张晓晶，于　健，马太玲,，宋耀兴，卢俊平，杜慧慧，王　凡

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010018；

2.内蒙古自治区水利科学研究院， 内蒙古 呼和浩特 010018； 3.三亚学院， 海南 三亚 572022)



黄河水沉淀后水质对滴灌灌水器堵塞的影响

张晓晶1，于健2，马太玲1,3，宋耀兴2，卢俊平1，杜慧慧3，王凡1

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010018；

2.内蒙古自治区水利科学研究院， 内蒙古 呼和浩特 010018； 3.三亚学院， 海南 三亚 572022)

摘要：利用2013年5月—10月和2014年7月—11月的实测数据，分析了乌海市不同功能的三个典型沉淀池(如意湖、林业湖和朝阳湖)的浊度、细菌总数、叶绿素a、总氮、总磷五项水质指标的沉淀、过滤效率，利用灌水器堵塞野外调查数据并结合堵塞物电镜扫描图片，探讨了黄河水经过平流沉淀+网式过滤组合模式处理后仍会造成灌水器堵塞的原因。结果表明：各沉淀池浊度的沉淀和过滤效率均较高，其中如意湖的沉淀效率最高，平均去除率为63%；2013年朝阳湖的过滤效率最高，为60.53%，各沉淀池水质指标的过滤效果普遍较差。黄河水经沉淀过滤后仍会造成灌水器堵塞，其主要原因与细小颗粒物和微生物形成的絮状结构有关，建议对原有沉淀、过滤措施提出改进，经一、二级沉淀后在泵房内改用叠片式砂过滤器。

关键词：滴灌；水质；灌水器堵塞；黄河水；沉淀效率；过滤效率

乌海市位于中纬度大陆深处，属于荒漠化草原、草原化荒漠过渡带，气候干燥，年均降水量只有160 mm，而年蒸发量是降水量的21倍，人均水资源不足全国人均水资源量的1/5，水资源匮乏严重，属严重缺水地区[1-3]。近年来，乌海地区大力发展农林业节水滴灌技术，致力于提高灌溉水资源利用效率，缓解乌海市水资源短缺的问题[4-5]。同时，由于水资源日益紧缺程度不同以及各区域水资源的分布特点不同，近年来滴灌用水水源呈多元化发展，由传统高标准水质的地下水源，逐步发展为微咸水、再生水和含沙水等多种水源趋势。乌海市灌溉用水主要来自黄河水，然而黄河水具有高浊度、高泥沙的特点，在不同时期含沙量呈季节性变化，直接引用黄河水滴灌，滴头容易堵塞，使滴灌技术的推广受到了很大的限制[6-7]。

滴头堵塞一直是滴灌技术面临的技术难题，滴头堵塞成因[8]和滴头结构对抗堵塞性能的影响[9-13]一直是该领域的研究热点。灌水器的堵塞改变了灌水器原有的水力性能，使得灌水器出流量减小，进而降低整个滴灌系统的灌水质量，严重影响滴灌系统运行效果和安全性[14]，无形中提高了滴灌的使用成本，成为制约滴灌技术推广的关键因素[15-17]。本文通过分析滴灌水源—黄河水沉淀后各项水质指标(浊度、细菌总数、叶绿素a、TN和TP)的沉淀效率和过滤效率，研究黄河水在经过平流沉淀+网式过滤组合模式后仍会造成灌水器堵塞的原因，分析各沉淀池不同水质条件下灌水器在田间的实际堵塞情况，结合堵塞物电镜扫描图片探讨黄河水水质对滴灌系统灌水器堵塞的影响，为解决水资源匮乏地区滴灌用水提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

黄河水由一级提升泵站通过约9.8 km的渠道及管道输送到各沉淀池的前池，经初步沉淀后，粗沙被截留，表层浊度较低的水经挡水墙顶部溢流后进入后池进一步沉淀。在需要灌水时，由加压泵将沉淀后的池水提升进入两级网式过滤器(LW系列离心网式过滤器和AF200系列自清洗网式过滤器)，过滤后的水直接配送到滴灌装置中，通过滴头进入作物根系。

