肥沙对微孔陶瓷灌水器堵塞的影响研究

董爱红，蔡耀辉，赵 笑，陈 玺，张 林

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

水肥一体化可以有效控制灌溉用水量和施肥量，减少水分在运输过程中的损耗，不仅可以提高水分和肥料利用率[1]，也可以节省灌溉和施肥时间[2-4]。但是由于水肥一体化灌溉过程中灌溉水中融入了肥料，使得滴头堵塞的风险大大增加[5,6]。

前人对传统塑料灌水器水肥一体化过程中的堵塞情况进行了诸多研究。杜立鹏[7]等、李康勇[8]等均研究发现在灌溉过程中施加尿素对滴头堵塞有加速作用。但是官雅辉[9]等研究表明浑水滴灌过程中施加尿素具有缓解滴头堵塞的作用；施肥浓度对滴头的堵塞形式和堵塞物淤积位置影响较小。以上研究均针对塑料滴灌灌水器在肥水、肥沙条件下的堵塞情况进行了研究，但是对堵塞产生原因，肥沙耦合导致堵塞的机理等研究较少。

微孔陶瓷灌水器是一种造价低廉、性能优良和环保耐用的新型灌水器，有关微孔陶瓷灌水器的制备工艺、水力性能和灌溉效果等方面的研究比较多，但是有关其抗堵塞性能的研究比较少[10-15]。李向明[16]等研究表明微孔陶瓷灌水器的流量与灌溉系统的水头呈正比；微孔陶瓷片的厚度和开口孔隙率对灌水器的流量均有影响。付金焕[17]等研究表明水肥灌溉时，加入不同的化肥对微孔混凝土灌水器的流量影响很大；尿素中不含难溶物质对灌水器的流量没有影响。对于微孔陶瓷灌水器，灌溉过程中水流通过微孔陶瓷中微孔进行渗流灌溉，与传统塑料灌水器不同，因此有必要对其在水肥一体化条件下的堵塞情况进行研究。灌溉水中一般均含有泥沙等杂质，因此研究水肥一体化灌溉时，有必要考虑泥沙与肥水耦合作用下灌水器的堵塞情况。

综上所述，为了进一步确定砂基微孔陶瓷灌水器在肥沙条件下的抗堵性能，以微孔陶瓷灌水器水器为研究对象，通过肥水试验和肥沙试验，研究了微孔陶瓷灌水器在肥水试验和肥沙试验条件下灌水器的平均相对流量的变化规律，并利用光学显微镜和X射线衍射仪对堵塞物形貌和成分进行了分析，以揭示肥水灌溉条件下微孔陶瓷灌水器堵塞机理，从而为微孔陶瓷灌水器的大面积推广应用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

试验在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院灌溉水力学试验大厅进行。试验装置由不锈钢水箱、搅拌机、水泵、压力表、控制阀门、量杯和微孔陶瓷灌水器组成[图1(a)]。不锈钢水桶水箱为周长2 m，高0.5 m的圆柱形箱体，上端固定搅拌机，搅拌机额定转速为750 r/min，通过搅拌机搅拌使浑水混合均匀。水泵到毛管处的支管长度为1 m，毛管长2.5 m，支管内径为20 mm，毛管内径为16 mm，共布设4条毛管，毛管间距为25 cm，每条毛管上布置7个灌水器，灌水器间距为30 cm，共28个灌水器。灌水器采用西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院自主研制的砂基微孔陶瓷灌水器[图1(b)]。灌水器为圆柱形腔体结构，尺寸为4.0 cm×2.0 cm×8.0 cm(外径×内径×高)，灌水器陶瓷内部均匀分布着平均孔径为7 μm左右的微孔，可以实现灌溉水的运移和消能。灌水器在1 m工作压力时的流量为0.07 L/h。

图1 试验装置与微孔陶瓷灌水器示意图Fig.1 schematic of device and micro porous emitter irrigator ceramic

试验用水为杨凌示范区居民自来水。试验选用肥料为尿素[CO(NH2)2](陕西渭河重化工有限责任公司)，含氮量≥46.6%，尿素极易溶于水且无任何杂质，溶液呈透明状。泥沙采用渭河天然河沙，将河床淤泥表面的树枝、草等杂质剔除之后，收集深度为0～15 cm表层淤泥，将采回的样品混合均匀后，带回实验室风干，过120目筛网，收集小于0.125 mm的泥沙，泥沙颗粒组成采用激光粒度分析仪(MS2000型，马尔文，英国)测定，结果如图2所示。

