低壓滴灌施肥條件下溫度對滴頭堵塞的影響

王浩翔，張新燕*，牛文全, ，劉 敏，李 斌

（1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

滴灌施肥時，由于滴頭內部流道尺寸微小，易被灌溉水源中的細小固體懸浮顆粒[1-3]、肥料離子反應生成的化學沉淀[4-5]、微生物繁殖形成的生物膜等附著[6-7]，導致滴頭堵塞。而堵塞滴頭會加大滴灌帶上其余滴頭流量，1%～5%的滴頭發生完全堵塞會極大影響灌水均勻度，縮短滴灌系統的使用壽命[8]。溫度的變化可導致肥料特性發生變化，可能增加滴灌施肥時滴頭的堵塞風險。

【研究意義】灌溉季節、地域、灌溉水源常導致灌溉用水水溫存在差異。在太陽輻射等外界熱量交換的作用下，裸露在田間的黑色滴灌帶內水溫能高達77 ℃[9]，且滴灌帶首部和尾部溫差可達20 ℃以上[10]。研究溫度對滴頭堵塞的影響，對指導不同地區、不同季節的灌溉施肥模式具有重要意義。【研究進展】溫度在滴灌施肥過程中對滴頭堵塞的影響較為復雜，一般認為溫度升高會增加顆粒碰撞幾率，促進絮凝形成[11]，也可以加快水中鈣、鎂等離子生成碳酸鈣、碳酸鎂等的化學沉淀，加劇滴頭堵塞程度[12]。但溫度的升高降低了水的黏滯系數，又能使流體的內能增加，減弱分子間作用力導致擴散系數增大[13]，反而能增強滴頭的抗堵塞性能。劉璐等[11]和牛文全等[14]于冬、夏二季進行滴頭抗堵塞試驗，確定了夏季易堵塞的泥沙粒徑，并發現夏季滴頭抗堵塞性能高于冬季；冬季施肥質量濃度對堵塞敏感性高于夏季。滴頭的抗堵塞性能不僅與溫度有關，低壓條件下（20～50 kPa）滴頭流量受溫度變化影響顯著，45 ℃較20 ℃流量增幅在16%以上[15]，但隨著壓力升至100 kPa 乃至200 kPa時，溫度對滴頭流量變化影響不大[16]。施肥改變水源的溫度、黏滯系數、固體顆粒質量濃度、pH 值、電導率等參數，導致各類溶質在流道內水流紊動作用下相互碰撞、吸附、團聚、沉淀，增大堵塞風險[17]。【創新點】以上研究多以全溶肥液結合泥沙進行，沒有考慮肥料自身在不同水溫、質量濃度等條件下的溶解特性及所攜非溶物質情況對滴頭堵塞的影響。因此考慮肥料自身特性，細化溫度梯度并結合運行壓力、加肥濃度對滴頭堵塞的影響還有待進一步研究。【擬解決的關鍵問題】在此背景下，本文選擇內鑲貼片式滴頭，展開短周期間歇式灌水試驗，分析溫度對水肥一體化滴灌滴頭堵塞的影響，探究不同溫度下低壓滴灌施肥的質量濃度閾值，為不同溫度下制定合適的滴灌施肥模式提供一定依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗于2018 年10 月12 日—2019 年7 月15 日在西北農林科技大學灌溉水力學試驗大廳內進行。試驗滴灌帶為內鑲貼片式滴灌帶（楊凌秦川節水灌溉設備工程有限公司），額定流量2.3 L/h，管徑16 mm，壁厚0.2 mm，滴頭為齒形迷宮流道，進水格柵數為8，流道寬0.8 mm，流道深0.8 mm，齒高1.1 mm，齒間距3 mm，流道單元數14 個，滴頭制造偏差1.76%。每條滴灌帶長3 m，滴頭間距30 cm，每條滴灌帶含10 個滴頭。

