尿素對渾水水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響

官雅輝，牛文全，劉 璐，王亞瓊

(1.中科院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.中國科學院大學， 北京 100049； 4.中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西 楊凌 712100)

近年來，河套引黃灌區(qū)水資源供需矛盾日益突出，黃河水滴灌需求越來越大，黃河水滴灌實踐也越來越普及[1-3]。但黃河水高含沙、高濁度的特點制約著滴灌的發(fā)展，建設過濾池和相應的首部過濾設備所需費用較大，增加了滴灌系統(tǒng)的投入，不便于滴灌技術的推廣。黃河水即使經(jīng)過濾后，仍有大量泥沙進入滴頭流道，易造成滴頭堵塞[4-7]。

另外，水肥一體化滴灌面積越來越大，是未來灌溉施肥的重要發(fā)展趨勢。水肥一體化滴灌過程中，由于水中溶入了化學肥料，增加了滴頭堵塞的復雜性，提高了滴頭堵塞防治的難度。簡單過濾未經(jīng)長期沉淀處理的黃河水與可溶性化學肥料一起可能會造成更為復雜的滴灌滴頭堵塞形式[8-9]。李康勇[10]等研究認為渾水施肥滴灌具有加速滴頭堵塞的作用，劉璐[11-12]等研究發(fā)現(xiàn)施肥對滴頭堵塞的作用受泥沙級配和灌水溫度影響，肥料特性是決定堵塞類型和誘發(fā)風險的重要因素，在清水中施加尿素后有加速滴頭堵塞的風險；杜立鵬[13]等也認為在清水中施加尿素對滴頭堵塞有加速作用。Bozkurt[14]等發(fā)現(xiàn)同時包含Ca2+和SO42-肥料的施肥方式易導致灌水器堵塞，劉燕芳[15]等認為CaCO3沉淀是導致硬水滴灌滴頭堵塞的主要原因。總之，渾水滴灌與施肥一體化過程中增加了滴頭堵塞發(fā)生發(fā)展過程的復雜性。但施肥對滴頭堵塞影響的機理還不是非常清楚，施肥對滴頭堵塞的影響是否與肥料類型和肥料濃度有關有待進一步研究。

為了探明施肥對渾水滴灌滴頭堵塞的影響過程，考慮到氮肥是使用范圍最廣，使用量最大的化學肥料，而尿素為最主要的氮肥，本試驗選擇了3種不同尿素濃度和3種不同的泥沙濃度，分析了內(nèi)鑲片式滴頭堵塞過程對于泥沙和尿素濃度組合的響應，為渾水水肥一體化滴灌技術使用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗用毛管為內(nèi)鑲片式迷宮流道滴灌帶。工作壓力70 kPa時，流量為2.9 L·h-1。滴頭流道寬0.8 mm，齒高1.1 mm，齒間距為3 mm，流道單元數(shù)14個，滴頭的制造偏差為1.76%。毛管管徑為16 mm。通過開展前期試驗發(fā)現(xiàn)，工作壓力對滴頭堵塞影響較小，工作壓力在60～120 kPa范圍內(nèi)時，滴頭堵塞情況基本一致，故本試驗采用工作壓力70 kPa。

試驗用尿素(陜西渭河重化工有限責任公司)，含氮量≥46.6%。試驗用水為楊凌自來水。試驗泥沙取自渭河陜西楊凌段河漫灘地河床淤泥。將河床淤泥表面的樹枝、草等雜質剔除之后，用鐵鏟收集深度為0～15 cm表層淤泥，將所有采回的樣品混合均勻后，帶回實驗室風干研磨，最后過140目篩網(wǎng)，收集小于0.1 mm的泥沙(泥沙粒徑級配見表1)。結合本課題組已有調查結果，試驗用泥沙級配與引黃灌溉水中泥沙級配大致相同，因此本試驗所配置渾水基本能代表引黃灌溉渾水情況。有研究表明黃河水泥沙顆粒表面有生物膜的存在，并會對滴頭堵塞造成一定的影響[16-17]，但由于試驗條件有限且本試驗主要通過室內(nèi)模擬引黃滴灌研究施肥對渾水滴灌堵塞的影響，因而對生物因素考慮較少。

