肥沙對微孔陶瓷灌水器堵塞的影響研究

董愛紅，蔡耀輝，趙 笑，陳 璽，張 林

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

水肥一體化可以有效控制灌溉用水量和施肥量，減少水分在運輸過程中的損耗，不僅可以提高水分和肥料利用率[1]，也可以節(jié)省灌溉和施肥時間[2-4]。但是由于水肥一體化灌溉過程中灌溉水中融入了肥料，使得滴頭堵塞的風(fēng)險大大增加[5,6]。

前人對傳統(tǒng)塑料灌水器水肥一體化過程中的堵塞情況進行了諸多研究。杜立鵬[7]等、李康勇[8]等均研究發(fā)現(xiàn)在灌溉過程中施加尿素對滴頭堵塞有加速作用。但是官雅輝[9]等研究表明渾水滴灌過程中施加尿素具有緩解滴頭堵塞的作用；施肥濃度對滴頭的堵塞形式和堵塞物淤積位置影響較小。以上研究均針對塑料滴灌灌水器在肥水、肥沙條件下的堵塞情況進行了研究，但是對堵塞產(chǎn)生原因，肥沙耦合導(dǎo)致堵塞的機理等研究較少。

微孔陶瓷灌水器是一種造價低廉、性能優(yōu)良和環(huán)保耐用的新型灌水器，有關(guān)微孔陶瓷灌水器的制備工藝、水力性能和灌溉效果等方面的研究比較多，但是有關(guān)其抗堵塞性能的研究比較少[10-15]。李向明[16]等研究表明微孔陶瓷灌水器的流量與灌溉系統(tǒng)的水頭呈正比；微孔陶瓷片的厚度和開口孔隙率對灌水器的流量均有影響。付金煥[17]等研究表明水肥灌溉時，加入不同的化肥對微孔混凝土灌水器的流量影響很大；尿素中不含難溶物質(zhì)對灌水器的流量沒有影響。對于微孔陶瓷灌水器，灌溉過程中水流通過微孔陶瓷中微孔進行滲流灌溉，與傳統(tǒng)塑料灌水器不同，因此有必要對其在水肥一體化條件下的堵塞情況進行研究。灌溉水中一般均含有泥沙等雜質(zhì)，因此研究水肥一體化灌溉時，有必要考慮泥沙與肥水耦合作用下灌水器的堵塞情況。

綜上所述，為了進一步確定砂基微孔陶瓷灌水器在肥沙條件下的抗堵性能，以微孔陶瓷灌水器水器為研究對象，通過肥水試驗和肥沙試驗，研究了微孔陶瓷灌水器在肥水試驗和肥沙試驗條件下灌水器的平均相對流量的變化規(guī)律，并利用光學(xué)顯微鏡和X射線衍射儀對堵塞物形貌和成分進行了分析，以揭示肥水灌溉條件下微孔陶瓷灌水器堵塞機理，從而為微孔陶瓷灌水器的大面積推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)試驗大廳進行。試驗裝置由不銹鋼水箱、攪拌機、水泵、壓力表、控制閥門、量杯和微孔陶瓷灌水器組成[圖1(a)]。不銹鋼水桶水箱為周長2 m，高0.5 m的圓柱形箱體，上端固定攪拌機，攪拌機額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，通過攪拌機攪拌使渾水混合均勻。水泵到毛管處的支管長度為1 m，毛管長2.5 m，支管內(nèi)徑為20 mm，毛管內(nèi)徑為16 mm，共布設(shè)4條毛管，毛管間距為25 cm，每條毛管上布置7個灌水器，灌水器間距為30 cm，共28個灌水器。灌水器采用西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院自主研制的砂基微孔陶瓷灌水器[圖1(b)]。灌水器為圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，尺寸為4.0 cm×2.0 cm×8.0 cm(外徑×內(nèi)徑×高)，灌水器陶瓷內(nèi)部均勻分布著平均孔徑為7 μm左右的微孔，可以實現(xiàn)灌溉水的運移和消能。灌水器在1 m工作壓力時的流量為0.07 L/h。

