不同類型灌水器滴頭對(duì)沼液抗堵塞性能的影響

鄭杰， 陳紅， 孟令劍， 李善軍， 馬露暢

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部柑橘全程機(jī)械化科研基地，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430070）

沼液是沼氣池內(nèi)各種農(nóng)作物秸稈及其他有機(jī)廢棄物經(jīng)密封厭氧發(fā)酵后的殘留液體，沼液中富含豐富的氮、磷、鉀、微量元素和吲哚酸、腐殖酸等生物活性物質(zhì)[1]。合理利用沼液可以顯著提高種子發(fā)芽率、增加作物產(chǎn)量、減少環(huán)境污染，目前已有大量學(xué)者利用沼液代替化學(xué)肥料進(jìn)行施肥并取得了較好的效果[2]。合理的灌溉方式是保證沼液高效施肥的前提，滴灌作為我國(guó)大力發(fā)展的水肥一體化技術(shù)，具有節(jié)水省工、減肥增產(chǎn)的特點(diǎn)，相比噴灌和溝灌，滴灌施肥受環(huán)境影響小，肥料的利用效率高[3-4]，目前已得到廣泛的應(yīng)用。但應(yīng)用滴灌施肥時(shí)，由于滴頭流道結(jié)構(gòu)小，長(zhǎng)期使用易發(fā)生堵塞，導(dǎo)致灌水均勻度下降，影響施肥質(zhì)量，甚至影響整個(gè)滴灌系統(tǒng)的正常使用[5]，且滴頭類型不同，流道結(jié)構(gòu)也有所差異，導(dǎo)致滴頭抗堵塞能力也不同。

按照流道結(jié)構(gòu)不同，目前常見的滴頭類型可以分為片式、圓柱式和壓力補(bǔ)償式，不同類型的滴頭抗堵塞性能差異較大。溫圣林等[6]發(fā)現(xiàn)滴頭結(jié)構(gòu)系數(shù)相同時(shí)圓柱滴頭抗堵塞性更好；李久生等[7]發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行再生水和地下水滴灌時(shí)，片式補(bǔ)償?shù)晤^抗堵塞性能優(yōu)于補(bǔ)償管上式滴頭；Zhou 等[8]發(fā)現(xiàn)，利用地下水滴灌時(shí)圓柱滴頭抗堵塞性優(yōu)于片式滴頭；劉海軍等[9]發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行再生水滴灌堵塞試驗(yàn)時(shí)，壓力補(bǔ)償孔口式抗堵塞性優(yōu)于單翼迷宮式。綜上所述，滴頭的抗堵塞性除了和自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與灌溉水質(zhì)有聯(lián)系。沼液作為厭氧微生物發(fā)酵的產(chǎn)物，微生物含量較高，發(fā)生生物堵塞的可能性較大[10]，其次沼液中含有大量Ca、Cu 和Mg等金屬元素[11]，長(zhǎng)期施用可與水中的等離子反應(yīng)生成化學(xué)沉淀，使滴頭發(fā)生化學(xué)堵塞，同時(shí)沼液中還含有大量的固體懸浮物和菌絲等物質(zhì)[12]，過(guò)濾不徹底時(shí)容易沉積在滴頭流道使滴頭發(fā)生物理堵塞。合理選取滴頭可以有效防止堵塞、延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命、降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

滴頭按照安裝方式的不同還可以分為管上打孔式和內(nèi)鑲滴灌帶式，相比管上打孔，滴灌帶安裝方便、即鋪即用、成本較低。因而，本文選擇片式和圓柱2 種典型的內(nèi)鑲式滴灌帶進(jìn)行沼液滴灌堵塞試驗(yàn)，通過(guò)分析滴頭堵塞動(dòng)態(tài)變化，對(duì)比不同類型滴灌帶滴頭的抗堵塞能力的差異，探究滴頭堵塞機(jī)理，為沼液用滴灌帶的選型和抗堵塞措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)用水取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘產(chǎn)業(yè)果園自來(lái)水，沼液取自湖北省鄂州市華容區(qū)段店鎮(zhèn)老七生態(tài)養(yǎng)殖農(nóng)莊，成分和主要金屬元素的基本參數(shù)如表1 所示。選用2 種片式滴頭、2 種圓柱滴頭、1 種片式補(bǔ)償?shù)晤^5 種滴頭，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 滴頭結(jié)構(gòu)基本參數(shù)Table2 Basic parameters of irrigation emitter