表1 試驗用泥沙粒徑級配

試驗裝置由壓力變頻器、數(shù)據(jù)自動采集設備、水沙混合設備和堵塞測試臺組成。工作水頭控制精度為10 kPa；設定數(shù)據(jù)自動采集時間間隔為1 s，數(shù)據(jù)采集誤差為0.2 g，水沙混合設備由水桶、潛水泵和攪拌機組成，通過攪拌機攪拌使渾水混合均勻。每組測試4條滴灌帶，每條有5個滴頭[10]。本試驗目的是探究渾水中施用尿素造成滴頭堵塞的機理，選擇較短的滴灌帶長度能減小各滴頭受工作壓力和毛管不同位置泥沙含量差異性的影響，提高試驗結果可靠性。

1.2 試驗方法

根據(jù)我國滴頭水力性能測試規(guī)范結合相關文獻[18]的研究成果，考慮到黃河水含沙量大，泥沙顆粒小的特點，按照過濾后灌溉水中最大的泥沙濃度 0.1 g·L-1的10、15、20倍配置渾水含沙量(ρs)為1.0、1.5 g·L-1和2.0 g·L-1三種泥沙濃度。依照生產(chǎn)實踐的施肥濃度，分別配置質量濃度(ρn)為1%、2%和3%尿素濃液。設計完全組合試驗(9個處理)，未施肥和施肥各3個處理作為對照組，共15個處理，每次鋪設4條毛管，每條毛管有5個滴頭，每次灌水結束后，將滴頭流量進行稱重。

采用固定周期的間歇渾水抗堵塞試驗方法，測試壓力為70 kPa，每次灌水30 min，灌水間隔30 min，灌水結束后通過稱量傳感器記錄每個滴頭的流量，計算每根毛管的渾水平均流量與清水流量之比，即平均相對流量qr，并計算灌水均勻度Cu。每次灌水結束后，將量杯中的水進行統(tǒng)一收集，放置于水桶中靜置，待水體變清澈后形成水沙兩層結構，收集桶內(nèi)泥沙，裝入錫箔紙碗中，并放入烘箱內(nèi)，105℃烘干，將烘干的土樣裝入自封袋稱重。

1.3 評價指標與方法

我國《微灌工程技術規(guī)范》認為當?shù)晤^流量小于設計流量的75%時滴頭已經(jīng)發(fā)生嚴重堵塞；國際微灌系統(tǒng)關于灌水器堵塞測試標準草案對滴灌堵塞的定義為：當?shù)晤^流量降幅達到25%～30%則認為發(fā)生嚴重堵塞；目前，我國現(xiàn)行《微灌工程技術規(guī)范》要求滴灌系統(tǒng)設計灌水均勻度不能小于85%，實測灌水均勻度不能小于80%[19]。在本試驗中，為了適當延長試驗中的灌水次數(shù)，設定當灌水均勻度小于70%時，停止試驗，若灌水次數(shù)達到20次后，未達到相應的停止灌水標準，也停止灌水。平均相對流量qr和灌水均勻度Cu的計算公式分別為：

(1)

(2)

堵塞形式定義[10]：在結束灌水時，當?shù)晤^流量為0時，為完全堵塞；當?shù)晤^相對流量介于0～70%之間時為部分堵塞，70%～100%為輕微堵塞。

堵塞位置定義[20]：對于只有進水口處被堵塞物完全填充的情況，定義為進水口堵塞；對于只有流道被泥沙完全填充或者流道與進水口完全被堵塞物填充，流道出口未被堵塞物完全填充的情況，稱之為流道堵塞；對于出水口被泥沙完全填充的情況，稱之為出水口堵塞。

滴頭出流泥沙含量：滴頭單位體積出流量所含泥沙質量(單位：g·L-1)

泥沙輸送能力：實際排出泥沙總量與理論排出泥沙量的比值。

2 結果與分析

2.1 施尿素濃度對滴頭流量變化的影響

不同的施肥濃度和泥沙濃度的組合對平均相對流量qr和灌水均勻度Cu的影響不一樣(圖1)。

從圖1可以看出，在含有非常少量固體懸浮物的清水中加入尿素后，滴頭流量易隨灌水次數(shù)的增加出現(xiàn)波動下降現(xiàn)象，尿素濃度越大，流量波動幅度越大，尿素具有一定加速滴頭堵塞的風險。但在清水中添加尿素，對流量的影響非常小，灌水均勻度一直保持在較高的水平。灌水20次后，3種施肥濃度的滴頭平均相對流量在0.97～1.00之間波動變化，灌水均勻度在0.94～0.98之間波動變化(圖1a)。清水施加尿素有加速滴頭堵塞的風險，這與劉璐[12]和王心陽[21]等研究結果相一致，且隨著施肥濃度的增大，流量波動幅度越大，這主要是尿素分子締合析出物容易捕捉團聚流道內(nèi)懸浮顆粒并粘附在流道壁面，使得滴頭流量減小，而流道內(nèi)形成的紊流又能夠使粘附在流道壁面的物質發(fā)生一定的沖洗，導致流量的波動幅度比較大。