本研究选定如意湖、朝阳湖和林业湖三个试验地点。三个沉淀池均为平流式沉淀池，均由前池、后池和加压泵房组成，各沉淀池前后池尺寸和容积各不相同，各池尺寸及面积见表1。如意湖主要作为供林业灌溉用水的蓄水沉淀池；林业湖主要是人工景观湖，常年处于静水状态，仅在需水量大时供给林业灌溉；朝阳湖兼有林业灌溉蓄水池和养鱼塘功能。如意湖和朝阳湖采用平流式沉淀+网式过滤组合模式处理黄河水作为滴灌系统的水源，同时选择不设过滤装置的林业湖进行对比。

表1　各沉淀池前后池尺寸和面积

1.2样品采集与测定方法

根据《水质采样样品的保存和管理技术规定》(HJ493-2009)和《水质采样方案设计技术规定》(HJ495—2009)，在三个沉淀池前、后池各设置两个监测断面，每个断面设置左、中、右采样点，同时在每个沉淀池滴灌设备灌水器出水口设采样点。

现场监测浊度、温度、pH值和水深，同时在不同监测点采集两种水样，一种是用已灭菌的硬质玻璃瓶在水下0.5 m处取样，存放于保温箱内使温度维持在4℃左右，24小时内运回实验室，测定细菌总数；另一种是用聚乙烯瓶取水样，用于测定水质指标有总氮、总磷、叶绿素a。温度和pH值采用德国生产的WTW系列便携式pH计现场测定；浊度采用国产的瑞星WGZ-2B浊度计测定；总氮、总磷、细菌总数和叶绿素a通过表2描述分析方法测定[18]。

1.3堵塞物的扫描电子显微镜分析方法

采用S-530型扫描电子显微镜对灌水器中沉积物的形态进行分析。预先将灌水器中的沉积物样品采用质量分数2.5%的戊二醛溶液固定过夜。然后用30%、50%、70%、85%、95%梯度的乙醇溶液逐次脱水，每次15 min，再用100%的乙醇脱水2次，每次15 min，之后用乙酸异戊酯替代，用二氧化碳临界点干燥，最后用10 kV电压喷金。观测过程分别对如意湖、林业湖和朝阳湖灌水器的沉积物在不同放大倍数下拍摄特征明显部位照片。

表2　实验测试指标及分析方法

2结果与分析

2.1各沉淀池水质指标沉淀效果分析

2013年和2014年各沉淀池水质指标(浊度、细菌总数、叶绿素a、TN和TP)的沉淀效率如表3和表4所示。

由表可知，各沉淀池对浊度和细菌总数的去除率均较高：如意湖浊度去除率最高，2013年和2014年浊度平均去除率分别为61.1%和65.22%，细菌总数的平均沉淀效率分别为57.16%和41.39%；其次为朝阳湖，林业湖沉淀去除率最低，且2013年各沉淀池浊度和细菌总数的平均沉淀效率大都高于2014年。如意湖对叶绿素a、TN和TP也有一定的去除效果，但相对于浊度和细菌总数的沉淀效率要低，而其它沉淀池对叶绿素a、TN和TP的沉淀效果均较差。

表3　2013年各沉淀池水质指标沉淀效率

由于本研究沉淀池中含沙量很小，实验中无法准确测得，所以采用水体浊度作为衡量泥沙沉淀效果的指标。细菌总数和浊度的变化规律基本一致，随着浊度的降低细菌总数减少。说明泥沙对微生物具有吸附作用，大量的微生物附着生长在泥沙颗粒上，随着泥沙的沉降水体中微生物数量也减少。叶绿素a(藻类)从5月份到10月份含量持续增长，表明在这个时间的水温和光照范围均适于藻类的生长繁殖，且各沉淀池对藻类均无显著的沉淀效果。营养物质(N、P)含量高的沉淀池有利于微生物(细菌和藻类)的生长繁殖，有利于泥沙和微生物形成粘性体，加剧灌水器的堵塞[19-22]。

表4　2014年各沉淀池水质指标沉淀效率

2.2各沉淀池过滤效果分析

由表5和表6可知，2013年朝阳湖浊度过滤效率最高为60.53%，如意湖浊度过滤效率为49.15%；2014年各沉淀池浊度的过滤效率均低于2013年，且各沉淀池浊度的过滤效率远远低于50%，林业湖没有设过滤装置。各水质指标(细菌总数、叶绿素a、TN和TP)过滤效果均很差，说明过滤器对水质指标的去除效果很弱，而且过滤器后有些水质指标还会有所升高，尤其是微生物在灌水器出口处大量繁殖，表明滴灌带内有适于微生物增长的条件。过滤器虽对藻类有一定的拦截作用，但效果不明显。