試驗(yàn)裝置由沼液桶、離心泵、120 目疊片式過(guò)濾器、壓力表和滴頭等組成，如圖1 所示。其中沼液桶為容積為4 000 L 的圓柱形PE 塑料桶；離心泵（25WBZ3-8）為浙江建亞泵業(yè)有限公司生產(chǎn)，功率為250 W，額定流量3 m3·h-1，最大揚(yáng)程10 m；壓力表為0～1.6 MPa真空液體壓力表；減壓閥采用可調(diào)壓力的活塞式減壓閥；過(guò)濾器為120目疊片式過(guò)濾器，額定流量5 m3·h-1，額定水壓8 kg·cm-2，由廣州順綠噴灌設(shè)備有限公司生產(chǎn)；2 L·h-1片式滴頭、3 L·h-1片式滴頭、2 L·h-1圓柱滴頭、3 L·h-1圓柱滴頭和片式補(bǔ)償?shù)晤^分別購(gòu)自南寧合興利電氣設(shè)備有限公司、廣州順綠噴灌設(shè)備有限公司、山東華維節(jié)水灌溉有限公司、山東田源節(jié)水灌溉科技有限公司以及美國(guó)托羅公司。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究表明，滴頭在灌水壓力不超100 kPa時(shí)抗堵塞性能變化較小[13-14]。結(jié)合滴頭設(shè)計(jì)廠商推薦壓力數(shù)值，在100 kPa灌水壓力內(nèi)對(duì)滴頭進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。設(shè)定毛管初始灌水壓力為10 kPa，依次增加10 kPa，直到壓力達(dá)到100 kPa 結(jié)束，測(cè)試毛管首尾單個(gè)滴頭流量。結(jié)果表明，當(dāng)灌水壓力為80 kPa時(shí)，首尾滴頭流量差值最小，灌水過(guò)程中流量波動(dòng)最平穩(wěn)，因而堵塞試驗(yàn)的灌水壓力80 kPa。為了防止試驗(yàn)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，灌水試驗(yàn)設(shè)置2 根滴灌帶作為重復(fù)，每根滴灌帶長(zhǎng)10 m，滴頭間隔0.3 m，則單根滴灌帶包括30個(gè)滴頭。堵塞試驗(yàn)灌溉頻率為每天2 次，每次3 h，試驗(yàn)開始前通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥穩(wěn)定滴灌壓力，灌溉結(jié)束后通入自來(lái)水進(jìn)行清洗，滴頭流量測(cè)定采用稱重法，沼液配比表示沼液與水的體積比，設(shè)置為1∶1和1∶3[15]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 灌水性能評(píng)價(jià) 灌水性能用平均相對(duì)流量性能和灌水均勻度2個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下。

式中，qr為平均相對(duì)流量，%；qi為第i個(gè)滴頭沼液流量，L·h-1；q0為滴頭額定流量，L·h-1；n為測(cè)試的滴頭數(shù)，個(gè)；Cu為克里斯琴森均勻系數(shù)，表征灌水均勻度，%；為各滴頭平均流量，L·h-1。

1.3.2 抗堵塞性能評(píng)估 滴頭流道結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)和抗堵塞性有關(guān)，本文利用圓柱和片式滴頭抗堵塞能力快速評(píng)估辦法[16]，計(jì)算5 種滴頭的抗堵塞性能評(píng)估指數(shù)。

式中，Ia-CE為圓柱式滴頭抗堵塞性能指數(shù)；Ia-FE為片式滴頭抗堵塞性能指數(shù)；Q為滴頭額定流量，L·h-1；L為滴頭的長(zhǎng)度，mm；W為滴頭的寬度，mm；D為滴頭的深度，mm。

