黃河水沉淀后水質(zhì)對(duì)滴灌灌水器堵塞的影響

張曉晶，于　健，馬太玲,，宋耀興，盧俊平，杜慧慧，王　凡

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 3.三亞學(xué)院， 海南 三亞 572022)

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黃河水沉淀后水質(zhì)對(duì)滴灌灌水器堵塞的影響

張曉晶1，于健2，馬太玲1,3，宋耀興2，盧俊平1，杜慧慧3，王凡1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 3.三亞學(xué)院， 海南 三亞 572022)

摘要：利用2013年5月—10月和2014年7月—11月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了烏海市不同功能的三個(gè)典型沉淀池(如意湖、林業(yè)湖和朝陽(yáng)湖)的濁度、細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a、總氮、總磷五項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的沉淀、過(guò)濾效率，利用灌水器堵塞野外調(diào)查數(shù)據(jù)并結(jié)合堵塞物電鏡掃描圖片，探討了黃河水經(jīng)過(guò)平流沉淀+網(wǎng)式過(guò)濾組合模式處理后仍會(huì)造成灌水器堵塞的原因。結(jié)果表明：各沉淀池濁度的沉淀和過(guò)濾效率均較高，其中如意湖的沉淀效率最高，平均去除率為63%；2013年朝陽(yáng)湖的過(guò)濾效率最高，為60.53%，各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)的過(guò)濾效果普遍較差。黃河水經(jīng)沉淀過(guò)濾后仍會(huì)造成灌水器堵塞，其主要原因與細(xì)小顆粒物和微生物形成的絮狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，建議對(duì)原有沉淀、過(guò)濾措施提出改進(jìn)，經(jīng)一、二級(jí)沉淀后在泵房?jī)?nèi)改用疊片式砂過(guò)濾器。

關(guān)鍵詞：滴灌；水質(zhì)；灌水器堵塞；黃河水；沉淀效率；過(guò)濾效率

烏海市位于中緯度大陸深處，屬于荒漠化草原、草原化荒漠過(guò)渡帶，氣候干燥，年均降水量只有160 mm，而年蒸發(fā)量是降水量的21倍，人均水資源不足全國(guó)人均水資源量的1/5，水資源匱乏嚴(yán)重，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)[1-3]。近年來(lái)，烏海地區(qū)大力發(fā)展農(nóng)林業(yè)節(jié)水滴灌技術(shù)，致力于提高灌溉水資源利用效率，緩解烏海市水資源短缺的問(wèn)題[4-5]。同時(shí)，由于水資源日益緊缺程度不同以及各區(qū)域水資源的分布特點(diǎn)不同，近年來(lái)滴灌用水水源呈多元化發(fā)展，由傳統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的地下水源，逐步發(fā)展為微咸水、再生水和含沙水等多種水源趨勢(shì)。烏海市灌溉用水主要來(lái)自黃河水，然而黃河水具有高濁度、高泥沙的特點(diǎn)，在不同時(shí)期含沙量呈季節(jié)性變化，直接引用黃河水滴灌，滴頭容易堵塞，使滴灌技術(shù)的推廣受到了很大的限制[6-7]。

滴頭堵塞一直是滴灌技術(shù)面臨的技術(shù)難題，滴頭堵塞成因[8]和滴頭結(jié)構(gòu)對(duì)抗堵塞性能的影響[9-13]一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。灌水器的堵塞改變了灌水器原有的水力性能，使得灌水器出流量減小，進(jìn)而降低整個(gè)滴灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量，嚴(yán)重影響滴灌系統(tǒng)運(yùn)行效果和安全性[14]，無(wú)形中提高了滴灌的使用成本，成為制約滴灌技術(shù)推廣的關(guān)鍵因素[15-17]。本文通過(guò)分析滴灌水源—黃河水沉淀后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)(濁度、細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a、TN和TP)的沉淀效率和過(guò)濾效率，研究黃河水在經(jīng)過(guò)平流沉淀+網(wǎng)式過(guò)濾組合模式后仍會(huì)造成灌水器堵塞的原因，分析各沉淀池不同水質(zhì)條件下灌水器在田間的實(shí)際堵塞情況，結(jié)合堵塞物電鏡掃描圖片探討黃河水水質(zhì)對(duì)滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的影響，為解決水資源匱乏地區(qū)滴灌用水提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黃河水由一級(jí)提升泵站通過(guò)約9.8 km的渠道及管道輸送到各沉淀池的前池，經(jīng)初步沉淀后，粗沙被截留，表層濁度較低的水經(jīng)擋水墻頂部溢流后進(jìn)入后池進(jìn)一步沉淀。在需要灌水時(shí)，由加壓泵將沉淀后的池水提升進(jìn)入兩級(jí)網(wǎng)式過(guò)濾器(LW系列離心網(wǎng)式過(guò)濾器和AF200系列自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器)，過(guò)濾后的水直接配送到滴灌裝置中，通過(guò)滴頭進(jìn)入作物根系。