过滤器对沉淀池的净化效果起到了很好的补充作用，过滤效率与后池出水浊度成正比。后池浊度高时，水中的悬浮物粗细混合，经过滤器将粗颗粒截留下来，因而过滤效果较明显；后池出水浊度较低时，粗颗粒悬浮物基本已沉淀，仅剩较细颗粒物经过过滤器，这些颗粒粒径大部分都低于过滤器的孔径，因而过滤效率较低。此外，各沉淀池过滤效率普遍较低还与过滤器的运行维护有关，应定期对过滤器进行反冲洗，否则会降低过滤效果。

2.3各沉淀池滴灌系统灌水器堵塞情况分析

本研究于2014年10月10日对如意湖、林业湖和朝阳湖的田间滴灌带进行抽查，统计了灌水器的堵塞个数，计算了堵塞率。由表7可知，由于过滤效率普遍较低，各沉淀池均有一半以上的灌水器发生堵塞，如意湖和林业湖的堵塞程度较为严重，平均堵塞率高达79%。调查期间如意湖长期没有进水，水质较差，营养盐N、P含量高，导致微生物(细菌和藻类)的含量也增加，灌水器流道中易于形成细小颗粒物与微生物组成的粘性体。林业湖中的水长期处于停滞状态，且不安装过滤器，较大颗粒物无法得到有效去除。

2.4灌水器堵塞原因分析

现场用塑封袋采集堵塞严重的灌水器带回实验室，采用S-530型扫描电子显微镜对灌水器中沉积物的形态进行分析。

如意湖灌水器沉积物扫描电子显微镜照片如图1、2所示，由图可以看出，在放大倍数为200时可观察到微生物的絮状结构，放大2000倍后还看到有棱角的晶体结构(可能是盐类)。

表5　2013年各沉淀池水质指标过滤效率

表6　2014年各沉淀池水质指标过滤效率

表7　各沉淀池滴灌系统灌水器堵塞情况

林业湖灌水器沉积物扫描电子显微镜照片如图3、4所示，由图可以看出，放大800倍后观察到类似于胞外分泌物，可能有藻类存在，放大2000倍后可以观察到微生物絮状结构、粘液及丝状菌结构。

朝阳湖灌水器沉积物扫描电子显微镜照片如图5、6所示，由图可以看出，放大2000倍后可以清晰地发现有微生物的絮状结构，放大1000倍后可同时看到絮状、丝状结构和表面光滑有棱角的结晶体(可能是盐类)。

图1　如意湖电镜扫描(200倍)

图2　如意湖电镜扫描(2000倍)

图3　林业湖电镜扫描(800倍)

图4　林业湖电镜扫描(2000倍)

图5朝阳湖电镜扫描(1000倍)

Fig.5SEM result for blockage in Chaoyang

lake (1000 × magnification)

图6朝阳湖电镜扫描(2000倍)

Fig.6SEM result for blockage in Chaoyang

lake (2000 × magnification)

灌水器沉积物表面粗糙，结构复杂，可以清晰的发现沉积物中的微生物絮状结构、胞外分泌物、结晶体和微小颗粒结构。沉积物主要为微小颗粒及微生物组成的絮状结构(大量存在，为主体结构)和光滑平整的类似于晶体的结构(可能为盐类)。微小颗粒上附着絮状结构沉积于流道表面，同时丝状的菌体及其胞外分泌物在絮状体之间起着明显的“架桥”连接作用，并最终富集成为具有一定厚度，一定体积的沉积物稳定团块，这是造成各沉淀池灌水器堵塞的主要原因[23-25]。此外，无论是微小颗粒还是晶体结构，其本身尺寸远远小于过滤器的有效过滤尺寸。由此说明，过滤作用的确有效地控制了大颗粒在灌水器流道内的沉积；但通过过滤器的小颗粒沉积物主要以絮状结构沉积于流道表面，并富集成为稳定团块，单一的过滤措施很难控制其富集[26-27]。