試驗用水為陜西楊凌示范區居民自來水，水質情況如表1 所示。

表1 試驗用水水質情況 Table 1 Water quality parameters during experiment

試驗肥料為三環果蔬專用復合肥（云南云天化股份有限公司），總養分≥45%，N、P2O5、K2O 質量比為15∶5∶25，硫酸鉀型，高塔造粒，常溫下為白色顆粒，溶于水呈乳白色液體，pH 值7.33～8.10。不同溫度下復合肥溶解度見表2。

表2 不同溫度下復合肥溶解度 Table 2 Compound fertilizer solubility at different water temperatures

測試平臺參照GB/T17187—2009《農業灌溉設備 滴頭和滴灌管 技術規范和試驗方法》[18]、SL/T 67.1-94《微灌灌水器—滴頭》[19]以及國際抗堵塞研究標準草案[20]搭建而成，如圖1 所示。平臺由單相自吸泵（揚程60 m，吸程20 m，最大流量3 m3/h）、單相異步攪拌泵（0.3 kW，1 390 r/min）、壓力表（上海自動化儀表股份有限公司，量程0.25 MPa，精度0.001 MPa）、控制閥門、回流槽、120 目過濾器、電子式溫度控制器（控溫精度0.1 ℃，測控范圍-9～99 ℃）、測溫探頭、U 型加熱棒（220 V，3 kW）以及待測試滴灌帶組成。

圖1 試驗平臺示意圖 Fig.1 Test platform schematic

1.2 試驗設計

為加速試驗進程，參照國際滴頭抗堵塞研究標準草案[20]，將灌水周期等比例縮短，灌水時間為1 h，每隔2 h 灌水1 次，1 d 灌水5 次，連續4 d，每組處理累計灌水20 h。每組處理結束后，將換下的滴灌帶置于遮陰通風處風干，并更換新的滴灌帶進行下一組試驗。試驗因素水平如表3 所示，進行完全試驗，共80 組，每組處理3 個重復。

表3 試驗處理 Table 3 Experimental treatments

1.3 測定指標與方法

采用稱質量法測量滴頭出流量，滴頭出流量計算式[20]為：

式中：Q 為單個滴頭流量（L/h）；T 為流量測量時間（min）；本試驗中，T 為10 min；mew空燒杯質量（g）；mtw為空燒杯及測試時間出流液體總質量（g）。

每次灌水期間記錄各滴頭的流量，并采用電導率儀（HANNA HI4522-02）監測水源pH 值、電導率以及滴灌帶首尾滴頭水溫動態變化情況。將滴頭從滴灌帶首部至尾部編號1～10 號。每組處理灌水結束后統計堵塞滴頭占總滴頭數的百分比，并記錄堵塞滴頭編號。

1.4 評價指標與方法

平均相對流量Dra 及克里斯琴森均勻度系數CU可用于評價多個滴頭整體堵塞程度以及滴灌系統滴頭抗堵塞性能，計算式[21]為：

式中：qi0為第i 個滴頭初始流量（同溫度下的清水流量，L/h）；qit為第i 個滴頭在t 小時（即第t 次灌水）的出流量（L/h）；n 為單條滴灌帶總滴頭數。

微灌工程技術規范[22]規定，當滴頭流量降低25%時則認為滴頭發生堵塞，同時規定設計灌水均勻度系數CU＞85%。各處理發生堵塞的滴頭數占該處理滴頭總數的比值稱為堵塞率。

2 結果與分析

2.1 試驗參數對滴頭堵塞的影響程度

從表4 可以看出，溫度、運行壓力的P＜0.05，說明二者對滴頭平均相對流量Dra 的影響達顯著水平，是影響滴頭堵塞發生的重要因素。而加肥質量濃度、三因素之間的交互作用均未達顯著水平（P＞0.05），說明加肥質量濃度及三因素之間的交互作用對堵塞的影響并不明顯。

