。通过黄河水滴灌室内模拟试验，杜慧慧等[16]发现泥沙是造成滴灌带堵塞的主要因素之一，水源中含沙量越大，灌水均匀度越小，滴灌器堵塞速度越快。

1.1.2化学堵塞

化学堵塞是指水源中可溶性化学物质在一定条件下发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物质，导致灌水器堵塞。刘燕芳等[17]选取了不同硬度水源和不同类型灌水器进行滴灌堵塞试验，发现滴灌水质越硬，灌水器堵塞程度越严重，发生化学堵塞的主要原因是CaCO3等白色沉淀。ZHANGZHONG Lili等[18]选取5种常见的灌水器进行了咸水滴灌堵塞试验，发现水源中的阳离子和阴离子反应形成的不溶性钙镁碳酸盐类物质导致灌水器发生化学堵塞。郝锋珍等[19]选用2种水源探究化学离子对灌水器造成堵塞的影响，发现在地下水中加入Fe2+、Ca2+，再生水加入Ca2+，增大了灌水器发生化学堵塞的风险。

1.1.3生物堵塞

生物堵塞是指水源中的藻类、细菌、微生物等生物质进入灌水器流道后不断生长繁殖，在其内壁面附着生长，形成生物膜导致堵塞。闫大壮等[20]采用6种灌水器进行了再生水滴灌堵塞试验，结果表明灌水器堵塞过程的发生是以微生物富集开始的，其在流道内不断沉积引起灌水器堵塞。李云开等[21]研究发现再生水中的微生物在滴灌系统的毛管内部形成生物膜，堵塞物质不断聚集，造成灌水器堵塞。ZHOU Bo等[22]采用8种灌水器进行了高沙地表水滴灌堵塞试验，发现水源中的微生物含量与灌水器堵塞程度呈显著正相关关系。

1.1.4复合堵塞

随着滴灌水源的多样性，水源中含有引起灌水器堵塞的多种物质，从而造成灌水器堵塞并非单一的类型。NAKAYAMA F S等[23]指出灌水器堵塞的发生过程受到物理、化学和生物3种因素及其交互作用的影响，控制好任何一个因素可以在一定程度上减轻其他因素导致的堵塞问题。张钟莉莉[24]发现利用微咸水进行滴灌时，除钙镁碳酸盐类沉淀诱发灌水器发生化学堵塞外，还存在石英、硅酸盐等杂质引起物理堵塞。张晓晶等[25]发现引黄滴灌系统灌水器堵塞由黄河水泥沙颗粒物和微生物共同决定，说明高含沙水源灌水器堵塞不是单一的物理堵塞，同时也存在生物堵塞。

1.2灌水器流道结构参数

灌水器流道结构参数包括流道形式和流道尺寸，结构参数决定灌水器流道流场分布，从而影响水源中杂质随水流排出流道的能力，进而影响灌水器的抗堵塞性能。

1.流道单元 2.夹角 3.齿间距 4.流道宽 5.齿高 6.流道长图1 灌水器流道结构Fig.1 Structure of emitter channel

1.2.1流道形式

目前灌水器的流道形式基本上是矩形、齿形、梯形、三角形和弧形等。武鹏等[26]选用4种规格的灌水器进行了短周期抗堵塞试验，发现灌水器的直线段越长，其抗堵塞性能越差，弧形灌水器的抗堵塞性能优于弧齿型。杨彬等[27]借助计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟不同流道形式的灌水器，结果发现圆角梯形和三角形结构灌水器的携砂出流能力较好，抗堵塞性能相对较优，提出增大流道内低速区域湍流动能，可以提高灌水器的抗堵塞性能。

1.2.2流道尺寸

灌水器流道尺寸包括夹角、齿高、齿间距、流道宽度、齿间参差量、上底宽和单元数等。王建东等[28]探讨了低压条件下灌水器流道结构对其水力性能的影响，研究表明流道深度、齿间距与齿角度对低压下灌水器的流量存在显著影响，影响灌水器流量的大小顺序为流道深度>齿间距>齿角度>齿高。喻黎明等[29]发现沙粒群通过率能有效描述灌水器迷宫流道结构的抗堵塞性能，影响灌水器堵塞程度从高到低依次为夹角>流道宽度>齿间参差量>上底宽>齿高。

1.3滴灌系统运行方式

滴灌系统的运行方式指不同次序灌水、施肥组成的运行方案，包括系统的冲洗周期、工作压力、冲洗速度等[30]。选择合适的运行方式，可以在一定程度上降低灌水器堵塞的概率。

1.3.1冲洗周期

滴灌系统合适的冲洗周期能有效降低杂质留存流道的机率，从而延长使用寿命，目前专家学者对于最佳冲洗周期还没有定论。LI Yunkai等[31]研究了再生水在3种冲洗频率下灌水器堵塞和生物膜形成过程，发现冲洗可以有效冲刷管道内的生物膜结构，并且冲洗周期两周一次最好。FENG Di等[32]研究了含盐地下水5种冲洗频率下的冲刷效果，发现利用含盐地下水进行滴灌时，改变冲洗频率不能防止灌水器堵塞。张文倩等[33]研究了冲洗周期对灌水器堵塞的影响，结果表明冲洗周期对灌水器抗堵塞性能的提高有极显著作用，提出适宜的冲洗周期为5 d。

