黃河水沉淀后水質對滴灌灌水器堵塞的影響

張曉晶，于　健，馬太玲,，宋耀興，盧俊平，杜慧慧，王　凡

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010018；

2.內蒙古自治區水利科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010018； 3.三亞學院， 海南 三亞 572022)

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黃河水沉淀后水質對滴灌灌水器堵塞的影響

張曉晶1，于健2，馬太玲1,3，宋耀興2，盧俊平1，杜慧慧3，王凡1

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010018；

2.內蒙古自治區水利科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010018； 3.三亞學院， 海南 三亞 572022)

摘要：利用2013年5月—10月和2014年7月—11月的實測數據，分析了烏海市不同功能的三個典型沉淀池(如意湖、林業湖和朝陽湖)的濁度、細菌總數、葉綠素a、總氮、總磷五項水質指標的沉淀、過濾效率，利用灌水器堵塞野外調查數據并結合堵塞物電鏡掃描圖片，探討了黃河水經過平流沉淀+網式過濾組合模式處理后仍會造成灌水器堵塞的原因。結果表明：各沉淀池濁度的沉淀和過濾效率均較高，其中如意湖的沉淀效率最高，平均去除率為63%；2013年朝陽湖的過濾效率最高，為60.53%，各沉淀池水質指標的過濾效果普遍較差。黃河水經沉淀過濾后仍會造成灌水器堵塞，其主要原因與細小顆粒物和微生物形成的絮狀結構有關，建議對原有沉淀、過濾措施提出改進，經一、二級沉淀后在泵房內改用疊片式砂過濾器。

關鍵詞：滴灌；水質；灌水器堵塞；黃河水；沉淀效率；過濾效率

烏海市位于中緯度大陸深處，屬于荒漠化草原、草原化荒漠過渡帶，氣候干燥，年均降水量只有160 mm，而年蒸發量是降水量的21倍，人均水資源不足全國人均水資源量的1/5，水資源匱乏嚴重，屬嚴重缺水地區[1-3]。近年來，烏海地區大力發展農林業節水滴灌技術，致力于提高灌溉水資源利用效率，緩解烏海市水資源短缺的問題[4-5]。同時，由于水資源日益緊缺程度不同以及各區域水資源的分布特點不同，近年來滴灌用水水源呈多元化發展，由傳統高標準水質的地下水源，逐步發展為微咸水、再生水和含沙水等多種水源趨勢。烏海市灌溉用水主要來自黃河水，然而黃河水具有高濁度、高泥沙的特點，在不同時期含沙量呈季節性變化，直接引用黃河水滴灌，滴頭容易堵塞，使滴灌技術的推廣受到了很大的限制[6-7]。

滴頭堵塞一直是滴灌技術面臨的技術難題，滴頭堵塞成因[8]和滴頭結構對抗堵塞性能的影響[9-13]一直是該領域的研究熱點。灌水器的堵塞改變了灌水器原有的水力性能，使得灌水器出流量減小，進而降低整個滴灌系統的灌水質量，嚴重影響滴灌系統運行效果和安全性[14]，無形中提高了滴灌的使用成本，成為制約滴灌技術推廣的關鍵因素[15-17]。本文通過分析滴灌水源—黃河水沉淀后各項水質指標(濁度、細菌總數、葉綠素a、TN和TP)的沉淀效率和過濾效率，研究黃河水在經過平流沉淀+網式過濾組合模式后仍會造成灌水器堵塞的原因，分析各沉淀池不同水質條件下灌水器在田間的實際堵塞情況，結合堵塞物電鏡掃描圖片探討黃河水水質對滴灌系統灌水器堵塞的影響，為解決水資源匱乏地區滴灌用水提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

