引黄滴灌系统灌水器堵塞机理及措施研究进展

2024-06-10王彦邦

南方农机 2024年9期

王彦邦

（宁夏回族自治区银川市农村经济发展服务中心，宁夏银川 750000）

0 引言

水是生命之源，是人类赖以生存的自然资源，然而水资源短缺问题已成为制约我国社会与经济可持续发展的重要瓶颈之一[1]，严重威胁到我国粮食安全。滴灌技术是目前应用最广泛、最行之有效的节水灌溉技术之一，它集灌溉、施肥于一体，能根据作物对水分和养分的需求进行适时适量灌溉，具有节水节肥、节地节能的优点，能起到增产提效的作用[2]。目前除了江河湖泊等地表水以外，一些非常规水源也被作为灌溉水源。尤其是引黄滴灌系统，黄河水含沙量高、浊度高，水中的固体颗粒物、化学离子、微生物及有机质等会发生一系列微观动力学行为，使堵塞程度加大。滴灌系统又集灌水施肥补气加药于一体，水肥气药等多种物质发生耦合效应，易导致滴灌系统报废[3]。灌水器作为滴灌系统中最核心的部件，流道十分狭小，流道横断面尺寸一般只有0.50 mm～1.20 mm，极容易被灌溉水中的固体颗粒物、微生物和有机质等堵塞，缩短滴灌系统的使用寿命，严重影响作物产量和经济效益[4]，因此，解决灌水器堵塞问题对滴灌技术规模化应用十分关键。

基于此，本文对引黄滴灌系统灌水器堵塞物质组分、形成机制和调控措施等方面的理论成果进行了较为全面的综述，并提出了进一步的建议，为控制灌水器堵塞、推动黄河流域滴灌技术大面积应用提供理论基础。

1 引黄滴灌系统灌水器堵塞物质组分分析

引黄滴灌条件下，灌水器堵塞物质主要是泥沙颗粒。系统运行中，黄河水中大量表面生长生物膜的泥沙颗粒将逐渐聚集在灌水器流道内，随着水体浊度和温度的升高，细菌将附着在泥沙颗粒表面生长繁殖，形成菌胶团类的黏聚物，致使灌水器堵塞程度加重。水源中的泥沙颗粒物、不可溶的沉淀物质和微生物分泌的胞外聚合物等在水动力学条件下，通过碰撞、絮凝、生物黏附过程形成结构稳定、形貌复杂的多孔介质，不断将水体中的微生物、固体颗粒等黏附于生物膜表面生长，使灌水器的出流量逐渐降低，最终导致堵塞[5]。而堵塞物质中含有的藻类也加重了灌水器的堵塞程度，并且灌水器堵塞物质与水源颗粒物的无机组分、胞外聚合物及微生物群落特征表现出高度的一致性[6-7]。

引黄滴灌系统中，灌水器堵塞主要表现为物理、化学和生物三种因素共同作用而引发的复合型堵塞，灌水器堵塞物为一种多物质共存体系，是由多种物质构成的聚合体[8]。Zhou 等[9]借助现代分子生物学技术，研究了灌水器中堵塞物质的特征组分，依据理化性质主要分为物理成分、化学成分和生物成分三种类型，物理堵塞物质主要是泥沙颗粒，化学堵塞物质主要包括CaCO3和MgCO3沉淀，生物堵塞物质主要为磷脂脂肪酸和胞外聚合物，且堵塞物质各成分之间具有明显的线性正相关关系。薛松[10]通过研究指出堵塞的发生取决于泥沙颗粒物、钙镁沉淀、微生物的数量，其中，泥沙颗粒物、钙镁沉淀直接影响堵塞物质的形成，且钙镁沉淀还在一定程度上通过影响泥沙颗粒物间接影响堵塞。由此可见，堵塞物质的形成是灌水器内部各特征组分之间相互影响、耦合互促的过程。

2 引黄滴灌系统灌水器堵塞物质的形成机制

2.1 灌水器堵塞的主要影响因素

引黄滴灌系统灌水器堵塞影响因素较多，包括灌水器类型、流道几何参数等结构特征，毛管流速、流道近壁面水力剪切力等水力学特征，工作压力、灌水频率等系统运行模式等，选择适宜的灌水器类型能有效提高灌水器抗堵塞能力。研究表明，随着灌水次数的增加，不易发生整体堵塞现象的是圆柱式灌水器，其次是片式灌水器[11]。不同流道结构的灌水器堵塞程度不同，流道长度、宽度、深度均对灌水器出流有影响[12]；流道结构参数对颗粒运动变化的影响也较为显著，不同的齿角度和齿间距都将影响水流的湍流强度和近壁面流速，进而影响灌水器的堵塞[13]。工作压力不仅可以改变灌水器内的水流流速，防止堵塞物质在流道壁表面黏附生长，而且能够有效控制泥沙颗粒物在流道内的沉积[14]。毛管流速是输移水流中泥沙颗粒物的关键因素，随着流速的变化，堵塞物质的平均厚度、表面力及粗糙度都呈现出单峰型变化[15]。水力剪切力对堵塞物质的形成、生长、脱落都有着至关重要的作用，当流道近壁面水力剪切力阈值小于0.20 Pa 或大于0.40 Pa 时，可有效降低堵塞程度[16]。灌水频率也会影响灌水器抗堵塞性能，灌水频率不同，灌水器堵塞物质成分的含量差异较大，随着灌水频率的降低，堵塞物质主要矿物质成分含量逐渐增加[17]。

