石羊河流域玉米膜下滴灌過濾器性能選型研究

王 睿，王文娥，胡笑濤(西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100 )

石羊河流域位于甘肅省河西地區(qū)，屬干旱地區(qū)，農業(yè)生產“非灌不殖”，主要利用雪山融水及地下水灌溉，水資源嚴重短缺。經過多年實踐，膜下滴灌已成為當地主要的節(jié)水灌溉技術，大大促進了當地農業(yè)的發(fā)展。水肥一體滴灌系統(tǒng)可以很好地實現覆膜后的作物追肥，但由于液態(tài)肥料價格高，當地生產多用固體化肥，導致滴灌系統(tǒng)易發(fā)生堵塞，更換堵塞管道使投資大幅度提高，很多用戶放棄使用這項先進節(jié)水技術。因此迫切需要根據當地水源及種植模式，采取有效措施來減輕水肥一體膜下滴灌系統(tǒng)堵塞問題。

滴灌水肥一體灌溉施肥過程中，常采用固體化肥溶解于水中，其中部分未溶解的固體肥料顆粒隨水流進入滴灌管和灌水器，引起堵塞，降低灌溉均勻度和使用壽命，因此在施肥設備與滴灌管之間設置過濾設備防止堵塞發(fā)生。目前，國內外學者對過濾設備的過濾性能及影響因素進行了大量研究。葉成恒，范興科[1]等認為在泥沙處理方面，離心疊片類過濾器泥沙處理能力明顯優(yōu)于離心篩網類過濾系統(tǒng)；在能量損耗方面，離心篩網類過濾器的水力性能優(yōu)于離心疊片類。劉煥芳，王軍[2]等對網式過濾器進行了系統(tǒng)的水力性能試驗，指出過濾器的局部水頭損失變化與過濾流量、過濾時間、水源含沙量有關。李楠，翟國亮[3]等研究分析認為疊片過濾器其水頭損失均隨加砂量的增加而呈非比例的增加，在加砂量達到一定量時，水頭損失出現激增，并迅速達到或超過安全壓差。阿不都沙拉木，彭立新[4]等認為120目以上的疊片式過濾器的過濾效率是網式過濾器的2倍多，堵塞時間是網式過濾器的4倍。

在石羊河流域膜下滴灌系統(tǒng)多運用壓差式施肥罐裝置施肥，并采用高目數過濾器對難溶于水的肥料顆粒進行過濾，過濾效果雖好，但水頭損失大、清洗頻繁。本文采用兩級過濾器組合形式，在使用當地常用的化肥情況下觀測過濾效果及水頭損失情況，以確定適宜的過濾器組合方式和運行模式，為提高當地玉米水肥一體膜下滴灌抗堵塞性能提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

本試驗于2016年5-9月在甘肅省石羊河生態(tài)節(jié)水試驗站內進行。該試驗站地處騰格里沙漠邊緣，平均海拔1 581 m，干旱指數15～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸發(fā)量2 000 mm以上，屬于典型的干旱缺水地區(qū)。

1.2 試驗設計

1.2.1 水源來源

實驗站水源為井水，經過砂石過濾器后通過管道水送到試驗地頭。水中主要含有碳酸氫根離子、硫酸氫根離子及氯離子等陰離子；陽離子主要含有鈣離子、鉀離子及鎂離子。pH值8.0，礦化度510，總硬度250 mg/L，為中性偏弱堿性淡水，水質微硬。

1.2.2 滴灌系統(tǒng)布置

試驗地長55 m，寬22 m，共占地1 210 m2(0.12 hm2)。采用當地先玉四號玉米種植，膜下滴灌采用一膜一帶兩行種植方法，膜寬40 cm，玉米株距25 cm，行距40 cm。玉米定植前布置滴灌系統(tǒng)、覆膜，滴灌系統(tǒng)包括水源、干管、壓差式施肥罐、一級過濾器、支管、二級過濾器、毛管及壓力表、閥門、水表等，其中壓差式施肥罐容積13 L，一級過濾器采用疊片80目(D80)、疊片40目(D40)及網80目(W80)3種，二級過濾器采用目數一致的網式和疊片式120目(W120、D120)兩種，滴灌帶采用當地常用的內鑲柱形滴灌管、側翼迷宮式滴灌帶及內鑲貼片式滴灌帶3種，共27個處理，各處理形式見表1。

