不同類型灌水器滴頭對沼液抗堵塞性能的影響

鄭杰， 陳紅， 孟令劍， 李善軍， 馬露暢

（華中農業大學工學院，農業農村部柑橘全程機械化科研基地，農業農村部長江中下游農業裝備重點試驗室，武漢 430070）

沼液是沼氣池內各種農作物秸稈及其他有機廢棄物經密封厭氧發酵后的殘留液體，沼液中富含豐富的氮、磷、鉀、微量元素和吲哚酸、腐殖酸等生物活性物質[1]。合理利用沼液可以顯著提高種子發芽率、增加作物產量、減少環境污染，目前已有大量學者利用沼液代替化學肥料進行施肥并取得了較好的效果[2]。合理的灌溉方式是保證沼液高效施肥的前提，滴灌作為我國大力發展的水肥一體化技術，具有節水省工、減肥增產的特點，相比噴灌和溝灌，滴灌施肥受環境影響小，肥料的利用效率高[3-4]，目前已得到廣泛的應用。但應用滴灌施肥時，由于滴頭流道結構小，長期使用易發生堵塞，導致灌水均勻度下降，影響施肥質量，甚至影響整個滴灌系統的正常使用[5]，且滴頭類型不同，流道結構也有所差異，導致滴頭抗堵塞能力也不同。

按照流道結構不同，目前常見的滴頭類型可以分為片式、圓柱式和壓力補償式，不同類型的滴頭抗堵塞性能差異較大。溫圣林等[6]發現滴頭結構系數相同時圓柱滴頭抗堵塞性更好；李久生等[7]發現，在進行再生水和地下水滴灌時，片式補償滴頭抗堵塞性能優于補償管上式滴頭；Zhou 等[8]發現，利用地下水滴灌時圓柱滴頭抗堵塞性優于片式滴頭；劉海軍等[9]發現，在進行再生水滴灌堵塞試驗時，壓力補償孔口式抗堵塞性優于單翼迷宮式。綜上所述，滴頭的抗堵塞性除了和自身結構有關，還與灌溉水質有聯系。沼液作為厭氧微生物發酵的產物，微生物含量較高，發生生物堵塞的可能性較大[10]，其次沼液中含有大量Ca、Cu 和Mg等金屬元素[11]，長期施用可與水中的等離子反應生成化學沉淀，使滴頭發生化學堵塞，同時沼液中還含有大量的固體懸浮物和菌絲等物質[12]，過濾不徹底時容易沉積在滴頭流道使滴頭發生物理堵塞。合理選取滴頭可以有效防止堵塞、延長系統使用壽命、降低系統維護成本。

滴頭按照安裝方式的不同還可以分為管上打孔式和內鑲滴灌帶式，相比管上打孔，滴灌帶安裝方便、即鋪即用、成本較低。因而，本文選擇片式和圓柱2 種典型的內鑲式滴灌帶進行沼液滴灌堵塞試驗，通過分析滴頭堵塞動態變化，對比不同類型滴灌帶滴頭的抗堵塞能力的差異，探究滴頭堵塞機理，為沼液用滴灌帶的選型和抗堵塞措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗用水取自華中農業大學柑橘產業果園自來水，沼液取自湖北省鄂州市華容區段店鎮老七生態養殖農莊，成分和主要金屬元素的基本參數如表1 所示。選用2 種片式滴頭、2 種圓柱滴頭、1 種片式補償滴頭5 種滴頭，相關參數如表2所示。

表2 滴頭結構基本參數Table2 Basic parameters of irrigation emitter

試驗裝置由沼液桶、離心泵、120 目疊片式過濾器、壓力表和滴頭等組成，如圖1 所示。其中沼液桶為容積為4 000 L 的圓柱形PE 塑料桶；離心泵（25WBZ3-8）為浙江建亞泵業有限公司生產，功率為250 W，額定流量3 m3·h-1，最大揚程10 m；壓力表為0～1.6 MPa真空液體壓力表；減壓閥采用可調壓力的活塞式減壓閥；過濾器為120目疊片式過濾器，額定流量5 m3·h-1，額定水壓8 kg·cm-2，由廣州順綠噴灌設備有限公司生產；2 L·h-1片式滴頭、3 L·h-1片式滴頭、2 L·h-1圓柱滴頭、3 L·h-1圓柱滴頭和片式補償滴頭分別購自南寧合興利電氣設備有限公司、廣州順綠噴灌設備有限公司、山東華維節水灌溉有限公司、山東田源節水灌溉科技有限公司以及美國托羅公司。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