图2 试验所用泥沙粒径Fig.2 Particle sizedistribution of test sediment

1.2 试验方法与测定内容

试验分为清水(自来水)灌溉试验、肥水(尿素+自来水)堵塞试验和肥沙(尿素+泥沙+自来水)耦合堵塞试验3个处理。考虑到黄河水含沙量大，泥沙颗粒小的特点，为了加速灌水器堵塞，缩短试验时间，泥沙浓度选用2 g/L。根据生产实践的施肥浓度，配置质量浓度为3%的尿素溶液。试验采用1 m压力水头，为了获得稳定的灌水器流量，试验前先通清水4 d，计算微孔陶瓷灌水器流量的平均值，并将其作为微孔陶瓷灌水器的初始流量，然后开始后续试验处理。一个处理完成后，灌水器全部换同一批次烧结的未试验的灌水器进行下一处理试验，处理1、清水灌溉试验，继续通入清水10 d；处理2、肥水灌溉试验，通入加入3%的尿素溶液的肥水10 d；处理3、肥沙灌溉试验，通入加入3%的尿素、2 g/L的泥沙的肥沙水10 d。

测定流量时，将量杯置于每个灌水器下方，开始计时，1 h后取出量杯称量，然后换算成灌水器流量，每天测试2次(8∶00与18∶00)。试验结束后，每条毛管依次取2个灌水器，待其完全风干后进行解剖。解剖灌水器后采用光学显微镜(蔡司Axio Scope. A1 MAT 材料金相显微镜)检测观察灌水器剖面泥沙的分布情况，然后利用图像处理软件Digimizer测量附着层厚度，照片内的附着层等距量取4个厚度，取4个测量值的平均值作为该处附着层的厚度。而后收集微孔陶瓷灌水器内壁的沉积物和试验所用泥沙，利用X射线衍射仪(Bruker D8 Advance A25，角度重线性±0.000 1°，测角仪半径≥200 mm，角度范围10～80°)对堵塞物质化学成分进行分析。

1.3 评价指标与方法

灌水器的平均相对流量直观的表征了滴灌系统灌水器的出流情况，进而反映了滴灌系统整体的堵塞状况。用平均相对流量Dra来评价系统中灌水器的堵塞程度，Dra计算公式为：

(1)

式中：Dra为灌水器平均相对流量，%；i为灌水器序号；n为灌水器总数；qi为第i个灌水器的流量，L/h；q0为灌水器设计流量，L/h。

我国《微灌工程技术规范》[18]认为当灌水器流量小于设计流量的75%时灌水器已经发生严重堵塞；国际微灌系统关于灌水器堵塞测试标准草案对滴灌堵塞的定义为：当灌水器流量降幅达到25%～30%则认为发生严重堵塞。

2 结果与分析

2.1 灌水器平均相对流量随时间的变化

图3给出了清水试验、肥水试验、肥沙耦合试验条件下微孔陶瓷灌水器平均相对流量随时间的动态变化过程。从图3中可以看出，清水条件下微孔陶瓷灌水器的平均相对流量随时间变化幅度很小，维持在98%附近。肥水灌溉条件下加入尿素后，在50～260 h内微孔陶瓷灌水器的平均相对流量呈逐渐减小的趋势，变化幅度较大，在260 h以后灌水器的平均相对流量变化幅度很小，基本趋于稳定，维持在85%附近，大于75%，所以在肥水灌溉条件下微孔陶瓷灌水器不会发生严重堵塞。肥沙耦合条件下，在50～210 h内灌水器的平均相对流量呈逐渐减小的趋势，下降幅度比较大，在200 h以后，灌水器发生严重堵塞，其平均相对流量小于75 %，但是在210 h以后灌水器平均相对流量维持在72%附近波动，随时间变化幅度很小。

肥水灌溉条件下，在50～260 h内灌水器的平均相对流量减小是由于加入尿素后，微孔陶瓷灌水器内壁和微孔会吸附少部分尿素，导致灌水器平均相对流量下降，但不会引起灌水器发生严重堵塞，并且微孔陶瓷灌水器出流前后尿素浓度未发生明显变化。灌溉水经过灌水器前肥料浓度为3%，经过灌水器消能后烧杯内尿素浓度为2.98%。

肥沙耦合条件下，灌水器平均相对流量下降的主要原因可能在于泥沙的沉积，在50～210 h内随着灌溉时间的增加，沉积在灌水器内壁的泥沙越来越多，并形成一层泥沙膜，泥沙膜会阻碍水流的通过，从而导致在50～210 h内灌水器平均相对流量随时间下降速度比较快。随着灌溉时间的进一步增加，泥沙会逐渐覆盖整个灌水器内壁，但是由于泥沙膜仍是一层多孔的透水介质，并不会完全堵塞灌水器出流，因此随着时间的变化，泥沙对灌水器平均相对流量的影响逐渐减小，并最终在一个稳定的范围内波动。

如果以平均相对流量的75%为评判灌水器堵塞的标准，从图3可以看出，只有在肥沙耦合条件下，微孔陶瓷灌水器会发生严重堵塞。但是在210 h后微孔陶瓷灌水器的平均相对流量在72%附近波动，随时间变化幅度很小。并且微孔陶瓷灌水器是一种连续不间断灌溉的新型灌水器，不同于传统的滴灌方式，虽然在肥沙灌溉条件下，微孔陶瓷灌水器发生严重堵塞，但是由于微孔陶瓷灌水器灌溉的不间断性，依然能够满足灌溉条件。

