引黃滴灌系統灌水器堵塞機理及措施研究進展

王彥邦

（寧夏回族自治區銀川市農村經濟發展服務中心，寧夏 銀川 750000）

0 引言

水是生命之源，是人類賴以生存的自然資源，然而水資源短缺問題已成為制約我國社會與經濟可持續發展的重要瓶頸之一[1]，嚴重威脅到我國糧食安全。滴灌技術是目前應用最廣泛、最行之有效的節水灌溉技術之一，它集灌溉、施肥于一體，能根據作物對水分和養分的需求進行適時適量灌溉，具有節水節肥、節地節能的優點，能起到增產提效的作用[2]。目前除了江河湖泊等地表水以外，一些非常規水源也被作為灌溉水源。尤其是引黃滴灌系統，黃河水含沙量高、濁度高，水中的固體顆粒物、化學離子、微生物及有機質等會發生一系列微觀動力學行為，使堵塞程度加大。滴灌系統又集灌水施肥補氣加藥于一體，水肥氣藥等多種物質發生耦合效應，易導致滴灌系統報廢[3]。灌水器作為滴灌系統中最核心的部件，流道十分狹小，流道橫斷面尺寸一般只有0.50 mm～1.20 mm，極容易被灌溉水中的固體顆粒物、微生物和有機質等堵塞，縮短滴灌系統的使用壽命，嚴重影響作物產量和經濟效益[4]，因此，解決灌水器堵塞問題對滴灌技術規模化應用十分關鍵。

基于此，本文對引黃滴灌系統灌水器堵塞物質組分、形成機制和調控措施等方面的理論成果進行了較為全面的綜述，并提出了進一步的建議，為控制灌水器堵塞、推動黃河流域滴灌技術大面積應用提供理論基礎。

1 引黃滴灌系統灌水器堵塞物質組分分析

引黃滴灌條件下，灌水器堵塞物質主要是泥沙顆粒。系統運行中，黃河水中大量表面生長生物膜的泥沙顆粒將逐漸聚集在灌水器流道內，隨著水體濁度和溫度的升高，細菌將附著在泥沙顆粒表面生長繁殖，形成菌膠團類的黏聚物，致使灌水器堵塞程度加重。水源中的泥沙顆粒物、不可溶的沉淀物質和微生物分泌的胞外聚合物等在水動力學條件下，通過碰撞、絮凝、生物黏附過程形成結構穩定、形貌復雜的多孔介質，不斷將水體中的微生物、固體顆粒等黏附于生物膜表面生長，使灌水器的出流量逐漸降低，最終導致堵塞[5]。而堵塞物質中含有的藻類也加重了灌水器的堵塞程度，并且灌水器堵塞物質與水源顆粒物的無機組分、胞外聚合物及微生物群落特征表現出高度的一致性[6-7]。

引黃滴灌系統中，灌水器堵塞主要表現為物理、化學和生物三種因素共同作用而引發的復合型堵塞，灌水器堵塞物為一種多物質共存體系，是由多種物質構成的聚合體[8]。Zhou 等[9]借助現代分子生物學技術，研究了灌水器中堵塞物質的特征組分，依據理化性質主要分為物理成分、化學成分和生物成分三種類型，物理堵塞物質主要是泥沙顆粒，化學堵塞物質主要包括CaCO3和MgCO3沉淀，生物堵塞物質主要為磷脂脂肪酸和胞外聚合物，且堵塞物質各成分之間具有明顯的線性正相關關系。薛松[10]通過研究指出堵塞的發生取決于泥沙顆粒物、鈣鎂沉淀、微生物的數量，其中，泥沙顆粒物、鈣鎂沉淀直接影響堵塞物質的形成，且鈣鎂沉淀還在一定程度上通過影響泥沙顆粒物間接影響堵塞。由此可見，堵塞物質的形成是灌水器內部各特征組分之間相互影響、耦合互促的過程。

