地下滴灌不同毛管抗負壓堵塞性能試驗研究

王榮蓮，任志宏，莫 彥，王建東，于 健

(1.內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古 包頭 014109；2.內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010051；3.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048；4.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081)

地下滴灌是將滴灌毛管埋在土壤中的先進灌溉技術，可將水和養分直接灌到作物根區[1,2]，有效減少土壤蒸發和地表徑流[3-5]，同時不影響田間耕作。與其他灌溉方式相比，地下滴灌節水增產優勢比較明顯[6]，是今后微灌發展的方向之一[7]，備受國內外專家和學者的重視，但該技術在國內的應用尚處于起步階段，而且面臨著萎縮的困境。目前制約地下滴灌系統縱深發展的一個重要原因是系統易堵塞，其中一種堵塞方式是負壓堵塞，是由于在關閉地下滴灌系統時,管網中易產生負壓，可將毛管外壁的微小土粒吸入滴頭流道,而造成堵塞[8-13]。目前主要解決措施包括：一是在系統局部高點(包括首部、各級管道等)安裝進排氣閥,來消除負壓[14,15]，存在問題是當地形起伏較大時,使用的進排氣閥數量太多,且有時不能完全消除負壓；二是國外的措施，即在毛管末端安裝沖洗管和沖洗閥，定期對系統進行自動沖洗[17,18]，但我國目前還未研制出相關適用性較強的自動沖洗設備，故應用范圍不是很廣泛；三是研制專用防負壓堵塞滴頭，如以色列NETAFIM公司研制的出水口形式為舌片式的滴頭,在負壓作用下可將舌片關閉避免土壤顆粒進入滴頭[19]。國攀等[20]研究得出灌水器及土壤類型對地下滴灌負壓堵塞的影響顯著，壓力補償式灌水器抗負壓堵塞性能優于流量可調式灌水器；在紅壤土中比黃沙土中更易出現負壓堵塞現象；灌溉方式(灌溉次數、單次灌水量、灌水間隔)對灌水器負壓堵塞的影響顯著。目前我國在防負壓堵塞專用設備還不是很成熟的條件下,使用常規的地表滴灌設備是難以避免的，故開展常用滴灌帶在不同土壤內的抗負壓堵塞性能試驗研究尤為重要。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年在內蒙古呼和浩特市東郊園藝科技試驗中心的日光溫室內進行，采用目前國內外常用的3種類型滴灌帶(管)，分別為單翼迷宮式滴灌帶、內鑲片式滴灌帶及內鑲圓柱狀滴灌管，型號分別為MGD16×300-2.57-100、NFG16×300-1.53-100及DN16×300-3.62-100，額定壓力都為100 kPa，額定流量分別為2.57、1.53及3.62 L/h，滴頭間距都為300 mm，壁厚分別為0.2、0.3及0.6 mm。試驗土樣為內蒙古自治區具有代表性的東部赤峰市松山區、中部呼和浩特市后桃花村、西部巴彥淖爾市磴口縣土壤，土壤類型分別為黏壤土、壤土及砂壤土，黏性由高到低，土壤0～80 cm內平均容重分別為1.36、1.44及1.53 g/cm3，田持(體積含水量)分別為39%、25%及21%。

1.2 試驗裝置及試驗方法

1.2.1 試驗裝置

該試驗裝置包括供水水箱、訂制的DC50E系列三相直流水泵(帶電位調速器)、輸水管、土箱、地下滴灌帶(管)、壓力表、KN213金屬管浮子流量計、負壓計、閥門、回水管、回水水箱、水循環式真空泵(內部按照電接點真空表)、三通、閥門及負壓計等。

試驗土箱采用訂制的110×100×90 cm(長×寬×高)鋼化玻璃箱(安裝3個滴頭，滴頭間距30 cm)，每個土箱內埋設滴灌帶(管)3層，每層3條，共9條滴灌帶(管)。供水和回水水箱采用訂制的20×20×50 cm(長×寬×高)鋼化玻璃箱，箱體四周貼皮尺，用于測試、校核灌水流量。水循環式真空泵、三通及閥門安裝到滴灌帶之前的供水管上。水泵帶電位調速器，方便調速調壓，實現恒壓供水。試驗測試系統示意圖見圖1。

1-供水水箱；2-水泵；3-供水管道；4、6-閥門；5-回水管；7-壓力表；8-流量計；9-滴灌帶(管)；10-土箱；11-土壤；12-回水水箱；13-閥門；14-水循環式真空泵圖1 抗負壓堵塞性能試驗系統示意圖

