地下滴灌不同毛管抗負(fù)壓堵塞性能試驗(yàn)研究

王榮蓮，任志宏，莫 彥，王建東，于 健

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014109；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010051；3.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

地下滴灌是將滴灌毛管埋在土壤中的先進(jìn)灌溉技術(shù)，可將水和養(yǎng)分直接灌到作物根區(qū)[1,2]，有效減少土壤蒸發(fā)和地表徑流[3-5]，同時不影響田間耕作。與其他灌溉方式相比，地下滴灌節(jié)水增產(chǎn)優(yōu)勢比較明顯[6]，是今后微灌發(fā)展的方向之一[7]，備受國內(nèi)外專家和學(xué)者的重視，但該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用尚處于起步階段，而且面臨著萎縮的困境。目前制約地下滴灌系統(tǒng)縱深發(fā)展的一個重要原因是系統(tǒng)易堵塞，其中一種堵塞方式是負(fù)壓堵塞，是由于在關(guān)閉地下滴灌系統(tǒng)時,管網(wǎng)中易產(chǎn)生負(fù)壓，可將毛管外壁的微小土粒吸入滴頭流道,而造成堵塞[8-13]。目前主要解決措施包括：一是在系統(tǒng)局部高點(diǎn)(包括首部、各級管道等)安裝進(jìn)排氣閥,來消除負(fù)壓[14,15]，存在問題是當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時,使用的進(jìn)排氣閥數(shù)量太多,且有時不能完全消除負(fù)壓；二是國外的措施，即在毛管末端安裝沖洗管和沖洗閥，定期對系統(tǒng)進(jìn)行自動沖洗[17,18]，但我國目前還未研制出相關(guān)適用性較強(qiáng)的自動沖洗設(shè)備，故應(yīng)用范圍不是很廣泛；三是研制專用防負(fù)壓堵塞滴頭，如以色列NETAFIM公司研制的出水口形式為舌片式的滴頭,在負(fù)壓作用下可將舌片關(guān)閉避免土壤顆粒進(jìn)入滴頭[19]。國攀等[20]研究得出灌水器及土壤類型對地下滴灌負(fù)壓堵塞的影響顯著，壓力補(bǔ)償式灌水器抗負(fù)壓堵塞性能優(yōu)于流量可調(diào)式灌水器；在紅壤土中比黃沙土中更易出現(xiàn)負(fù)壓堵塞現(xiàn)象；灌溉方式(灌溉次數(shù)、單次灌水量、灌水間隔)對灌水器負(fù)壓堵塞的影響顯著。目前我國在防負(fù)壓堵塞專用設(shè)備還不是很成熟的條件下,使用常規(guī)的地表滴灌設(shè)備是難以避免的，故開展常用滴灌帶在不同土壤內(nèi)的抗負(fù)壓堵塞性能試驗(yàn)研究尤為重要。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年在內(nèi)蒙古呼和浩特市東郊園藝科技試驗(yàn)中心的日光溫室內(nèi)進(jìn)行，采用目前國內(nèi)外常用的3種類型滴灌帶(管)，分別為單翼迷宮式滴灌帶、內(nèi)鑲片式滴灌帶及內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管，型號分別為MGD16×300-2.57-100、NFG16×300-1.53-100及DN16×300-3.62-100，額定壓力都為100 kPa，額定流量分別為2.57、1.53及3.62 L/h，滴頭間距都為300 mm，壁厚分別為0.2、0.3及0.6 mm。試驗(yàn)土樣為內(nèi)蒙古自治區(qū)具有代表性的東部赤峰市松山區(qū)、中部呼和浩特市后桃花村、西部巴彥淖爾市磴口縣土壤，土壤類型分別為黏壤土、壤土及砂壤土，黏性由高到低，土壤0～80 cm內(nèi)平均容重分別為1.36、1.44及1.53 g/cm3，田持(體積含水量)分別為39%、25%及21%。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置包括供水水箱、訂制的DC50E系列三相直流水泵(帶電位調(diào)速器)、輸水管、土箱、地下滴灌帶(管)、壓力表、KN213金屬管浮子流量計(jì)、負(fù)壓計(jì)、閥門、回水管、回水水箱、水循環(huán)式真空泵(內(nèi)部按照電接點(diǎn)真空表)、三通、閥門及負(fù)壓計(jì)等。