1.3.2工作压力

滴灌系统工作压力直接影响流道内部水流的流速和流态，从而影响水源中杂质的运动[34]。ZHANG Lin等[35]研究了脉动与恒压条件下对灌水器堵塞的影响，结果表明灌水器在脉动压力下的抗堵塞性能优于恒定压力，在滴灌中使用脉动压力可防止灌水器堵塞。YU Liming等[36]研究了不同压力对水流冲刷沉积物的影响，发现增大冲刷压力，可以延长正常流量下的灌溉时间。LIU Zeyuan等[37]选用了5个工作压力进行了高含沙灌水器堵塞试验，发现滴灌系统工作压力保持在6 kPa以上，灌水器可以保持较好的抗堵塞性能。由此可见，对于滴灌系统的最佳工作压力，专家学者还没有统一的结论。

2 灌水器防堵塞措施

针对上述导致灌水器堵塞的原因，国内外学者根据不同堵塞的特点，提出不同的措施来预防、解决堵塞。

2.1水源预处理

水源水质越好，灌水器堵塞风险越小。当滴灌水源污染程度较低时，仅仅是含有水藻等物质，可以采用化学处理方法，在水源中加入化学物质，使其进行化学、生物反应以达到疏通和净化灌水器目的[38-39]。除此之外，可利用磁化技术清除水源中的微生物，并使滴灌系统中的CaCO3和MgCO3沉积物分解生成较松软的Ca(CO3)2和Mg(HCO3)2等，可以有效地防止灌水器化学堵塞[24，40]。

2.2配置过滤设备

配置合适的过滤设备可以有效清除水源中部分杂质，降低灌水器堵塞风险。目前滴灌系统中常用的过滤器(图2)包括一级过滤装置砂石过滤器、离心过滤器，二级过滤装置网式过滤器、叠片过滤器。滴灌水源较好时，可选用单级过滤器；对条件较差的地上水源，选用砂石过滤器与叠片过滤器；对条件较差的地下水源，选用离心过滤器与叠片过滤器[41-42]。目前具有自清洗功能的过滤装置大范围使用。

图2 滴灌系统过滤器类型Fig.2 Filter type of drip irrigation system

2.3提高灌水器抗堵塞性能

改进灌水器流道结构以提高灌水器抗堵塞性能是防止灌水器堵塞的根本。目前提高灌水器自身抗堵塞性能的研究方向主要有两个。一是优化灌水器流道，消除杂质容易沉积的流动滞止区，让水流主体充盈灌水器整个流道，微小杂质被水流主体承载着流出，以提高灌水器的抗堵能力[43-44]。二是对灌水器的制造材料进行改性，通过添加抗菌类材料降低微生物的活性，抑制堵塞物质的形成和生长，从而减小灌水器堵塞风险，该技术在将来有很大的研究前景[7，45]。

2.4清除堵塞物质

利用某些技术清除灌水器中的堵塞物质，以防止灌水器堵塞，目前常用的技术手段主要有微生物拮抗、电化学清除等方法。微生物拮抗是指在水源中加入一定数量的微生物，通过其产生某种代谢产物或改变环境条件抑制其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其他微生物[21，46]。电化学方法则是通过某些特有输电装置，对水源进行电化学处理，使灌溉水中产生活性氯、活性自由基等物质，从而氧化和降解水源中的大分子有机污染物，达到清除堵塞物质的目的[47-48]。目前这些技术手段还不成熟，没有大范围推广使用。

2.5定期管理维护滴灌系统

根据地形、水源、作物种类合理布设干、支、毛各级管道，灌水器出水口尽量靠近作物根部；系统运行过程中定时检查水表、定时冲洗管道，做到早发现早处理，冲洗的频率要根据水源水质及标准进行选择[49-50]。

随着灌溉水源越来越复杂，灌水器堵塞的因素越来越多，对防堵措施的要求也越来越高，目前在滴灌中采取单一措施已不能很好地解决灌水器堵塞问题，应在多个方面采取多种方式提高灌水器抗堵塞性能，从而延长滴灌系统的使用寿命。

3 问题及建议

3.1问题

在目前的滴灌系统应用中，灌水器堵塞一般以复合堵塞为主，但大量研究多侧重单一因素，造成试验结果与实际应用存在一定的区别，导致所提出的方法不能完全解决灌水器堵塞问题。

专家学者在滴灌系统灌水器堵塞研究中，大多数通过短期灌水试验，或者采用CFD数值模拟、PIV流场试验，没有深入分析灌水器实际堵塞机理。

目前，我国农业生产还没有大规模实现智能化，农业从业者的文化程度也普遍偏低，滴灌系统在后期管理维护中大多依靠经验，较少采用科学标准。

3.2建议

针对不同的灌水器堵塞原因，在明确单一的堵塞机理之后，应对实际中的复合堵塞展开进一步探究，以提高滴灌系统的使用寿命。

研究过程应尽量贴合实际，在实地应用中针对不同因素完善、规范不同组合灌溉设备的应对措施，包括水源预处理、过滤器配置、灌水器选择等方面，从而提高灌水器抗堵塞性能。

4 结束语

学者们对灌水器堵塞问题做了大量的理论分析和试验研究，发现引起堵塞的原因十分复杂，在实际应用中多种因素交互影响灌水器抗堵塞性能，因此，应从水源预处理、过滤设备配置、灌水器结构改进、滴灌系统运行方式选择等方面形成并完善规范科学的应用标准，针对不同灌溉水源选用针对性的防治措施。更需要专家学者在各方面不断研究，利用新技术预防、解决灌水器堵塞问题，从而推动滴灌技术的应用与发展。