當泥沙濃度為1.0 g·L-1時，灌水8次后，所有處理的流量均出現(xiàn)不同程度的下降，未施加尿素的流量下降較大，灌水均勻度也相對較低。灌水20次后，未施加尿素處理的灌水均勻度低于70%，而施加尿素處理的流量變化相對平緩(圖1b)。當泥沙濃度為1.5 g·L-1時，灌水1～4次，施加尿素的滴頭流量出現(xiàn)下降趨勢，未施加尿素的滴頭在灌水7次后才出現(xiàn)明顯的流量下降趨勢。但是未施加尿素滴頭流量下降速度較大，灌水13次后，灌水均勻度小于70%，施加尿素滴頭下降平緩，尿素濃度越大，流量下降越平緩。另外，施加尿素滴頭流量隨灌水次數(shù)的增加存在流量下降-恢復的波動現(xiàn)象，但波動幅度明顯小于泥沙濃度為1.0 g·L-1。分別在灌水14、19和19次后，尿素濃度為1%，2%和3%滴頭的灌水均勻度下降到70%線以下(圖1c)。當泥沙濃度為2.0 g·L-1時，灌水6次后，未施加尿素的滴頭流量直線下降，灌水9次后灌水均勻度已小于70%。尿素濃度為1%的滴頭流量變化與未施加尿素的類似，灌水2次滴頭流量直線下降，但下降速度小于未施加尿素的處理。濃度為2%和3%的施加尿素處理的滴頭流量下降比較緩慢，分別在灌水17次和18次后，灌水均勻度下降到70%線以下(圖1d)。本試驗研究結果與李康勇[10]等研究結果不同，主要是因為李康勇等試驗中所選取的過磷酸鈣復合肥易產(chǎn)生大量的細小懸浮顆粒造成滴頭堵塞。

圖1泥沙濃度和施肥濃度對相對流量和灌水均勻度的影響

Fig.1 Influence of sediment concentration and fertilizer concentration on coefficient of uniformity and relative flow rate

而渾水中施加尿素后，尿素破壞水結構，生成部分尿化單體而使其有序度下降，膠團變小，溶液粘度降低，泥沙顆粒間相互吸附團聚的能力減弱；加入尿素后，提高了渾水的介電常數(shù)，由于泥沙顆粒表面帶有負電荷，泥沙顆粒不容易形成團聚體；另外，由于疏水作用的存在，在形成疏水鍵的過程中使得部分水分子呈無序狀態(tài)，且疏水基團發(fā)生收縮從而導致泥沙顆粒間不易團聚和淤積而隨水排出[22-25]。此外，尿素是水結構的破壞者，通過改變水的網(wǎng)狀結構而間接影響溶質在水溶液中的熱力學行為，施加尿素的渾水攜帶泥沙顆粒的能力增強[26-29]。綜合以上，渾水中施加尿素后，改變了渾水的性質和泥沙顆粒表面的電化學性質，渾水中穩(wěn)定的泥沙顆粒團聚體較難形成，施加尿素的渾水攜帶泥沙顆粒的能力增強，因而起到了減緩滴頭堵塞的作用。

在一定尿素濃度條件下，滴頭流量比未施加尿素的更早出現(xiàn)流量下降現(xiàn)象(圖1a，圖1c)，施加尿素存在加快滴頭堵塞的風險。當灌溉水中泥沙濃度較大時，施加尿素可以延長有效灌水次數(shù)，減緩滴頭流量下降速度，施加尿素存在緩解滴頭堵塞的作用(圖1c，圖1d)。按照平均相對流量大于額定流量75%為有效灌水計算，當泥沙濃度為2.0 g·L-1時，尿素濃度為1%，2%和3%處理的有效灌水次數(shù)比未添加尿素處理的分別增加11%，89%和100%。說明灌溉水中施加尿素后加速和緩解滴頭堵塞的作用同時存在，當灌溉水中泥沙濃度較大(1.5～2.0 g·L-1)時，總體表現(xiàn)為尿素緩解滴頭堵塞，延長滴頭有效灌水次數(shù)。由于泥沙顆粒是造成堵塞的主要因素，為提高滴灌帶的使用壽命，應該將渾水中的泥沙濃度降低到1.0 g·L-1以下，可放寬至1.5 g·L-1；當泥沙濃度大于1.5 g·L-1時，應該將施肥濃度提高到2%及以上，以減緩滴頭堵塞。在利用渾水進行灌溉時，灌水后應該定期利用清水對滴灌帶進行沖洗，以減少滴灌帶內(nèi)的泥沙淤積和增強泥沙顆粒的排出能力，達到減緩堵塞，提高滴灌系統(tǒng)利用效率的目的[30]。而對于不同溫度和流道結構等因素對隨渾水施尿素對滴灌滴頭堵塞的影響及其相關機理還有待進一步研究。