2.2 灌水器发生堵塞的特性

引黄滴灌系统中，由于黄河水水质复杂，灌水器发生堵塞的类型主要为复合型堵塞。而由于灌水器流量一直保持持续且强度不同的波动状态，灌水器流道内的堵塞物质将不断地脱落、沉积，并且这个过程随机反复发生，致使复合型堵塞中的单个灌水器堵塞发生具有一定的随机性；伴随着随机发生的过程，在水流的紊动作用和颗粒物的碰撞作用下，沉淀在流道内部的堵塞物质会发生不定时的脱落，灌水器的流量随之发生一定程度的恢复，使得灌水器的堵塞具有可恢复性的特性，但当灌水器堵塞程度超过25%之后，其流量将急剧减小，并失去可恢复性[18]。滴灌系统灌水器堵塞的整体性变化呈现出先波动平衡后线性下降的动态变化特征；灌水器平均相对出流量和灌水均匀度均表现出系统运行前期缓慢波动变化，后期迅速降低的变化趋势，但不同类型的灌水器平均相对出流量和灌水均匀度整体下降差异较大，灌水器的流量变差系数呈现出先波动变化后线性增长的趋势，灌水器堵塞率表现出逐渐增长的趋势，发生这些变化的本质因素是系统在运行过程中流量呈现出不同程度的波动状态[19]。

2.3 灌水器堵塞的形成机理

引黄滴灌系统灌水器的主要堵塞物质是固体颗粒物，而微生物在固体颗粒物表面附着、生长对灌水器堵塞起着关键作用，因此引黄滴灌系统灌水器堵塞形成过程可以表述为[10]：1）缓慢增长阶段。系统运行前期，固体颗粒物、微生物及其分泌的胞外聚合物含量整体较少，形成的生物膜吸附能力较低，堵塞物质增长较为缓慢。2）快速增长阶段。随着系统的运行，固体颗粒物不断沉积，微生物新陈代谢逐渐活跃，分泌更多的胞外聚合物，使生物膜的吸附能力和固体颗粒物之间的黏附力增强，堵塞物质急剧增加。3）动态稳定增长阶段。当堵塞物质达到一定程度时，表面疏松多孔的生物膜易出现在水力剪切力的作用下发生脱落后又附着的现象，此动态变化过程使得堵塞物质的增长逐渐趋于平衡。同时，在生物膜的生长过程中，部分发生脱落后随水流流动、运动滞后的团聚体与流道边壁产生碰撞，使被吸附到流道壁面的生物膜表面继续生长，生物膜不断脱落—附着—生长的过程使得灌水器堵塞物质持续增加。

3 引黄滴灌系统灌水器堵塞控制方法

3.1 灌溉水源水质的控制

灌溉水源水质不同，堵塞程度不一，水质越好，灌水器堵塞程度越低。由于黄河水水质表现为复杂的多物质共存体系，即物理、化学和生物因素共同存在，单独使用某种水质处理技术很难满足灌水要求，通常需要融合多种技术进行处理。在进行滴灌之前通常采用混凝沉淀方法，降低颗粒物浓度，减少大粒径颗粒物。借助磁化处理技术改变水体的物理化学特性，能有效防止钙镁沉淀的产生，减缓滴头堵塞[20]；通过电化学技术降低灌溉水源中的微生物含量，也能降低水源的硬度和碱度，从而降低灌水器的堵塞程度[21]；还可利用微纳米气泡杀菌技术实现污染物氧化降解和水质净化[22]，抑制灌水器流道内生物膜的形成，从而有效缓解灌水器的堵塞。

3.2 优化过滤器结构性能

在引黄滴灌系统中，目前最常见的是离心过滤器（一级过滤）+砂石过滤器（二级过滤）+叠片过滤器（三级过滤）的分级配置模式。关于砂石过滤器，国内外学者建议冲洗时的最佳反冲洗流速为0.012 m/s，反冲洗时间为5 min～6 min[23]；Zhou 等[9]发现砂石过滤器最优运行模式为滤料粒径1.70 mm～2.35 mm、通过流量0.018 m/s，反冲洗速度0.022 m/s[9]。辛舟[24]针对黄河水高含沙量的特性，通过离心过滤器分离泥沙试验，分析了影响分离效果的主要因素，进而控制泥沙流入量。孙步功等[25]将碟式分离机与FXJ-150-I型离心过滤器串联用于黄河水泥沙分离，实现了串联分离设备参数优化。Yurdem 等[26]主要利用量纲分析法分析滴灌系统叠片式过滤器各项参数，并推导出叠片过滤器水头损失的数学预测模型。肖新棉等[27]采用水力性能测试和反冲洗抗堵塞性能试验，探讨叠片式砂石过滤器的最佳叠片数，通过对流道的结构、叠片材质、叠片模具及叠片注塑成型工艺进行探索，研发高品质的叠片过滤器。