本研究選定如意湖、朝陽(yáng)湖和林業(yè)湖三個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)。三個(gè)沉淀池均為平流式沉淀池，均由前池、后池和加壓泵房組成，各沉淀池前后池尺寸和容積各不相同，各池尺寸及面積見(jiàn)表1。如意湖主要作為供林業(yè)灌溉用水的蓄水沉淀池；林業(yè)湖主要是人工景觀湖，常年處于靜水狀態(tài)，僅在需水量大時(shí)供給林業(yè)灌溉；朝陽(yáng)湖兼有林業(yè)灌溉蓄水池和養(yǎng)魚(yú)塘功能。如意湖和朝陽(yáng)湖采用平流式沉淀+網(wǎng)式過(guò)濾組合模式處理黃河水作為滴灌系統(tǒng)的水源，同時(shí)選擇不設(shè)過(guò)濾裝置的林業(yè)湖進(jìn)行對(duì)比。

表1　各沉淀池前后池尺寸和面積

1.2樣品采集與測(cè)定方法

根據(jù)《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ493-2009)和《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ495—2009)，在三個(gè)沉淀池前、后池各設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置左、中、右采樣點(diǎn)，同時(shí)在每個(gè)沉淀池滴灌設(shè)備灌水器出水口設(shè)采樣點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)濁度、溫度、pH值和水深，同時(shí)在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集兩種水樣，一種是用已滅菌的硬質(zhì)玻璃瓶在水下0.5 m處取樣，存放于保溫箱內(nèi)使溫度維持在4℃左右，24小時(shí)內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定細(xì)菌總數(shù)；另一種是用聚乙烯瓶取水樣，用于測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)有總氮、總磷、葉綠素a。溫度和pH值采用德國(guó)生產(chǎn)的WTW系列便攜式pH計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；濁度采用國(guó)產(chǎn)的瑞星WGZ-2B濁度計(jì)測(cè)定；總氮、總磷、細(xì)菌總數(shù)和葉綠素a通過(guò)表2描述分析方法測(cè)定[18]。

1.3堵塞物的掃描電子顯微鏡分析方法

采用S-530型掃描電子顯微鏡對(duì)灌水器中沉積物的形態(tài)進(jìn)行分析。預(yù)先將灌水器中的沉積物樣品采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的戊二醛溶液固定過(guò)夜。然后用30%、50%、70%、85%、95%梯度的乙醇溶液逐次脫水，每次15 min，再用100%的乙醇脫水2次，每次15 min，之后用乙酸異戊酯替代，用二氧化碳臨界點(diǎn)干燥，最后用10 kV電壓噴金。觀測(cè)過(guò)程分別對(duì)如意湖、林業(yè)湖和朝陽(yáng)湖灌水器的沉積物在不同放大倍數(shù)下拍攝特征明顯部位照片。

表2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)及分析方法

2結(jié)果與分析

2.1各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)沉淀效果分析

2013年和2014年各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)(濁度、細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a、TN和TP)的沉淀效率如表3和表4所示。

