不同类型灌水器滴头对沼液抗堵塞性能的影响

郑杰， 陈红， 孟令剑， 李善军， 马露畅

（华中农业大学工学院，农业农村部柑橘全程机械化科研基地，农业农村部长江中下游农业装备重点试验室，武汉 430070）

沼液是沼气池内各种农作物秸秆及其他有机废弃物经密封厌氧发酵后的残留液体，沼液中富含丰富的氮、磷、钾、微量元素和吲哚酸、腐殖酸等生物活性物质[1]。合理利用沼液可以显著提高种子发芽率、增加作物产量、减少环境污染，目前已有大量学者利用沼液代替化学肥料进行施肥并取得了较好的效果[2]。合理的灌溉方式是保证沼液高效施肥的前提，滴灌作为我国大力发展的水肥一体化技术，具有节水省工、减肥增产的特点，相比喷灌和沟灌，滴灌施肥受环境影响小，肥料的利用效率高[3-4]，目前已得到广泛的应用。但应用滴灌施肥时，由于滴头流道结构小，长期使用易发生堵塞，导致灌水均匀度下降，影响施肥质量，甚至影响整个滴灌系统的正常使用[5]，且滴头类型不同，流道结构也有所差异，导致滴头抗堵塞能力也不同。

按照流道结构不同，目前常见的滴头类型可以分为片式、圆柱式和压力补偿式，不同类型的滴头抗堵塞性能差异较大。温圣林等[6]发现滴头结构系数相同时圆柱滴头抗堵塞性更好；李久生等[7]发现，在进行再生水和地下水滴灌时，片式补偿滴头抗堵塞性能优于补偿管上式滴头；Zhou 等[8]发现，利用地下水滴灌时圆柱滴头抗堵塞性优于片式滴头；刘海军等[9]发现，在进行再生水滴灌堵塞试验时，压力补偿孔口式抗堵塞性优于单翼迷宫式。综上所述，滴头的抗堵塞性除了和自身结构有关，还与灌溉水质有联系。沼液作为厌氧微生物发酵的产物，微生物含量较高，发生生物堵塞的可能性较大[10]，其次沼液中含有大量Ca、Cu 和Mg等金属元素[11]，长期施用可与水中的等离子反应生成化学沉淀，使滴头发生化学堵塞，同时沼液中还含有大量的固体悬浮物和菌丝等物质[12]，过滤不彻底时容易沉积在滴头流道使滴头发生物理堵塞。合理选取滴头可以有效防止堵塞、延长系统使用寿命、降低系统维护成本。

滴头按照安装方式的不同还可以分为管上打孔式和内镶滴灌带式，相比管上打孔，滴灌带安装方便、即铺即用、成本较低。因而，本文选择片式和圆柱2 种典型的内镶式滴灌带进行沼液滴灌堵塞试验，通过分析滴头堵塞动态变化，对比不同类型滴灌带滴头的抗堵塞能力的差异，探究滴头堵塞机理，为沼液用滴灌带的选型和抗堵塞措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验用水取自华中农业大学柑橘产业果园自来水，沼液取自湖北省鄂州市华容区段店镇老七生态养殖农庄，成分和主要金属元素的基本参数如表1 所示。选用2 种片式滴头、2 种圆柱滴头、1 种片式补偿滴头5 种滴头，相关参数如表2所示。

表2 滴头结构基本参数Table2 Basic parameters of irrigation emitter

试验装置由沼液桶、离心泵、120 目叠片式过滤器、压力表和滴头等组成，如图1 所示。其中沼液桶为容积为4 000 L 的圆柱形PE 塑料桶；离心泵（25WBZ3-8）为浙江建亚泵业有限公司生产，功率为250 W，额定流量3 m3·h-1，最大扬程10 m；压力表为0～1.6 MPa真空液体压力表；减压阀采用可调压力的活塞式减压阀；过滤器为120目叠片式过滤器，额定流量5 m3·h-1，额定水压8 kg·cm-2，由广州顺绿喷灌设备有限公司生产；2 L·h-1片式滴头、3 L·h-1片式滴头、2 L·h-1圆柱滴头、3 L·h-1圆柱滴头和片式补偿滴头分别购自南宁合兴利电气设备有限公司、广州顺绿喷灌设备有限公司、山东华维节水灌溉有限公司、山东田源节水灌溉科技有限公司以及美国托罗公司。