1.4 堵塞物質(zhì)測(cè)定

堵塞物質(zhì)利用德國(guó)D8 ADVNCE X 射線衍射儀和美國(guó)Nicolet 5DXC 傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定。將完成堵塞試驗(yàn)后的滴頭拆卸下來(lái)，利用自來(lái)水將滴頭流道口和流道內(nèi)部的堵塞物質(zhì)沖洗至燒杯，放入100 ℃烘箱烘干，48 h 以后收集待測(cè)樣品。將干燥樣品分為2 份：一份直接放入X 射線衍射儀進(jìn)行分析；從另一份樣品粉末中取出2 mg加入200 mg 溴化鉀粉末混合均勻，在壓膜機(jī)中抽真空加壓制成溴化鉀薄片，然后再放入傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型滴頭相對(duì)流量和灌水均勻度變化

圖2 所示為不同沼液配比條件下5 種滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度隨灌水次數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖2 可知，2 種沼液配比滴灌時(shí)，E5 平均相對(duì)流量和灌水均勻度下降速度最快，E1和E3下降稍慢，E2和E4下降速度最慢。在沼液配比1∶1條件下，在20次灌水前，5種滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度波動(dòng)變化，在20 次灌水以后，E1、E3 和E5 下降速度加快，灌水結(jié)束時(shí)，它們的平均相對(duì)流量和灌水均勻度分別為46%、35%、31%和53%、50%、38%，E2 和E4 在灌水期間流量和灌水均勻度呈波動(dòng)變化，灌水結(jié)束時(shí)其平均相對(duì)流量和灌水均勻度分別為68%、65%和73%、70%；在沼液配比1∶3條件下，5種滴頭的相對(duì)流量和灌水均勻度呈波動(dòng)變化，灌水結(jié)束時(shí)，E2 的平均相對(duì)流量和灌水均勻度最高，分別為83%和85%，E5 的平均相對(duì)流量和灌水均勻度最低，僅為51%和61%。

圖2 不同沼液配比條件下滴頭相對(duì)流量和灌水均勻度變化曲線Fig.2 Variation curves of relative flow rate and irrigation uniformity of irrigation emitter under different methane ratio conditions

綜合分析表明，2 種沼液配比條件下不同滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度有差異，說(shuō)明不同類型滴頭抗堵塞能力不同。結(jié)合滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度下降趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，E5 抗堵塞性最差，其次為 E1 和 E3，E2 和 E4 較好，說(shuō)明滴頭的抗堵塞性與額定流量及滴頭類型有關(guān)，抗堵塞性最好的為額定流量最大的片式滴頭，片式補(bǔ)償?shù)晤^抗堵塞能力最差；同類型滴頭，額定流量越大抗堵塞能力強(qiáng)。

2.2 不同類型滴頭相對(duì)流量和灌水均勻度的動(dòng)態(tài)變化

將5 種滴頭的平均相對(duì)流量和灌水均勻度進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3 所示，不同類型滴頭均表現(xiàn)為線性關(guān)系，擬合度良好。

表3 為各滴頭灌水均勻度和平均相對(duì)流量的擬合直線關(guān)系式，所有擬合曲線的R2均大于0.9，說(shuō)明滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度具有明顯的線性關(guān)系，灌水均勻度隨著平均相對(duì)流量的下降而逐漸降低，與圖3 表現(xiàn)一致。斜率表示灌水均勻度和平均相對(duì)流量的相對(duì)下降速度。沼液配比為1∶3 時(shí)，沼液配比增大時(shí)，斜率沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明沼液配比不影響堵塞發(fā)生進(jìn)程；2 種沼液配比條件下5種滴頭的斜率均小于1，說(shuō)明灌水均勻度下降速度小于平均相對(duì)流量下降速度，表明沼液滴灌滴頭堵塞進(jìn)程比較均衡，沒(méi)有出現(xiàn)大顆粒物質(zhì)突然堵塞滴頭流道的情況，滴頭堵塞應(yīng)是沼液中微小顆粒物質(zhì)緩慢累積所致。

表3 平均相對(duì)流量和灌水均勻度擬合關(guān)系Table3 Fitting relation of average relative discharge and irrigation uniformity

圖3 不同沼液配比條件下滴頭平均相對(duì)流量和灌水均勻度的擬合關(guān)系Fig.3 Fitting relationship between relative flow rate and irrigation uniformity of irrigation emitter under different methane ratio conditions