2.2 尿素濃度對滴頭堵塞位置與堵塞形式的影響

灌水結束后，統(tǒng)計了不同處理滴頭堵塞泥沙的主要聚集位置和滴頭堵塞的主要形式，結果分別見表2和表3。

表2 滴頭堵塞位置統(tǒng)計表

表3 滴頭堵塞形式統(tǒng)計表

每個處理共20個滴頭，總共240個滴頭。從表2可以看出，隨著泥沙濃度增大，堵塞滴頭的數(shù)量逐漸增加。施加尿素后，堵塞滴頭的數(shù)量略有下降。未施加尿素時進口堵塞和流道堵塞滴頭的比例為4∶9，施加尿素后，變?yōu)?∶11，說明施加尿素后，渾水滴灌流道堵塞的滴頭數(shù)為增加趨勢，進口堵塞的滴頭數(shù)為下降趨勢。當尿素濃度分別為1%，2%和3%時，渾水滴灌堵塞滴頭總數(shù)均為10個，低于未添加尿素的情況(13個)。從堵塞滴頭的數(shù)量考慮，施加尿素具有一定緩解滴頭堵塞的作用。

從表3可以看出，施加尿素后，渾水滴灌完全堵塞滴頭數(shù)量有所下降，部分堵塞滴頭數(shù)量有所上升，尿素使滴頭流量減小-恢復波動的能力增強，滴頭發(fā)生完全堵塞的幾率下降。為了進一步比較說明，施加尿素對滴頭堵塞位置與形式的影響，表4列出了有關文獻的相關統(tǒng)計結果。渾水中施加尿素后，堵塞滴頭的總數(shù)相對于未施肥呈下降的變化趨勢，且流道堵塞滴頭個數(shù)增加，進口堵塞的滴頭個數(shù)下降。一方面是由于施加尿素后，與水相融合后渾水粘度降低，含尿素渾水改變了水分子的結構，使得渾水輸送泥沙的能力增強[26-27]；另一方面，尿素的加入，破壞了形成泥沙顆粒穩(wěn)定團聚體的條件，使得泥沙顆粒較難在流道進口處形成較大的穩(wěn)定的團聚體，泥沙顆粒被更遠的輸送到流道內(nèi)并在狹小的流道空間內(nèi)發(fā)生絮凝團聚，并逐漸造成流道的部分或完全堵塞，因而流道和部分堵塞所占比重更大。

表4 滴頭堵塞類型與位置對比

表4可以看出，本試驗總堵塞滴頭比例為21.10%，顯著小于未施肥渾水滴灌的滴頭堵塞比例(56.94%)，也小于文獻[10]施肥滴灌滴頭堵塞比例(65.45%)，由于文獻[10]添加的肥料為過磷酸鈣，易在水中產(chǎn)生大量的細小懸浮顆粒造成滴頭進口堵塞。與文獻[10]、[18]比較，本試驗添加尿素后，顯著降低了進口堵塞與流道堵塞滴頭的比例，總體上減小了部分堵塞滴頭的比例，緩解了滴頭堵塞趨勢。

2.3 施肥對排出泥沙能力的影響

為進一步比較各處理對排出泥沙能力的影響，計算了泥沙輸送能力(實際排出泥沙總量與理論排出泥沙量的比值，表5)、滴頭泥沙相對排出率(表6)、滴頭排出泥沙含量(圖2)。

