引黃滴灌器堵塞環境因子的相關性分析

杜慧慧，馬太玲，于 健 ，宋耀興

(1.三亞學院管理學院，海南 三亞 572000；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018； 3. 內蒙古水利科學研究院，呼和浩特 010018)

烏海市深處大陸中緯度地區，屬于草原與沙漠過渡帶，降雨量少，搜集多年資料分析烏海市年均降水量僅僅160 mm，是年蒸發量的1/21，人均水資源量不足全國的1/5，屬嚴重缺水地區。烏海市近年來積極引入先進的節水灌溉技術，在林業上已發展滴灌面積達3 000 多hm2，同時發展以葡萄種植為主的溫室滴灌面積達0.33多萬hm2。烏海市滴灌用水主要引用黃河水，在引黃滴灌的過程中出現了如下問題，雖然對高泥沙黃河水進行了泥沙沉淀處理，但仍然經常出現滴灌器頭部、噴嘴甚至管道的堵塞，嚴重影響了節水灌溉技術的推廣和發展。

長期以來，大多數認為造成滴灌器堵塞的主要原因是顆粒物堵塞，而顆粒物大多是泥沙。近年來的研究[1-3]表明，造成滴灌器堵塞的直接原因除了物理因素外還有生物因素。在本研究中滴灌用水主要是黃河水，黃河水的特點便是高泥沙 ，因而分析認為物理因素主要是泥沙顆粒，生物因素主要是微生物。國外研究[4]表明滴灌器的堵塞主要是物理、生物和化學因素間進行相互作用，使得顆粒物形成具有一定黏性的小團體，加速了堵塞，研究表明如果控制其中一種因素的作用，便可降低滴灌器的堵塞。Bucks[4]認為，各種滴頭堵塞因素中，生物堵塞所占比重較大。

黃河水的水體中泥沙顆粒表面屬于微界面，具有較大的表面積促使營養物質附著，使得各污染物質在其表面進行耦合作用。泥沙顆粒表面的微生物在適宜的環境中生長繁殖，進一步形成具有一定黏性的菌膠團，使得泥沙顆粒表面的吸附作用增大且具有更大的微界面，形成具有較復雜的泥沙顆粒污染物。由于泥沙顆粒本身具有一定的黏性，在微生物的作用使得它們相互作用，形成一個在水體中攜帶水體中主要物質的載體，隨著水體運動，促進了水體中微生物和營養物質的遷移轉化。

微生物會在泥沙顆粒表面作用。水體中的多數營養物質會被泥沙表面的微生物吸收轉化，同時泥沙自身表面也會吸附營養物質，因此大部分營養物質伴隨泥沙運動，沉降在水體底部的泥沙顆粒便會形成具有高營養的泥沙沉積層，起到污染物“匯”的作用[5]，而在一定的作用條件下，“匯”的營養物質會以不同的形態再一次的返回到水體中，使得成為一個循環。研究表明，水體中藻類會懸浮在水體中，在生長過程中需要吸收營養物質，而隨泥沙沉降到底部的營養物質的吸收和釋放，會使水體中的濃度保證藻類的生長[6]。

項目組于2013年5-10月對烏海市3個不同模式的黃河原水沉淀池及滴灌器出水的水質指標，包括細菌總數、濁度、藻類、CODMn、TP和TN等進行了取樣及檢測分析。根據檢測分析結果，本文為了研究引用黃河水對滴灌器堵塞影響因素，著重分析了泥沙含量與其他各指標的相關性，揭示了引黃滴灌水在沉淀過濾過程中濁度與其相關因素的變化規律。

1 試驗方案

1.1 試驗場地

在烏海市選取了3個具有代表性的沉淀過濾系統，分別是林業湖、朝陽湖和如意湖。其中如意湖為供林業灌溉用水的蓄水沉淀池，朝陽湖既是灌溉蓄水沉淀池又兼做養魚塘之用，林業湖蓄水主要為景觀用水兼做灌溉備用水。3個沉淀池均為平流式沉淀池，由前池和后池組成，池后設有加壓泵房，泵房內安裝有網式過濾器。黃河水通過約9.8 km的引水渠道由提升泵站送到各湖前池，進入前池的水經初步沉淀后翻越擋水墻進入后池再次沉淀，沉淀后的水由加壓泵房打入到網式過濾器內進行過濾，再輸送到滴灌器經滴頭流入作物根部。

1.2 監測點布設和采樣頻次

在每個沉淀池的前、后池分別設置兩個監測斷面，每個監測斷面分別設置3條垂線，共12個監測點，在每個監測點表面以下0.5 m處采集水樣(水深<2 m)；同時在每個沉淀池過濾器后的滴頭處設置一個監測點，采集滴頭出水水樣。