2 引黃滴灌系統灌水器堵塞物質的形成機制

2.1 灌水器堵塞的主要影響因素

引黃滴灌系統灌水器堵塞影響因素較多，包括灌水器類型、流道幾何參數等結構特征，毛管流速、流道近壁面水力剪切力等水力學特征，工作壓力、灌水頻率等系統運行模式等，選擇適宜的灌水器類型能有效提高灌水器抗堵塞能力。研究表明，隨著灌水次數的增加，不易發生整體堵塞現象的是圓柱式灌水器，其次是片式灌水器[11]。不同流道結構的灌水器堵塞程度不同，流道長度、寬度、深度均對灌水器出流有影響[12]；流道結構參數對顆粒運動變化的影響也較為顯著，不同的齒角度和齒間距都將影響水流的湍流強度和近壁面流速，進而影響灌水器的堵塞[13]。工作壓力不僅可以改變灌水器內的水流流速，防止堵塞物質在流道壁表面黏附生長，而且能夠有效控制泥沙顆粒物在流道內的沉積[14]。毛管流速是輸移水流中泥沙顆粒物的關鍵因素，隨著流速的變化，堵塞物質的平均厚度、表面力及粗糙度都呈現出單峰型變化[15]。水力剪切力對堵塞物質的形成、生長、脫落都有著至關重要的作用，當流道近壁面水力剪切力閾值小于0.20 Pa 或大于0.40 Pa 時，可有效降低堵塞程度[16]。灌水頻率也會影響灌水器抗堵塞性能，灌水頻率不同，灌水器堵塞物質成分的含量差異較大，隨著灌水頻率的降低，堵塞物質主要礦物質成分含量逐漸增加[17]。

2.2 灌水器發生堵塞的特性

引黃滴灌系統中，由于黃河水水質復雜，灌水器發生堵塞的類型主要為復合型堵塞。而由于灌水器流量一直保持持續且強度不同的波動狀態，灌水器流道內的堵塞物質將不斷地脫落、沉積，并且這個過程隨機反復發生，致使復合型堵塞中的單個灌水器堵塞發生具有一定的隨機性；伴隨著隨機發生的過程，在水流的紊動作用和顆粒物的碰撞作用下，沉淀在流道內部的堵塞物質會發生不定時的脫落，灌水器的流量隨之發生一定程度的恢復，使得灌水器的堵塞具有可恢復性的特性，但當灌水器堵塞程度超過25%之后，其流量將急劇減小，并失去可恢復性[18]。滴灌系統灌水器堵塞的整體性變化呈現出先波動平衡后線性下降的動態變化特征；灌水器平均相對出流量和灌水均勻度均表現出系統運行前期緩慢波動變化，后期迅速降低的變化趨勢，但不同類型的灌水器平均相對出流量和灌水均勻度整體下降差異較大，灌水器的流量變差系數呈現出先波動變化后線性增長的趨勢，灌水器堵塞率表現出逐漸增長的趨勢，發生這些變化的本質因素是系統在運行過程中流量呈現出不同程度的波動狀態[19]。

2.3 灌水器堵塞的形成機理

引黃滴灌系統灌水器的主要堵塞物質是固體顆粒物，而微生物在固體顆粒物表面附著、生長對灌水器堵塞起著關鍵作用，因此引黃滴灌系統灌水器堵塞形成過程可以表述為[10]：1）緩慢增長階段。系統運行前期，固體顆粒物、微生物及其分泌的胞外聚合物含量整體較少，形成的生物膜吸附能力較低，堵塞物質增長較為緩慢。2）快速增長階段。隨著系統的運行，固體顆粒物不斷沉積，微生物新陳代謝逐漸活躍，分泌更多的胞外聚合物，使生物膜的吸附能力和固體顆粒物之間的黏附力增強，堵塞物質急劇增加。3）動態穩定增長階段。當堵塞物質達到一定程度時，表面疏松多孔的生物膜易出現在水力剪切力的作用下發生脫落后又附著的現象，此動態變化過程使得堵塞物質的增長逐漸趨于平衡。同時，在生物膜的生長過程中，部分發生脫落后隨水流流動、運動滯后的團聚體與流道邊壁產生碰撞，使被吸附到流道壁面的生物膜表面繼續生長，生物膜不斷脫落—附著—生長的過程使得灌水器堵塞物質持續增加。

