硬水灌溉陶瓷灌水器堵塞特性研究

聶一品，郝志豪，高子涵，魯成澤，陳慧芳，劉燕芳，陳俊英,3

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽(yáng) 712100； 2. 魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 煙臺(tái)264025；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 咸陽(yáng) 712100)

受水資源短缺的限制，我國(guó)仍有較大面積農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)利用高硬度地下水進(jìn)行灌溉[1]。對(duì)于缺水且水質(zhì)較硬的地區(qū)，滲灌無(wú)疑是最有利的農(nóng)業(yè)灌溉方式[2,3]。但存在于硬水中的無(wú)機(jī)質(zhì)及可溶性鹽類(lèi)等物質(zhì)會(huì)造成灌水器的堵塞[4]。因此探究硬水滲灌系統(tǒng)中堵塞物質(zhì)的形成過(guò)程和機(jī)理對(duì)預(yù)防和處理滲灌系統(tǒng)灌水器的堵塞問(wèn)題具有重要意義。

為此，本文選用同種砂基陶瓷灌水器，采用地下水和配置3種不同硬度的灌溉水，組成硬水陶瓷灌水器灌溉系統(tǒng)，試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定其流量變化、觀察和分析堵塞物成分和堵塞物圖像研究硬水作用下堵塞物的形成機(jī)理，以便對(duì)陶瓷灌水器硬水灌溉技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)建議。

1 材料與方法

1.1 石英砂基微孔陶瓷灌水器

試驗(yàn)所用的灌水器為西北農(nóng)林科技大學(xué)自主研制的砂基管間式微孔陶瓷灌水器[24]，設(shè)計(jì)流量為0.07 L/h。砂基微孔陶瓷灌水器工作過(guò)程中，水流首先通過(guò)灌水器內(nèi)壁上的微孔隙向外滲流，然后經(jīng)過(guò)微孔陶瓷灌水器外壁-土壤界面，產(chǎn)生滲流[25]。

1.2 灌溉用水

本試驗(yàn)灌溉用水根據(jù)總硬度設(shè)置4個(gè)水平，分別記為E1、E2、E3、E4。其中，E1(對(duì)照)為楊凌區(qū)自來(lái)水；E2、E3、E4利用楊凌區(qū)自來(lái)水添加化學(xué)試劑NaHCO3與CaCl2(物質(zhì)的量比為2∶1)配制；待水質(zhì)均勻后取水樣檢測(cè)，主要指標(biāo)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)裝置與布置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行，根據(jù)水源類(lèi)型，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)相同且獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)，裝置如圖1所示(僅展示了兩組試驗(yàn))。每個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)馬氏瓶(直徑20 cm，高100 cm)和兩條平行布置的管道(長(zhǎng)2.5 m，直徑20 mm)組成。其中，馬氏瓶為系統(tǒng)提供恒定微壓(約1 m水頭)；每條管道上等間距20 cm安裝8個(gè)相同規(guī)格的砂基陶瓷灌水器，即每個(gè)處理16個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental water quality

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 The experiment system

硬水灌溉前，對(duì)4個(gè)滲灌系統(tǒng)進(jìn)行徹底清洗，并用自來(lái)水連續(xù)灌溉7 d，排空陶瓷灌水器內(nèi)部的空氣，使流量穩(wěn)定。之后，試驗(yàn)自2018年9月17日開(kāi)始至2018年11月10日結(jié)束(共55 d)，4個(gè)滲灌系統(tǒng)分別連續(xù)灌溉E1、E2、E3、E4，期間連續(xù)采集每個(gè)灌水器流量、試驗(yàn)環(huán)境溫度和濕度。試驗(yàn)期間每隔6 d清洗一次馬氏瓶，管道系統(tǒng)不再清洗。

1.4 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

灌水器的堵塞程度用同一處理下所有灌水器的相對(duì)流量的平均值，即流量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行評(píng)價(jià):

(1)

