微灌系統(tǒng)堵塞原因和抗堵方法探討

楊振杰 張新星 彭云 胡紅超 油瑞菊 余楊

摘要：微灌是節(jié)水灌溉技術(shù)中效率最高的一種，但微灌系統(tǒng)的灌水器極易堵塞，嚴(yán)重影響該系統(tǒng)的正常工作。主要從灌溉水源、灌溉方式、灌水器構(gòu)造3方面分析微灌系統(tǒng)堵塞的原因，并從灌水器構(gòu)造、灌溉水化學(xué)處理、灌溉系統(tǒng)管理3方面探討抗堵方法，以期解決微灌系統(tǒng)的堵塞問題，提高微灌系統(tǒng)的灌水效率。

關(guān)鍵詞：微灌；堵塞原因；抗堵方法

中圖分類號： S274.2 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0440-04

微灌是一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，它是將管道中的水和養(yǎng)料以小流量均勻、精確地通過滴頭和孔口等灌水器滴入或滲入到作物根部附近的土壤或土層的一種灌溉技術(shù)[1]。微灌主要包括滴灌和滲灌，與漫灌和噴灌相比，微灌具有節(jié)水效率高、水肥耦合性好等優(yōu)點[1-3]，不足之處在于微灌系統(tǒng)常堵塞，已嚴(yán)重影響到整個系統(tǒng)的正常運行。許多專家和學(xué)者對微灌系統(tǒng)的堵塞原因、抗堵方法進行了深入研究。

1 微灌系統(tǒng)堵塞原因

微灌系統(tǒng)堵塞主要包括物理堵塞、化學(xué)堵塞、生物堵塞。物理堵塞由水中有機或無機懸浮物引起，有機懸浮物包括藻類物質(zhì)、浮游植物、浮游動物殘體、塑料顆粒、蝸牛等，無機懸浮物包括泥沙、黏粒等?；瘜W(xué)堵塞由水中溶解的化學(xué)物質(zhì)引起，此類物質(zhì)可在一定條件下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)變得不溶，并沉積在灌水器出水孔、管道內(nèi)部而造成堵塞。生物堵塞是指水中生物進入灌水管道、灌水器內(nèi)部并大量繁殖和生長，使管道空間減小，最終引起堵塞[4-6]。Taylor等則認(rèn)為系統(tǒng)堵塞由灌水器結(jié)構(gòu)引起[7]。Nakayama等指出系統(tǒng)堵塞是很多因素共同作用的結(jié)果[8]。Bucks等對微灌系統(tǒng)的堵塞類型、物質(zhì)、程度進行了研究，提出了灌溉系統(tǒng)堵塞程度的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)（表1）[4]。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織土地及水利開發(fā)處的灌溉專家、顧問的統(tǒng)計，各種堵塞的概率分別為：物理堵塞31%、化學(xué)堵塞22%、生物堵塞37%、其他10%[2，9]?？梢姡锢矶氯?、生物堵塞發(fā)生的概率較高，灌溉系統(tǒng)堵塞常由這2種堵塞共同引起。

1.1 灌溉水源

目前，農(nóng)業(yè)灌溉用水主要來自雨水、江河、池塘、地下水、城市廢水再生水等。針對不同的農(nóng)業(yè)灌溉水源，微灌系統(tǒng)堵塞的原因也有所不同。

1.1.1 池塘和水窖 農(nóng)村、偏遠(yuǎn)地區(qū)、干旱少雨地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水大部分來源于池塘和水窖，天然雨水、地下水流入池塘和水窖中，使水體富含氮、磷、鉀、有機質(zhì)、微生物，絕大多數(shù)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[10]。池塘和水窖中的水經(jīng)過濾處理后仍存有部分雜質(zhì)、藻類、微生物[10-11]，它們附著于灌水器出水孔轉(zhuǎn)角處，并依靠水中有機質(zhì)大量繁殖形成微生物群[12]。這類微生物群常覆蓋黏性外鞘，一些微粒和藻類極易粘連并沉積于黏性外鞘，當(dāng)微生物、微粒、藻類生長到一定程度，或細(xì)菌數(shù)量達到50 000個/mL時，灌水系統(tǒng)將嚴(yán)重堵塞[4]。