黃河水由一級提升泵站通過約9.8 km的渠道及管道輸送到各沉淀池的前池，經初步沉淀后，粗沙被截留，表層濁度較低的水經擋水墻頂部溢流后進入后池進一步沉淀。在需要灌水時，由加壓泵將沉淀后的池水提升進入兩級網式過濾器(LW系列離心網式過濾器和AF200系列自清洗網式過濾器)，過濾后的水直接配送到滴灌裝置中，通過滴頭進入作物根系。

本研究選定如意湖、朝陽湖和林業湖三個試驗地點。三個沉淀池均為平流式沉淀池，均由前池、后池和加壓泵房組成，各沉淀池前后池尺寸和容積各不相同，各池尺寸及面積見表1。如意湖主要作為供林業灌溉用水的蓄水沉淀池；林業湖主要是人工景觀湖，常年處于靜水狀態，僅在需水量大時供給林業灌溉；朝陽湖兼有林業灌溉蓄水池和養魚塘功能。如意湖和朝陽湖采用平流式沉淀+網式過濾組合模式處理黃河水作為滴灌系統的水源，同時選擇不設過濾裝置的林業湖進行對比。

表1　各沉淀池前后池尺寸和面積

1.2樣品采集與測定方法

根據《水質采樣樣品的保存和管理技術規定》(HJ493-2009)和《水質采樣方案設計技術規定》(HJ495—2009)，在三個沉淀池前、后池各設置兩個監測斷面，每個斷面設置左、中、右采樣點，同時在每個沉淀池滴灌設備灌水器出水口設采樣點。

現場監測濁度、溫度、pH值和水深，同時在不同監測點采集兩種水樣，一種是用已滅菌的硬質玻璃瓶在水下0.5 m處取樣，存放于保溫箱內使溫度維持在4℃左右，24小時內運回實驗室，測定細菌總數；另一種是用聚乙烯瓶取水樣，用于測定水質指標有總氮、總磷、葉綠素a。溫度和pH值采用德國生產的WTW系列便攜式pH計現場測定；濁度采用國產的瑞星WGZ-2B濁度計測定；總氮、總磷、細菌總數和葉綠素a通過表2描述分析方法測定[18]。

1.3堵塞物的掃描電子顯微鏡分析方法

采用S-530型掃描電子顯微鏡對灌水器中沉積物的形態進行分析。預先將灌水器中的沉積物樣品采用質量分數2.5%的戊二醛溶液固定過夜。然后用30%、50%、70%、85%、95%梯度的乙醇溶液逐次脫水，每次15 min，再用100%的乙醇脫水2次，每次15 min，之后用乙酸異戊酯替代，用二氧化碳臨界點干燥，最后用10 kV電壓噴金。觀測過程分別對如意湖、林業湖和朝陽湖灌水器的沉積物在不同放大倍數下拍攝特征明顯部位照片。

表2　實驗測試指標及分析方法

2結果與分析

2.1各沉淀池水質指標沉淀效果分析

2013年和2014年各沉淀池水質指標(濁度、細菌總數、葉綠素a、TN和TP)的沉淀效率如表3和表4所示。

由表可知，各沉淀池對濁度和細菌總數的去除率均較高：如意湖濁度去除率最高，2013年和2014年濁度平均去除率分別為61.1%和65.22%，細菌總數的平均沉淀效率分別為57.16%和41.39%；其次為朝陽湖，林業湖沉淀去除率最低，且2013年各沉淀池濁度和細菌總數的平均沉淀效率大都高于2014年。如意湖對葉綠素a、TN和TP也有一定的去除效果，但相對于濁度和細菌總數的沉淀效率要低，而其它沉淀池對葉綠素a、TN和TP的沉淀效果均較差。