图1 试验装置Fig.1 Test device

1.2 试验设计

研究表明，滴头在灌水压力不超100 kPa时抗堵塞性能变化较小[13-14]。结合滴头设计厂商推荐压力数值，在100 kPa灌水压力内对滴头进行预试验。设定毛管初始灌水压力为10 kPa，依次增加10 kPa，直到压力达到100 kPa 结束，测试毛管首尾单个滴头流量。结果表明，当灌水压力为80 kPa时，首尾滴头流量差值最小，灌水过程中流量波动最平稳，因而堵塞试验的灌水压力80 kPa。为了防止试验产生随机误差，灌水试验设置2 根滴灌带作为重复，每根滴灌带长10 m，滴头间隔0.3 m，则单根滴灌带包括30个滴头。堵塞试验灌溉频率为每天2 次，每次3 h，试验开始前通过调节旁通阀稳定滴灌压力，灌溉结束后通入自来水进行清洗，滴头流量测定采用称重法，沼液配比表示沼液与水的体积比，设置为1∶1和1∶3[15]。

1.3 评价指标

1.3.1 灌水性能评价 灌水性能用平均相对流量性能和灌水均匀度2个指标评价，计算公式如下。

式中，qr为平均相对流量，%；qi为第i个滴头沼液流量，L·h-1；q0为滴头额定流量，L·h-1；n为测试的滴头数，个；Cu为克里斯琴森均匀系数，表征灌水均匀度，%；为各滴头平均流量，L·h-1。

1.3.2 抗堵塞性能评估 滴头流道结构的尺寸参数和抗堵塞性有关，本文利用圆柱和片式滴头抗堵塞能力快速评估办法[16]，计算5 种滴头的抗堵塞性能评估指数。

式中，Ia-CE为圆柱式滴头抗堵塞性能指数；Ia-FE为片式滴头抗堵塞性能指数；Q为滴头额定流量，L·h-1；L为滴头的长度，mm；W为滴头的宽度，mm；D为滴头的深度，mm。

1.4 堵塞物质测定

堵塞物质利用德国D8 ADVNCE X 射线衍射仪和美国Nicolet 5DXC 傅里叶红外光谱仪进行测定。将完成堵塞试验后的滴头拆卸下来，利用自来水将滴头流道口和流道内部的堵塞物质冲洗至烧杯，放入100 ℃烘箱烘干，48 h 以后收集待测样品。将干燥样品分为2 份：一份直接放入X 射线衍射仪进行分析；从另一份样品粉末中取出2 mg加入200 mg 溴化钾粉末混合均匀，在压膜机中抽真空加压制成溴化钾薄片，然后再放入傅里叶红外光谱仪进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型滴头相对流量和灌水均匀度变化

图2 所示为不同沼液配比条件下5 种滴头平均相对流量和灌水均匀度随灌水次数的变化趋势。由图2 可知，2 种沼液配比滴灌时，E5 平均相对流量和灌水均匀度下降速度最快，E1和E3下降稍慢，E2和E4下降速度最慢。在沼液配比1∶1条件下，在20次灌水前，5种滴头平均相对流量和灌水均匀度波动变化，在20 次灌水以后，E1、E3 和E5 下降速度加快，灌水结束时，它们的平均相对流量和灌水均匀度分别为46%、35%、31%和53%、50%、38%，E2 和E4 在灌水期间流量和灌水均匀度呈波动变化，灌水结束时其平均相对流量和灌水均匀度分别为68%、65%和73%、70%；在沼液配比1∶3条件下，5种滴头的相对流量和灌水均匀度呈波动变化，灌水结束时，E2 的平均相对流量和灌水均匀度最高，分别为83%和85%，E5 的平均相对流量和灌水均匀度最低，仅为51%和61%。

图2 不同沼液配比条件下滴头相对流量和灌水均匀度变化曲线Fig.2 Variation curves of relative flow rate and irrigation uniformity of irrigation emitter under different methane ratio conditions