1.1.2 礦物質(zhì)灌溉水 含有高濃度礦物質(zhì)的水稱為硬水，主要來源于井水和泉水，含有高濃度的鈣離子、鎂離子、碳酸氫根離子等。長期使用井水和泉水灌溉，會使灌溉系統(tǒng)發(fā)生化學(xué)堵塞[13]。堵塞原理為泉水和井水中的鈣離子、鎂離子、碳酸氫根離子會在灌水器出水孔處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高、壓強變小時，水中的碳酸氫鈣將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣、水、二氧化碳；水中的碳酸氫鎂將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鎂、水、二氧化碳。因此，使用含有碳酸氫鈣、碳酸氫鎂的泉水和井水灌溉，會使灌水器內(nèi)部、出水孔附近生成難溶于水的碳酸鈣、碳酸鎂，從而造成灌溉系統(tǒng)的化學(xué)堵塞。

1.1.3 含沙灌溉水 含沙灌溉水主要來源于江河。黃河是我國第2大河流，也是世界含沙量最大的河流，是流經(jīng)?。ㄊ?、自治區(qū)）農(nóng)業(yè)灌溉水的主要來源。使用含沙量大的水灌溉一段時間后，灌溉系統(tǒng)中泥沙不斷增多，并沉積于灌水管、灌水器內(nèi)部、出水孔處。當(dāng)水中懸浮顆粒超過100 mg/L時[4]，整個灌水系統(tǒng)將嚴(yán)重堵塞，致使灌溉系統(tǒng)無法正常運行[12]。

1.1.4 城市廢水再生水 根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2011年、2012年全國城市廢水排放總量分別達6 591 922萬、6 847 612萬t[14]，合理利用城市廢水對于緩解我國水資源危機具有重要意義。在農(nóng)業(yè)灌溉用水方面，以色列對城市污水再生水進行氯化處理并通過滴灌、地下滴灌系統(tǒng)對瓜類植物進行灌溉[15]，Mollie等對飲用水和城市廢水作了化學(xué)成分分析[15]（表2）。在國內(nèi)，吳顯斌、閆大壯等對城市廢水再生水滴灌系統(tǒng)滴頭抗堵性能方面作了研究，發(fā)現(xiàn)城市廢水再生水中含有大量污染物質(zhì)、病原體、微生物細(xì)菌、有機質(zhì)，使用城市廢水再生水作為灌溉用水需對其進行消毒氯化處理，以免影響農(nóng)作物和人體健康，另外，城市廢水再生水中的微生物細(xì)菌、懸浮顆粒會對灌溉系統(tǒng)造成生物堵塞[16-17]。由表2可知，城市廢水中高濃度的磷元素、鉀元素、有機質(zhì)為大量大腸桿菌、糞大腸桿菌等微生物細(xì)菌提供了良好的生長繁殖環(huán)境，使其在灌水器內(nèi)部、出水孔處附著并大量繁殖，當(dāng)水中微粒、微生物細(xì)菌達到一定數(shù)量時灌水器將被堵塞。

1.2 灌溉方式

根據(jù)管道和灌水器是否被埋入地下，將微灌分為地表微灌、地下微灌。2種灌溉方式均具有水分利用率高、節(jié)水增產(chǎn)等優(yōu)點[1-3]，不足之處在于灌水器極易堵塞。