3结论

1) 各沉淀池浊度的沉淀和过滤效率均较高，其中如意湖浊度的沉淀效果最好，朝阳湖浊度的过滤效果最好，林业湖的沉淀过滤效果均较差。各水质指标(细菌总数、叶绿素a、TN和TP)过滤效果均很差，而且过滤器后有些水质指标还会有所升高，尤其是微生物在灌水器出口处会大量繁殖。

2) 黄河水沉淀后出水浊度最高为34.4 ntu(4.5 mg·L-1)，明显小于50 mg·L-1，但仍造成了灌水器的堵塞。本项目采用的网式过滤器主要适合于含沙量高的灌溉水源，而随着灌溉水在沉淀池内停留时间的增加，灌溉水质发生了变化，营养盐N、P含量增加，微生物也大量生长繁殖，而网式过滤器对微生物没有明显的过滤效果。因此，本研究建议对原有沉淀、过滤措施提出改进方案：确定一级沉淀设于灌溉斗渠的引水口处，做成倒坡平流式沉淀池，一级沉淀池出口由9.8 km输水渠末端进入二级平流沉淀池，经一、二级沉淀后，进入泵房前，在泵房内改用叠片式砂过滤器，可有效清除灌溉水源中的砂粒、粘粒、藻类和微生物等各种污物。

3) 由灌水器堵塞野外调查情况并结合堵塞物电镜扫描图片可推断朝阳湖和如意湖灌水器堵塞的主要原因是微生物因素和化学因素，而林业湖灌水器堵塞的主要原因是物理因素和微生物因素。各沉淀池灌水器堵塞的微生物作用最为显著，不容忽视。黄河水沉淀后各项水质指标(细菌总数、叶绿素a、TN、TP)会直接影响到灌水器沉积物中颗粒物结构和微生物絮状结构的形成。

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Effect of water quality of Yellow River after sedimentation on emitter clogging in the drip irrigation system

ZHANG Xiao-jing1, YU Jian2, MA Tai-ling1,3, SONG Yao-xing2,LU Jun-ping1, DU Hui-hui3, WANG Fan1

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China;2.InstituteofWaterConservancyScienceResearch,Hohhot,InnerMongolia010018,China;3.SanyaUniversity,Sanya,Hainan572022,China)

Abstract：The sedimentation and filtration efficiencies of water-quality indexes including turbidity, the total amount of bacteria, chlorophyll A, total nitrogen, total phosphorus were analyzed in this study utilizing the monthly monitoring data from May to October in 2013 and from July to November in 2014 for the three typical sedimentation tanks in Ruyi lake, Linye lake and Chaoyang lake in Wuhai city. Through combined investigations in field and by scanning electron microscope on blockage, the cause for emitter clogging was discussed after treated with Yellow River water undergone horizontal flow sedimentation and net type filter. The results showed that the sedimentation and filtration efficiencies of turbidity for each tank were relatively high. The sedimentation efficiency of turbidity in Ruyi Lake was the highest and its average rate was 63%. The filtration efficiency of turbidity in Chaoyang Lake in 2013 was higher than other tanks, and its rate was 60.53%. The filtration effect of water-quality index was generally inferior for each tank. Flocculent structure that was formed by small particles and microorganisms was the main cause for emitter clogging by the Yellow River water undergone sedimentation and filtration. Moreover, improvement scheme was thereby proposed for the original sedimentation and filtration measures and laminated sand filter in pump house was employed after the one and two-stage sedimentation.

Keywords:drip irrigation; water quality; emitter clogging; Yellow River water; sedimentation efficiency; filtration efficiency

中图分类号：S273.1

文献标志码：A

作者简介：张晓晶(1983—)，内蒙古呼和浩特市人，实验师，主要从事水污染控制与水环境保护方面研究。 E-mail:xiaojingzhang1983@aliyun.com。通信作者：于健(1957—)，内蒙古呼和浩特市人，教授级高级工程师，主要从事节水灌溉技术与原理的科研工作。 E-mail：jianyu192005@aliyun.com。

基金项目：省水利科技项目“乌海市黄河水滴灌工程过滤技术研究”(SLKJ201211)

收稿日期：2015-02-15

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.41

文章编号：1000-7601(2016)02-0258-07