表4 試驗方差分析結果 Table 4 Test result analysis of variance

圖2 不同溫度下Dra、CU Fig.2 Effect of temperature on Dra、CU under different temperature

2.2 溫度對滴頭堵塞的影響

2.2.1 溫度對滴頭流量及均勻度的影響

溫度對平均相對流量Dra、均勻度系數CU 的影響如圖2 所示。從圖2 可以發現，20 次灌水后，Dra、CU 均表現為40 ℃＞30 ℃＞20 ℃＞10 ℃。比較圖2（a）、圖2（c）可以發現，10 ℃處理在20 kPa 下第11～13 次灌水Dra 出現明顯上升，在50 kPa 下第12～15 次灌水Dra 出現明顯上升，說明10 ℃時堵塞-清洗現象明顯；而溫度升高至30 ℃和40 ℃時，Dra的變化相對較為平穩。CU 隨灌水次數的變化過程（圖2（b）、圖2（d））也可以發現，CU 僅在10 ℃時存在回升，其余溫度條件下堵塞-清洗現象并不明顯。根據Dra、CU 的變化情況發現，10 ℃時Dra、CU降幅較大，11～13 次灌水Dra 回升明顯；雖然其余溫度下存在Dra 小幅回升現象，但回升幅度控制在5%以內，且CU 變化平穩未出現回升現象。總的來說，溫度越低Dra、CU 降幅越大，升高溫度可使Dra、CU 降幅減小并使其變化平穩。

不同運行壓力下升高溫度對Dra、CU 的提高程度不同。將20 次灌水后10 ℃和40 ℃下不同運行壓力Dra、CU 變化情況列于表5。由表5 可以發現，相同灌水20 次條件下，溫度由10 ℃升至40 ℃時，20 kPa Dra 增加50.64%，30 kPa 增加39.97%，40 kPa增加26.77%，50 kPa 增加15.24%。可以發現，升高溫度對Dra 的提高程度隨著壓力的升高而減弱。CU也表現出與Dra相同的趨勢。溫度由10 ℃升至40 ℃，20 kPa CU 增加105.28%，30 kPa 增加79.98%，40 kPa增加54.32%，50 kPa 增加28.06%。由此得出，升高溫度對Dra、CU 的提高程度隨著壓力的升高而減弱。

表5 10 ℃和40 ℃下不同運行壓力Dra、CU 變化情況 Table 5 Changes of Dra and CU under different operating pressures at 10 ℃ and 40 ℃

綜上可知，平均相對流量Dra、均勻度系數CU的降幅隨溫度降低而增大，升高溫度可使Dra、CU平穩變化；但升高溫度對Dra、CU 的影響程度隨著壓力的升高而減弱。

2.2.2 溫度對堵塞率及堵塞滴頭分布位置的影響

溫度對堵塞率及堵塞滴頭分布位置的影響如表6所示。

表6 不同溫度下堵塞率及堵塞滴頭分布位置 Table 6 Influence of temperature on clogging rate and distribution position of clogging emitter

由表6 可見，運行壓力相同時，溫度越低堵塞率越高。50 kPa 下40 ℃時堵塞率為13.33%，堵塞發生在第7、8、9 號滴頭；30 ℃時堵塞率為16.67%，第6 號滴頭發生堵塞；20 ℃時堵塞率為23.33%，堵塞發生于6～10 號滴頭；當溫度降低至10 ℃時，堵塞率較40 ℃增加23.34%，堵塞發展至4 號滴頭。由此可知，溫度降低堵塞率明顯增高。溫度降低時，肥料溶解度降低，水中固體顆粒濃度增大，滴頭堵塞風險提高，在水頭損失的共同作用下，堵塞隨著溫度的降低由滴灌帶尾部向滴灌帶中部乃至首部發展。