1.2.1 地表微灌 地表微灌是指灌溉管道鋪設(shè)在地上或地面，灌溉水和養(yǎng)料通過安裝在灌溉管道上的灌水器或在管道周圍開的小孔以小流量緩慢、均勻地滴入或滲入到土壤中并浸潤作物根部[1]。根據(jù)地表微灌的特點，灌溉水會以水珠狀逐滴連續(xù)不斷從出水孔處流出，在水、空氣、養(yǎng)料的共同作用下，水和空氣中的微生物細(xì)菌極易在出水孔轉(zhuǎn)角處附著并繁殖形成微生物群[12]，水中的雜質(zhì)、微粒遇到黏性微生物菌群會黏附在其表面，最終不斷變大并堵塞灌水器出水孔（圖1）。

1.2.2 地下微灌 地下微灌是指灌溉管道和灌水器埋于地下，灌溉水和養(yǎng)料通過安裝在灌溉管道上的灌水器以小流量緩慢、均勻地滲入到作物根部附近[18-19]。與地表微灌堵塞相比，地下微灌還存在另外4個堵塞誘因（圖2）：（1）地下微灌存在負(fù)壓堵塞[20]，即灌溉系統(tǒng)停止供水時，灌溉管道中產(chǎn)生負(fù)壓將土壤中的泥沙吸入灌水器的微孔中造成堵塞。（2）由于作物根系的向水性[21]，作物的根系會侵入灌水器的微孔并造成堵塞。（3）埋于地下的沙石化學(xué)成分主要是碳酸鈣，它遇到水、二氧化碳時變?yōu)榭扇苄缘奶妓釟溻}，當(dāng)埋于地下的灌水器受熱或壓強突然變小時，水中的碳酸氫鈣又分解為碳酸鈣并沉積于灌水器孔口處[13，22]。Abdallah等總結(jié)出灌溉水、灌水器附近水的化學(xué)成分[22]（表3）。灌水器出水孔附近的鈣、鎂離子含量明顯增多，極易造成灌水器出水孔堵塞。（4）土壤中含有蛹、蝸牛等微小生物[13]時，它們可進入灌水器孔口中并造成堵塞。

1.3 灌水器構(gòu)造

灌水器是微灌系統(tǒng)最核心的部件之一，灌水器堵塞將降低整個微灌系統(tǒng)的灌水效率，嚴(yán)重時會造成灌水系統(tǒng)全面癱瘓。

目前許多灌水器的流道設(shè)計均為迷宮式，迷宮式灌水器可分為圓弧迷宮式、矩形迷宮式、鋸齒形迷宮式等。迷宮式灌水器的水利特性較好，可以控制灌溉水的壓力使其均勻、緩慢地流出，但其抗堵性能較差。為使迷宮式灌水器同時具備較好的水利特性和較強的抗堵性能，國內(nèi)外專家對迷宮式灌水器流道作了深入研究[23]。Adin等發(fā)現(xiàn)灌水器的流道結(jié)構(gòu)對灌水器的抗堵性能有一定影響[24]。鄭耀泉認(rèn)為灌溉水的流量、灌水器流道均可影響灌水器的抗堵性能[2]。吳顯斌等、閆大壯等研究發(fā)現(xiàn)，使用再生水灌溉時，流道長度、鋸齒間距、鋸齒高度均會影響滴頭抗堵性能[16-17]。魏正英等提出迷宮式灌水器的流道寬度對抗堵性能影響最大，其次是流道深度和長度[25-26]。圓弧形迷宮式灌水器中，存在于圓弧轉(zhuǎn)彎處的流動滯止區(qū)會引起灌水器堵塞；矩形、鋸齒形迷宮式灌水器中，存在于流道內(nèi)的渦旋區(qū)、低速區(qū)也會引起灌水器堵塞。李光永等提出片式灌水器的齒間距、齒高、齒角度均會影響灌水器抗堵性能[27]。劉璐等發(fā)現(xiàn)灌水器堵塞主要發(fā)生于流道轉(zhuǎn)角處、流道進水口處[12]。