具體布置如圖1所示，試驗地劃分為9個試驗小區(qū)(4.4 m×18 m)，3個施肥系統(tǒng)，每3個小區(qū)并聯組成一個獨立的滴管系統(tǒng)進行灌水施肥。每個小區(qū)由一條干管控制，每條干管控制3條支管，每條支管控制一個小區(qū)的3條毛管(滴灌帶長18 m)。干管首部設置閥門、施肥罐及管件用來控制灌水量、施肥量；水表、精密壓力表(0.25 MPa)安裝位置見圖1，過濾器規(guī)格見表1和表2。

表1 小區(qū)過濾裝置組合形式

注：D為疊片式過濾器，W為網式過濾器；下標L、M及N分別為內鑲柱形滴灌管、側翼迷宮式滴灌帶及內鑲貼片式滴灌帶。

1-水泵；2-閥門；3-水表；4-精密壓力表；5-取水口；6-一級過濾器；7-二級網式過濾器；8-二級疊片式過濾器圖1 試驗滴灌系統(tǒng)布置圖

過濾器類型目數孔徑/μm網式800.1801200.125疊片式400.400800.2001200.130

1.2.3 試驗方法與步驟

該大田試驗首部設有施肥裝置，一次施肥灌溉一條干管控制的3個小區(qū)面積。試驗采用壓差式施肥罐，施肥罐在運行最初15 min肥液濃度由最大迅速下降，隨后45 min趨于穩(wěn)定，后3種肥液濃度幾乎均接近于清水，即施肥結束。試驗過程中每種肥料每次隨水施肥1 h，首部壓力控制為0.16 MPa，施肥罐壓差0.1 MPa，過濾器首部壓力0.06 MPa。當系統(tǒng)運行平穩(wěn)后，每15 min觀測記錄一次壓力表、水表的讀數。灌水施肥結束后取出濾網(芯)，觀察并記錄濾網(芯)的堵塞情況，為保證滴灌系統(tǒng)的正常運行，將濾網(芯)進行人工清洗。

玉米生育期內共進行4輪灌水施肥，根據當地灌溉施肥量，試驗設定灌水定額223 mm，化肥施用總量尿素8 kg、硫酸鉀4 kg及磷酸二氫銨6 kg，將其平均分配到4輪灌水中，每輪施用量均等，再分配到每個滴灌系統(tǒng)化肥用量尿素2 kg(施肥質量分數0.1%)、硫酸鉀1 kg(施肥質量分數0.04%)及磷酸二氫銨1.5 kg(施肥質量分數0.1%)。

2 結果與分析

2.1 一級過濾器過濾效果及堵塞因素分析

運用壓差式施肥罐，運行初期罐內肥液濃度值最大，相應未溶液的固體肥料顆粒最多，施肥罐內一部分未溶解的固體肥料顆粒隨肥液進入管道。滴灌施肥過程中未溶解的肥料固體顆粒通過過濾器時，部分被濾網(芯)攔截，使濾網(芯)有效過水面積逐漸減小，引起過濾器局部水頭損失增大；同時施肥罐內流出的肥液中挾帶有固體顆粒，其含量在隨時間變化，故過濾器的堵塞程度也在隨之變化；部分顆粒在重力作用下會沉積在管道內，若不及時清理不僅使過濾器堵塞程度逐漸加劇，增加水頭損失，也會對管道造成一定程度的腐蝕。肥料種類及流量不同時，施肥罐內溶解的肥料量及未溶解的肥料顆粒大小也不盡相同，因此需要根據肥料的種類確定適宜的過濾器目數及清洗周期，以保證系統(tǒng)正常運行。