由表可知，各沉淀池對(duì)濁度和細(xì)菌總數(shù)的去除率均較高：如意湖濁度去除率最高，2013年和2014年濁度平均去除率分別為61.1%和65.22%，細(xì)菌總數(shù)的平均沉淀效率分別為57.16%和41.39%；其次為朝陽(yáng)湖，林業(yè)湖沉淀去除率最低，且2013年各沉淀池濁度和細(xì)菌總數(shù)的平均沉淀效率大都高于2014年。如意湖對(duì)葉綠素a、TN和TP也有一定的去除效果，但相對(duì)于濁度和細(xì)菌總數(shù)的沉淀效率要低，而其它沉淀池對(duì)葉綠素a、TN和TP的沉淀效果均較差。

表3　2013年各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)沉淀效率

由于本研究沉淀池中含沙量很小，實(shí)驗(yàn)中無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得，所以采用水體濁度作為衡量泥沙沉淀效果的指標(biāo)。細(xì)菌總數(shù)和濁度的變化規(guī)律基本一致，隨著濁度的降低細(xì)菌總數(shù)減少。說(shuō)明泥沙對(duì)微生物具有吸附作用，大量的微生物附著生長(zhǎng)在泥沙顆粒上，隨著泥沙的沉降水體中微生物數(shù)量也減少。葉綠素a(藻類)從5月份到10月份含量持續(xù)增長(zhǎng)，表明在這個(gè)時(shí)間的水溫和光照范圍均適于藻類的生長(zhǎng)繁殖，且各沉淀池對(duì)藻類均無(wú)顯著的沉淀效果。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(N、P)含量高的沉淀池有利于微生物(細(xì)菌和藻類)的生長(zhǎng)繁殖，有利于泥沙和微生物形成粘性體，加劇灌水器的堵塞[19-22]。

表4　2014年各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)沉淀效率

2.2各沉淀池過(guò)濾效果分析

由表5和表6可知，2013年朝陽(yáng)湖濁度過(guò)濾效率最高為60.53%，如意湖濁度過(guò)濾效率為49.15%；2014年各沉淀池濁度的過(guò)濾效率均低于2013年，且各沉淀池濁度的過(guò)濾效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50%，林業(yè)湖沒(méi)有設(shè)過(guò)濾裝置。各水質(zhì)指標(biāo)(細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a、TN和TP)過(guò)濾效果均很差，說(shuō)明過(guò)濾器對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的去除效果很弱，而且過(guò)濾器后有些水質(zhì)指標(biāo)還會(huì)有所升高，尤其是微生物在灌水器出口處大量繁殖，表明滴灌帶內(nèi)有適于微生物增長(zhǎng)的條件。過(guò)濾器雖對(duì)藻類有一定的攔截作用，但效果不明顯。

過(guò)濾器對(duì)沉淀池的凈化效果起到了很好的補(bǔ)充作用，過(guò)濾效率與后池出水濁度成正比。后池濁度高時(shí)，水中的懸浮物粗細(xì)混合，經(jīng)過(guò)濾器將粗顆粒截留下來(lái)，因而過(guò)濾效果較明顯；后池出水濁度較低時(shí)，粗顆粒懸浮物基本已沉淀，僅剩較細(xì)顆粒物經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，這些顆粒粒徑大部分都低于過(guò)濾器的孔徑，因而過(guò)濾效率較低。此外，各沉淀池過(guò)濾效率普遍較低還與過(guò)濾器的運(yùn)行維護(hù)有關(guān)，應(yīng)定期對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗，否則會(huì)降低過(guò)濾效果。

2.3各沉淀池滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞情況分析

本研究于2014年10月10日對(duì)如意湖、林業(yè)湖和朝陽(yáng)湖的田間滴灌帶進(jìn)行抽查，統(tǒng)計(jì)了灌水器的堵塞個(gè)數(shù)，計(jì)算了堵塞率。由表7可知，由于過(guò)濾效率普遍較低，各沉淀池均有一半以上的灌水器發(fā)生堵塞，如意湖和林業(yè)湖的堵塞程度較為嚴(yán)重，平均堵塞率高達(dá)79%。調(diào)查期間如意湖長(zhǎng)期沒(méi)有進(jìn)水，水質(zhì)較差，營(yíng)養(yǎng)鹽N、P含量高，導(dǎo)致微生物(細(xì)菌和藻類)的含量也增加，灌水器流道中易于形成細(xì)小顆粒物與微生物組成的粘性體。林業(yè)湖中的水長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)，且不安裝過(guò)濾器，較大顆粒物無(wú)法得到有效去除。