1.2 試驗設計

研究表明，滴頭在灌水壓力不超100 kPa時抗堵塞性能變化較小[13-14]。結合滴頭設計廠商推薦壓力數值，在100 kPa灌水壓力內對滴頭進行預試驗。設定毛管初始灌水壓力為10 kPa，依次增加10 kPa，直到壓力達到100 kPa 結束，測試毛管首尾單個滴頭流量。結果表明，當灌水壓力為80 kPa時，首尾滴頭流量差值最小，灌水過程中流量波動最平穩，因而堵塞試驗的灌水壓力80 kPa。為了防止試驗產生隨機誤差，灌水試驗設置2 根滴灌帶作為重復，每根滴灌帶長10 m，滴頭間隔0.3 m，則單根滴灌帶包括30個滴頭。堵塞試驗灌溉頻率為每天2 次，每次3 h，試驗開始前通過調節旁通閥穩定滴灌壓力，灌溉結束后通入自來水進行清洗，滴頭流量測定采用稱重法，沼液配比表示沼液與水的體積比，設置為1∶1和1∶3[15]。

1.3 評價指標

1.3.1 灌水性能評價 灌水性能用平均相對流量性能和灌水均勻度2個指標評價，計算公式如下。

式中，qr為平均相對流量，%；qi為第i個滴頭沼液流量，L·h-1；q0為滴頭額定流量，L·h-1；n為測試的滴頭數，個；Cu為克里斯琴森均勻系數，表征灌水均勻度，%；為各滴頭平均流量，L·h-1。

1.3.2 抗堵塞性能評估 滴頭流道結構的尺寸參數和抗堵塞性有關，本文利用圓柱和片式滴頭抗堵塞能力快速評估辦法[16]，計算5 種滴頭的抗堵塞性能評估指數。

式中，Ia-CE為圓柱式滴頭抗堵塞性能指數；Ia-FE為片式滴頭抗堵塞性能指數；Q為滴頭額定流量，L·h-1；L為滴頭的長度，mm；W為滴頭的寬度，mm；D為滴頭的深度，mm。

1.4 堵塞物質測定

堵塞物質利用德國D8 ADVNCE X 射線衍射儀和美國Nicolet 5DXC 傅里葉紅外光譜儀進行測定。將完成堵塞試驗后的滴頭拆卸下來，利用自來水將滴頭流道口和流道內部的堵塞物質沖洗至燒杯，放入100 ℃烘箱烘干，48 h 以后收集待測樣品。將干燥樣品分為2 份：一份直接放入X 射線衍射儀進行分析；從另一份樣品粉末中取出2 mg加入200 mg 溴化鉀粉末混合均勻，在壓膜機中抽真空加壓制成溴化鉀薄片，然后再放入傅里葉紅外光譜儀進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同類型滴頭相對流量和灌水均勻度變化

圖2 所示為不同沼液配比條件下5 種滴頭平均相對流量和灌水均勻度隨灌水次數的變化趨勢。由圖2 可知，2 種沼液配比滴灌時，E5 平均相對流量和灌水均勻度下降速度最快，E1和E3下降稍慢，E2和E4下降速度最慢。在沼液配比1∶1條件下，在20次灌水前，5種滴頭平均相對流量和灌水均勻度波動變化，在20 次灌水以后，E1、E3 和E5 下降速度加快，灌水結束時，它們的平均相對流量和灌水均勻度分別為46%、35%、31%和53%、50%、38%，E2 和E4 在灌水期間流量和灌水均勻度呈波動變化，灌水結束時其平均相對流量和灌水均勻度分別為68%、65%和73%、70%；在沼液配比1∶3條件下，5種滴頭的相對流量和灌水均勻度呈波動變化，灌水結束時，E2 的平均相對流量和灌水均勻度最高，分別為83%和85%，E5 的平均相對流量和灌水均勻度最低，僅為51%和61%。

圖2 不同沼液配比條件下滴頭相對流量和灌水均勻度變化曲線Fig.2 Variation curves of relative flow rate and irrigation uniformity of irrigation emitter under different methane ratio conditions

