引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞機(jī)理及措施研究進(jìn)展

王彥邦

（寧夏回族自治區(qū)銀川市農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)中心，寧夏 銀川 750000）

0 引言

水是生命之源，是人類賴以生存的自然資源，然而水資源短缺問(wèn)題已成為制約我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸之一[1]，嚴(yán)重威脅到我國(guó)糧食安全。滴灌技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛、最行之有效的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，它集灌溉、施肥于一體，能根據(jù)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求進(jìn)行適時(shí)適量灌溉，具有節(jié)水節(jié)肥、節(jié)地節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，能起到增產(chǎn)提效的作用[2]。目前除了江河湖泊等地表水以外，一些非常規(guī)水源也被作為灌溉水源。尤其是引黃滴灌系統(tǒng)，黃河水含沙量高、濁度高，水中的固體顆粒物、化學(xué)離子、微生物及有機(jī)質(zhì)等會(huì)發(fā)生一系列微觀動(dòng)力學(xué)行為，使堵塞程度加大。滴灌系統(tǒng)又集灌水施肥補(bǔ)氣加藥于一體，水肥氣藥等多種物質(zhì)發(fā)生耦合效應(yīng)，易導(dǎo)致滴灌系統(tǒng)報(bào)廢[3]。灌水器作為滴灌系統(tǒng)中最核心的部件，流道十分狹小，流道橫斷面尺寸一般只有0.50 mm～1.20 mm，極容易被灌溉水中的固體顆粒物、微生物和有機(jī)質(zhì)等堵塞，縮短滴灌系統(tǒng)的使用壽命，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[4]，因此，解決灌水器堵塞問(wèn)題對(duì)滴灌技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用十分關(guān)鍵。

基于此，本文對(duì)引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞物質(zhì)組分、形成機(jī)制和調(diào)控措施等方面的理論成果進(jìn)行了較為全面的綜述，并提出了進(jìn)一步的建議，為控制灌水器堵塞、推動(dòng)黃河流域滴灌技術(shù)大面積應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞物質(zhì)組分分析

引黃滴灌條件下，灌水器堵塞物質(zhì)主要是泥沙顆粒。系統(tǒng)運(yùn)行中，黃河水中大量表面生長(zhǎng)生物膜的泥沙顆粒將逐漸聚集在灌水器流道內(nèi)，隨著水體濁度和溫度的升高，細(xì)菌將附著在泥沙顆粒表面生長(zhǎng)繁殖，形成菌膠團(tuán)類的黏聚物，致使灌水器堵塞程度加重。水源中的泥沙顆粒物、不可溶的沉淀物質(zhì)和微生物分泌的胞外聚合物等在水動(dòng)力學(xué)條件下，通過(guò)碰撞、絮凝、生物黏附過(guò)程形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形貌復(fù)雜的多孔介質(zhì)，不斷將水體中的微生物、固體顆粒等黏附于生物膜表面生長(zhǎng)，使灌水器的出流量逐漸降低，最終導(dǎo)致堵塞[5]。而堵塞物質(zhì)中含有的藻類也加重了灌水器的堵塞程度，并且灌水器堵塞物質(zhì)與水源顆粒物的無(wú)機(jī)組分、胞外聚合物及微生物群落特征表現(xiàn)出高度的一致性[6-7]。

引黃滴灌系統(tǒng)中，灌水器堵塞主要表現(xiàn)為物理、化學(xué)和生物三種因素共同作用而引發(fā)的復(fù)合型堵塞，灌水器堵塞物為一種多物質(zhì)共存體系，是由多種物質(zhì)構(gòu)成的聚合體[8]。Zhou 等[9]借助現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，研究了灌水器中堵塞物質(zhì)的特征組分，依據(jù)理化性質(zhì)主要分為物理成分、化學(xué)成分和生物成分三種類型，物理堵塞物質(zhì)主要是泥沙顆粒，化學(xué)堵塞物質(zhì)主要包括CaCO3和MgCO3沉淀，生物堵塞物質(zhì)主要為磷脂脂肪酸和胞外聚合物，且堵塞物質(zhì)各成分之間具有明顯的線性正相關(guān)關(guān)系。薛松[10]通過(guò)研究指出堵塞的發(fā)生取決于泥沙顆粒物、鈣鎂沉淀、微生物的數(shù)量，其中，泥沙顆粒物、鈣鎂沉淀直接影響堵塞物質(zhì)的形成，且鈣鎂沉淀還在一定程度上通過(guò)影響泥沙顆粒物間接影響堵塞。由此可見，堵塞物質(zhì)的形成是灌水器內(nèi)部各特征組分之間相互影響、耦合互促的過(guò)程。