综合分析表明，2 种沼液配比条件下不同滴头平均相对流量和灌水均匀度有差异，说明不同类型滴头抗堵塞能力不同。结合滴头平均相对流量和灌水均匀度下降趋势可以发现，E5 抗堵塞性最差，其次为 E1 和 E3，E2 和 E4 较好，说明滴头的抗堵塞性与额定流量及滴头类型有关，抗堵塞性最好的为额定流量最大的片式滴头，片式补偿滴头抗堵塞能力最差；同类型滴头，额定流量越大抗堵塞能力强。

2.2 不同类型滴头相对流量和灌水均匀度的动态变化

将5 种滴头的平均相对流量和灌水均匀度进行对比分析，如图3 所示，不同类型滴头均表现为线性关系，拟合度良好。

表3 为各滴头灌水均匀度和平均相对流量的拟合直线关系式，所有拟合曲线的R2均大于0.9，说明滴头平均相对流量和灌水均匀度具有明显的线性关系，灌水均匀度随着平均相对流量的下降而逐渐降低，与图3 表现一致。斜率表示灌水均匀度和平均相对流量的相对下降速度。沼液配比为1∶3 时，沼液配比增大时，斜率没有明显的变化，说明沼液配比不影响堵塞发生进程；2 种沼液配比条件下5种滴头的斜率均小于1，说明灌水均匀度下降速度小于平均相对流量下降速度，表明沼液滴灌滴头堵塞进程比较均衡，没有出现大颗粒物质突然堵塞滴头流道的情况，滴头堵塞应是沼液中微小颗粒物质缓慢累积所致。

表3 平均相对流量和灌水均匀度拟合关系Table3 Fitting relation of average relative discharge and irrigation uniformity

图3 不同沼液配比条件下滴头平均相对流量和灌水均匀度的拟合关系Fig.3 Fitting relationship between relative flow rate and irrigation uniformity of irrigation emitter under different methane ratio conditions

2.3 不同类型滴头堵塞数量统计分析

试验结束后，统计不同滴头的堵塞个数占各分段滴头总数的百分比（相对流量小于75%时视为发生堵塞）（图4）。当沼液配比为1∶3 时，E1、E3 和 E5 堵塞数量较多，E2 和 E3 堵塞数量较少，堵塞滴头主要集中在中后段；当沼液配比为1∶1时，5种滴头上滴头堵塞数量增加，E1、E3和E5中后段完全堵塞，滴头前段大部分发生堵塞，E2 和E4 前、中、后段均有大量滴头发生堵塞，堵塞滴头数量呈现后段＞中段＞前段的趋势，说明增大沼液配比会加大滴头堵塞的几率；当滴头长度一定时，堵塞优先发生在滴头后段并逐渐向前段发展，这与前人的研究结果一致[17-20]。

图4 不同沼液配比条件下滴头堵塞数量Fig.4 Number of irrigation emitter head blockage under different methane ratio conditions

周博[16]通过量纲分析建立的滴头抗堵塞评价指数Ia能够较为有效地进行滴头抗堵塞性快速评价，将片式滴头和圆柱滴头的流道参数代入公式（3）和（4），得到E1、E2、E3 和E4 的Ia分别为3.31、2.47、0.68 和1.15，由于Ia计算仅仅针对非压力补偿式滴头，而E5是压力补偿滴头，故不纳入统计。整体来看，本研究选用的片式滴头的抗堵塞性指数大于圆柱式的抗堵塞性指数，说明片式滴头整体抗堵塞能力强于圆柱滴头，这与试验结果一致。在相同流量条件下，2 L片式滴头堵塞发生在灌水30次左右，而2 L·h-1圆柱滴头堵塞发生在35次左右，灌水结束时，片式滴头堵塞数量更少，说明片式滴头更适用于沼液施肥。

2.4 沼液滴灌堵塞物质成分分析

2.4.1 堵塞物质的X 射线衍射分析 图5 分析结果表明，堵塞物质成分主要含量为二氧化硅（SiO2），参考 Kumar 等[21]的研究，判断沼液滴灌滴头堵塞物质的产生主要来源为沼液中的无机固体颗粒悬浮物。堵塞物质中钙镁化合物沉淀含量较少，说明未发生明显的化学堵塞[22]。

