引黃滴灌器堵塞環(huán)境因子的相關(guān)性分析

杜慧慧，馬太玲，于 健 ，宋耀興

(1.三亞學(xué)院管理學(xué)院，海南 三亞 572000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 3. 內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010018)

烏海市深處大陸中緯度地區(qū)，屬于草原與沙漠過(guò)渡帶，降雨量少，搜集多年資料分析烏海市年均降水量?jī)H僅160 mm，是年蒸發(fā)量的1/21，人均水資源量不足全國(guó)的1/5，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)。烏海市近年來(lái)積極引入先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，在林業(yè)上已發(fā)展滴灌面積達(dá)3 000 多hm2，同時(shí)發(fā)展以葡萄種植為主的溫室滴灌面積達(dá)0.33多萬(wàn)hm2。烏海市滴灌用水主要引用黃河水，在引黃滴灌的過(guò)程中出現(xiàn)了如下問(wèn)題，雖然對(duì)高泥沙黃河水進(jìn)行了泥沙沉淀處理，但仍然經(jīng)常出現(xiàn)滴灌器頭部、噴嘴甚至管道的堵塞，嚴(yán)重影響了節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣和發(fā)展。

長(zhǎng)期以來(lái)，大多數(shù)認(rèn)為造成滴灌器堵塞的主要原因是顆粒物堵塞，而顆粒物大多是泥沙。近年來(lái)的研究[1-3]表明，造成滴灌器堵塞的直接原因除了物理因素外還有生物因素。在本研究中滴灌用水主要是黃河水，黃河水的特點(diǎn)便是高泥沙 ，因而分析認(rèn)為物理因素主要是泥沙顆粒，生物因素主要是微生物。國(guó)外研究[4]表明滴灌器的堵塞主要是物理、生物和化學(xué)因素間進(jìn)行相互作用，使得顆粒物形成具有一定黏性的小團(tuán)體，加速了堵塞，研究表明如果控制其中一種因素的作用，便可降低滴灌器的堵塞。Bucks[4]認(rèn)為，各種滴頭堵塞因素中，生物堵塞所占比重較大。

黃河水的水體中泥沙顆粒表面屬于微界面，具有較大的表面積促使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)附著，使得各污染物質(zhì)在其表面進(jìn)行耦合作用。泥沙顆粒表面的微生物在適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)一步形成具有一定黏性的菌膠團(tuán)，使得泥沙顆粒表面的吸附作用增大且具有更大的微界面，形成具有較復(fù)雜的泥沙顆粒污染物。由于泥沙顆粒本身具有一定的黏性，在微生物的作用使得它們相互作用，形成一個(gè)在水體中攜帶水體中主要物質(zhì)的載體，隨著水體運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了水體中微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化。

微生物會(huì)在泥沙顆粒表面作用。水體中的多數(shù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被泥沙表面的微生物吸收轉(zhuǎn)化，同時(shí)泥沙自身表面也會(huì)吸附營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)伴隨泥沙運(yùn)動(dòng)，沉降在水體底部的泥沙顆粒便會(huì)形成具有高營(yíng)養(yǎng)的泥沙沉積層，起到污染物“匯”的作用[5]，而在一定的作用條件下，“匯”的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)以不同的形態(tài)再一次的返回到水體中，使得成為一個(gè)循環(huán)。研究表明，水體中藻類會(huì)懸浮在水體中，在生長(zhǎng)過(guò)程中需要吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而隨泥沙沉降到底部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和釋放，會(huì)使水體中的濃度保證藻類的生長(zhǎng)[6]。

項(xiàng)目組于2013年5-10月對(duì)烏海市3個(gè)不同模式的黃河原水沉淀池及滴灌器出水的水質(zhì)指標(biāo)，包括細(xì)菌總數(shù)、濁度、藻類、CODMn、TP和TN等進(jìn)行了取樣及檢測(cè)分析。根據(jù)檢測(cè)分析結(jié)果，本文為了研究引用黃河水對(duì)滴灌器堵塞影響因素，著重分析了泥沙含量與其他各指標(biāo)的相關(guān)性，揭示了引黃滴灌水在沉淀過(guò)濾過(guò)程中濁度與其相關(guān)因素的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