2 引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞物質(zhì)的形成機(jī)制

2.1 灌水器堵塞的主要影響因素

引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞影響因素較多，包括灌水器類型、流道幾何參數(shù)等結(jié)構(gòu)特征，毛管流速、流道近壁面水力剪切力等水力學(xué)特征，工作壓力、灌水頻率等系統(tǒng)運(yùn)行模式等，選擇適宜的灌水器類型能有效提高灌水器抗堵塞能力。研究表明，隨著灌水次數(shù)的增加，不易發(fā)生整體堵塞現(xiàn)象的是圓柱式灌水器，其次是片式灌水器[11]。不同流道結(jié)構(gòu)的灌水器堵塞程度不同，流道長(zhǎng)度、寬度、深度均對(duì)灌水器出流有影響[12]；流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)變化的影響也較為顯著，不同的齒角度和齒間距都將影響水流的湍流強(qiáng)度和近壁面流速，進(jìn)而影響灌水器的堵塞[13]。工作壓力不僅可以改變灌水器內(nèi)的水流流速，防止堵塞物質(zhì)在流道壁表面黏附生長(zhǎng)，而且能夠有效控制泥沙顆粒物在流道內(nèi)的沉積[14]。毛管流速是輸移水流中泥沙顆粒物的關(guān)鍵因素，隨著流速的變化，堵塞物質(zhì)的平均厚度、表面力及粗糙度都呈現(xiàn)出單峰型變化[15]。水力剪切力對(duì)堵塞物質(zhì)的形成、生長(zhǎng)、脫落都有著至關(guān)重要的作用，當(dāng)流道近壁面水力剪切力閾值小于0.20 Pa 或大于0.40 Pa 時(shí)，可有效降低堵塞程度[16]。灌水頻率也會(huì)影響灌水器抗堵塞性能，灌水頻率不同，灌水器堵塞物質(zhì)成分的含量差異較大，隨著灌水頻率的降低，堵塞物質(zhì)主要礦物質(zhì)成分含量逐漸增加[17]。

2.2 灌水器發(fā)生堵塞的特性

引黃滴灌系統(tǒng)中，由于黃河水水質(zhì)復(fù)雜，灌水器發(fā)生堵塞的類型主要為復(fù)合型堵塞。而由于灌水器流量一直保持持續(xù)且強(qiáng)度不同的波動(dòng)狀態(tài)，灌水器流道內(nèi)的堵塞物質(zhì)將不斷地脫落、沉積，并且這個(gè)過(guò)程隨機(jī)反復(fù)發(fā)生，致使復(fù)合型堵塞中的單個(gè)灌水器堵塞發(fā)生具有一定的隨機(jī)性；伴隨著隨機(jī)發(fā)生的過(guò)程，在水流的紊動(dòng)作用和顆粒物的碰撞作用下，沉淀在流道內(nèi)部的堵塞物質(zhì)會(huì)發(fā)生不定時(shí)的脫落，灌水器的流量隨之發(fā)生一定程度的恢復(fù)，使得灌水器的堵塞具有可恢復(fù)性的特性，但當(dāng)灌水器堵塞程度超過(guò)25%之后，其流量將急劇減小，并失去可恢復(fù)性[18]。滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞的整體性變化呈現(xiàn)出先波動(dòng)平衡后線性下降的動(dòng)態(tài)變化特征；灌水器平均相對(duì)出流量和灌水均勻度均表現(xiàn)出系統(tǒng)運(yùn)行前期緩慢波動(dòng)變化，后期迅速降低的變化趨勢(shì)，但不同類型的灌水器平均相對(duì)出流量和灌水均勻度整體下降差異較大，灌水器的流量變差系數(shù)呈現(xiàn)出先波動(dòng)變化后線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，灌水器堵塞率表現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，發(fā)生這些變化的本質(zhì)因素是系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中流量呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)狀態(tài)[19]。