圖1 試驗裝置與微孔陶瓷灌水器示意圖Fig.1 schematic of device and micro porous emitter irrigator ceramic

試驗用水為楊凌示范區(qū)居民自來水。試驗選用肥料為尿素[CO(NH2)2](陜西渭河重化工有限責(zé)任公司)，含氮量≥46.6%，尿素極易溶于水且無任何雜質(zhì)，溶液呈透明狀。泥沙采用渭河天然河沙，將河床淤泥表面的樹枝、草等雜質(zhì)剔除之后，收集深度為0～15 cm表層淤泥，將采回的樣品混合均勻后，帶回實驗室風(fēng)干，過120目篩網(wǎng)，收集小于0.125 mm的泥沙，泥沙顆粒組成采用激光粒度分析儀(MS2000型，馬爾文，英國)測定，結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗所用泥沙粒徑Fig.2 Particle sizedistribution of test sediment

1.2 試驗方法與測定內(nèi)容

試驗分為清水(自來水)灌溉試驗、肥水(尿素+自來水)堵塞試驗和肥沙(尿素+泥沙+自來水)耦合堵塞試驗3個處理。考慮到黃河水含沙量大，泥沙顆粒小的特點，為了加速灌水器堵塞，縮短試驗時間，泥沙濃度選用2 g/L。根據(jù)生產(chǎn)實踐的施肥濃度，配置質(zhì)量濃度為3%的尿素溶液。試驗采用1 m壓力水頭，為了獲得穩(wěn)定的灌水器流量，試驗前先通清水4 d，計算微孔陶瓷灌水器流量的平均值，并將其作為微孔陶瓷灌水器的初始流量，然后開始后續(xù)試驗處理。一個處理完成后，灌水器全部換同一批次燒結(jié)的未試驗的灌水器進行下一處理試驗，處理1、清水灌溉試驗，繼續(xù)通入清水10 d；處理2、肥水灌溉試驗，通入加入3%的尿素溶液的肥水10 d；處理3、肥沙灌溉試驗，通入加入3%的尿素、2 g/L的泥沙的肥沙水10 d。

測定流量時，將量杯置于每個灌水器下方，開始計時，1 h后取出量杯稱量，然后換算成灌水器流量，每天測試2次(8∶00與18∶00)。試驗結(jié)束后，每條毛管依次取2個灌水器，待其完全風(fēng)干后進行解剖。解剖灌水器后采用光學(xué)顯微鏡(蔡司Axio Scope. A1 MAT 材料金相顯微鏡)檢測觀察灌水器剖面泥沙的分布情況，然后利用圖像處理軟件Digimizer測量附著層厚度，照片內(nèi)的附著層等距量取4個厚度，取4個測量值的平均值作為該處附著層的厚度。而后收集微孔陶瓷灌水器內(nèi)壁的沉積物和試驗所用泥沙，利用X射線衍射儀(Bruker D8 Advance A25，角度重線性±0.000 1°，測角儀半徑≥200 mm，角度范圍10～80°)對堵塞物質(zhì)化學(xué)成分進行分析。

1.3 評價指標與方法

灌水器的平均相對流量直觀的表征了滴灌系統(tǒng)灌水器的出流情況，進而反映了滴灌系統(tǒng)整體的堵塞狀況。用平均相對流量Dra來評價系統(tǒng)中灌水器的堵塞程度，Dra計算公式為：

(1)

式中：Dra為灌水器平均相對流量，%；i為灌水器序號；n為灌水器總數(shù)；qi為第i個灌水器的流量，L/h；q0為灌水器設(shè)計流量，L/h。

我國《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[18]認為當(dāng)灌水器流量小于設(shè)計流量的75%時灌水器已經(jīng)發(fā)生嚴重堵塞；國際微灌系統(tǒng)關(guān)于灌水器堵塞測試標準草案對滴灌堵塞的定義為：當(dāng)灌水器流量降幅達到25%～30%則認為發(fā)生嚴重堵塞。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水器平均相對流量隨時間的變化