綜合分析表明，2 種沼液配比條件下不同滴頭平均相對流量和灌水均勻度有差異，說明不同類型滴頭抗堵塞能力不同。結合滴頭平均相對流量和灌水均勻度下降趨勢可以發現，E5 抗堵塞性最差，其次為 E1 和 E3，E2 和 E4 較好，說明滴頭的抗堵塞性與額定流量及滴頭類型有關，抗堵塞性最好的為額定流量最大的片式滴頭，片式補償滴頭抗堵塞能力最差；同類型滴頭，額定流量越大抗堵塞能力強。

2.2 不同類型滴頭相對流量和灌水均勻度的動態變化

將5 種滴頭的平均相對流量和灌水均勻度進行對比分析，如圖3 所示，不同類型滴頭均表現為線性關系，擬合度良好。

表3 為各滴頭灌水均勻度和平均相對流量的擬合直線關系式，所有擬合曲線的R2均大于0.9，說明滴頭平均相對流量和灌水均勻度具有明顯的線性關系，灌水均勻度隨著平均相對流量的下降而逐漸降低，與圖3 表現一致。斜率表示灌水均勻度和平均相對流量的相對下降速度。沼液配比為1∶3 時，沼液配比增大時，斜率沒有明顯的變化，說明沼液配比不影響堵塞發生進程；2 種沼液配比條件下5種滴頭的斜率均小于1，說明灌水均勻度下降速度小于平均相對流量下降速度，表明沼液滴灌滴頭堵塞進程比較均衡，沒有出現大顆粒物質突然堵塞滴頭流道的情況，滴頭堵塞應是沼液中微小顆粒物質緩慢累積所致。

表3 平均相對流量和灌水均勻度擬合關系Table3 Fitting relation of average relative discharge and irrigation uniformity

圖3 不同沼液配比條件下滴頭平均相對流量和灌水均勻度的擬合關系Fig.3 Fitting relationship between relative flow rate and irrigation uniformity of irrigation emitter under different methane ratio conditions

2.3 不同類型滴頭堵塞數量統計分析

試驗結束后，統計不同滴頭的堵塞個數占各分段滴頭總數的百分比（相對流量小于75%時視為發生堵塞）（圖4）。當沼液配比為1∶3 時，E1、E3 和 E5 堵塞數量較多，E2 和 E3 堵塞數量較少，堵塞滴頭主要集中在中后段；當沼液配比為1∶1時，5種滴頭上滴頭堵塞數量增加，E1、E3和E5中后段完全堵塞，滴頭前段大部分發生堵塞，E2 和E4 前、中、后段均有大量滴頭發生堵塞，堵塞滴頭數量呈現后段＞中段＞前段的趨勢，說明增大沼液配比會加大滴頭堵塞的幾率；當滴頭長度一定時，堵塞優先發生在滴頭后段并逐漸向前段發展，這與前人的研究結果一致[17-20]。

圖4 不同沼液配比條件下滴頭堵塞數量Fig.4 Number of irrigation emitter head blockage under different methane ratio conditions

周博[16]通過量綱分析建立的滴頭抗堵塞評價指數Ia能夠較為有效地進行滴頭抗堵塞性快速評價，將片式滴頭和圓柱滴頭的流道參數代入公式（3）和（4），得到E1、E2、E3 和E4 的Ia分別為3.31、2.47、0.68 和1.15，由于Ia計算僅僅針對非壓力補償式滴頭，而E5是壓力補償滴頭，故不納入統計。整體來看，本研究選用的片式滴頭的抗堵塞性指數大于圓柱式的抗堵塞性指數，說明片式滴頭整體抗堵塞能力強于圓柱滴頭，這與試驗結果一致。在相同流量條件下，2 L片式滴頭堵塞發生在灌水30次左右，而2 L·h-1圓柱滴頭堵塞發生在35次左右，灌水結束時，片式滴頭堵塞數量更少，說明片式滴頭更適用于沼液施肥。

2.4 沼液滴灌堵塞物質成分分析

2.4.1 堵塞物質的X 射線衍射分析 圖5 分析結果表明，堵塞物質成分主要含量為二氧化硅（SiO2），參考 Kumar 等[21]的研究，判斷沼液滴灌滴頭堵塞物質的產生主要來源為沼液中的無機固體顆粒懸浮物。堵塞物質中鈣鎂化合物沉淀含量較少，說明未發生明顯的化學堵塞[22]。

