沙濾料對南疆農田排水過濾效果的影響

李雪敏 李 杰 董雪晶 張澤龍

（塔里木大學水利與建筑工程學院 新疆 阿拉爾 843300）

南疆地區氣候干燥，年降雨量較少，蒸發量大，土壤鹽漬化嚴重。通過大水洗鹽和種植水稻改良可以起到壓鹽及洗鹽效果，但是農田用水量較大，對于本就水資源短缺的南疆地區而言無疑是雪上加霜。然而，豐富的農田排水資源并未被重視，反而對灌區排水載體造成嚴重污染，因此，研究如何將劣質排水循環再利用，緩解水資源緊張、減輕水體污染的問題已被眾多學者所重視。

農田排水資源化利用作為干旱缺水地區開發水資源利用潛力的有效途徑，早已被人們所重視與采用，并且有研究者指出，利用農田排水作為補充水源，不僅提供給作物所需水分，同時可減輕對水環境的影響[1]。對于農田排水資源化利用技術，國內外專家做出了大量研究。王少麗[2]等認為，作物早期采用淡水灌溉較為適宜，而在生長的中后期可采用農田排水進行灌溉；劉大剛[3]等認為應將農田排水水質、作物特性、土壤特性、水文氣象、灌排措施等作為排水資源化利用適宜性評價指標；彭世彰[4]等則強調應更加注重農田污染物遷移與劣質水處理、劣質水灌溉技術與標準、以及劣質水灌溉的環境影響與生態風險等方面的研究。農田排水灌溉對土壤水分運移特性的影響直接反映了其利用的優劣性。賴永明[5]等提出針對特定地區的各種作物，制定相應的苦咸水灌溉技術措施，包括控制灌溉水礦化度、制定合理的灌溉制度、采用滴灌的灌溉方式等。因此，農田排水資源化利用對提高灌溉水資源重復利用率，減少化肥和農藥的流失，降低農業排水污染，促進節水與水資源可持續利用具有重要作用[6]。

本研究以南疆農田排水為對象，以不同粒徑沙和生物炭為原料，形成“沙-生物炭”組合濾料，研究原水與過濾水鹽分及離子變化規律，探索出適合的濾料組合，為緩解南疆水資源短缺及劣質水循環利用提供前期研究基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料。實驗于2020 年11～12 月在塔里木大學水利與建筑工程學院給排水實驗室進行。供試劣質水取自阿拉爾市13 團總排堿渠農田排水，如圖1(a)。沙濾料及活性炭取自建筑材料實驗室。沙濾料及活性炭粒徑如表1 所示。

表1 粒徑分析(mm)

1.2 實驗方法。將取來的沙濾料用純凈水進行清洗，直至連續3 次測定溶液電導率相同。按照粗沙-活性炭-細沙、細沙-活性炭-細沙和粗沙-細沙3 種組合方式裝填至圓柱形土柱中，圓柱規格為：φ20 cm，高100 cm，裝填規格為上層30 cm，中層20 cm，下層30 cm，如圖1(b)所示。裝填完畢后加入10 L 農田排水進行過濾。

圖1 農田排水取樣及土柱裝填方式

1.3 測定指標

1.3.1 礦化度、電導率與百分含量相關性。于實驗室內配制相應百分比濃度溶液，用電導率測定儀(DDB-303A)測定溶液電導率，用烘干法測定溶液礦化度，并繪制相關性曲線。

1.3.2 農田排水過濾速度及電導率變化。每過濾100 ml水樣便進行取樣，記錄時間，測定過濾速度。將過濾出的水樣收集后用電導率測定儀測定電導率值，可通過礦化度、電導率與百分含量相關性進行轉換。

1.3.3 水質檢測。包括Na+、K+、Cl-、，用火焰光度計(FP6450)測定水樣中Na+、K+濃度，用全自動化學分析儀(Smartchem200)測定水樣中Cl-、濃度。

1.4 數據處理。運用Microsoft Excel 2010，進行數據整理及完成繪圖。

2 結果與分析

2.1 礦化度、電導率與百分含量相關性。由圖2 可知，礦化度、電導率與百分含量呈顯著性線性相關，百分含量與礦化度相關性方程為y=9.9849x -0.0028，決定系數為0.99；百分含量與電導率相關性方程為y=16.058x+1.0899，決定系數為0.99；礦化度與電導率相關性方程為y=1.6079x+1.0972，決定系數為0.99。因此，礦化度、電導率與百分含量可以通過相關性方程進行相互轉換，得出所需單位表述。