式中：Dra為平均相對(duì)流量，%；n為灌水器總數(shù)；qi為第i個(gè)灌水器的流量，L/h;q0為灌水器初始流量，L/h。

1.5 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件監(jiān)測(cè)包括環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)以及環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度和環(huán)境濕度于每日9∶00和15∶00分別用水銀溫度計(jì)(最小刻度0.5 ℃)和濕度計(jì)(最小刻度1%)進(jìn)行兩次監(jiān)測(cè)，取平均值作為當(dāng)日環(huán)境溫度和環(huán)境濕度。試驗(yàn)期間環(huán)境溫度和環(huán)境濕度變化分別如圖2和圖3所示，試驗(yàn)期間環(huán)境溫度和環(huán)境濕度最高、最低值分別為30 ℃、11 ℃和60%、5%。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行期間環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)圖Fig.2 Variation in irrigation ambient temperature during the experiment

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行期間環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)圖Fig.3 Variation in irrigation ambient humidity during the experiment

(2)灌水器流量測(cè)定。灌水器流量于每日9∶00和15∶00測(cè)定兩次，用布置于灌水器下面的量杯(容積1 L)接取30 min內(nèi)灌水器出水量。用電子天平(精度為0.1 g)測(cè)量出水量?jī)糁?，換算成灌水器流量。

(3)灌水器內(nèi)壁面附著物物分析。為探明系統(tǒng)運(yùn)行期間灌水器內(nèi)堵塞物質(zhì)成分連續(xù)變化情況，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)灌水器進(jìn)行取樣。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至第11、22、33、44、55 d時(shí)進(jìn)行取樣，每個(gè)處理每次取1個(gè)灌水器，在取樣位置用相同長(zhǎng)度的聚乙烯管連接，共計(jì)得到20個(gè)樣品灌水器。

將樣品灌水器常溫下風(fēng)干7 d后，解剖灌水器，觀察灌水器內(nèi)壁狀況，并對(duì)內(nèi)壁面附著物進(jìn)行拍照記錄。

本文分別對(duì)E1，E2，E3與E4組的堵塞沉積物進(jìn)行分析處理：首先分割陶瓷灌水器，分別收集E1，E2，E3與E4組在不同堵塞程度下，灌水器內(nèi)部相同位置、相同厚度的堵塞物；隨后對(duì)收集到的堵塞沉積物進(jìn)行X射線衍射儀掃描，以獲取多晶衍射圖譜；最后利用XRD分析軟件Jade6.5對(duì)其衍射圖像以及堵塞物樣品各物質(zhì)相對(duì)百分含量進(jìn)行分析，確定灌水器運(yùn)行過(guò)程中附著物成分的變化情況。

2 結(jié)果分析

2.1 硬水灌溉對(duì)灌水器流量的影響

圖4描述了硬水灌溉期間各處理陶瓷灌水器日均流量百分?jǐn)?shù)(Dra)的日動(dòng)態(tài)變化情況。從圖4可以看到，4個(gè)處理下的日均Dra在滲灌系統(tǒng)運(yùn)行期間存在較大波動(dòng)，這是由陶瓷灌水器本身的性質(zhì)決定的。由董愛(ài)紅等人的研究可知[26]，陶瓷灌水器因其自身的工作原理，極易受到工作環(huán)境的溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響導(dǎo)致流量出現(xiàn)波動(dòng)，而在本試驗(yàn)滲灌系統(tǒng)運(yùn)行期間，環(huán)境溫度和濕度的每日平均值均存在較大波動(dòng)(見(jiàn)圖2和圖3)，故導(dǎo)致4個(gè)處理的Dra出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖4 試驗(yàn)期間4個(gè)處理灌水器的平均相對(duì)流量百分?jǐn)?shù)的變化過(guò)程Fig.4 Variations of Dra of emitters with different hard water