在烏海市選取了3個(gè)具有代表性的沉淀過(guò)濾系統(tǒng)，分別是林業(yè)湖、朝陽(yáng)湖和如意湖。其中如意湖為供林業(yè)灌溉用水的蓄水沉淀池，朝陽(yáng)湖既是灌溉蓄水沉淀池又兼做養(yǎng)魚(yú)塘之用，林業(yè)湖蓄水主要為景觀用水兼做灌溉備用水。3個(gè)沉淀池均為平流式沉淀池，由前池和后池組成，池后設(shè)有加壓泵房，泵房?jī)?nèi)安裝有網(wǎng)式過(guò)濾器。黃河水通過(guò)約9.8 km的引水渠道由提升泵站送到各湖前池，進(jìn)入前池的水經(jīng)初步沉淀后翻越擋水墻進(jìn)入后池再次沉淀，沉淀后的水由加壓泵房打入到網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾，再輸送到滴灌器經(jīng)滴頭流入作物根部。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和采樣頻次

在每個(gè)沉淀池的前、后池分別設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別設(shè)置3條垂線，共12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面以下0.5 m處采集水樣(水深<2 m)；同時(shí)在每個(gè)沉淀池過(guò)濾器后的滴頭處設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集滴頭出水水樣。

一般每個(gè)灌溉期每月采樣1次，以便采集到各種情況下的水樣，掌握各種條件下的沉淀和過(guò)濾情況，分別測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)，分析其相關(guān)性。

2 分析結(jié)果與討論

對(duì)采樣數(shù)據(jù)利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各水質(zhì)指標(biāo)與濁度的相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 濁度與各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation coefficient of the turbidity and other indicators

注：*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； **表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.1 濁度與各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

(1)濁度與細(xì)菌總數(shù)呈顯著正相關(guān)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析水中泥沙含量降低的同時(shí)，細(xì)菌總數(shù)也在減少，說(shuō)明水體中的微生物大部分與泥沙顆粒共同作用形成一個(gè)整體。微生物在生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程汲取水體中大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，只是泥沙表面聚集大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。微生物在泥沙顆粒表面附著生長(zhǎng)，逐漸形成具有一定黏性的菌膠團(tuán)，進(jìn)而使得滴灌器更容易堵塞。在天然水體中，由于存在泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此滴灌帶堵塞物質(zhì)中只要有泥沙顆粒，就必然有細(xì)菌存在。Taylor[7]等對(duì)再生水和自來(lái)水進(jìn)行滴灌帶堵塞的試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沙粒引起滴灌器堵塞僅僅占6%，而微生物在泥沙表面作用形成的黏聚物引起的滴灌器堵塞占90%以上。

(2)如意湖和林業(yè)湖水中濁度與CODMn呈正相關(guān)性，而朝陽(yáng)湖水中濁度與CODMn呈負(fù)相關(guān)性。CODMn是水體中還原性物質(zhì)的污染指標(biāo)。有研究表明，泥沙顆粒大小、泥沙含量、微生物種類及數(shù)量，水溫及水力條件等影響水中CODMn的濃度[6]。黃河水的CODMn的濃度和泥沙的含量呈正比關(guān)系[8]，粒徑越小比表面積越大越有利于生物降解。微生物數(shù)量越高，微生物代謝作用速度越大， CODMn降低得越快。由于如意湖和林業(yè)湖兩沉淀池內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)較低，大部分均被泥沙顆粒表面吸附。因此這兩個(gè)沉淀池的CODMn與濁度呈正相關(guān)性。而朝陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)較高，微生物數(shù)量較多，而泥沙顆粒不能滿足微生物的附著，部分被水體中游離的微生物吸收降解， CODMn降低，致使該湖中CODMn與濁度呈負(fù)相關(guān)性。