2.3 不同類型滴頭堵塞數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)不同滴頭的堵塞個(gè)數(shù)占各分段滴頭總數(shù)的百分比（相對(duì)流量小于75%時(shí)視為發(fā)生堵塞）（圖4）。當(dāng)沼液配比為1∶3 時(shí)，E1、E3 和 E5 堵塞數(shù)量較多，E2 和 E3 堵塞數(shù)量較少，堵塞滴頭主要集中在中后段；當(dāng)沼液配比為1∶1時(shí)，5種滴頭上滴頭堵塞數(shù)量增加，E1、E3和E5中后段完全堵塞，滴頭前段大部分發(fā)生堵塞，E2 和E4 前、中、后段均有大量滴頭發(fā)生堵塞，堵塞滴頭數(shù)量呈現(xiàn)后段＞中段＞前段的趨勢(shì)，說(shuō)明增大沼液配比會(huì)加大滴頭堵塞的幾率；當(dāng)?shù)晤^長(zhǎng)度一定時(shí)，堵塞優(yōu)先發(fā)生在滴頭后段并逐漸向前段發(fā)展，這與前人的研究結(jié)果一致[17-20]。

圖4 不同沼液配比條件下滴頭堵塞數(shù)量Fig.4 Number of irrigation emitter head blockage under different methane ratio conditions

周博[16]通過(guò)量綱分析建立的滴頭抗堵塞評(píng)價(jià)指數(shù)Ia能夠較為有效地進(jìn)行滴頭抗堵塞性快速評(píng)價(jià)，將片式滴頭和圓柱滴頭的流道參數(shù)代入公式（3）和（4），得到E1、E2、E3 和E4 的Ia分別為3.31、2.47、0.68 和1.15，由于Ia計(jì)算僅僅針對(duì)非壓力補(bǔ)償式滴頭，而E5是壓力補(bǔ)償?shù)晤^，故不納入統(tǒng)計(jì)。整體來(lái)看，本研究選用的片式滴頭的抗堵塞性指數(shù)大于圓柱式的抗堵塞性指數(shù)，說(shuō)明片式滴頭整體抗堵塞能力強(qiáng)于圓柱滴頭，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。在相同流量條件下，2 L片式滴頭堵塞發(fā)生在灌水30次左右，而2 L·h-1圓柱滴頭堵塞發(fā)生在35次左右，灌水結(jié)束時(shí)，片式滴頭堵塞數(shù)量更少，說(shuō)明片式滴頭更適用于沼液施肥。

2.4 沼液滴灌堵塞物質(zhì)成分分析

2.4.1 堵塞物質(zhì)的X 射線衍射分析 圖5 分析結(jié)果表明，堵塞物質(zhì)成分主要含量為二氧化硅（SiO2），參考 Kumar 等[21]的研究，判斷沼液滴灌滴頭堵塞物質(zhì)的產(chǎn)生主要來(lái)源為沼液中的無(wú)機(jī)固體顆粒懸浮物。堵塞物質(zhì)中鈣鎂化合物沉淀含量較少，說(shuō)明未發(fā)生明顯的化學(xué)堵塞[22]。

圖5 堵塞物質(zhì)X射線衍射分析Fig.5 XRD analysis of the plugged material

2.4.2 堵塞物質(zhì)的傅里葉紅外光譜分析 從圖6 可以看出，3 065.13 cm-1處的吸收峰代表的是芳烴=C-H 伸縮和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰，說(shuō)明堵塞物質(zhì)含有銨鹽[23-24]；1 646.68 cm-1處吸收峰則是脂肪族C=N 基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，表明堵塞物質(zhì)中含有蛋白質(zhì)[25]。462.96 cm-1代表的是的PO4的對(duì)稱變動(dòng)峰，說(shuō)明堵塞物質(zhì)中還含有磷酸鹽物質(zhì)[25]。綜上所述，堵塞物質(zhì)中含有蛋白質(zhì)等有機(jī)組分和銨鹽磷酸鹽等無(wú)機(jī)化合物，表明滴頭中可能發(fā)生了生物堵塞。

圖6 堵塞物質(zhì)傅里葉紅外光譜分析Fig.6 Analysis of Fourier infrared spectroscopy of clogged material

3 討論

灌溉水源多樣化是滴頭發(fā)生堵塞的重要原因，不同的水質(zhì)會(huì)導(dǎo)致滴頭產(chǎn)生不同的堵塞[26-33]。滴頭堵塞會(huì)造成滴灌系統(tǒng)的均勻度下降，導(dǎo)致施肥不均，從而影響作物產(chǎn)量。