表5 不同施肥濃度的泥沙輸送能力

從表5可以看出，與未施肥相比，施加尿素后，滴頭的泥沙輸送能力均有所提高，當泥沙濃度為1.0 g·L-1，尿素濃度為3%時，滴頭泥沙輸送能力最大，比未施加尿素處理提高了31.5%。滴頭泥沙輸送能力隨施肥濃度的增大而增大。由于泥沙輸送能力不同，不同處理滴頭的輸出泥沙質量也不同。考慮到不同處理實際灌水次數(shù)不同，由于滴頭堵塞，每次滴頭實際流量也不同，為了便于比較，根據(jù)不同處理實測滴頭排出泥沙量，計算平均泥沙排出量，再計算與未施肥處理平均排出泥沙質量的比值，得到滴頭泥沙相對排出率(表6)。表6中，施肥較未施肥的滴頭泥沙排出率大，且隨著施肥濃度的增加，滴頭泥沙排出率越大,施肥濃度為3%時，滴頭泥沙排出率最大。進一步說明施肥起到了減緩滴頭堵塞的效果。渾水中施加尿素后，改變了渾水的性質和泥沙顆粒表面的電化學性質，且尿素分子黏滯力小于對泥沙顆粒表面結構的改善作用，較難形成穩(wěn)定的泥沙顆粒團聚體，泥沙顆粒能較好的隨水輸移和排出[31]，因此泥沙輸送能力和相對泥沙排出率較未施肥大，且隨著施肥濃度的增大而變大。

表6 相對泥沙排出率

人工配制渾水滴灌試驗，當渾水流經(jīng)輸水管道，進入毛管，再經(jīng)流道流出滴頭的整個過程中，泥沙將會在各級管道，滴頭流道內(nèi)淤積，流出滴頭的含沙量與配制的初始泥沙濃度不同。圖2為不同尿素濃度在不同泥沙濃度渾水滴灌過程中，滴頭出流泥沙含量。

圖2施肥濃度對滴頭出流泥沙含量的影響

Fig.2 Effect of fertilizer concentration on outflow sediment content

從圖2可以看出，滴頭出流泥沙含量隨灌水次數(shù)的增加呈現(xiàn)先快速增加，后逐漸下降的趨勢。泥沙濃度為1.0 g·L-1時，施加尿素的滴頭出流泥沙含量大于未施肥的滴頭，且隨著施肥濃度的增加而增大。泥沙濃度為1.5 g·L-1或2.0 g·L-1時，未施肥滴頭出流泥沙含量與施加尿素的基本一致，但是在隨灌水次數(shù)增加過程中，未施肥處理滴頭出流泥沙濃度最早從上升趨勢轉化為下降趨勢。如泥沙濃度為1.5 g·L-1時，灌水11次后，未施肥處理滴頭出流泥沙含量轉為下降趨勢，施肥濃度為2%處理，灌水16次后才轉為下降趨勢；泥沙濃度為2.0 g·L-1時，未施肥處理滴頭出流泥沙含量在灌水7次后轉為下降趨勢，而施肥濃度為1%，2%和3%處理分別在灌水9、15、16次后才轉為下降趨勢。施加尿素后，可以使滴頭較長時間保持較高的泥沙輸出能力，尿素濃度越大，滴頭保持較高泥沙輸出能力的時間越長。通過分析出流泥沙含量與平均相對流量的相關關系(表7)可知，出流泥沙含量與平均相對流量存在顯著負相關關系，隨著出流泥沙含量的增大，平均相對流量減小。第一次灌水后，大量的泥沙淤積在毛管和首部系統(tǒng)內(nèi)，而排出的泥沙量較少，因而出流泥沙含量小；隨著灌水次數(shù)的增加，進入毛管內(nèi)的泥沙總量增加，部分泥沙發(fā)生懸浮，可供出流泥沙量增多，滴頭出流泥沙含量大，呈現(xiàn)加速增長形態(tài)，在灌水后期，系統(tǒng)中滴頭發(fā)生部分或完全堵塞，排出泥沙量減少，導致滴頭出流泥沙含量呈一定的減小趨勢。出流泥沙含量與平均相對流量之間存在較強的相關性，因此可以通過滴頭出流泥沙含量來判斷滴頭堵塞情況。

表7 出流泥沙含量與平均相對流量的相關關系

注：**代表在0.01水平上顯著相關。

Note: ** represents a significiant correlation at the 0.01 level.

3 結 論

1) 渾水中施加尿素后改變了滴頭堵塞的位置和形式，延長了有效灌水次數(shù)，起到了一定的緩解滴頭堵塞的作用，

2) 施肥與未施肥相比，泥沙輸送能力和相對泥沙排出率有顯著的提升，且隨著施肥濃度的增大而增大。

3) 應加強過濾和沖洗等措施減小進入毛管和滴頭的泥沙量，提高滴灌系統(tǒng)使用效率。

4) 可嘗試通過評價出流泥沙含量和排出泥沙能力判斷滴頭的抗堵塞性能。

5) 本試驗未考慮生物因素對滴頭堵塞的影響，在后續(xù)的研究中，我們將進一步綜合考慮物理、化學和生物三種因素的耦合作用對滴頭堵塞的影響。

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