圖2和圖3給出了只設一級過濾器(D80、D40及W80)條件下，分別施加N、K、P肥及清水過程中過濾器流量、水頭損失隨時間變化的過程。1 h灌溉清水過程中流經過濾器流量0.04 m3/min左右，流量大小只有過濾器允許最大過流量的1/10，因此三者的水頭損失大小都極小且接近于0。對比N、K肥料，流量則比清水灌溉時降低了0.01 m3/min左右且保持平穩(wěn)過流量，其水頭損失大小卻增加了0.1 m其值占總水頭損失的2%。根據水頭損失變化曲線看到，施加N肥(施肥質量分數0.1%)和K肥(施肥質量分數0.04%)不會引起過濾器有效過水面積急劇減小，二者肥料均溶解于水但伴有少量雜質導致水頭損失的小幅度增加。所以施加N、K肥不是影響滴頭堵塞的主要因素，從而滴灌施肥保障了N、K肥能有效隨水流入田間，提高了施肥及灌水效率。

圖2 3種一級過濾器不同肥料和清水條件下流量變化曲線

滴灌系統(tǒng)實際運行過程中，從節(jié)約能源考慮，過濾器的水頭損失以不超過3 m為宜，即當過濾器造成的局部水頭損失達到3 m時，應對其進行清洗[11]。同時，過濾元件清潔度C(過濾元件的實際過水面積與其總過水面積之比)[2]與水頭損失呈負相關關系，它可以直接反應過濾元件是否需要清洗。同樣，利用一級過濾器(D80、D40及W80)施加P肥(施肥質量分數0.1%)，從圖2(d)看到，15 min內D80、W80的水頭損失已增大到3 m左右其值占總水頭損失的50%，其后45 min內沒有明顯變化，三者流量相對于清水灌溉有明顯不同程度的降低依次是D80、W80、D40。造成過濾器短時期內堵塞的主要原因是施肥罐運行初期罐內不溶解的肥料顆粒含量最多、濃度最大，因此前15 min大量不溶于水肥料顆粒在水流作用下從施肥罐內輸送至管道，引發(fā)大量顆粒肥料聚集在濾網和疊片流道凹槽內使濾網(芯)短時間被堵塞85%以上，即C≤0.2，水頭損失達到3 m，導致D80、W80的流量相比于清水灌溉降低了50%左右，而后隨著水流不斷注入罐內，使罐內肥液濃度急速降低、不溶顆粒含量減小，少許肥料顆粒附著在濾網(芯)上不足以引起濾網(芯)相對有效面積的增加，可見施肥罐運行初期罐內肥液濃度高、不溶肥料顆粒含量多是導致過濾元件被堵塞的直接原因。由圖3(d)還看出D40水頭損失大小在施肥過程中是逐漸增大到1 m的，其值占總水頭損失的17%，造成水頭損失變化不明顯的原因是D40過濾精度低，大部分未溶解于水中的顆粒可以無阻礙通過疊片流道致使過濾器水頭損失增幅甚微，隨著施肥的繼續(xù)進行，濾芯上較大的肥料顆粒緩慢累積，有效過水面積逐漸減小，導致水頭損失大小呈現緩慢且小幅度增加，流量與N、K肥情況下幾乎保持不變?？梢?，P肥溶解度低是導致過濾器堵塞的主要原因，過濾器的堵塞程度可通過其水頭損失大小反映，水頭損失大小與過濾器濾網(芯)的有效過水面積呈正相關，其有效過水面積與施肥的種類、濃度、時間密切相關，還與濾網(芯)過濾精度間接相關。