2.3 灌水器堵塞的形成機(jī)理

引黃滴灌系統(tǒng)灌水器的主要堵塞物質(zhì)是固體顆粒物，而微生物在固體顆粒物表面附著、生長(zhǎng)對(duì)灌水器堵塞起著關(guān)鍵作用，因此引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞形成過(guò)程可以表述為[10]：1）緩慢增長(zhǎng)階段。系統(tǒng)運(yùn)行前期，固體顆粒物、微生物及其分泌的胞外聚合物含量整體較少，形成的生物膜吸附能力較低，堵塞物質(zhì)增長(zhǎng)較為緩慢。2）快速增長(zhǎng)階段。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，固體顆粒物不斷沉積，微生物新陳代謝逐漸活躍，分泌更多的胞外聚合物，使生物膜的吸附能力和固體顆粒物之間的黏附力增強(qiáng)，堵塞物質(zhì)急劇增加。3）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定增長(zhǎng)階段。當(dāng)堵塞物質(zhì)達(dá)到一定程度時(shí)，表面疏松多孔的生物膜易出現(xiàn)在水力剪切力的作用下發(fā)生脫落后又附著的現(xiàn)象，此動(dòng)態(tài)變化過(guò)程使得堵塞物質(zhì)的增長(zhǎng)逐漸趨于平衡。同時(shí)，在生物膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，部分發(fā)生脫落后隨水流流動(dòng)、運(yùn)動(dòng)滯后的團(tuán)聚體與流道邊壁產(chǎn)生碰撞，使被吸附到流道壁面的生物膜表面繼續(xù)生長(zhǎng)，生物膜不斷脫落—附著—生長(zhǎng)的過(guò)程使得灌水器堵塞物質(zhì)持續(xù)增加。

3 引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞控制方法

3.1 灌溉水源水質(zhì)的控制

灌溉水源水質(zhì)不同，堵塞程度不一，水質(zhì)越好，灌水器堵塞程度越低。由于黃河水水質(zhì)表現(xiàn)為復(fù)雜的多物質(zhì)共存體系，即物理、化學(xué)和生物因素共同存在，單獨(dú)使用某種水質(zhì)處理技術(shù)很難滿足灌水要求，通常需要融合多種技術(shù)進(jìn)行處理。在進(jìn)行滴灌之前通常采用混凝沉淀方法，降低顆粒物濃度，減少大粒徑顆粒物。借助磁化處理技術(shù)改變水體的物理化學(xué)特性，能有效防止鈣鎂沉淀的產(chǎn)生，減緩滴頭堵塞[20]；通過(guò)電化學(xué)技術(shù)降低灌溉水源中的微生物含量，也能降低水源的硬度和堿度，從而降低灌水器的堵塞程度[21]；還可利用微納米氣泡殺菌技術(shù)實(shí)現(xiàn)污染物氧化降解和水質(zhì)凈化[22]，抑制灌水器流道內(nèi)生物膜的形成，從而有效緩解灌水器的堵塞。