表3　2013年各沉淀池水質指標沉淀效率

由于本研究沉淀池中含沙量很小，實驗中無法準確測得，所以采用水體濁度作為衡量泥沙沉淀效果的指標。細菌總數和濁度的變化規律基本一致，隨著濁度的降低細菌總數減少。說明泥沙對微生物具有吸附作用，大量的微生物附著生長在泥沙顆粒上，隨著泥沙的沉降水體中微生物數量也減少。葉綠素a(藻類)從5月份到10月份含量持續增長，表明在這個時間的水溫和光照范圍均適于藻類的生長繁殖，且各沉淀池對藻類均無顯著的沉淀效果。營養物質(N、P)含量高的沉淀池有利于微生物(細菌和藻類)的生長繁殖，有利于泥沙和微生物形成粘性體，加劇灌水器的堵塞[19-22]。

表4　2014年各沉淀池水質指標沉淀效率

2.2各沉淀池過濾效果分析

由表5和表6可知，2013年朝陽湖濁度過濾效率最高為60.53%，如意湖濁度過濾效率為49.15%；2014年各沉淀池濁度的過濾效率均低于2013年，且各沉淀池濁度的過濾效率遠遠低于50%，林業湖沒有設過濾裝置。各水質指標(細菌總數、葉綠素a、TN和TP)過濾效果均很差，說明過濾器對水質指標的去除效果很弱，而且過濾器后有些水質指標還會有所升高，尤其是微生物在灌水器出口處大量繁殖，表明滴灌帶內有適于微生物增長的條件。過濾器雖對藻類有一定的攔截作用，但效果不明顯。

過濾器對沉淀池的凈化效果起到了很好的補充作用，過濾效率與后池出水濁度成正比。后池濁度高時，水中的懸浮物粗細混合，經過濾器將粗顆粒截留下來，因而過濾效果較明顯；后池出水濁度較低時，粗顆粒懸浮物基本已沉淀，僅剩較細顆粒物經過過濾器，這些顆粒粒徑大部分都低于過濾器的孔徑，因而過濾效率較低。此外，各沉淀池過濾效率普遍較低還與過濾器的運行維護有關，應定期對過濾器進行反沖洗，否則會降低過濾效果。

2.3各沉淀池滴灌系統灌水器堵塞情況分析

本研究于2014年10月10日對如意湖、林業湖和朝陽湖的田間滴灌帶進行抽查，統計了灌水器的堵塞個數，計算了堵塞率。由表7可知，由于過濾效率普遍較低，各沉淀池均有一半以上的灌水器發生堵塞，如意湖和林業湖的堵塞程度較為嚴重，平均堵塞率高達79%。調查期間如意湖長期沒有進水，水質較差，營養鹽N、P含量高，導致微生物(細菌和藻類)的含量也增加，灌水器流道中易于形成細小顆粒物與微生物組成的粘性體。林業湖中的水長期處于停滯狀態，且不安裝過濾器，較大顆粒物無法得到有效去除。

2.4灌水器堵塞原因分析

現場用塑封袋采集堵塞嚴重的灌水器帶回實驗室，采用S-530型掃描電子顯微鏡對灌水器中沉積物的形態進行分析。

如意湖灌水器沉積物掃描電子顯微鏡照片如圖1、2所示，由圖可以看出，在放大倍數為200時可觀察到微生物的絮狀結構，放大2000倍后還看到有棱角的晶體結構(可能是鹽類)。

表5　2013年各沉淀池水質指標過濾效率

表6　2014年各沉淀池水質指標過濾效率

表7　各沉淀池滴灌系統灌水器堵塞情況

林業湖灌水器沉積物掃描電子顯微鏡照片如圖3、4所示，由圖可以看出，放大800倍后觀察到類似于胞外分泌物，可能有藻類存在，放大2000倍后可以觀察到微生物絮狀結構、粘液及絲狀菌結構。

朝陽湖灌水器沉積物掃描電子顯微鏡照片如圖5、6所示，由圖可以看出，放大2000倍后可以清晰地發現有微生物的絮狀結構，放大1000倍后可同時看到絮狀、絲狀結構和表面光滑有棱角的結晶體(可能是鹽類)。

圖1　如意湖電鏡掃描(200倍)