試驗(yàn)土箱采用訂制的110×100×90 cm(長×寬×高)鋼化玻璃箱(安裝3個滴頭，滴頭間距30 cm)，每個土箱內(nèi)埋設(shè)滴灌帶(管)3層，每層3條，共9條滴灌帶(管)。供水和回水水箱采用訂制的20×20×50 cm(長×寬×高)鋼化玻璃箱，箱體四周貼皮尺，用于測試、校核灌水流量。水循環(huán)式真空泵、三通及閥門安裝到滴灌帶之前的供水管上。水泵帶電位調(diào)速器，方便調(diào)速調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。試驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖見圖1。

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4、6-閥門；5-回水管；7-壓力表；8-流量計(jì)；9-滴灌帶(管)；10-土箱；11-土壤；12-回水水箱；13-閥門；14-水循環(huán)式真空泵圖1 抗負(fù)壓堵塞性能試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在3種土壤內(nèi)測試3種類型滴灌帶(管)，共9個處理，每處理重復(fù)3次。試驗(yàn)前，先對土壤容重、顆粒組成、田持進(jìn)行取樣測試，用環(huán)刀取0～20、20～40、40～60、60～80 cm內(nèi)原狀土，用烘干法測試各層容重；用篩分法測試土壤顆粒組成，確定土壤質(zhì)地；用環(huán)刀法測試0～20、20～40、40～60、60～80 cm內(nèi)土壤田持。將試驗(yàn)所需土樣運(yùn)到試驗(yàn)場地后，先過1 mm篩，灑水到最優(yōu)含水率攪拌均勻后分層裝入各自土箱，按實(shí)測0～80 cm內(nèi)各層容重進(jìn)行裝土，每裝5 cm夯實(shí)一次，然后將表層刨毛，再裝上層，依次進(jìn)行。裝土到設(shè)計(jì)滴灌帶(管)埋設(shè)高度時，將事先在空氣中測試了壓力、流量關(guān)系曲線的3種滴灌帶(管)，沿土箱長度方向穿孔鋪設(shè)，每條3個滴頭，距離箱壁25 cm，滴灌帶(管)首末兩個滴頭距離箱壁也為25 cm。除單翼迷宮式滴頭外，其他滴灌帶(管)滴頭向上，防止滴頭堵塞。在距離每條滴灌帶20 cm處安裝2支負(fù)壓計(jì)。為保證與實(shí)際運(yùn)行情況一致，待其他設(shè)備安裝好后，讓每條滴灌帶(管)穩(wěn)定運(yùn)行一段時間，壓力始終保持0.10 MPa，通過負(fù)壓計(jì)讀數(shù)控制，使每條滴灌帶(管)周圍的初始土壤含水量一致后，開始負(fù)壓堵塞試驗(yàn)。試驗(yàn)時，將電接點(diǎn)真空表設(shè)置在-30 kPa(從試驗(yàn)的可行性及效果考慮確定，并盡量接近實(shí)際負(fù)壓值)，關(guān)閉水源，打開真空泵，使滴頭處形成負(fù)壓，當(dāng)真空表讀數(shù)指到-30 kPa時，真空泵自動關(guān)閉，系統(tǒng)停止運(yùn)行，穩(wěn)定一段時間后，再通過流量計(jì)及供水水箱水位變化來測定該滴灌帶(管)的流量。依次逐條循環(huán)測試，通過流量變化反映其負(fù)壓堵塞程度(因?yàn)楣嗨床捎米詠硭?，水質(zhì)較好，可排除由水質(zhì)不良造成的堵塞；該類試驗(yàn)不種植作物，故可排除根系入侵堵塞，只有負(fù)壓堵塞的可能)。每個處理共進(jìn)行了72次灌水、抽真空的循環(huán)，此時幾條滴灌帶(管)的流量已有明顯降低，試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Office 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌帶(管)流量變化規(guī)律分析