(3)濁度與葉綠素a呈不明顯的負(fù)相關(guān)性。泥沙顆粒在水中會(huì)影響光線在水中的輻射，進(jìn)而影響葉綠素a在水中的生長(zhǎng)。沉淀池水經(jīng)過(guò)沉淀，懸浮在水中的顆粒較少，因而對(duì)光的影響也較低，因此兩者的負(fù)相關(guān)性不明顯。

(4)林業(yè)湖水中的濁度與TN呈正相關(guān)性，如意湖和朝陽(yáng)湖的濁度與TN呈負(fù)相關(guān)性。氮元素是生物生長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的元素之一，尤其可促進(jìn)藻類的大量生長(zhǎng)繁殖，隨著社會(huì)的發(fā)展，大量的生活污水及工業(yè)廢水大量排入到在天然水體中，使得水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)超標(biāo)，導(dǎo)致水體中藻類大量繁殖，造成富營(yíng)養(yǎng)化。有研究發(fā)現(xiàn)泥沙吸附氮的能力與泥沙濃度、泥沙粒徑、污染物濃度等有一定影響，TN濃度越大、泥沙含量越高、泥沙粒徑越小，吸附效果越明顯[9]。

林業(yè)湖濁度與TN呈正相關(guān)性，且TN含量總體均低于其他兩湖。這除了可印證泥沙顆粒能夠吸附氮外，同時(shí)證實(shí)，由于引黃水進(jìn)入該湖后靜置時(shí)間較長(zhǎng)，水體中的氮被泥沙充分吸附后隨泥沙沉淀進(jìn)入底泥，表明增加靜置時(shí)間有利于泥沙對(duì)氮的吸附作用。朝陽(yáng)湖和如意湖濁度與TN呈負(fù)相關(guān)性，這是由于如意湖中生長(zhǎng)有大量的高等水生植物，濁度越低時(shí)，釋放的氮含量越高；朝陽(yáng)湖由于兼有魚(yú)類養(yǎng)殖的功能，沉積的泥沙中含有大量的氮化合物，在一定的條件下會(huì)向水體釋放，朝陽(yáng)湖水體更新快，黃河水引入朝陽(yáng)湖是氮化合物濃度含量較低，而此時(shí)濁度較高，在沉降過(guò)程中，朝陽(yáng)湖中魚(yú)類及個(gè)生物代謝活動(dòng)使得水體中的濃度提高，因此導(dǎo)致朝陽(yáng)湖濁度與TN呈負(fù)相關(guān)性。

(5)3個(gè)沉淀池水體濁度與TP濃度均呈正相關(guān)性，說(shuō)明泥沙對(duì)TP的吸附與池水靜置時(shí)間、水生植物的生長(zhǎng)、底泥的釋放特性均無(wú)明顯關(guān)系。有研究也表明，水中TP的濃度與泥沙對(duì)磷的吸附呈線性關(guān)系，且含沙量越大吸附磷的速度越快[10]。影響泥沙對(duì)磷吸附和釋放的主要因素有泥沙濃度、粒徑、pH值、磷的濃度、水中有機(jī)碳水和溫等。泥沙對(duì)磷的吸附程度與其顆粒粒徑有關(guān)，粒徑越小，比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)[11]。由表1可見(jiàn)，如意湖水體濁度與TP濃度呈顯著正相關(guān)性，而朝陽(yáng)湖和林業(yè)湖水體濁度與TP濃度呈一定正相關(guān)性。這是由于如意湖用水較大，水體擾動(dòng)較大，進(jìn)水、出水頻繁，而林業(yè)湖和朝陽(yáng)湖用水量較小，表明水體的擾動(dòng)可促進(jìn)泥沙對(duì)TP的有效吸附。

2.2 影響滴灌器堵塞的主要原因及防治措施

(1)檢測(cè)到滴灌器出水的細(xì)菌總數(shù)值均在1萬(wàn)個(gè)/mL以上，根據(jù)有關(guān)滴灌器堵塞水質(zhì)分類等級(jí)的規(guī)定，該微生物的數(shù)量在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中達(dá)到了中度堵塞等級(jí)；而微生物的數(shù)量根據(jù)沉淀池中水停留的時(shí)間，季節(jié)不同溫度的影響以及人類投放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不同而不同。因此要想降低堵塞率，需適宜的調(diào)節(jié)沉淀、過(guò)濾泥沙的效果，同時(shí)還要減短停水時(shí)間、降低水溫以及減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的投放等其他影響因素。