圖3給出了清水試驗、肥水試驗、肥沙耦合試驗條件下微孔陶瓷灌水器平均相對流量隨時間的動態(tài)變化過程。從圖3中可以看出，清水條件下微孔陶瓷灌水器的平均相對流量隨時間變化幅度很小，維持在98%附近。肥水灌溉條件下加入尿素后，在50～260 h內(nèi)微孔陶瓷灌水器的平均相對流量呈逐漸減小的趨勢，變化幅度較大，在260 h以后灌水器的平均相對流量變化幅度很小，基本趨于穩(wěn)定，維持在85%附近，大于75%，所以在肥水灌溉條件下微孔陶瓷灌水器不會發(fā)生嚴重堵塞。肥沙耦合條件下，在50～210 h內(nèi)灌水器的平均相對流量呈逐漸減小的趨勢，下降幅度比較大，在200 h以后，灌水器發(fā)生嚴重堵塞，其平均相對流量小于75 %，但是在210 h以后灌水器平均相對流量維持在72%附近波動，隨時間變化幅度很小。

肥水灌溉條件下，在50～260 h內(nèi)灌水器的平均相對流量減小是由于加入尿素后，微孔陶瓷灌水器內(nèi)壁和微孔會吸附少部分尿素，導(dǎo)致灌水器平均相對流量下降，但不會引起灌水器發(fā)生嚴重堵塞，并且微孔陶瓷灌水器出流前后尿素濃度未發(fā)生明顯變化。灌溉水經(jīng)過灌水器前肥料濃度為3%，經(jīng)過灌水器消能后燒杯內(nèi)尿素濃度為2.98%。

肥沙耦合條件下，灌水器平均相對流量下降的主要原因可能在于泥沙的沉積，在50～210 h內(nèi)隨著灌溉時間的增加，沉積在灌水器內(nèi)壁的泥沙越來越多，并形成一層泥沙膜，泥沙膜會阻礙水流的通過，從而導(dǎo)致在50～210 h內(nèi)灌水器平均相對流量隨時間下降速度比較快。隨著灌溉時間的進一步增加，泥沙會逐漸覆蓋整個灌水器內(nèi)壁，但是由于泥沙膜仍是一層多孔的透水介質(zhì)，并不會完全堵塞灌水器出流，因此隨著時間的變化，泥沙對灌水器平均相對流量的影響逐漸減小，并最終在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動。

如果以平均相對流量的75%為評判灌水器堵塞的標準，從圖3可以看出，只有在肥沙耦合條件下，微孔陶瓷灌水器會發(fā)生嚴重堵塞。但是在210 h后微孔陶瓷灌水器的平均相對流量在72%附近波動，隨時間變化幅度很小。并且微孔陶瓷灌水器是一種連續(xù)不間斷灌溉的新型灌水器，不同于傳統(tǒng)的滴灌方式，雖然在肥沙灌溉條件下，微孔陶瓷灌水器發(fā)生嚴重堵塞，但是由于微孔陶瓷灌水器灌溉的不間斷性，依然能夠滿足灌溉條件。

圖3 灌水器的平均相對流量隨時間的變化過程Fig.3 Schematic of the average relative flow of the emitter over time

2.2 沉積物的分布及微觀形態(tài)

圖4給出了肥水和肥沙耦合條件下微孔陶瓷灌水器內(nèi)壁沉積物的沉積情況。從圖中可以看出，在肥水灌溉條件下微孔陶瓷灌水器內(nèi)壁基本沒有沉積物。在肥沙耦合條件下灌水器內(nèi)壁沉積了一層厚厚的泥沙，形成一層泥沙膜。試驗結(jié)束后將取樣灌水器內(nèi)壁泥沙膜的厚度進行統(tǒng)計(圖5)，毛管泥沙膜的平均厚度為48～252 μm，泥沙膜厚度沿毛管逐漸減少，在毛管前端灌水器內(nèi)壁泥沙層厚度大于毛管末端。

肥水灌溉條件下，由于尿素是一種極易溶于水且無任何雜質(zhì)的氮肥，試驗過程中較難生成沉積物，所以灌水器內(nèi)壁未觀察到明顯的沉積物附著。在肥沙耦合條件下，由于管道中的水流流速比較小，流動過程中隨著能量的消耗，不足以攜帶大顆粒泥沙隨水流運動，大顆粒泥沙會沿毛管逐漸沉積，所以沉積層厚度沿毛管逐漸減小。