3.2 優(yōu)化過(guò)濾器結(jié)構(gòu)性能

在引黃滴灌系統(tǒng)中，目前最常見的是離心過(guò)濾器（一級(jí)過(guò)濾）+砂石過(guò)濾器（二級(jí)過(guò)濾）+疊片過(guò)濾器（三級(jí)過(guò)濾）的分級(jí)配置模式。關(guān)于砂石過(guò)濾器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建議沖洗時(shí)的最佳反沖洗流速為0.012 m/s，反沖洗時(shí)間為5 min～6 min[23]；Zhou 等[9]發(fā)現(xiàn)砂石過(guò)濾器最優(yōu)運(yùn)行模式為濾料粒徑1.70 mm～2.35 mm、通過(guò)流量0.018 m/s，反沖洗速度0.022 m/s[9]。辛舟[24]針對(duì)黃河水高含沙量的特性，通過(guò)離心過(guò)濾器分離泥沙試驗(yàn)，分析了影響分離效果的主要因素，進(jìn)而控制泥沙流入量。孫步功等[25]將碟式分離機(jī)與FXJ-150-I型離心過(guò)濾器串聯(lián)用于黃河水泥沙分離，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)分離設(shè)備參數(shù)優(yōu)化。Yurdem 等[26]主要利用量綱分析法分析滴灌系統(tǒng)疊片式過(guò)濾器各項(xiàng)參數(shù)，并推導(dǎo)出疊片過(guò)濾器水頭損失的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型。肖新棉等[27]采用水力性能測(cè)試和反沖洗抗堵塞性能試驗(yàn)，探討疊片式砂石過(guò)濾器的最佳疊片數(shù)，通過(guò)對(duì)流道的結(jié)構(gòu)、疊片材質(zhì)、疊片模具及疊片注塑成型工藝進(jìn)行探索，研發(fā)高品質(zhì)的疊片過(guò)濾器。

3.3 毛管沖洗

毛管沖洗能夠使固體顆粒物的沉降速率減慢，降低堵塞物質(zhì)的形成及附著能力，是解決引黃滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞問(wèn)題的有效方法。滴灌系統(tǒng)中適宜使用的最小沖洗流速為0.30 m/s，若要去除水源中大粒徑顆粒，沖洗流速要達(dá)到0.50 m/s～0.60 m/s[28]。每次在系統(tǒng)運(yùn)行64 h 左右，以0.40 m/s 的沖洗流速?zèng)_洗6 min 可以使管道內(nèi)沉積的堵塞物質(zhì)最少，一月沖洗一次或一個(gè)灌溉季度沖洗一次的頻率均能有效抑制灌水器的堵塞，而在最初兩次灌水后首次進(jìn)行毛管沖洗、沖洗周期為5 d 的條件下，能有效地降低灌水器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[29]。沖洗對(duì)不同類型的灌水器堵塞均有緩解作用，因片式灌水器斷面平均流速較大，輸送堵塞物質(zhì)的能力較強(qiáng)，故對(duì)其堵塞控制效應(yīng)最為明顯，此外，在沖洗過(guò)程中選取適宜的灌水器類型和沖洗模式尤為關(guān)鍵[30]。

3.4 灌水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

灌水器內(nèi)部水流和顆粒物是一個(gè)臨界尺度的流體流動(dòng)問(wèn)題，有學(xué)者利用現(xiàn)代流動(dòng)顯示技術(shù)探索流道內(nèi)部水流及顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性，借助LDV 技術(shù)對(duì)灌水器放大模型內(nèi)部流體分布進(jìn)行量測(cè)，建立了流道-壓力-結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為迷宮流道灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[31]；牛文全等[32]通過(guò)PIV 技術(shù)研究了迷宮流道轉(zhuǎn)角對(duì)灌水器水力性能和抗堵塞性能的影響，應(yīng)用PTV 技術(shù)研究了沙粒與流道壁面的碰撞過(guò)程，分析了單個(gè)沙粒在不同壓力條件下矩形流道內(nèi)的碰撞反彈系數(shù)。與此同時(shí)，眾多學(xué)者利用CFD 流體動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)灌水器流道內(nèi)部水流和水沙兩相流特性不斷進(jìn)行深入研究，并以此優(yōu)化灌水器流道邊界設(shè)計(jì)和選擇設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)[33-34]。灌水器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要有兩種方法：一是主航道設(shè)計(jì)法，該方法可消除流道內(nèi)泥沙容易淤積的漩渦區(qū)域，保留主流區(qū)來(lái)提高流道顆粒物的輸移能力，使顆粒物隨水流排出灌水器外，從而降低灌水器的堵塞程度；二是流道漩渦洗壁方法，保持流道內(nèi)流速較低的漩渦區(qū)，對(duì)壁面夾角進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)展漩渦，增強(qiáng)流道對(duì)壁面的自清洗能力，以此提升灌水器的抗堵塞能力。

3.5 微生物拮抗技術(shù)