(2)由于各沉淀池的后池大于前池，經(jīng)檢測(cè)后池的葉綠素a也高于前池得含量，說(shuō)明沉淀池的面積越大越有利于藻類的生長(zhǎng)繁殖；同時(shí)朝陽(yáng)湖后池兼做養(yǎng)魚(yú)塘，投放的餌料及魚(yú)類的活動(dòng)促進(jìn)了藻類的生長(zhǎng)繁殖。但是如意湖后池內(nèi)種有一些大型水生植物，同屬綠色植物，需要沉淀池中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此與藻類處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此在沉淀池內(nèi)適量的水生植物可以抑制藻類的生長(zhǎng)，同時(shí)水生植物還可以吸附水中懸浮顆粒。

微生物之間具有相互制約和相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。過(guò)濾裝置對(duì)葉綠素a有一定的過(guò)濾作用。池水停留時(shí)間越長(zhǎng)越有利于葉綠素a的生長(zhǎng)。

水生植物可以凈化水體，同時(shí)大量吸收水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制了其他生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，因此抑制了微小的藻類的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而降低了藻類對(duì)滴灌器的堵塞。但是水生植物的生命周期較長(zhǎng)，因而吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也較多，死亡后會(huì)再次腐蝕釋放回水體，為了降低水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，需將死亡的植物及時(shí)打撈，這樣可避免水中微生物的生長(zhǎng)繁殖。依據(jù)8-10月份數(shù)據(jù)分析，如意湖后池內(nèi)水生植物生長(zhǎng)吸收了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制了藻類的生長(zhǎng)，TP含量逐漸降低。因此沉淀池內(nèi)的大型水生植物需在死亡及時(shí)打撈，避免將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再次釋放到水體中，加劇微生物的生長(zhǎng)繁殖，增加滴灌器堵塞的可能性。

3 結(jié) 論

影響滴灌帶滴灌器堵塞水質(zhì)指標(biāo)包括濁度、葉綠素a、細(xì)菌總數(shù)、TP、TN、CODMn等，本文通過(guò)濁度和其他各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析，分析了滴灌器堵塞的主要影響因素。

(1)濁度與細(xì)菌總數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明泥沙的含量和細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖共同存在，由于細(xì)菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程需要一個(gè)載體依附，而在水中微小的泥沙顆粒表面會(huì)有較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因此最適宜細(xì)菌的生長(zhǎng)。因此滴灌帶滴灌器堵塞有泥沙就必然有細(xì)菌。

(2) 泥沙顆粒表面的物質(zhì)對(duì)CODMn會(huì)進(jìn)行吸收，與泥沙表面微生物的活動(dòng)有一定關(guān)系。微生物活動(dòng)越多，生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力會(huì)越大，水中CODMn越易被吸收。

(3)濁度與葉綠素a呈不太明顯的負(fù)相關(guān)性。泥沙顆粒在水中會(huì)影響光線在水中的輻射，進(jìn)而影響葉綠素a在水中的生長(zhǎng)。沉淀池水經(jīng)過(guò)沉淀，懸浮在水中的顆粒較少，因而對(duì)光的影響也較低，因此兩者的相關(guān)性不明顯。

(4)泥沙顆粒能夠吸附氮，增加水體靜置時(shí)間有利于泥沙顆粒對(duì)氮的吸附沉降。水生植物可吸收和釋放氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；沉積在底部的泥沙中含有較多的氮，在一定的 條件下會(huì)向水體釋放。

(5)TP的濃度與泥沙吸附磷的速度呈一定的線性關(guān)系，且泥沙含量正比關(guān)系。水體的擾動(dòng)可促進(jìn)泥沙對(duì)TP的有效吸附。

綜上分析，影響滴灌器堵塞主要因素是泥沙與細(xì)菌的共同作用；而細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖與環(huán)境因素相關(guān)，因此在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的投放，適量種植水生植物。

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