圖3 3種一級過濾器不同肥料和清水條件下水頭損失變化曲線

2.2 二級組合過濾器過濾效果及堵塞因素分析

一級過濾器堵塞程度與過濾器濾網(芯)的有效過水面積呈正相關，與流量呈反相關。當一級過濾器堵塞程度大，則有效過水面積急劇減小，流量大幅下降，致使肥液無法流入田間，為此是否有必要加二級過濾器再次過濾，進行了設有二級過濾器的水頭損失、流量隨時間的試驗。如圖4所示，施P肥(施肥質量分數0.1%)下6組不同組合類型的過濾器流量、水頭損失隨時間變化過程。從圖4可以看到設有二級W120的D80/W80+W120組合方式的水頭損失在15 min內均達到最大總水頭損失6 m，流量均降至0，即過濾器幾乎完全堵塞，查看過濾器堵塞狀況，見表3，一級(D80、W80)、二級(W120)過濾器堵塞率均在90%以上，造成流量降至0的主要原因是二級W120的完全堵塞；二級設有D120的D80/W80+D120組合方式的水頭損失在15 min內增大到4～5 m其值占總水頭損失的66%～83%，15 min后水頭損失下降了1 m其值占總水頭損失的17%，查看堵塞狀況，一級過濾器(D80、W80)濾網(芯)被堵塞均在85%以上(即C≤0.15)，二級D120濾芯被堵塞不到30%(即C≥0.7)。

因此從圖2～圖4可以看出組合過濾器的水頭損失、流量大小與一、二級過濾器堵塞程度密切相關，但流入毛管的流量大小則主要取決于二級過濾器的有效過水面積。由于一級過濾器過濾精度較低，過濾大顆粒雜質，當堵塞程度大時，由于這些大顆粒雜質形狀不規(guī)則，相互“咬合”不緊密，使得水流依靠縫隙穿過。二級過濾器過濾精度較高，當發(fā)生堵塞程度嚴重時，顆粒物質相互“咬合”緊密，水流幾乎無法繼續(xù)前行。進一步影響二級過濾器流量不同的原因在于其構造及水通過的流向不同：網式過濾器構造簡單，通過簡單的一層薄濾網過濾雜質，只是簡單的平面過濾，其水流是由內到外的，沒有切向水流，大部分雜質堆積在濾網內；而疊式過濾器運行過程中，水流是從外通過疊片流道進人疊片內部，疊片通過彈簧和流體壓力壓緊，壓差越大，疊片壓得越緊，且水由疊片外緣通過溝槽流向疊片內緣，經過多個過濾點形成深層過濾，雜質附著在疊片外表面，形成過濾效果，水流通過一段較長狹窄流道才能達到過濾效果。

通過過濾原理的不同還可以看到水頭損失大小與過濾器的類型相關。網式過濾器的濾網可以在短時間內減小濾網有效過水面積，堵塞程度未達到一定范圍對流量、水頭損失大小影響并不大，而通過疊片式過濾器過濾需要經過流道內的多個過濾點才能達到過濾效果，其堵塞時間比網式過濾器要長，故抗堵塞性能遠遠好于網式過濾器。因此，肥液通過一級過濾器(D80、W80)過濾掉大顆粒肥料后，其余的小顆粒肥料隨著水流流入W120，短時期內大量小顆粒附著在濾網上造成有效過水面積急劇減小，濾網被堵塞達90%以上(即C≤0.1)，流量降至0，水頭損失大幅增加達到最大6 m；而流入D120后大部分顆粒肥料附著在了濾芯外部，一部分小顆粒肥料進入流道內進行深層過濾，短時間內水頭損失增大到4～5 m，隨后15 min水頭損失下降，該原因可能是在水壓的沖擊下附著在濾芯外部的雜質剝落，使得壓差有所回落。