2.4灌水器堵塞原因分析

現(xiàn)場(chǎng)用塑封袋采集堵塞嚴(yán)重的灌水器帶回實(shí)驗(yàn)室，采用S-530型掃描電子顯微鏡對(duì)灌水器中沉積物的形態(tài)進(jìn)行分析。

如意湖灌水器沉積物掃描電子顯微鏡照片如圖1、2所示，由圖可以看出，在放大倍數(shù)為200時(shí)可觀察到微生物的絮狀結(jié)構(gòu)，放大2000倍后還看到有棱角的晶體結(jié)構(gòu)(可能是鹽類)。

表5　2013年各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)過(guò)濾效率

表6　2014年各沉淀池水質(zhì)指標(biāo)過(guò)濾效率

表7　各沉淀池滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞情況

林業(yè)湖灌水器沉積物掃描電子顯微鏡照片如圖3、4所示，由圖可以看出，放大800倍后觀察到類似于胞外分泌物，可能有藻類存在，放大2000倍后可以觀察到微生物絮狀結(jié)構(gòu)、粘液及絲狀菌結(jié)構(gòu)。

朝陽(yáng)湖灌水器沉積物掃描電子顯微鏡照片如圖5、6所示，由圖可以看出，放大2000倍后可以清晰地發(fā)現(xiàn)有微生物的絮狀結(jié)構(gòu)，放大1000倍后可同時(shí)看到絮狀、絲狀結(jié)構(gòu)和表面光滑有棱角的結(jié)晶體(可能是鹽類)。

圖1　如意湖電鏡掃描(200倍)

圖2　如意湖電鏡掃描(2000倍)

圖3　林業(yè)湖電鏡掃描(800倍)

圖4　林業(yè)湖電鏡掃描(2000倍)

圖5朝陽(yáng)湖電鏡掃描(1000倍)

Fig.5SEM result for blockage in Chaoyang

lake (1000 × magnification)

圖6朝陽(yáng)湖電鏡掃描(2000倍)

Fig.6SEM result for blockage in Chaoyang

lake (2000 × magnification)

灌水器沉積物表面粗糙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以清晰的發(fā)現(xiàn)沉積物中的微生物絮狀結(jié)構(gòu)、胞外分泌物、結(jié)晶體和微小顆粒結(jié)構(gòu)。沉積物主要為微小顆粒及微生物組成的絮狀結(jié)構(gòu)(大量存在，為主體結(jié)構(gòu))和光滑平整的類似于晶體的結(jié)構(gòu)(可能為鹽類)。微小顆粒上附著絮狀結(jié)構(gòu)沉積于流道表面，同時(shí)絲狀的菌體及其胞外分泌物在絮狀體之間起著明顯的“架橋”連接作用，并最終富集成為具有一定厚度，一定體積的沉積物穩(wěn)定團(tuán)塊，這是造成各沉淀池灌水器堵塞的主要原因[23-25]。此外，無(wú)論是微小顆粒還是晶體結(jié)構(gòu)，其本身尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于過(guò)濾器的有效過(guò)濾尺寸。由此說(shuō)明，過(guò)濾作用的確有效地控制了大顆粒在灌水器流道內(nèi)的沉積；但通過(guò)過(guò)濾器的小顆粒沉積物主要以絮狀結(jié)構(gòu)沉積于流道表面，并富集成為穩(wěn)定團(tuán)塊，單一的過(guò)濾措施很難控制其富集[26-27]。

3結(jié)論

1) 各沉淀池濁度的沉淀和過(guò)濾效率均較高，其中如意湖濁度的沉淀效果最好，朝陽(yáng)湖濁度的過(guò)濾效果最好，林業(yè)湖的沉淀過(guò)濾效果均較差。各水質(zhì)指標(biāo)(細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a、TN和TP)過(guò)濾效果均很差，而且過(guò)濾器后有些水質(zhì)指標(biāo)還會(huì)有所升高，尤其是微生物在灌水器出口處會(huì)大量繁殖。