微生物拮抗關(guān)系是指微生物在其生命活動(dòng)中，通過(guò)產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件抑制其他微生物的生長(zhǎng)繁殖，甚至將其殺死的現(xiàn)象。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在灌水器發(fā)生堵塞后添加三種農(nóng)業(yè)常用的拮抗細(xì)菌，流量幾乎為0 的灌水器在14 d 內(nèi)完全恢復(fù)，說(shuō)明可利用微生物群體感應(yīng)機(jī)制來(lái)控制生物膜形成。李云開等[7]通過(guò)培養(yǎng)、分離灌水器內(nèi)部生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌，進(jìn)行微生物拮抗實(shí)驗(yàn)，篩選出的枯草芽孢桿菌控制堵塞效果明顯，在系統(tǒng)運(yùn)行126 h、堵塞程度達(dá)到10%之后，施加該菌劑效果最好，但使用42 h 后需要及時(shí)沖洗。微生物拮抗技術(shù)對(duì)限制生物膜形成效果十分顯著，不僅可延緩灌水器堵塞的發(fā)生，還能不同程度地恢復(fù)已堵塞的灌水器。

3.6 電化學(xué)技術(shù)

電化學(xué)技術(shù)具有高效率、低成本、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決灌水器生物堵塞的新技術(shù)，主要原理是水在電壓作用下催化產(chǎn)生殺菌活性物質(zhì)，破壞微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、核酸、蛋白質(zhì)及其他大分子物質(zhì)，使細(xì)胞失活，進(jìn)而清除堵塞物質(zhì)。由于生物膜的形成主要是靠胞外聚合物壁面的黏附作用，在電化學(xué)技術(shù)控制條件下，使得胞外聚合物含量減少，降低顆粒物在壁面的附著量，抑制生物膜的生長(zhǎng)。對(duì)于已經(jīng)形成的生物膜結(jié)構(gòu)施加電壓作用，生物膜中的大顆粒物質(zhì)在電子斥力作用下可能會(huì)分散成小顆粒，在灌水器流道內(nèi)的水力剪切力作用下發(fā)生脫落，被水流沖出灌水器，使得生物膜結(jié)構(gòu)被破壞[8]。目前已有公司推出了基于該原理的除垢棒產(chǎn)品，可清除壁面附著的堵塞物質(zhì)，提升灌水器的抗堵塞性能。

4 未來(lái)研究方向

4.1 處理灌溉水源的水質(zhì)

深入研究引黃滴灌系統(tǒng)灌溉水源的水質(zhì)處理工藝以及沉淀過(guò)濾系統(tǒng)合理配置的處理模式，探究灌水器堵塞發(fā)生的特征和堵塞物質(zhì)的時(shí)空分布，從而選擇滴灌水源關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的有效控制閾值，同時(shí)研究水肥一體化條件下灌水器內(nèi)部顆粒物的運(yùn)移特性，揭示灌水器堵塞誘發(fā)機(jī)理及作用路徑。

4.2 優(yōu)化灌水器流道結(jié)構(gòu)

利用現(xiàn)代流動(dòng)顯示技術(shù)和CFD計(jì)算流體方法，深入分析堵塞發(fā)生的特性和堵塞物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化特征，探索灌水器流道結(jié)構(gòu)對(duì)堵塞行為的影響路徑，明確灌水器幾何參數(shù)對(duì)堵塞行為產(chǎn)生的影響，優(yōu)化灌水器流道結(jié)構(gòu)，制造最適宜引黃灌區(qū)滴灌的灌水器產(chǎn)品，將黃河水中大量的泥沙顆粒輸送到田間，增加土壤肥力。

4.3 明確堵塞物質(zhì)間的耦合作用機(jī)制

探索引黃滴灌系統(tǒng)中灌水器流道內(nèi)全流場(chǎng)的三維測(cè)試技術(shù)，對(duì)堵塞物質(zhì)進(jìn)行更深層次的研究，分析各類堵塞物質(zhì)間的作用機(jī)制，如物理顆粒物與化學(xué)沉淀相互附著的特性、微生物的生長(zhǎng)特性和群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提出更加合理、有效的控制措施。