繪制不同土壤內(nèi)不同處理3次重復(fù)的平均流量隨時間的變化曲線，見圖2。

圖2 不同土壤內(nèi)不同滴灌帶(管)流量隨時間變化曲線

由圖2(a)可知，每種處理滴頭流量總體都呈下降趨勢，但下降幅度不同，赤峰市黏壤土中，內(nèi)鑲柱狀滴灌管下降較明顯，流量下降0.43 L/h，下降12%，其余兩種下降不明顯。

由圖2(b)可知，呼市壤土內(nèi)，單翼迷宮式滴灌帶下降最明顯，流量下降0.86 L/h，下降34%，其次為內(nèi)鑲柱狀滴灌管，流量下降0.43 L/h，下降12%，內(nèi)鑲片式滴灌帶下降不明顯。

由圖2(c)可知，巴彥淖爾市砂壤土內(nèi)規(guī)律與呼市土內(nèi)類似，單翼迷宮式滴灌帶下降最明顯，流量下降0.43 L/h，下降12%，其余兩種下降不明顯。

2.2 負(fù)壓堵塞程度評價

目前國內(nèi)外尚沒有判別滴灌帶(管)堵塞的標(biāo)準(zhǔn)，ISO/TC23/SC18“Clogging test methods for emitters”初稿建議當(dāng)擬評價滴灌帶(管)流量與參考滴灌帶(管)流量[同一滴灌帶(管)在空氣中額定壓力下的自由流量]之比小于75%時，即流量降低百分?jǐn)?shù)Rq超過25%時，認(rèn)為發(fā)生了堵塞[23]。本文采用這一標(biāo)準(zhǔn)對滴灌帶(管)的堵塞情況進(jìn)行評價。

本試驗(yàn)只有在呼市壤土內(nèi)，單翼迷宮式滴灌帶流量降低34%，超過了25%，認(rèn)為發(fā)生了堵塞；在砂壤土中流量下降12%，繼續(xù)試驗(yàn)，發(fā)生堵塞的可能較大。由此可見，單翼迷宮式滴灌帶用于地下滴灌時，一定要特別注意做好管路中防負(fù)壓裝置的安裝設(shè)計(jì)。內(nèi)鑲片式滴灌帶抗負(fù)壓堵塞性能較好，在3種土壤內(nèi)都沒有出現(xiàn)明顯的堵塞現(xiàn)象。內(nèi)鑲柱狀滴灌管在黏壤及壤土內(nèi)流量下降均為12%，若繼續(xù)試驗(yàn)，有發(fā)生堵塞的趨勢。該類滴灌管與其余兩種滴灌帶相比，除滴頭流道不同外，其流量最大，說明增大流量并不能明顯降低負(fù)壓堵塞。

3 結(jié) 語

通過開展單翼迷宮式滴灌帶、內(nèi)鑲片式滴灌帶及內(nèi)鑲圓柱狀滴灌管分別在黏壤土、壤土及砂壤土內(nèi)的抗負(fù)壓堵塞性能試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)單翼迷宮式滴灌帶抗負(fù)壓堵塞性能較差，在壤土內(nèi)流量降低34%，發(fā)生了堵塞；在砂壤土中流量下降12%，繼續(xù)試驗(yàn)，發(fā)生堵塞的可能較大。

(2)內(nèi)鑲片式滴灌帶抗負(fù)壓堵塞性能較好，在3種土壤內(nèi)都沒有出現(xiàn)明顯的堵塞現(xiàn)象。

(3)內(nèi)鑲柱狀滴灌管在黏壤及壤土內(nèi)流量下降均為12%，若繼續(xù)試驗(yàn)，有發(fā)生堵塞的趨勢。該類滴灌管與其余兩種滴灌帶相比，除滴頭流道不同外，其流量最大，說明增大流量并不能明顯降低負(fù)壓堵塞。