雖然升高溫度可以明顯降低堵塞率，但不同運行壓力下溫度升高相同幅度對堵塞率的降低程度不同。溫度由10 ℃升至40 ℃時，20 kPa 堵塞率降低50%，30 kPa 降低40%，40 kPa 降低26.77%，50 kPa 降低23.33%。可以發現，升高溫度對堵塞率的降低幅度隨運行壓力的升高而減弱。

綜上可知，溫度越高堵塞率越低；升高對堵塞率的降低幅度隨著壓力的升高而減弱；堵塞滴頭一般分布于滴灌帶尾部，隨著溫度的降低，滴灌帶前端滴頭逐漸發生堵塞。

2.3 運行壓力對滴頭堵塞的影響

2.3.1 運行壓力對滴頭流量及均勻度的影響

圖3 為溫度20 ℃時不同運行壓力下Dra（圖3（a））、CU（圖3（b））隨灌水次數的變化情況。由圖3（a）可見，20 次灌水后，運行壓力為20、30、40、50 kPa 時，Dra 分別降至40%、50.52%、62.32%、75%。可知壓力越小，Dra 降幅越大。且僅在50 kPa時Dra 大于75%，其余壓力均小于75%。由圖3（b）可見，20 次灌水后，運行壓力為20、30、40、50 kPa時，CU 分別降至-19.11%、6.67%、33.33%、58.64%。可知壓力越小，CU 降幅越大。20 次灌水后CU 在各壓力下均低于85%且在20 kPa 甚至降至負值，灌水均勻性最差。總的來看，灌水次數相同時，運行壓力越小Dra、CU 降幅越大；50 kPa 具有最高的Dra、CU 且Dra、CU 變化相對平穩。

圖3 20 ℃時不同運行壓力下Dra、CU Fig.3 Effect of operating pressure on Dra and CU at 20 ℃

2.3.2 運行壓力對堵塞率及堵塞滴頭分布位置的影響

溫度20 ℃時不同運行壓力下堵塞率及堵塞滴頭分布位置列于表7。

表7 20 ℃時不同運行壓力下堵塞率及堵塞滴頭分布位置 Table 7 Effect of operating pressure at 20 ℃ on clogging rate and clogging dripper distribution position

由表7 可知，運行壓力越高堵塞率越低。50 kPa處理堵塞率最低，堵塞滴頭分布于第6、7、8、9、10號；壓力降低至20 kPa 時，堵塞率上升至60%，堵塞情況最為嚴重并由滴灌帶后半段發展至第3 號滴頭。由于水頭損失的存在，滴灌帶尾部流速相對首部較小，水流攜帶固體顆粒能力較弱，增加了固體顆粒堵塞流道的風險。運行壓力的降低加上水頭損失的存在使得堵塞由滴灌帶尾部不斷向前半段發展。總的來說，堵塞率與運行壓力呈負相關；堵塞一般發生于滴灌帶后半段，隨運行壓力的降低向滴灌帶前半段發展。

2.4 加肥質量濃度對滴頭堵塞的影響

2.4.1 加肥質量濃度對滴頭流量及均勻度的影響

溫度恒定為20 ℃下不同加肥質量濃度Dra 及CU 隨灌水次數的變化如圖4 所示。從圖4（a）可以發現，加肥質量濃度越大，Dra 減小越大。20 次灌水后3 g/L、4 g/L 處理Dra 均維持在80%以上，且3 g/L在8～15 次灌水還存在有Dra 升高的現象，堵塞程度較輕；而5 g/L 則在第18 灌水后減小至75%以下，堵塞情況較為嚴重。由圖4（b）可見，CU 減小幅度隨加肥質量濃度增大而增大。雖然20 次灌水后各加肥質量濃度CU 均低于85%，但3 g/L 前18 次灌水CU均維持在85%以上，第20 次灌水CU 也能維持80%，灌水均勻性較好；4 g/L于第16次灌水CU 減小至85%以下并在20 次灌水后維持在75%左右；5 g/L 灌水均勻性最差，20 次灌水后CU 僅為60%且僅有7 次灌水CU 大于85%。總的來說，相同灌水20 次后，加肥質量濃度越大Dra、CU 減小越大。3 g/L 堵塞風險較低，Dra、CU 變化相對平穩且維持最高水平。