為消除環(huán)境因素導(dǎo)致灌水器流量的波動(dòng)影響，本文用其移動(dòng)均值線來(lái)代表其流量平均變化過(guò)程，如圖4所示。對(duì)比4個(gè)處理的流量變化圖像可知，E1處理下Dra在系統(tǒng)運(yùn)行期間一直以較大的波動(dòng)持續(xù)至試驗(yàn)結(jié)束，在第50～55 d，流量峰值最低達(dá)到50%、最高達(dá)到140%，移動(dòng)均值未見(jiàn)持續(xù)性下降現(xiàn)象，即該處理灌水器未發(fā)生堵塞；E2、E3經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)后，其移動(dòng)均值分別在運(yùn)行的第43、38 d出現(xiàn)明顯、連續(xù)的下降過(guò)程，運(yùn)行結(jié)束時(shí)Dra分別為61.6%、57.0%；E4在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間的Dra波動(dòng)幅度較小，且流量高峰值僅106%，在灌水31 d后移動(dòng)均值持續(xù)大幅度下降，結(jié)束時(shí)灌水器Dra達(dá)到最低值34.8%，流量降幅最大。由此可知，硬水灌溉會(huì)導(dǎo)致微孔陶瓷灌水器會(huì)發(fā)生堵塞，且硬度越高，堵塞越嚴(yán)重；在滲灌系統(tǒng)運(yùn)行前期，流量波動(dòng)明顯，且下降不明顯，而在后期，流量出現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)的下降現(xiàn)象。

對(duì)E2、E3、E4分別以第43、38、31d為分界點(diǎn)將日均Dra變化過(guò)程劃分階段，分界點(diǎn)之前成為“波動(dòng)階段”，之后稱為“下降階段”。用分界點(diǎn)處的當(dāng)日流量作為初始流量，對(duì)3個(gè)處理下的兩個(gè)階段中的灌水器日均Dra分別進(jìn)行線性擬合，擬合直線的斜率k、相關(guān)系數(shù)R2及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果列于表2。從表2和圖4可以看出，第一階段4個(gè)處理的灌水器Dra未見(jiàn)明顯下降，均維持在波動(dòng)階段均值附近波動(dòng)，擬合直線斜率k為0.27～0.48，相對(duì)第二階段斜率較小，且最終流量較初始流量下降較??；第二階段擬合直線斜率在-2.59～-2.46之間，線性相關(guān)關(guān)系顯著(R2>0.733*)，即灌水器在該階段呈現(xiàn)顯著的線性下降趨勢(shì)(p<0.05)；在該階段，E2、E3和E4的擬合直線斜率絕對(duì)值逐漸增大，表明硬水濃度影響陶瓷灌水器堵塞速率，且濃度越大，灌水器堵塞速率越大。

表2 硬水灌溉灌水器Dra在兩階段的線性擬合參數(shù)Tab.2 Linear fitting parameters of emitter Dra in two stages for hard water irrigation

注：Dra=kt+b，其中：t為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；k為Dra線性擬合斜率；b為截距。 *代表在顯著性水平a=0.05達(dá)到顯著。

移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差可以體現(xiàn)每一日波動(dòng)量相于其移動(dòng)均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差[27]。表3中列出了兩個(gè)階段日均Dra數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)?？梢钥闯?，E2、E3、E4的3組處理第二階段的移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差均比第一階段的值小，說(shuō)明隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，波動(dòng)特征不明顯了，即堵塞對(duì)Dra的影響超過(guò)了環(huán)境因素；同時(shí)，在兩個(gè)階段內(nèi)，隨著硬水硬度的增加，灌水器日均Dra數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，說(shuō)明硬水抑制了灌水器Dra每日波動(dòng)。由此可知，硬水導(dǎo)致的堵塞，其對(duì)流量的影響具有時(shí)間上的累積效應(yīng)，且硬度越大，這個(gè)特性越明顯。

表3 硬水灌溉灌水器Dra在兩階段的移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

2.2 灌水器堵塞物成分與含量

獲取的樣品XRD檢測(cè)圖譜數(shù)據(jù)繪制圖5。圖5縱坐標(biāo)數(shù)值含義為被吸收的能量與照射能量的比值。在圖5每幅圖中，從下至上依次為該組中第11、22、33、44與55 d的樣品所測(cè)得X射線衍射圖譜。由圖5可觀察到E2、E3、E4的3組灌水器沉積物的多晶衍射圖譜的峰較為規(guī)整，說(shuō)明硬水的3種處理下、不同灌水時(shí)長(zhǎng)的灌水器內(nèi)沉積物組成成分比較一致。而E1組多晶衍射圖譜與E2、E3、E4的3組在衍射峰的位置上存在不同，但也較為規(guī)整，說(shuō)明在該組灌水器內(nèi)部沉積物成分與另外3組有較大的不同。