圖5 堵塞物質X射線衍射分析Fig.5 XRD analysis of the plugged material

2.4.2 堵塞物質的傅里葉紅外光譜分析 從圖6 可以看出，3 065.13 cm-1處的吸收峰代表的是芳烴=C-H 伸縮和反對稱伸縮振動產生的特征吸收峰，說明堵塞物質含有銨鹽[23-24]；1 646.68 cm-1處吸收峰則是脂肪族C=N 基團的伸縮振動峰，表明堵塞物質中含有蛋白質[25]。462.96 cm-1代表的是的PO4的對稱變動峰，說明堵塞物質中還含有磷酸鹽物質[25]。綜上所述，堵塞物質中含有蛋白質等有機組分和銨鹽磷酸鹽等無機化合物，表明滴頭中可能發生了生物堵塞。

圖6 堵塞物質傅里葉紅外光譜分析Fig.6 Analysis of Fourier infrared spectroscopy of clogged material

3 討論

灌溉水源多樣化是滴頭發生堵塞的重要原因，不同的水質會導致滴頭產生不同的堵塞[26-33]。滴頭堵塞會造成滴灌系統的均勻度下降，導致施肥不均，從而影響作物產量。

沼液在常溫條件下性質穩定、電導率較大，呈弱堿性，屬于灌溉水中的劣質水源，易引起滴頭的中等堵塞[34]。本研究中沼液在常溫條件下穩定2 875 μs·cm-1左右，說明沼液中含有大量的電解質，當利用沼液進行滴灌時，沼液中的帶電陽離子會增強沼液中的懸浮物絮凝強度及沉降度，濃度越高，增強效果越明顯，這與本研究數據相一致，沼液配比越大，滴頭堵塞發生的時間越短，堵塞程度更大。沼液中含有革蘭氏陽性菌是造成再生水滴灌滴頭堵塞的優勢菌種[35]，而沼液滴頭堵塞與此類菌種的相關性還需進一步分析。在灌水20 次之前，滴頭相對流量呈波動變化，說明初始的堵塞物質與壁面的黏附力較差，抗水流剪切力的能力低，不易凝聚。隨著滴灌的繼續進行，滴頭內部在長期的干濕交替變化過程中，部分微生物會在流道壁面逐漸生長繁殖并分泌多糖和胞外聚合物，多糖物質具有吸附作用，多糖含量越高，沉積物抗沖刷能力越強[36]，抗剪切力的能力就越大，在灌水中后期階段，滴頭堵塞的程度加快。沼液中含有大量的Ga 離子和Mg 離子，在堿性環境中易形成碳酸鈣和碳酸鎂沉淀，而本研究堵塞物質中未發現明顯的化學類沉淀，說明沼液滴灌施肥不易發生化學類堵塞。綜上所述，沼液中滴頭堵塞以物理堵塞和生物堵塞結合為主，說明單級120 目過濾器過濾效果有限，建議增加多級過濾以及定時清洗過濾器從而降低滴頭發生物理堵塞的可能性。

5 種滴頭灌水均勻度和相對流量均表現出較好的線性關系。溫圣林等[6]認為，滴頭的抗堵塞性和滴頭結構系數有關，結構系數相同時，渾水滴灌圓柱滴頭抗堵塞性優于片式滴頭；還有部分學者認為滴頭抗堵塞性與滴頭的流道尺寸有關[28,36]。通過量綱分析建立的滴頭抗堵塞評價指數Ia能夠較為有效地進行滴頭抗堵塞性快速評價，從結果分析，本次試驗選用的片式滴頭整體抗堵塞能力強于圓柱滴頭，試驗結束時，片式滴頭的堵塞程度更輕。研究中還發現，滴頭堵塞的規律也與其額定流量呈一定的相關性，額定流量越大的灌水器，其堵塞的程度更小。同時沼液水肥配比也會影響灌水器的堵塞，水肥配比越大，其懸浮顆粒物質越多，滴頭堵塞程度越深，這與李康勇等[33]的研究一致，其認為施肥會明顯加快滴頭堵塞，施肥濃度越大，加速效果越明顯。綜上所述，本研究認為，在滴灌時采用沼液配比1∶3，滴頭選用3 L·h-1的片式滴頭可以保證沼液滴灌系統的有效運行。