圖2　如意湖電鏡掃描(2000倍)

圖3　林業湖電鏡掃描(800倍)

圖4　林業湖電鏡掃描(2000倍)

圖5朝陽湖電鏡掃描(1000倍)

Fig.5SEM result for blockage in Chaoyang

lake (1000 × magnification)

圖6朝陽湖電鏡掃描(2000倍)

Fig.6SEM result for blockage in Chaoyang

lake (2000 × magnification)

灌水器沉積物表面粗糙，結構復雜，可以清晰的發現沉積物中的微生物絮狀結構、胞外分泌物、結晶體和微小顆粒結構。沉積物主要為微小顆粒及微生物組成的絮狀結構(大量存在，為主體結構)和光滑平整的類似于晶體的結構(可能為鹽類)。微小顆粒上附著絮狀結構沉積于流道表面，同時絲狀的菌體及其胞外分泌物在絮狀體之間起著明顯的“架橋”連接作用，并最終富集成為具有一定厚度，一定體積的沉積物穩定團塊，這是造成各沉淀池灌水器堵塞的主要原因[23-25]。此外，無論是微小顆粒還是晶體結構，其本身尺寸遠遠小于過濾器的有效過濾尺寸。由此說明，過濾作用的確有效地控制了大顆粒在灌水器流道內的沉積；但通過過濾器的小顆粒沉積物主要以絮狀結構沉積于流道表面，并富集成為穩定團塊，單一的過濾措施很難控制其富集[26-27]。

3結論

1) 各沉淀池濁度的沉淀和過濾效率均較高，其中如意湖濁度的沉淀效果最好，朝陽湖濁度的過濾效果最好，林業湖的沉淀過濾效果均較差。各水質指標(細菌總數、葉綠素a、TN和TP)過濾效果均很差，而且過濾器后有些水質指標還會有所升高，尤其是微生物在灌水器出口處會大量繁殖。

2) 黃河水沉淀后出水濁度最高為34.4 ntu(4.5 mg·L-1)，明顯小于50 mg·L-1，但仍造成了灌水器的堵塞。本項目采用的網式過濾器主要適合于含沙量高的灌溉水源，而隨著灌溉水在沉淀池內停留時間的增加，灌溉水質發生了變化，營養鹽N、P含量增加，微生物也大量生長繁殖，而網式過濾器對微生物沒有明顯的過濾效果。因此，本研究建議對原有沉淀、過濾措施提出改進方案：確定一級沉淀設于灌溉斗渠的引水口處，做成倒坡平流式沉淀池，一級沉淀池出口由9.8 km輸水渠末端進入二級平流沉淀池，經一、二級沉淀后，進入泵房前，在泵房內改用疊片式砂過濾器，可有效清除灌溉水源中的砂粒、粘粒、藻類和微生物等各種污物。

3) 由灌水器堵塞野外調查情況并結合堵塞物電鏡掃描圖片可推斷朝陽湖和如意湖灌水器堵塞的主要原因是微生物因素和化學因素，而林業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為顯著，不容忽視。黃河水沉淀后各項水質指標(細菌總數、葉綠素a、TN、TP)會直接影響到灌水器沉積物中顆粒物結構和微生物絮狀結構的形成。

參 考 文 獻：

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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

中圖分類號：S273.1

文獻標志碼：A

作者簡介：張曉晶(1983—)，內蒙古呼和浩特市人，實驗師，主要從事水污染控制與水環境保護方面研究。 E-mail:xiaojingzhang1983@aliyun.com。通信作者：于健(1957—)，內蒙古呼和浩特市人，教授級高級工程師，主要從事節水灌溉技術與原理的科研工作。 E-mail：jianyu192005@aliyun.com。

基金項目：省水利科技項目“烏海市黃河水滴灌工程過濾技術研究”(SLKJ201211)

收稿日期：2015-02-15

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.41

文章編號：1000-7601(2016)02-0258-07