過濾器水頭損失大小還與過濾器的過濾精度相關聯。由圖4(b)還可看出D40+W80/D120組合形式的水頭損失大小均不到1 m其值僅占總水頭損失的17%，濾網(芯)被堵塞不到20%(即C≥0.8)，可見未溶解于水的肥料顆粒大部分均小于D40的孔徑大小0.4 μm，使得大部分大顆粒肥料通過D40，但這些通過的大顆粒肥料并沒有在水流的帶動下流入到二級過濾器，而是經過管道拐彎、收縮等部位時與管道內壁產生了碰撞、摩擦造成一部分顆粒雜質在摩擦、碰撞過程中能量降低聚集在了管道內，致使顆粒雜質并沒有進入二級過濾器進行二次過濾，在沖洗管道過程中觀察到有大量顆粒物質從干管中沖刷出來，驗證了大顆粒雜質大部分未流入到二級過濾器中進行二次過濾。二級過濾器水頭損失大小主要與堵塞影響相關，同時還與過濾器類型、精度相關。

圖4 過濾器的水頭損失、流量隨時間變化過程

2.3 二級過濾器優(yōu)勢分析

多設一級過濾器的過濾效果同只有一級過濾器的過濾效果是否有所差異，為此我們選擇其中一種內鑲圓柱形滴灌管，根據其滴頭流量大小來反過來判斷過濾器設置的合理性。首先對施加一次P肥(施肥質量分數0.1%)下只有一級過濾器和設有二級過濾器的滴頭相對流量進行大小比較，如表3所示其值可以反應過濾器的過濾效果是否良好。選取已知的內鑲柱式滴灌管的流量～壓力關系式：q=13.91H0.605[5]，已知清水灌水壓力0.06 MPa下灌水器流量2.45 L/h。由施肥流入灌水器的流量與清水灌溉下灌水器的流量比值得到滴頭相對流量。看到設有二級(D120)過濾器后的滴頭相對流量比設有一級(D80、W80)過濾器后的滴頭相對流量分別提高4%、10%左右?？梢姸塛120及D120可以對小顆粒肥料雜質進行二次過濾，在一定程度上緩解了滴頭的堵塞程度，提高了肥液的利用效率，且W80緩解滴頭堵塞的能力要高于D80。D40的滴頭相對流量理論上應該比D80、W80的滴頭相對流量小，但實際要大很多，可見肥料大顆粒雜質沒有經過二級過濾器(W120、D120)，而是沉積在了管道內，進一步說明經由D40肥液中的大顆粒肥料未進入到下一級過濾器中。因此，得出過濾效果由好到差依次是：W80>D80>D40。

表3 一次施P肥下過濾器堵塞率及毛管的滴頭相對流量 %

其次，在四輪灌水施肥過程中，未對支管后的毛管進行任何處理，因此毛管的累積堵塞程度可以反應過濾器在連續(xù)運行過程中的過濾器過濾效果是否有所下降，對累積4次施加K、P肥情況下毛管的滴頭相對流量進行比較見表4。連續(xù)4次累積施加K肥時，當只有一級過濾器(D80、W80)時，其后的滴頭相對流量隨著施肥次數的增加逐漸下降到初次施肥流量的40%左右，當設有二級過濾器(W120、D120)時，隨著施肥次數的增加其后的滴頭相對流量降幅有所緩解，比只有一級過濾器(D80、W80)后的滴頭相對流量提高了20%左右。連續(xù)4次累積施加P肥時，當只有一級過濾器(D80、W80)時，其后的滴頭相對流量隨著施肥次數的增加流量大幅度下降。其中下降幅度最大的是一級D80的3種情形，下降大小分別是58%、45%及56%；下來是一級W80的3種情形，下降大小分別是48%、33%及36%。設有二級D120的下降幅度均最小，由此可見二級D120的過濾效果要優(yōu)于W120。在只設有一級D80后的滴頭相對流量在第3次施P肥時發(fā)生完全堵塞，W80在第4次施P肥時發(fā)生完全堵塞，可見累積4次施加K肥并未使滴頭發(fā)生堵塞，而累積四次施加P肥對滴頭造成完全堵塞。因此一級W80在一定程度上減緩了滴頭的堵塞，但連續(xù)多次施肥下會導致滴頭完全堵塞直至流量降為0，設有二級過濾器(W120、D120)后，一定程度上可以提高施肥次數，延長滴頭使用壽命。綜上所述，設有二級過濾器具有明顯優(yōu)勢，提高了肥液的利用率。