3 引黃滴灌系統灌水器堵塞控制方法

3.1 灌溉水源水質的控制

灌溉水源水質不同，堵塞程度不一，水質越好，灌水器堵塞程度越低。由于黃河水水質表現為復雜的多物質共存體系，即物理、化學和生物因素共同存在，單獨使用某種水質處理技術很難滿足灌水要求，通常需要融合多種技術進行處理。在進行滴灌之前通常采用混凝沉淀方法，降低顆粒物濃度，減少大粒徑顆粒物。借助磁化處理技術改變水體的物理化學特性，能有效防止鈣鎂沉淀的產生，減緩滴頭堵塞[20]；通過電化學技術降低灌溉水源中的微生物含量，也能降低水源的硬度和堿度，從而降低灌水器的堵塞程度[21]；還可利用微納米氣泡殺菌技術實現污染物氧化降解和水質凈化[22]，抑制灌水器流道內生物膜的形成，從而有效緩解灌水器的堵塞。

3.2 優化過濾器結構性能

在引黃滴灌系統中，目前最常見的是離心過濾器（一級過濾）+砂石過濾器（二級過濾）+疊片過濾器（三級過濾）的分級配置模式。關于砂石過濾器，國內外學者建議沖洗時的最佳反沖洗流速為0.012 m/s，反沖洗時間為5 min～6 min[23]；Zhou 等[9]發現砂石過濾器最優運行模式為濾料粒徑1.70 mm～2.35 mm、通過流量0.018 m/s，反沖洗速度0.022 m/s[9]。辛舟[24]針對黃河水高含沙量的特性，通過離心過濾器分離泥沙試驗，分析了影響分離效果的主要因素，進而控制泥沙流入量。孫步功等[25]將碟式分離機與FXJ-150-I型離心過濾器串聯用于黃河水泥沙分離，實現了串聯分離設備參數優化。Yurdem 等[26]主要利用量綱分析法分析滴灌系統疊片式過濾器各項參數，并推導出疊片過濾器水頭損失的數學預測模型。肖新棉等[27]采用水力性能測試和反沖洗抗堵塞性能試驗，探討疊片式砂石過濾器的最佳疊片數，通過對流道的結構、疊片材質、疊片模具及疊片注塑成型工藝進行探索，研發高品質的疊片過濾器。

3.3 毛管沖洗

毛管沖洗能夠使固體顆粒物的沉降速率減慢，降低堵塞物質的形成及附著能力，是解決引黃滴灌系統灌水器堵塞問題的有效方法。滴灌系統中適宜使用的最小沖洗流速為0.30 m/s，若要去除水源中大粒徑顆粒，沖洗流速要達到0.50 m/s～0.60 m/s[28]。每次在系統運行64 h 左右，以0.40 m/s 的沖洗流速沖洗6 min 可以使管道內沉積的堵塞物質最少，一月沖洗一次或一個灌溉季度沖洗一次的頻率均能有效抑制灌水器的堵塞，而在最初兩次灌水后首次進行毛管沖洗、沖洗周期為5 d 的條件下，能有效地降低灌水器堵塞的風險[29]。沖洗對不同類型的灌水器堵塞均有緩解作用，因片式灌水器斷面平均流速較大，輸送堵塞物質的能力較強，故對其堵塞控制效應最為明顯，此外，在沖洗過程中選取適宜的灌水器類型和沖洗模式尤為關鍵[30]。