圖2 礦化度 電導率與百分含量相關性

2.2 不同組合對農田排水過濾速度及電導率的影響。農田排水過濾速度及電導率變化如圖3 所示，隨著取樣次數的增加，農田排水過濾速度呈現快速降低后趨于穩定的趨勢，穩定時細沙-活性炭-細沙組合、粗沙-活性炭-細沙組合、粗沙-細沙組合過濾速度分別為0.09 L/h、0.15 L/h 和0.17 L/h。不同組合過濾速度為：細沙-活性炭-細沙組合＜粗沙-活性炭-細沙組合＜粗沙-細沙組合。農田排水電導率變化隨取樣次數的增加呈先低后高的趨勢，在第5 次取樣時開始回升，初始農田排水電導率為12.72 ms/cm，第1 次取樣細沙-活性炭-細沙組合、粗沙-活性炭-細沙組合、粗沙-細沙組合電導率分別為7.62 ms/cm、8.18ms/cm 和8.35 ms/cm。分析可知，細沙-活性炭-細沙組合過濾農田排水效果最好，其次為粗沙-活性炭-細沙組合，粗沙-細沙組合過濾效果最差。

圖3 不同組合對農田排水過濾速度及電導率的影響

2.3 不同組合對農田排水陽離子的影響。農田排水陽離子過濾效果如圖4 所示，Na+、K+濃度隨著取樣次數的增加呈“V”型變化，且不同組合間Na+濃度變化幅度較大，K+濃度相對較小。粗沙-活性炭-細沙組合和粗沙-細沙組合K+濃度在第4 次取樣時開始回升，細沙-活性炭-細沙組合在第5 次取樣時開始增加。粗沙-細沙組合、細沙-活性炭-細沙組合和粗沙-活性炭-細沙組合K+濃度均在第4 次取樣時開始回升。較原樣中Na+濃度，粗沙-細沙組合、細沙-活性炭-細沙組合和粗沙-活性炭-細沙組合分別減少了0.06 g/L、0.08 g/L 和0.07 g/L，而K+濃度分別減少0.02 g/L、0.03 g/L 和0.02 g/L。分析可知，細沙-活性炭-細沙組合過濾農田排水中Na+、K+效果最好，其次為粗沙-活性炭-細沙組合，粗沙-細沙組合過濾效果最差。

圖4 不同組合對農田排水陽離子的影響

2.4 不同組合對農田排水陰離子的影響。不同組合對農田排水陰離子的影響如圖5 所示，隨著取樣次數的增加，Cl-、濃度均呈先下降后上升的趨勢，粗沙-活性炭-細沙組合和粗沙-細沙組合Cl-濃度在第4次取樣時開始回升，細沙-活性炭-細沙組合在第5次取樣時開始回升。粗沙-細沙組合濃度在第2次取樣時開始回升，而細沙-活性炭-細沙組合和粗沙-活性炭-細沙組合在第3 次取樣時開始回升。較原樣中Cl-濃度，粗沙-細沙組合、細沙-活性炭-細沙組合和粗沙-活性炭-細沙組合分別減少了0.02 g/L、0.11 g/L 和0.04 g/L，而濃度分別減少0.14 g/L、0.31 g/L 和0.25 g/L。分析可知，細沙-活性炭-細沙組合過濾農田排水中Cl-、效果最好，其次為粗沙-活性炭-細沙組合，粗沙-細沙組合過濾效果最差。同時，過濾農田排水中Cl-離子時，不同組合間差異較大，而過濾農田排水中時，組合間差異相對較小。

圖5 不同組合對農田排水陰離子的影響

3 結論與討論

3.1 礦化度、電導率與百分含量相關性三者之間具有顯著的線性相關。

3.2 不同組合農田排水過濾速度先減小后趨于穩定，而電導率變化呈現為先減小后增大的趨勢，不同組合過濾速度為：細沙-活性炭-細沙組合＜粗沙-活性炭-細沙組合＜粗沙-細沙組合，而電導率變化與之相反。

3.3 粗沙-活性炭-細沙、細沙-活性炭-細沙和粗沙-細沙3 種組合方式中，細沙-活性炭-細沙組合對農田排水離子過濾效果最優。同時，農田排水中Na+、Cl-含量高于K+、，說明本地區土壤鹽分以NaCl，Na2SO4為主。