國內(nèi)外專家不僅對灌水器流道進行了深入研究，楊寶中等指出滲灌管的孔徑大小、孔口的制造精度也是影響堵塞的因素之一[28]。程先軍等、何靜等同樣指出灌水器的制造偏差、出水孔的制造精度、灌水器的材料均會影響水的均勻性、灌水器的抗堵性[3，29]。

2 微灌系統(tǒng)抗堵方法探討

2.1 灌水器構(gòu)造

國內(nèi)外專家針對不同堵塞研制出各類抗堵塞灌水器，并對灌水器流道進行改造?，F(xiàn)對各類抗堵塞灌水器和改進后的流道進行總結(jié)分析。

2.1.1 灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 鄭耀泉認(rèn)為灌溉系統(tǒng)流量大時，水中的雜質(zhì)、微粒不易引起灌水器堵塞，當(dāng)灌水器的流道變大時也不易堵塞[2]。李光永等發(fā)現(xiàn)片式灌水器的齒間距、齒高、齒角度均會影響灌水器的抗堵性能，灌水器的的抗堵性能隨流道寬度的增大而逐步提高，卻不能完全隨灌溉水流量的增大而提高[27]。閆大壯等研究發(fā)現(xiàn)較大的流道長度、鋸齒間距、鋸齒高度（h<1.2 mm）均無法減輕灌水器的堵塞程度[17]。魏正英等對圓弧形迷宮式灌水器的流道進行了優(yōu)化設(shè)計，首先降低流道的2個圓弧高度，同時對上、下連接圓弧進行偏移，并將小直線段加長以減小極低速度區(qū)，考慮到灌水器的制造難度，將上、下2個圓弧的半徑設(shè)為相同值。魏正英等還對矩形、鋸齒形迷宮式灌水器的流道進行了優(yōu)化設(shè)計，將矩形、鋸齒形流道轉(zhuǎn)角處的尖角改為圓弧連接，優(yōu)化后的流道不存在渦旋區(qū)和低速區(qū)，此改進解決了部分堵塞問題[25-26]。楊寶中等指出孔眼不易堵塞的尺寸在0.7～1.2 mm[28]?？讖叫∮?.7 mm時，灌溉水中的泥沙極易堵塞孔眼；孔徑大于1.2 mm時，土壤中的泥沙會堵塞滲灌管的孔眼和滲灌管。因此滲灌孔眼直徑一般取為1.0 mm。程先軍等指出，采用人工扎孔方式制成的出水孔制造精度差，極易堵塞[3]。由以上分析可知，灌水器內(nèi)部、出水孔的制造精度要求很高，在灌溉水流量保持不變的情況下，可將灌水器流道長度保持不變，流道寬度適當(dāng)增大，流道轉(zhuǎn)角處設(shè)計為光滑過渡圓弧，灌水器孔徑取為1.0 mm。

2.1.2 抗負(fù)壓堵塞

王榮蓮等指出，以色列Plastro公司針對負(fù)壓堵塞發(fā)明了一種內(nèi)鑲式壓力補償?shù)晤^，該滴頭可有效防止負(fù)壓堵塞[20]。根據(jù)此原理，我國成功研制出類似的地下滴灌灌水器（圖3）。當(dāng)灌水器進水口處的水壓達到一定值時，壓力補償片會自動打開，使水流順利通過管道；當(dāng)灌水器進水口處的水壓小于0而產(chǎn)生負(fù)壓時，壓力補償片會緊壓于流道進水口的凸緣，將流道完全關(guān)閉以防止負(fù)壓吸泥。此灌水器既可調(diào)節(jié)水壓，又可防止負(fù)壓堵塞。王榮蓮等發(fā)現(xiàn)，窄縫出口形式的抗負(fù)壓堵塞效果優(yōu)于圓孔出口形式、帶舌片的出口形式；小流量滴灌帶的抗負(fù)壓堵塞效果優(yōu)于大流量滴灌帶[30]。另有專家指出，在灌水器外包無紡布，以及在微灌系統(tǒng)中安裝真空破壞裝置，均可起到抗負(fù)壓效果[3]。