以20 次灌水后Dra 下降超過25%為標準，探究不同溫度下加肥質量濃度閾值的變化情況。各溫度下以3 g/L 加肥質量濃度為基礎，觀測20 次灌水后Dra變化情況。若20 次灌水后Dra 下降未超過25%，沖洗滴灌系統并更換新滴灌帶，同時增加1 g/L 加肥濃度，直至20 次灌水后Dra 下降超過25%。若20 次灌水后Dra 下降超過25%則認為該加肥濃度為當前溫度下的加肥質量濃度閾值。不同溫度下加肥質量濃度閾值列于表8。

由表8 可見，溫度越高，加肥質量濃度閾值越大，水中固體顆粒質量濃度也越高。隨著溫度由10 ℃升高至40 ℃，肥料溶解度由2.6 g/L 升至4.8 g/L，加肥質量濃度閾值由4 g/L 相應提高至8 g/L，固體顆粒質量濃度也由1.4 g/L 升至3.2 g/L，說明溫度的升高能提高加肥質量濃度閾值及水流攜帶固體顆粒的能力。溫度通過增大肥料溶解度，使得加肥質量濃度閾值得到提高。溫度升高，肥料溶解度增大，同一加肥質量濃度下固體顆粒質量濃度減小，固體顆粒相互碰撞形成團聚體堵塞流道的風險降低；同時由于溫度升高，流體內能增加，水流攜帶固體顆粒能力提高，滴頭抗堵塞性能增強，加肥質量濃度閾值得以增大。

圖4 20 ℃時不同加肥質量濃度下Dra、CU Fig.4 Effect of fertilizer concentration on Dra and CU at 20 ℃

表8 不同溫度下加肥質量濃度閾值 Table8 Thresholds of fertilizer concentration at different temperatures

表9 20 ℃時堵塞率及堵塞滴頭分布位置 Table 9 Effect of fertilizer concentration at 20 ℃ on clogging rate and distribution position of clogging emitters

2.4.2 加肥質量濃度對堵塞率及堵塞滴頭分布位置的影響

表9 為20 ℃時加肥濃度對堵塞率及堵塞滴頭分布位置的影響情況。加肥質量濃度越高堵塞率越高。3 g/L 處理堵塞率僅為6.67%，僅有第8、第9 號滴頭發生堵塞；隨著加肥質量濃度增加至5 g/L，堵塞率升至23.33%，第6～第10 號滴頭發生堵塞。加肥質量濃度增加時，固體顆粒碰撞形成團聚體堵塞流道的風險增加，加上水頭損失的存在使得堵塞由滴灌帶尾部不斷向前半段發展。綜上所述，堵塞率與加肥質量濃度呈正相關；第8、第9 號滴頭最易發生堵塞，隨加肥質量濃度的增加而向滴灌帶中部發展。

3 討 論

溫度對滴頭堵塞的影響較為復雜。溫度升高黏滯系數增大[23]，降低了水流挾帶固體顆粒的能力。但同時溫度的升高增加了水和固體顆粒的動能，減小顆粒間的剪切力，一定程度上破壞團聚體，增加水流挾帶固體顆粒的能力[24]。本試驗研究發現，低壓滴灌施肥條件下滴頭堵塞程度對溫度變化較為敏感。溫度變化引起肥料溶解度發生較大變化，使得水源中固體顆粒質量濃度改變，進而影響滴頭堵塞程度。溫度升高，肥料溶解度增大，加肥質量濃度閾值提高，水流攜帶固體顆粒能力的增強，滴頭抗堵塞性能提高；溫度降低，肥料溶解度減小，固體顆粒質量濃度增加，滴頭堵塞風險增大。但溫度對滴頭堵塞的影響隨著壓力的升高逐漸減弱。當壓力為20 kPa 時，升高溫度對滴頭堵塞風險的降低較為明顯，隨著壓力提升至50 kPa時，升高溫度對降低滴頭堵塞風險的效果減弱，說明壓力的提高使得溫度的影響逐漸減弱。當壓力升至100 kPa 甚至200 kPa 時，溫度的改變對滴頭流量的影響甚微[21]。