一般每個灌溉期每月采樣1次，以便采集到各種情況下的水樣，掌握各種條件下的沉淀和過濾情況，分別測定各項指標，分析其相關性。

2 分析結果與討論

對采樣數據利用SPSS 統計分析軟件進行相關性分析，得到各水質指標與濁度的相關系數，見表1。

表1 濁度與各項指標的相關系數Tab.1 The correlation coefficient of the turbidity and other indicators

注：*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關； **表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關。

2.1 濁度與各項指標的相關性分析

(1)濁度與細菌總數呈顯著正相關。根據數據分析水中泥沙含量降低的同時，細菌總數也在減少，說明水體中的微生物大部分與泥沙顆粒共同作用形成一個整體。微生物在生長繁殖的過程汲取水體中大量的營養物質，只是泥沙表面聚集大量營養物質。微生物在泥沙顆粒表面附著生長，逐漸形成具有一定黏性的菌膠團，進而使得滴灌器更容易堵塞。在天然水體中，由于存在泥沙和營養物質，因此滴灌帶堵塞物質中只要有泥沙顆粒，就必然有細菌存在。Taylor[7]等對再生水和自來水進行滴灌帶堵塞的試驗研究結果發現，沙粒引起滴灌器堵塞僅僅占6%，而微生物在泥沙表面作用形成的黏聚物引起的滴灌器堵塞占90%以上。

(2)如意湖和林業湖水中濁度與CODMn呈正相關性，而朝陽湖水中濁度與CODMn呈負相關性。CODMn是水體中還原性物質的污染指標。有研究表明，泥沙顆粒大小、泥沙含量、微生物種類及數量，水溫及水力條件等影響水中CODMn的濃度[6]。黃河水的CODMn的濃度和泥沙的含量呈正比關系[8]，粒徑越小比表面積越大越有利于生物降解。微生物數量越高，微生物代謝作用速度越大， CODMn降低得越快。由于如意湖和林業湖兩沉淀池內的營養物質相對較低，大部分均被泥沙顆粒表面吸附。因此這兩個沉淀池的CODMn與濁度呈正相關性。而朝陽湖營養物質相對較高，微生物數量較多，而泥沙顆粒不能滿足微生物的附著，部分被水體中游離的微生物吸收降解， CODMn降低，致使該湖中CODMn與濁度呈負相關性。

(3)濁度與葉綠素a呈不明顯的負相關性。泥沙顆粒在水中會影響光線在水中的輻射，進而影響葉綠素a在水中的生長。沉淀池水經過沉淀，懸浮在水中的顆粒較少，因而對光的影響也較低，因此兩者的負相關性不明顯。

(4)林業湖水中的濁度與TN呈正相關性，如意湖和朝陽湖的濁度與TN呈負相關性。氮元素是生物生長過程中必不可少的元素之一，尤其可促進藻類的大量生長繁殖，隨著社會的發展，大量的生活污水及工業廢水大量排入到在天然水體中，使得水體中的營養物質超標，導致水體中藻類大量繁殖，造成富營養化。有研究發現泥沙吸附氮的能力與泥沙濃度、泥沙粒徑、污染物濃度等有一定影響，TN濃度越大、泥沙含量越高、泥沙粒徑越小，吸附效果越明顯[9]。

林業湖濁度與TN呈正相關性，且TN含量總體均低于其他兩湖。這除了可印證泥沙顆粒能夠吸附氮外，同時證實，由于引黃水進入該湖后靜置時間較長，水體中的氮被泥沙充分吸附后隨泥沙沉淀進入底泥，表明增加靜置時間有利于泥沙對氮的吸附作用。朝陽湖和如意湖濁度與TN呈負相關性，這是由于如意湖中生長有大量的高等水生植物，濁度越低時，釋放的氮含量越高；朝陽湖由于兼有魚類養殖的功能，沉積的泥沙中含有大量的氮化合物，在一定的條件下會向水體釋放，朝陽湖水體更新快，黃河水引入朝陽湖是氮化合物濃度含量較低，而此時濁度較高，在沉降過程中，朝陽湖中魚類及個生物代謝活動使得水體中的濃度提高，因此導致朝陽湖濁度與TN呈負相關性。