图3 灌水器的平均相对流量随时间的变化过程Fig.3 Schematic of the average relative flow of the emitter over time

2.2 沉积物的分布及微观形态

图4给出了肥水和肥沙耦合条件下微孔陶瓷灌水器内壁沉积物的沉积情况。从图中可以看出，在肥水灌溉条件下微孔陶瓷灌水器内壁基本没有沉积物。在肥沙耦合条件下灌水器内壁沉积了一层厚厚的泥沙，形成一层泥沙膜。试验结束后将取样灌水器内壁泥沙膜的厚度进行统计(图5)，毛管泥沙膜的平均厚度为48～252 μm，泥沙膜厚度沿毛管逐渐减少，在毛管前端灌水器内壁泥沙层厚度大于毛管末端。

肥水灌溉条件下，由于尿素是一种极易溶于水且无任何杂质的氮肥，试验过程中较难生成沉积物，所以灌水器内壁未观察到明显的沉积物附着。在肥沙耦合条件下，由于管道中的水流流速比较小，流动过程中随着能量的消耗，不足以携带大颗粒泥沙随水流运动，大颗粒泥沙会沿毛管逐渐沉积，所以沉积层厚度沿毛管逐渐减小。

图4 不同灌溉条件下灌水器内壁的沉积物Fig.4 Sediment on the inner wall of emitters under different irrigation conditions

图5为不同灌溉条件下微孔陶瓷灌水器微观图。从图5中可以看出，在肥水灌溉条件下，其微观照片与清水条件下差异较小，因此流量减小的原因可能是由于尿素分子在微孔陶瓷内部有一定的吸附，导致过水断面稍有减小造成的。但在肥沙耦合条件下，微孔陶瓷灌水器微孔中并没有泥沙颗粒和尿素结晶存在，但是泥沙颗粒在灌水器内壁形成一层泥沙层(150 μm左右)，这是因为90%以上的泥沙粒径大于20 μm小于120 μm，只有不到2%的泥沙粒径小于7 μm(图2)。虽然微孔陶瓷灌水器的平均孔径为7 μm，但是泥沙粒径总体大于微孔陶瓷灌水器的微孔孔径，因此不会进入微孔内部。同时在泥沙溶液中加入尿素后，尿素会破坏水的结构，溶液黏度会降低，泥沙颗粒之间相互吸附团聚的能力减弱，提高了浑水的介电常数，但是随着泥沙颗粒的减小，凝聚力逐渐大于静电常数，所以悬浮物在灌溉过程中逐渐形成大的团聚体，并不会进入微孔陶瓷灌水器的微孔中。肥沙耦合条件下，微孔陶瓷灌水器内壁形成泥沙膜是流量下降的主要原因。

图5 不同灌溉条件下灌水器微观图Fig.5 Microscopic of emitter under different irrigation conditions

2.3 沉积物成分分析

图6为微孔陶瓷灌水器X射线衍射图谱，图6(a)为微孔陶瓷灌水器灌溉前后的X射线衍射图谱，可以看出灌溉前后微孔陶瓷灌水器的成分没有发生变化，在灌溉过程中泥沙颗粒并没有进入微孔陶瓷灌水器的微孔中，微孔陶瓷灌水器的微孔吸附的肥料较少，对微孔陶瓷灌水器影响较小。图6(b)为肥沙耦合条件下灌水器内壁沉积物的X射线衍射图，可以看出沉积物的主要成分为二氧化硅、碳酸钙和硅酸钙。由于泥沙的主要成分为二氧化硅和硅酸钙，而碳酸钙则主要是由于自来水中Ca2+，HCO3-与空气中二氧化碳反应所致。

图6 X射线衍射图谱Fig.6 XRD patterns

灌溉过程中泥沙会先在灌水器内壁沉积，由于碳酸钙生成比较缓慢，会随泥沙在灌溉过程中逐渐吸附在泥沙颗粒表面，随泥沙沉积在微孔陶瓷灌水器的内壁。因此肥沙耦合条件下，灌水器内壁形成的泥沙膜是导致微孔陶瓷灌水器发生严重堵塞的主要原因。

3 结 论

(1)以平均相对流量的75%作为堵塞的评判标准，肥沙耦合条件下，在灌溉200 h以后，微孔陶瓷灌水器会发生严重堵塞，肥水灌溉条件下不会发生严重堵塞。

(2)肥沙耦合条件下，泥沙颗粒会在微孔陶瓷灌水器内壁逐渐形成一层泥沙膜，泥沙膜的主要成分为SiO2、碳酸钙和硅酸钙，在灌溉过程中逐渐沉积在微孔陶瓷灌水器的内壁，并不会进入微孔陶瓷灌水器的微孔中。泥沙膜的形成是引起微孔陶瓷灌水器发生堵塞的主要原因。