图5 堵塞物质X射线衍射分析Fig.5 XRD analysis of the plugged material

2.4.2 堵塞物质的傅里叶红外光谱分析 从图6 可以看出，3 065.13 cm-1处的吸收峰代表的是芳烃=C-H 伸缩和反对称伸缩振动产生的特征吸收峰，说明堵塞物质含有铵盐[23-24]；1 646.68 cm-1处吸收峰则是脂肪族C=N 基团的伸缩振动峰，表明堵塞物质中含有蛋白质[25]。462.96 cm-1代表的是的PO4的对称变动峰，说明堵塞物质中还含有磷酸盐物质[25]。综上所述，堵塞物质中含有蛋白质等有机组分和铵盐磷酸盐等无机化合物，表明滴头中可能发生了生物堵塞。

图6 堵塞物质傅里叶红外光谱分析Fig.6 Analysis of Fourier infrared spectroscopy of clogged material

3 讨论

灌溉水源多样化是滴头发生堵塞的重要原因，不同的水质会导致滴头产生不同的堵塞[26-33]。滴头堵塞会造成滴灌系统的均匀度下降，导致施肥不均，从而影响作物产量。

沼液在常温条件下性质稳定、电导率较大，呈弱碱性，属于灌溉水中的劣质水源，易引起滴头的中等堵塞[34]。本研究中沼液在常温条件下稳定2 875 μs·cm-1左右，说明沼液中含有大量的电解质，当利用沼液进行滴灌时，沼液中的带电阳离子会增强沼液中的悬浮物絮凝强度及沉降度，浓度越高，增强效果越明显，这与本研究数据相一致，沼液配比越大，滴头堵塞发生的时间越短，堵塞程度更大。沼液中含有革兰氏阳性菌是造成再生水滴灌滴头堵塞的优势菌种[35]，而沼液滴头堵塞与此类菌种的相关性还需进一步分析。在灌水20 次之前，滴头相对流量呈波动变化，说明初始的堵塞物质与壁面的黏附力较差，抗水流剪切力的能力低，不易凝聚。随着滴灌的继续进行，滴头内部在长期的干湿交替变化过程中，部分微生物会在流道壁面逐渐生长繁殖并分泌多糖和胞外聚合物，多糖物质具有吸附作用，多糖含量越高，沉积物抗冲刷能力越强[36]，抗剪切力的能力就越大，在灌水中后期阶段，滴头堵塞的程度加快。沼液中含有大量的Ga 离子和Mg 离子，在碱性环境中易形成碳酸钙和碳酸镁沉淀，而本研究堵塞物质中未发现明显的化学类沉淀，说明沼液滴灌施肥不易发生化学类堵塞。综上所述，沼液中滴头堵塞以物理堵塞和生物堵塞结合为主，说明单级120 目过滤器过滤效果有限，建议增加多级过滤以及定时清洗过滤器从而降低滴头发生物理堵塞的可能性。

5 种滴头灌水均匀度和相对流量均表现出较好的线性关系。温圣林等[6]认为，滴头的抗堵塞性和滴头结构系数有关，结构系数相同时，浑水滴灌圆柱滴头抗堵塞性优于片式滴头；还有部分学者认为滴头抗堵塞性与滴头的流道尺寸有关[28,36]。通过量纲分析建立的滴头抗堵塞评价指数Ia能够较为有效地进行滴头抗堵塞性快速评价，从结果分析，本次试验选用的片式滴头整体抗堵塞能力强于圆柱滴头，试验结束时，片式滴头的堵塞程度更轻。研究中还发现，滴头堵塞的规律也与其额定流量呈一定的相关性，额定流量越大的灌水器，其堵塞的程度更小。同时沼液水肥配比也会影响灌水器的堵塞，水肥配比越大，其悬浮颗粒物质越多，滴头堵塞程度越深，这与李康勇等[33]的研究一致，其认为施肥会明显加快滴头堵塞，施肥浓度越大，加速效果越明显。综上所述，本研究认为，在滴灌时采用沼液配比1∶3，滴头选用3 L·h-1的片式滴头可以保证沼液滴灌系统的有效运行。