溫度一定時提高運行壓力能顯著降低滴頭堵塞風險，而加肥質量濃度的增高則使得滴頭發生堵塞的風險增大。在低壓（<50 kPa）運行條件下，運行壓力的變化主要影響流態的轉捩以及流道摩阻系數f 的變化，轉捩的壓力閾值在40～45 kPa 之間[25]。當工作壓力P≤40 kPa 時，f 隨P 的增加而減少，該情況下流態為層流；當工作壓力P≥45 kPa 時，摩阻系數f 隨工作壓力的增加趨于穩定，流動變為紊流，紊流和水流剪切力的存在會使形成的固體顆粒團聚體分散破碎，不利于形成更大的團聚體，固體顆粒易隨水流出，故50 kPa 處理堵塞程度較輕。本試驗所用復合肥為硫酸鉀型復合肥，pH 值在7.33～8.10 之間，屬于中高堵塞范圍，易加速水中鈣、鎂離子形成沉淀。加肥質量濃度增大時，水中K+和SO42-離子數量在增大，流體黏性增大，細小的固體顆粒也在增多，顆粒間連接力增強[26]，易形成大的顆粒團聚體以及硫酸鹽等沉淀，加速流道內堵塞物質的形成[23]；當陽離子增加到一定值時，雙電層受靜電引力壓縮而變薄，懸浮物絮凝強度及沉降強度顯著增大[24]。同時加肥質量濃度的增大導致不溶固體顆粒質量濃度增加，使得固體顆粒相互碰撞幾率增加，易形成大顆粒團聚體堵塞流道[27]，故加肥質量濃度為3 g/L 時滴頭堵塞程度較輕。 本試驗研究發現，堵塞情況最容易發生在滴灌帶尾部。水頭損失的存在使得滴灌帶末端流速較低，水流的脈動強度較小，固體顆粒不易隨水流經迷宮流道流出，造成滴頭堵塞。外界條件改變，例如溫度降低、運行壓力的減小及加肥質量濃度的增加，與水頭損失共同作用下，堵塞由滴灌帶尾部發展至中部乃至首部。 本試驗采用溫控設備控制溫度，但由于環境因素滴灌帶首尾存在一定的溫差，雖采取一定措施使溫差控制在4 ℃以內，仍影響溫度梯度的進一步細化設置，試驗裝置和管網布置方式有待改進。試驗所用復合肥在20～30 ℃溶解度有較大提升，針對這一溫度范圍，溫度的精確控制以及溫度梯度的進一步細化設置有待改善。試驗所用復合肥溶解度隨溫度變化影響較大，故針對不同肥料的物理、化學和生物特性探究溫度對滴頭堵塞的影響有待進一步的深入研究。

4 結 論

1）升高溫度、提高運行壓力、降低加肥質量濃度能有效提高平均相對流量和均勻度系數，降低堵塞率。此外，升高溫度還能提高加肥質量濃度閾值及水流攜帶固體顆粒的能力；但升高溫度對滴頭堵塞風險的降低程度隨運行壓力的升高而減弱。

2）滴灌帶尾部的第8、9、10 號滴頭最易發生堵塞，隨溫度的降低、運行壓力的減小、加肥質量濃度的增加而逐漸影響滴灌帶中部乃至首部。

3）不同溫度下加肥質量濃度閾值不同，10、20、30、40 ℃下分別為4、5、7、8 g/L。