1.2.2 試驗方法

本試驗在3種土壤內測試3種類型滴灌帶(管)，共9個處理，每處理重復3次。試驗前，先對土壤容重、顆粒組成、田持進行取樣測試，用環刀取0～20、20～40、40～60、60～80 cm內原狀土，用烘干法測試各層容重；用篩分法測試土壤顆粒組成，確定土壤質地；用環刀法測試0～20、20～40、40～60、60～80 cm內土壤田持。將試驗所需土樣運到試驗場地后，先過1 mm篩，灑水到最優含水率攪拌均勻后分層裝入各自土箱，按實測0～80 cm內各層容重進行裝土，每裝5 cm夯實一次，然后將表層刨毛，再裝上層，依次進行。裝土到設計滴灌帶(管)埋設高度時，將事先在空氣中測試了壓力、流量關系曲線的3種滴灌帶(管)，沿土箱長度方向穿孔鋪設，每條3個滴頭，距離箱壁25 cm，滴灌帶(管)首末兩個滴頭距離箱壁也為25 cm。除單翼迷宮式滴頭外，其他滴灌帶(管)滴頭向上，防止滴頭堵塞。在距離每條滴灌帶20 cm處安裝2支負壓計。為保證與實際運行情況一致，待其他設備安裝好后，讓每條滴灌帶(管)穩定運行一段時間，壓力始終保持0.10 MPa，通過負壓計讀數控制，使每條滴灌帶(管)周圍的初始土壤含水量一致后，開始負壓堵塞試驗。試驗時，將電接點真空表設置在-30 kPa(從試驗的可行性及效果考慮確定，并盡量接近實際負壓值)，關閉水源，打開真空泵，使滴頭處形成負壓，當真空表讀數指到-30 kPa時，真空泵自動關閉，系統停止運行，穩定一段時間后，再通過流量計及供水水箱水位變化來測定該滴灌帶(管)的流量。依次逐條循環測試，通過流量變化反映其負壓堵塞程度(因為灌水水源采用自來水，水質較好，可排除由水質不良造成的堵塞；該類試驗不種植作物，故可排除根系入侵堵塞，只有負壓堵塞的可能)。每個處理共進行了72次灌水、抽真空的循環，此時幾條滴灌帶(管)的流量已有明顯降低，試驗結束。

1.3 數據分析

使用Office 2010進行試驗數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 滴灌帶(管)流量變化規律分析

繪制不同土壤內不同處理3次重復的平均流量隨時間的變化曲線，見圖2。

圖2 不同土壤內不同滴灌帶(管)流量隨時間變化曲線

由圖2(a)可知，每種處理滴頭流量總體都呈下降趨勢，但下降幅度不同，赤峰市黏壤土中，內鑲柱狀滴灌管下降較明顯，流量下降0.43 L/h，下降12%，其余兩種下降不明顯。

由圖2(b)可知，呼市壤土內，單翼迷宮式滴灌帶下降最明顯，流量下降0.86 L/h，下降34%，其次為內鑲柱狀滴灌管，流量下降0.43 L/h，下降12%，內鑲片式滴灌帶下降不明顯。

由圖2(c)可知，巴彥淖爾市砂壤土內規律與呼市土內類似，單翼迷宮式滴灌帶下降最明顯，流量下降0.43 L/h，下降12%，其余兩種下降不明顯。

2.2 負壓堵塞程度評價

目前國內外尚沒有判別滴灌帶(管)堵塞的標準，ISO/TC23/SC18“Clogging test methods for emitters”初稿建議當擬評價滴灌帶(管)流量與參考滴灌帶(管)流量[同一滴灌帶(管)在空氣中額定壓力下的自由流量]之比小于75%時，即流量降低百分數Rq超過25%時，認為發生了堵塞[23]。本文采用這一標準對滴灌帶(管)的堵塞情況進行評價。

本試驗只有在呼市壤土內，單翼迷宮式滴灌帶流量降低34%，超過了25%，認為發生了堵塞；在砂壤土中流量下降12%，繼續試驗，發生堵塞的可能較大。由此可見，單翼迷宮式滴灌帶用于地下滴灌時，一定要特別注意做好管路中防負壓裝置的安裝設計。內鑲片式滴灌帶抗負壓堵塞性能較好，在3種土壤內都沒有出現明顯的堵塞現象。內鑲柱狀滴灌管在黏壤及壤土內流量下降均為12%，若繼續試驗，有發生堵塞的趨勢。該類滴灌管與其余兩種滴灌帶相比，除滴頭流道不同外，其流量最大，說明增大流量并不能明顯降低負壓堵塞。

3 結 語

通過開展單翼迷宮式滴灌帶、內鑲片式滴灌帶及內鑲圓柱狀滴灌管分別在黏壤土、壤土及砂壤土內的抗負壓堵塞性能試驗研究，得出如下結論：

(1)單翼迷宮式滴灌帶抗負壓堵塞性能較差，在壤土內流量降低34%，發生了堵塞；在砂壤土中流量下降12%，繼續試驗，發生堵塞的可能較大。

(2)內鑲片式滴灌帶抗負壓堵塞性能較好，在3種土壤內都沒有出現明顯的堵塞現象。

(3)內鑲柱狀滴灌管在黏壤及壤土內流量下降均為12%，若繼續試驗，有發生堵塞的趨勢。該類滴灌管與其余兩種滴灌帶相比，除滴頭流道不同外，其流量最大，說明增大流量并不能明顯降低負壓堵塞。