2.1.3 壓力補償型灌水器 壓力補償型灌水器是指在一定壓力范圍內(nèi)實現(xiàn)恒流出水的灌水末端裝置。壓力補償型灌水器主要分為管上式壓力補償灌水器、迷宮式流道補償式灌水器[31]。管上式壓力補償灌水器不僅具有壓力調(diào)節(jié)功能，還具有自清洗功能，可將雜質(zhì)、微粒沖出灌水器以達到抗堵效果。在管上式壓力補償灌水器的調(diào)節(jié)腔內(nèi)有1個彈性薄片，其下有出水孔的底座。灌水器通水時，當(dāng)水壓大于某恒定值時，彈性片壓向出水孔底座，使出水流道變小，且出水流道隨水壓的增大而逐漸變?。凰畨鹤冃r，出水流道將變大，當(dāng)壓力低至一定值時，彈性片將完全脫離出水孔底座，此時出水流道變到最大，流量也相應(yīng)增大，轉(zhuǎn)換為沖洗狀態(tài)[32]（圖4）。

2.2 水化處理

灌溉水的化學(xué)處理是指在灌溉水中通入或加入化學(xué)物質(zhì)，使其進行化學(xué)、生物反應(yīng)以達到疏通灌水器出水孔的效果[33]。氯氣作為一種低成本殺菌滅藻劑，具有良好的經(jīng)濟性，在保證加氯設(shè)備安全的前提下，氯氣可以很好地疏通灌水器。氯氣極易溶于水并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氯氣與水反應(yīng)生成次氯酸、鹽酸；次氯酸電離為次氯酸根、氫離子。

在酸性環(huán)境中，次氯酸分子易于擴散到帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面，并通過細(xì)胞壁進入細(xì)菌內(nèi)部破壞其內(nèi)部系統(tǒng)，從而殺死細(xì)菌和藻類。對于中度或重度堵塞可采用100～150 mg/L濃度的氯水沖洗10～30 min，再用清水沖洗，即可達到殺菌除藻的效果。氯水中的鹽酸可與灌水器中的沉淀物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)生成氯化鈣、水、二氧化碳；碳酸鎂與鹽酸反應(yīng)生成氯化鎂、水、二氧化碳。反應(yīng)生成的氯化物易溶于水，用水沖洗便可疏通出水孔。對于根系堵塞，可向灌溉水中加入一定濃度的除草劑，灌溉時間不超過15 min，灌溉后用清水沖洗，便可解決根系堵塞問題[21]。

2.3 灌溉系統(tǒng)管理

灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和管理對抗堵至關(guān)重要[3，5]，需嚴(yán)格過濾灌溉水，并定期沖洗系統(tǒng)以去除管中積累的泥沙等沉積物。若水中雜質(zhì)主要為泥沙，首部過濾可選擇網(wǎng)式過濾器、離心式過濾器組合；若水中雜質(zhì)主要為藻類，可選擇網(wǎng)式過濾器、砂石過濾器組合；若水中雜質(zhì)既有泥沙又有藻類，則需要砂石過濾器、網(wǎng)式過濾器、離心式過濾器組合。過濾精度要求不高時，可選用120目過濾器；過濾精度要求較高時，可選用150目過濾器。

3 結(jié)語

從灌溉水源、灌溉方式、灌水器構(gòu)造3方面對微灌系統(tǒng)的堵塞原因、抗堵方法進行探討。目前，國內(nèi)外尚未找到可解決全部堵塞問題的方法，一般仍通過改進灌水器流道、優(yōu)化灌水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)抗堵。合理的灌溉系統(tǒng)設(shè)計和管理可起到良好的防堵效果，化學(xué)抗堵方法會對環(huán)境、土壤造成污染，要嚴(yán)格控制使用量，一般不提倡使用。

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