3.3 毛管冲洗

毛管冲洗能够使固体颗粒物的沉降速率减慢，降低堵塞物质的形成及附着能力，是解决引黄滴灌系统灌水器堵塞问题的有效方法。滴灌系统中适宜使用的最小冲洗流速为0.30 m/s，若要去除水源中大粒径颗粒，冲洗流速要达到0.50 m/s～0.60 m/s[28]。每次在系统运行64 h 左右，以0.40 m/s 的冲洗流速冲洗6 min 可以使管道内沉积的堵塞物质最少，一月冲洗一次或一个灌溉季度冲洗一次的频率均能有效抑制灌水器的堵塞，而在最初两次灌水后首次进行毛管冲洗、冲洗周期为5 d 的条件下，能有效地降低灌水器堵塞的风险[29]。冲洗对不同类型的灌水器堵塞均有缓解作用，因片式灌水器断面平均流速较大，输送堵塞物质的能力较强，故对其堵塞控制效应最为明显，此外，在冲洗过程中选取适宜的灌水器类型和冲洗模式尤为关键[30]。

3.4 灌水器结构优化设计

灌水器内部水流和颗粒物是一个临界尺度的流体流动问题，有学者利用现代流动显示技术探索流道内部水流及颗粒物的运动特性，借助LDV 技术对灌水器放大模型内部流体分布进行量测，建立了流道-压力-结构之间的关系，为迷宫流道灌水器结构设计提供了理论依据[31]；牛文全等[32]通过PIV 技术研究了迷宫流道转角对灌水器水力性能和抗堵塞性能的影响，应用PTV 技术研究了沙粒与流道壁面的碰撞过程，分析了单个沙粒在不同压力条件下矩形流道内的碰撞反弹系数。与此同时，众多学者利用CFD 流体动力学分析方法对灌水器流道内部水流和水沙两相流特性不断进行深入研究，并以此优化灌水器流道边界设计和选择设计的最优参数[33-34]。灌水器流道结构优化主要有两种方法：一是主航道设计法，该方法可消除流道内泥沙容易淤积的漩涡区域，保留主流区来提高流道颗粒物的输移能力，使颗粒物随水流排出灌水器外，从而降低灌水器的堵塞程度；二是流道漩涡洗壁方法，保持流道内流速较低的漩涡区，对壁面夹角进行优化，充分发展漩涡，增强流道对壁面的自清洗能力，以此提升灌水器的抗堵塞能力。

3.5 微生物拮抗技术

微生物拮抗关系是指微生物在其生命活动中，通过产生某种代谢产物或改变环境条件抑制其他微生物的生长繁殖，甚至将其杀死的现象。有学者研究发现，在灌水器发生堵塞后添加三种农业常用的拮抗细菌，流量几乎为0 的灌水器在14 d 内完全恢复，说明可利用微生物群体感应机制来控制生物膜形成。李云开等[7]通过培养、分离灌水器内部生物膜中的优势菌，进行微生物拮抗实验，筛选出的枯草芽孢杆菌控制堵塞效果明显，在系统运行126 h、堵塞程度达到10%之后，施加该菌剂效果最好，但使用42 h 后需要及时冲洗。微生物拮抗技术对限制生物膜形成效果十分显著，不仅可延缓灌水器堵塞的发生，还能不同程度地恢复已堵塞的灌水器。

3.6 电化学技术

电化学技术具有高效率、低成本、绿色环保的特点，是解决灌水器生物堵塞的新技术，主要原理是水在电压作用下催化产生杀菌活性物质，破坏微生物的细胞膜结构、核酸、蛋白质及其他大分子物质，使细胞失活，进而清除堵塞物质。由于生物膜的形成主要是靠胞外聚合物壁面的黏附作用，在电化学技术控制条件下，使得胞外聚合物含量减少，降低颗粒物在壁面的附着量，抑制生物膜的生长。对于已经形成的生物膜结构施加电压作用，生物膜中的大颗粒物质在电子斥力作用下可能会分散成小颗粒，在灌水器流道内的水力剪切力作用下发生脱落，被水流冲出灌水器，使得生物膜结构被破坏[8]。目前已有公司推出了基于该原理的除垢棒产品，可清除壁面附着的堵塞物质，提升灌水器的抗堵塞性能。