3.4 灌水器結構優化設計

灌水器內部水流和顆粒物是一個臨界尺度的流體流動問題，有學者利用現代流動顯示技術探索流道內部水流及顆粒物的運動特性，借助LDV 技術對灌水器放大模型內部流體分布進行量測，建立了流道-壓力-結構之間的關系，為迷宮流道灌水器結構設計提供了理論依據[31]；牛文全等[32]通過PIV 技術研究了迷宮流道轉角對灌水器水力性能和抗堵塞性能的影響，應用PTV 技術研究了沙粒與流道壁面的碰撞過程，分析了單個沙粒在不同壓力條件下矩形流道內的碰撞反彈系數。與此同時，眾多學者利用CFD 流體動力學分析方法對灌水器流道內部水流和水沙兩相流特性不斷進行深入研究，并以此優化灌水器流道邊界設計和選擇設計的最優參數[33-34]。灌水器流道結構優化主要有兩種方法：一是主航道設計法，該方法可消除流道內泥沙容易淤積的漩渦區域，保留主流區來提高流道顆粒物的輸移能力，使顆粒物隨水流排出灌水器外，從而降低灌水器的堵塞程度；二是流道漩渦洗壁方法，保持流道內流速較低的漩渦區，對壁面夾角進行優化，充分發展漩渦，增強流道對壁面的自清洗能力，以此提升灌水器的抗堵塞能力。

3.5 微生物拮抗技術

微生物拮抗關系是指微生物在其生命活動中，通過產生某種代謝產物或改變環境條件抑制其他微生物的生長繁殖，甚至將其殺死的現象。有學者研究發現，在灌水器發生堵塞后添加三種農業常用的拮抗細菌，流量幾乎為0 的灌水器在14 d 內完全恢復，說明可利用微生物群體感應機制來控制生物膜形成。李云開等[7]通過培養、分離灌水器內部生物膜中的優勢菌，進行微生物拮抗實驗，篩選出的枯草芽孢桿菌控制堵塞效果明顯，在系統運行126 h、堵塞程度達到10%之后，施加該菌劑效果最好，但使用42 h 后需要及時沖洗。微生物拮抗技術對限制生物膜形成效果十分顯著，不僅可延緩灌水器堵塞的發生，還能不同程度地恢復已堵塞的灌水器。

3.6 電化學技術

電化學技術具有高效率、低成本、綠色環保的特點，是解決灌水器生物堵塞的新技術，主要原理是水在電壓作用下催化產生殺菌活性物質，破壞微生物的細胞膜結構、核酸、蛋白質及其他大分子物質，使細胞失活，進而清除堵塞物質。由于生物膜的形成主要是靠胞外聚合物壁面的黏附作用，在電化學技術控制條件下，使得胞外聚合物含量減少，降低顆粒物在壁面的附著量，抑制生物膜的生長。對于已經形成的生物膜結構施加電壓作用，生物膜中的大顆粒物質在電子斥力作用下可能會分散成小顆粒，在灌水器流道內的水力剪切力作用下發生脫落，被水流沖出灌水器，使得生物膜結構被破壞[8]。目前已有公司推出了基于該原理的除垢棒產品，可清除壁面附著的堵塞物質，提升灌水器的抗堵塞性能。

4 未來研究方向

4.1 處理灌溉水源的水質

深入研究引黃滴灌系統灌溉水源的水質處理工藝以及沉淀過濾系統合理配置的處理模式，探究灌水器堵塞發生的特征和堵塞物質的時空分布，從而選擇滴灌水源關鍵水質參數的有效控制閾值，同時研究水肥一體化條件下灌水器內部顆粒物的運移特性，揭示灌水器堵塞誘發機理及作用路徑。

4.2 優化灌水器流道結構

利用現代流動顯示技術和CFD計算流體方法，深入分析堵塞發生的特性和堵塞物質動態變化特征，探索灌水器流道結構對堵塞行為的影響路徑，明確灌水器幾何參數對堵塞行為產生的影響，優化灌水器流道結構，制造最適宜引黃灌區滴灌的灌水器產品，將黃河水中大量的泥沙顆粒輸送到田間，增加土壤肥力。

4.3 明確堵塞物質間的耦合作用機制

探索引黃滴灌系統中灌水器流道內全流場的三維測試技術，對堵塞物質進行更深層次的研究，分析各類堵塞物質間的作用機制，如物理顆粒物與化學沉淀相互附著的特性、微生物的生長特性和群落結構，進而提出更加合理、有效的控制措施。