表4 4次累積施K、P肥條件下滴頭相對流量 %

3 過濾器組合及系統(tǒng)運行模式優(yōu)化分析

對6組過濾器組合形式進行探討，由于P肥中大部分未溶解的肥料顆粒粒徑小于D40孔徑(0.4 μm)大小，排除掉過濾精度較低的D40的組合形式。首先從過濾器水頭損失、流量大小來看(見圖4)，W80/D80+D120的組合方式最優(yōu)，其流量大小比施加N、K肥流量相差不大，水頭損失達到總水頭損失的50%。其次對過濾器后的毛管滴頭流量大小進行比較，見表4，滴頭流量降幅最大的是D80+W120的組合形式，最小的是W80+D120的組合形式。最終得出，W80+D120的組合形式最優(yōu)，過濾效果最好且可以最大限度地延長滴頭使用壽命，提高肥液利用率。

針對壓差式施肥罐在初始階段施肥液中不溶顆粒過多造成過濾器短時間內堵塞嚴重，提出滴灌系統(tǒng)運行模式的優(yōu)化方案：將流出施肥罐初始階段的肥液用一分支管道導出，運行開始首先關閉主管道閥門，開啟導出肥液的分支閥門，一段時間后再關閉分支閥門繼續(xù)肥液的輸送。其難點在于分流導出時間的把握，既不能讓大量肥液被分流出也不能讓不溶于水的顆粒物質堵塞滴灌系統(tǒng)。

4 結 語

通過在石羊河流域膜下滴灌系統(tǒng)水肥一體運行過程中，由兩級過濾器不同組合條件下的過濾效果及水頭損失大小試驗，得到以下結論。

(1)過濾器水頭損失的增加與濾網(芯)的有效過水面積呈正相關。但一級W80發(fā)生嚴重堵塞(濾網被堵塞達85%以上，即C≤0.15)時其過流量并沒有大幅度減小，其原因是濾網有效過水面積短時期內急劇減小，但堵塞物質在濾網上形成一層咖色結痂物，隨后肥液濃度降低在較大水壓的沖擊下，在結痂物上形成了許多細小孔隙，肥料由此穿過，對流量影響較小。

(2)膜下滴灌系統(tǒng)水肥一體運行過程中，設二級過濾器(W120、D120)相比只設有一級過濾器而言具有一定優(yōu)勢，一次施P肥下設有二級過濾器的滴頭平均流量與只設有一級過濾器的滴頭平均相對流量相比提高了3%～10%；累積連續(xù)四次施K、P肥下滴頭平均流量對比，發(fā)現W80相比D80可以延緩滴頭堵塞時間，且使用二級D120比W120多提高20%左右的滴頭平均流量。

(3)由兩級過濾器不同組合條件下的過濾效果及水頭損失大小試驗來分析最優(yōu)組合形式，認為D40精度過低，無法過濾掉大顆粒物質使得這些物質最終沉淀、聚集在管道內無法再次進行二次過濾；相同堵塞程度下D80水頭損失比W80大很多，對流入二級過濾器的初始水頭損失有一定削弱，從而影響毛管滴頭出流量。對于二級過濾器的選取需要選擇抗堵塞性能較好的過濾器，從滴頭的出流量大小可以看出D120的抗堵塞性能要優(yōu)于W120，且疊片式過濾器在短時期內水頭損失與網式過濾器水頭損失大小相差不到1 m。從過濾器水頭損失、過濾效果及毛管滴頭的流量來看，W80+D120的組合形式最優(yōu)。

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