沼液在常溫條件下性質(zhì)穩(wěn)定、電導(dǎo)率較大，呈弱堿性，屬于灌溉水中的劣質(zhì)水源，易引起滴頭的中等堵塞[34]。本研究中沼液在常溫條件下穩(wěn)定2 875 μs·cm-1左右，說(shuō)明沼液中含有大量的電解質(zhì)，當(dāng)利用沼液進(jìn)行滴灌時(shí)，沼液中的帶電陽(yáng)離子會(huì)增強(qiáng)沼液中的懸浮物絮凝強(qiáng)度及沉降度，濃度越高，增強(qiáng)效果越明顯，這與本研究數(shù)據(jù)相一致，沼液配比越大，滴頭堵塞發(fā)生的時(shí)間越短，堵塞程度更大。沼液中含有革蘭氏陽(yáng)性菌是造成再生水滴灌滴頭堵塞的優(yōu)勢(shì)菌種[35]，而沼液滴頭堵塞與此類菌種的相關(guān)性還需進(jìn)一步分析。在灌水20 次之前，滴頭相對(duì)流量呈波動(dòng)變化，說(shuō)明初始的堵塞物質(zhì)與壁面的黏附力較差，抗水流剪切力的能力低，不易凝聚。隨著滴灌的繼續(xù)進(jìn)行，滴頭內(nèi)部在長(zhǎng)期的干濕交替變化過(guò)程中，部分微生物會(huì)在流道壁面逐漸生長(zhǎng)繁殖并分泌多糖和胞外聚合物，多糖物質(zhì)具有吸附作用，多糖含量越高，沉積物抗沖刷能力越強(qiáng)[36]，抗剪切力的能力就越大，在灌水中后期階段，滴頭堵塞的程度加快。沼液中含有大量的Ga 離子和Mg 離子，在堿性環(huán)境中易形成碳酸鈣和碳酸鎂沉淀，而本研究堵塞物質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)明顯的化學(xué)類沉淀，說(shuō)明沼液滴灌施肥不易發(fā)生化學(xué)類堵塞。綜上所述，沼液中滴頭堵塞以物理堵塞和生物堵塞結(jié)合為主，說(shuō)明單級(jí)120 目過(guò)濾器過(guò)濾效果有限，建議增加多級(jí)過(guò)濾以及定時(shí)清洗過(guò)濾器從而降低滴頭發(fā)生物理堵塞的可能性。

5 種滴頭灌水均勻度和相對(duì)流量均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。溫圣林等[6]認(rèn)為，滴頭的抗堵塞性和滴頭結(jié)構(gòu)系數(shù)有關(guān)，結(jié)構(gòu)系數(shù)相同時(shí)，渾水滴灌圓柱滴頭抗堵塞性優(yōu)于片式滴頭；還有部分學(xué)者認(rèn)為滴頭抗堵塞性與滴頭的流道尺寸有關(guān)[28,36]。通過(guò)量綱分析建立的滴頭抗堵塞評(píng)價(jià)指數(shù)Ia能夠較為有效地進(jìn)行滴頭抗堵塞性快速評(píng)價(jià)，從結(jié)果分析，本次試驗(yàn)選用的片式滴頭整體抗堵塞能力強(qiáng)于圓柱滴頭，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，片式滴頭的堵塞程度更輕。研究中還發(fā)現(xiàn)，滴頭堵塞的規(guī)律也與其額定流量呈一定的相關(guān)性，額定流量越大的灌水器，其堵塞的程度更小。同時(shí)沼液水肥配比也會(huì)影響灌水器的堵塞，水肥配比越大，其懸浮顆粒物質(zhì)越多，滴頭堵塞程度越深，這與李康勇等[33]的研究一致，其認(rèn)為施肥會(huì)明顯加快滴頭堵塞，施肥濃度越大，加速效果越明顯。綜上所述，本研究認(rèn)為，在滴灌時(shí)采用沼液配比1∶3，滴頭選用3 L·h-1的片式滴頭可以保證沼液滴灌系統(tǒng)的有效運(yùn)行。