2) 黃河水沉淀后出水濁度最高為34.4 ntu(4.5 mg·L-1)，明顯小于50 mg·L-1，但仍造成了灌水器的堵塞。本項(xiàng)目采用的網(wǎng)式過(guò)濾器主要適合于含沙量高的灌溉水源，而隨著灌溉水在沉淀池內(nèi)停留時(shí)間的增加，灌溉水質(zhì)發(fā)生了變化，營(yíng)養(yǎng)鹽N、P含量增加，微生物也大量生長(zhǎng)繁殖，而網(wǎng)式過(guò)濾器對(duì)微生物沒(méi)有明顯的過(guò)濾效果。因此，本研究建議對(duì)原有沉淀、過(guò)濾措施提出改進(jìn)方案：確定一級(jí)沉淀設(shè)于灌溉斗渠的引水口處，做成倒坡平流式沉淀池，一級(jí)沉淀池出口由9.8 km輸水渠末端進(jìn)入二級(jí)平流沉淀池，經(jīng)一、二級(jí)沉淀后，進(jìn)入泵房前，在泵房?jī)?nèi)改用疊片式砂過(guò)濾器，可有效清除灌溉水源中的砂粒、粘粒、藻類和微生物等各種污物。

3) 由灌水器堵塞野外調(diào)查情況并結(jié)合堵塞物電鏡掃描圖片可推斷朝陽(yáng)湖和如意湖灌水器堵塞的主要原因是微生物因素和化學(xué)因素，而林業(yè)湖灌水器堵塞的主要原因是物理因素和微生物因素。各沉淀池灌水器堵塞的微生物作用最為顯著，不容忽視。黃河水沉淀后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)(細(xì)菌總數(shù)、葉綠素a、TN、TP)會(huì)直接影響到灌水器沉積物中顆粒物結(jié)構(gòu)和微生物絮狀結(jié)構(gòu)的形成。

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Effect of water quality of Yellow River after sedimentation on emitter clogging in the drip irrigation system

ZHANG Xiao-jing1, YU Jian2, MA Tai-ling1,3, SONG Yao-xing2,LU Jun-ping1, DU Hui-hui3, WANG Fan1

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China;2.InstituteofWaterConservancyScienceResearch,Hohhot,InnerMongolia010018,China;3.SanyaUniversity,Sanya,Hainan572022,China)

Abstract：The sedimentation and filtration efficiencies of water-quality indexes including turbidity, the total amount of bacteria, chlorophyll A, total nitrogen, total phosphorus were analyzed in this study utilizing the monthly monitoring data from May to October in 2013 and from July to November in 2014 for the three typical sedimentation tanks in Ruyi lake, Linye lake and Chaoyang lake in Wuhai city. Through combined investigations in field and by scanning electron microscope on blockage, the cause for emitter clogging was discussed after treated with Yellow River water undergone horizontal flow sedimentation and net type filter. The results showed that the sedimentation and filtration efficiencies of turbidity for each tank were relatively high. The sedimentation efficiency of turbidity in Ruyi Lake was the highest and its average rate was 63%. The filtration efficiency of turbidity in Chaoyang Lake in 2013 was higher than other tanks, and its rate was 60.53%. The filtration effect of water-quality index was generally inferior for each tank. Flocculent structure that was formed by small particles and microorganisms was the main cause for emitter clogging by the Yellow River water undergone sedimentation and filtration. Moreover, improvement scheme was thereby proposed for the original sedimentation and filtration measures and laminated sand filter in pump house was employed after the one and two-stage sedimentation.

Keywords:drip irrigation; water quality; emitter clogging; Yellow River water; sedimentation efficiency; filtration efficiency

中圖分類號(hào)：S273.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：張曉晶(1983—)，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事水污染控制與水環(huán)境保護(hù)方面研究。 E-mail:xiaojingzhang1983@aliyun.com。通信作者：于健(1957—)，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與原理的科研工作。 E-mail：jianyu192005@aliyun.com。

基金項(xiàng)目：省水利科技項(xiàng)目“烏海市黃河水滴灌工程過(guò)濾技術(shù)研究”(SLKJ201211)

收稿日期：2015-02-15

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.41

文章編號(hào)：1000-7601(2016)02-0258-07