通過(guò)軟件分析，得出了不同處理在不同時(shí)期堵塞物相對(duì)含量表(見(jiàn)表4)。表4中數(shù)據(jù)為CaCO3與SiO2相對(duì)含量，由于兩種物質(zhì)相對(duì)含量總和為1，在總成分中CaCO3相對(duì)增加，則代表SiO2相對(duì)減少。檢測(cè)取樣為灌水器內(nèi)部相同位置、相同厚度的物質(zhì)，若灌水器內(nèi)部CaCO3沉積較少，則樣品中會(huì)含有較多的灌水器成分即SiO2，以至于通過(guò)X射線衍射后，樣品中極少量的CaCO3無(wú)法被檢測(cè)出。

圖5 沉積物XRD檢測(cè)圖譜圖Fig.5 Phase analysis by XRD

%

2.3 灌水器內(nèi)堵塞物圖像分析及堵塞機(jī)理

圖6給出了硬水灌溉灌水器(E4組)內(nèi)部堵塞物在第11、33與55 d的情況。其中圖6(a)為灌水器剖開(kāi)的堵塞物俯視圖，圖6(b)為堵塞物側(cè)視圖。結(jié)合圖6(a)可以看出，在E4組中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，灌水器內(nèi)表面逐漸被堵塞物覆蓋。從圖6(b)可以看出堵塞物厚度從0增長(zhǎng)至300 μm左右。綜合圖6結(jié)果可知，隨著灌水器內(nèi)部堵塞物厚度逐漸增加，灌水器內(nèi)部腔體過(guò)流能力減小并逐漸堵塞滲流通道入口，從而導(dǎo)致灌水器流量減小。

圖6 陶瓷灌水器內(nèi)堵塞物圖像(E4)Fig.6 The picture of the ceramic emitter inner stemming (E4)

用光學(xué)顯微鏡分別觀察未使用的、E4處理灌水55 d后的灌水器的自然斷面形態(tài)，如圖7所示。從圖7可以看出，硬水灌溉55 d后的陶瓷灌水器，其自然斷面試驗(yàn)形態(tài)較未使用的灌水器無(wú)明顯變化，且未見(jiàn)堵塞物存在。結(jié)合圖6堵塞物圖像可知，硬水灌溉時(shí)，水中生成的化學(xué)沉淀只會(huì)沉淀、附著在灌水器的內(nèi)壁面，不會(huì)進(jìn)入灌水器內(nèi)部孔隙。

圖7 陶瓷灌水器自然斷面拍攝圖Fig.7 The picture of ceramic emitter natural section

根據(jù)上述分析，陶瓷灌水器內(nèi)的堵塞過(guò)程是：硬水中的離子在隨灌溉水進(jìn)入灌水器的過(guò)程中，不斷發(fā)生反應(yīng)形成化學(xué)沉淀物。由于灌水器內(nèi)壁并不完全光滑，故化學(xué)沉淀隨水流滲出的過(guò)程中隨機(jī)地附著于灌水器內(nèi)壁表面，并逐漸形成一層疏松的附著層，堵塞了陶瓷灌水器滲水通道，灌水器流量相應(yīng)減小。隨著試驗(yàn)的運(yùn)行，硬水中的化學(xué)離子不斷進(jìn)入灌水器內(nèi)腔繼續(xù)沉淀，導(dǎo)致灌水器內(nèi)壁更加粗糙，更有利于沉淀形成[28]。隨著附著層的厚度不斷增大，最終造成了灌水器的堵塞。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)硬水灌溉條件下，試驗(yàn)陶瓷灌水器流量隨時(shí)間的變化過(guò)程分為“波動(dòng)階段”和“下降階段”，而自來(lái)水處理下陶瓷灌水器流量未見(jiàn)明顯下降。

(2)試驗(yàn)用硬水處理下陶瓷灌水器堵塞物成分為CaCO3，其相對(duì)含量隨著試驗(yàn)灌水時(shí)間增長(zhǎng)和試驗(yàn)硬度增加而增加。

(3)硬水灌溉條件下，灌水器內(nèi)壁面形成層狀堵塞物，但堵塞物不會(huì)進(jìn)入灌水器內(nèi)部。層狀物堵塞灌水器滲流通道是灌水器流量下降的原因。