圖4 不同灌溉條件下灌水器內(nèi)壁的沉積物Fig.4 Sediment on the inner wall of emitters under different irrigation conditions

圖5為不同灌溉條件下微孔陶瓷灌水器微觀圖。從圖5中可以看出，在肥水灌溉條件下，其微觀照片與清水條件下差異較小，因此流量減小的原因可能是由于尿素分子在微孔陶瓷內(nèi)部有一定的吸附，導(dǎo)致過水?dāng)嗝嫔杂袦p小造成的。但在肥沙耦合條件下，微孔陶瓷灌水器微孔中并沒有泥沙顆粒和尿素結(jié)晶存在，但是泥沙顆粒在灌水器內(nèi)壁形成一層泥沙層(150 μm左右)，這是因為90%以上的泥沙粒徑大于20 μm小于120 μm，只有不到2%的泥沙粒徑小于7 μm(圖2)。雖然微孔陶瓷灌水器的平均孔徑為7 μm，但是泥沙粒徑總體大于微孔陶瓷灌水器的微孔孔徑，因此不會進入微孔內(nèi)部。同時在泥沙溶液中加入尿素后，尿素會破壞水的結(jié)構(gòu)，溶液黏度會降低，泥沙顆粒之間相互吸附團聚的能力減弱，提高了渾水的介電常數(shù)，但是隨著泥沙顆粒的減小，凝聚力逐漸大于靜電常數(shù)，所以懸浮物在灌溉過程中逐漸形成大的團聚體，并不會進入微孔陶瓷灌水器的微孔中。肥沙耦合條件下，微孔陶瓷灌水器內(nèi)壁形成泥沙膜是流量下降的主要原因。

圖5 不同灌溉條件下灌水器微觀圖Fig.5 Microscopic of emitter under different irrigation conditions

2.3 沉積物成分分析

圖6為微孔陶瓷灌水器X射線衍射圖譜，圖6(a)為微孔陶瓷灌水器灌溉前后的X射線衍射圖譜，可以看出灌溉前后微孔陶瓷灌水器的成分沒有發(fā)生變化，在灌溉過程中泥沙顆粒并沒有進入微孔陶瓷灌水器的微孔中，微孔陶瓷灌水器的微孔吸附的肥料較少，對微孔陶瓷灌水器影響較小。圖6(b)為肥沙耦合條件下灌水器內(nèi)壁沉積物的X射線衍射圖，可以看出沉積物的主要成分為二氧化硅、碳酸鈣和硅酸鈣。由于泥沙的主要成分為二氧化硅和硅酸鈣，而碳酸鈣則主要是由于自來水中Ca2+，HCO3-與空氣中二氧化碳反應(yīng)所致。

圖6 X射線衍射圖譜Fig.6 XRD patterns

灌溉過程中泥沙會先在灌水器內(nèi)壁沉積，由于碳酸鈣生成比較緩慢，會隨泥沙在灌溉過程中逐漸吸附在泥沙顆粒表面，隨泥沙沉積在微孔陶瓷灌水器的內(nèi)壁。因此肥沙耦合條件下，灌水器內(nèi)壁形成的泥沙膜是導(dǎo)致微孔陶瓷灌水器發(fā)生嚴重堵塞的主要原因。

3 結(jié) 論

(1)以平均相對流量的75%作為堵塞的評判標準，肥沙耦合條件下，在灌溉200 h以后，微孔陶瓷灌水器會發(fā)生嚴重堵塞，肥水灌溉條件下不會發(fā)生嚴重堵塞。

(2)肥沙耦合條件下，泥沙顆粒會在微孔陶瓷灌水器內(nèi)壁逐漸形成一層泥沙膜，泥沙膜的主要成分為SiO2、碳酸鈣和硅酸鈣，在灌溉過程中逐漸沉積在微孔陶瓷灌水器的內(nèi)壁，并不會進入微孔陶瓷灌水器的微孔中。泥沙膜的形成是引起微孔陶瓷灌水器發(fā)生堵塞的主要原因。