(5)3個沉淀池水體濁度與TP濃度均呈正相關性，說明泥沙對TP的吸附與池水靜置時間、水生植物的生長、底泥的釋放特性均無明顯關系。有研究也表明，水中TP的濃度與泥沙對磷的吸附呈線性關系，且含沙量越大吸附磷的速度越快[10]。影響泥沙對磷吸附和釋放的主要因素有泥沙濃度、粒徑、pH值、磷的濃度、水中有機碳水和溫等。泥沙對磷的吸附程度與其顆粒粒徑有關，粒徑越小，比表面積越大，吸附能力越強[11]。由表1可見，如意湖水體濁度與TP濃度呈顯著正相關性，而朝陽湖和林業湖水體濁度與TP濃度呈一定正相關性。這是由于如意湖用水較大，水體擾動較大，進水、出水頻繁，而林業湖和朝陽湖用水量較小，表明水體的擾動可促進泥沙對TP的有效吸附。

2.2 影響滴灌器堵塞的主要原因及防治措施

(1)檢測到滴灌器出水的細菌總數值均在1萬個/mL以上，根據有關滴灌器堵塞水質分類等級的規定，該微生物的數量在水質標準的規定中達到了中度堵塞等級；而微生物的數量根據沉淀池中水停留的時間，季節不同溫度的影響以及人類投放營養物質的不同而不同。因此要想降低堵塞率，需適宜的調節沉淀、過濾泥沙的效果，同時還要減短停水時間、降低水溫以及減少營養物質的投放等其他影響因素。

(2)由于各沉淀池的后池大于前池，經檢測后池的葉綠素a也高于前池得含量，說明沉淀池的面積越大越有利于藻類的生長繁殖；同時朝陽湖后池兼做養魚塘，投放的餌料及魚類的活動促進了藻類的生長繁殖。但是如意湖后池內種有一些大型水生植物，同屬綠色植物，需要沉淀池中的營養物質，因此與藻類處于競爭關系，因此在沉淀池內適量的水生植物可以抑制藻類的生長，同時水生植物還可以吸附水中懸浮顆粒。

微生物之間具有相互制約和相互競爭關系。過濾裝置對葉綠素a有一定的過濾作用。池水停留時間越長越有利于葉綠素a的生長。

水生植物可以凈化水體，同時大量吸收水中營養物質，抑制了其他生物對營養物質的吸收，因此抑制了微小的藻類的生長繁殖，進而降低了藻類對滴灌器的堵塞。但是水生植物的生命周期較長，因而吸收的營養物質也較多，死亡后會再次腐蝕釋放回水體，為了降低水體營養物質，需將死亡的植物及時打撈，這樣可避免水中微生物的生長繁殖。依據8-10月份數據分析，如意湖后池內水生植物生長吸收了營養物質，抑制了藻類的生長，TP含量逐漸降低。因此沉淀池內的大型水生植物需在死亡及時打撈，避免將營養物質再次釋放到水體中，加劇微生物的生長繁殖，增加滴灌器堵塞的可能性。

3 結 論

影響滴灌帶滴灌器堵塞水質指標包括濁度、葉綠素a、細菌總數、TP、TN、CODMn等，本文通過濁度和其他各水質指標相關性分析，分析了滴灌器堵塞的主要影響因素。

(1)濁度與細菌總數呈顯著正相關關系，說明泥沙的含量和細菌的生長繁殖共同存在，由于細菌在生長繁殖過程需要一個載體依附，而在水中微小的泥沙顆粒表面會有較多的營養物質因此最適宜細菌的生長。因此滴灌帶滴灌器堵塞有泥沙就必然有細菌。

(2) 泥沙顆粒表面的物質對CODMn會進行吸收，與泥沙表面微生物的活動有一定關系。微生物活動越多，生物吸收營養物質能力會越大，水中CODMn越易被吸收。

(3)濁度與葉綠素a呈不太明顯的負相關性。泥沙顆粒在水中會影響光線在水中的輻射，進而影響葉綠素a在水中的生長。沉淀池水經過沉淀，懸浮在水中的顆粒較少，因而對光的影響也較低，因此兩者的相關性不明顯。

(4)泥沙顆粒能夠吸附氮，增加水體靜置時間有利于泥沙顆粒對氮的吸附沉降。水生植物可吸收和釋放氮營養物質；沉積在底部的泥沙中含有較多的氮，在一定的 條件下會向水體釋放。

(5)TP的濃度與泥沙吸附磷的速度呈一定的線性關系，且泥沙含量正比關系。水體的擾動可促進泥沙對TP的有效吸附。

綜上分析，影響滴灌器堵塞主要因素是泥沙與細菌的共同作用；而細菌的生長繁殖與環境因素相關，因此在實際運行中應降低營養物質的投放，適量種植水生植物。

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