农业灌溉水源对灌溉设备堵塞的影响

时间：2024-05-22

薛翔，国攀，杨振杰，余杨　(云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201)

农业灌溉水源对灌溉设备堵塞的影响

薛翔，国攀，杨振杰，余杨*(云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201)

摘要探讨复杂多变的灌溉水源对灌溉设备运行效率的影响。文章对物理、化学和生物因素引起的堵塞和堵塞程度进行了分析，并对堵塞程度进行了等级划分；同时针对不同来源的我国农业生产灌溉用水状况进行了分析，给出了针对各种水源造成的灌溉设备堵塞的解决方法。认为可针对具体水情采用过滤、水化处理、电去离子水软化技术和运用生物净化技术等方法，从水的源头治理、灌溉系统堵塞问题。也可以交叉使用多种处理技术，综合考虑，从基本国情出发，采取积极有效的措施，坚持科学态度，努力探索研究出经济实用、技术可行的灌溉系统。

关键词灌溉水源；灌溉设备；处理方法

Impact of Agricultural Irrigation Water on Irrigation Equipment Jams

XUE Xiang, GUO Pan, YANG Zheng-jie, YU Yang*(College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Abstract The effects of complex irrigation water on operation efficiency of irrigation equipment were discussed. Jams and jam degree caused by physical, chemistry and biology factors were analyzed, jams degree was classified. Solutions irrigation equipment jams caused by different water were put forward. It was thought that the pollution can be controlled from water sources by adopting filtration, hydration treatment, water softening technology and biological purification technology; it also can cross use a variety of processing technology, comprehensive consideration, from the basic national conditions, take active and effective measures, adhere to the scientific attitude, and strive to explore the economic and practical, technical feasible irrigation system

Key words Irrigation water; Irrigation equipment; Processing method

灌溉是农业稳产与丰收的重要前提，灌溉设备是实现高效节水灌溉的基本条件。农业灌溉水源复杂多变，主要为河流、地下水、池塘和水窖等。水源中含有大量污染物质微生物、微小颗粒和有机质，会堵塞灌溉器，影响灌溉设备的正常运行，从而对农业的生产造成巨大影响。随着经济不断发展，生活和生产污水的随意排放，从不同程度上污染了自然水体，严重影响了灌溉设备的运行效率。鉴于此，针对不同的水源选择正确有效的处理方法对灌溉设备意义重大，可有效提高灌溉设备的抗堵塞能力，保证设备的正常运行，从而保证农作物的稳产与丰收。该文对灌溉水源类型及特点进行了系统分析，并针对每一类水源探讨缓解灌溉设备堵塞方法。

1灌溉设备堵塞的类型与条件

灌溉水源中还有各类物质容易造成灌溉设备的堵塞，灌溉设备堵塞主要分为3类物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞。其中物理堵塞是指水中所含有的有机或无机悬浮物，藻类还有漂浮在水面的动植物等有机物，无机物包括石头还有沙子等。化学堵塞指的是溶解在水中的化学物质，而这些化学物质在水中发生一些反应生成一些不溶性物质，随着水流进入管道中，久而久之会造成灌溉设备的堵塞；生物堵塞是指水中的生物进入灌水管道和灌水器内部后，在管道内部生长并且大量繁殖，随着时间推移管道面积减小，最终导致灌水器堵塞[1-3]。

Bucks[1]对灌溉系统的堵塞类型、堵塞物质和堵塞程度进行了研究，并提出了灌溉器堵塞程度区分标准(表1)。

表1　灌水器堵塞类型与程度区分标准

2灌溉水源

目前我国农业生产灌溉用水绝大部分是来自江湖河流、池塘、地窖储水、地下水和废水等。针对不同的农业灌溉水源做以下分析。

注：①表中数值是取代表性水样采用标准程序分析化验的最大值;②细菌总数可用便携式田间测试仪得到，它反映了藻类和微生物的营养状况。

2.1池塘和水窖中国农村和大部分偏远地区和干旱少雨地区通过池塘和水窖来储存灌溉水，雨水和地下水流入池塘

或者储存在水窖中，特别是池塘中的水由于生活污水的随意排放，导致池水含有大量的磷、钾、氮、有机物质和大量微生物，绝大多数的池塘现处于富营养化的状态[4]。池塘和水窖中的水作为灌溉用水即使经过简单的过滤处理后仍然会存在少部分微小杂质、藻类和微生物等[4.5]，这些物质易在灌溉设备、灌水器或者出水孔转角处附着并依靠水中有机物质大量繁殖形成微生物群[6]，这类微生物群常覆盖黏性外鞘，一些微粒和藻类很容易粘连并沉积在黏性外鞘上，当这些微生物、微粒和藻类长到一定程度以及细菌数量达到50 000个/ml时将对灌水系统造成严重堵塞[1]。

2.2江河水就我国的黄河来说，是我国的第2大河流，同时也是世界含沙量最大的河流，所流经省市都是依靠它来进行农业灌溉。但是使用这种含沙量大的水进行灌溉一段时间后，水质中的细沙会沉淀在管道中，最后造成灌溉管道、各类灌水器内部等灌溉设备无法正常工作，由Bucks灌溉系统的研究可以得到，当水中悬浮颗粒达到100 mg/L以上[1],将对整个灌水系统造成严重堵塞，致使灌溉系统无法工作[7]。

2.3矿物质灌溉水硬水指的是水中含有高浓度矿物质，主要来源于井水和泉水，这些水的特点就是钙、镁离子和碳酸氢根离子等浓度比较高。长时间使用井水和泉水灌溉，会对灌溉系统造成化学堵塞[7]。泉水和井水中的钙、镁还有碳酸氢根离子会在灌水器出水孔处，发生如下反应：

当周围环境变热或压强变小时，水中的碳酸氢钙将发生化学反应，得到碳酸钙、水和二氧化碳，即

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+H2O+CO2↑

其中的碳酸氢镁分解成碳酸钙、水和二氧化碳，

Mg(HCO3)2=MgCO3↓+H2O+CO2↑

所以使用含有碳酸氢钙和碳酸氢镁的泉水和井水，会在灌水器内部及出水孔附近生成难溶于水的碳酸钙和碳酸镁，造成灌溉系统化学堵塞[8-9]。

2.4污染废水通常定义受到一定污染的、来自生活和生产的未进行处理排出水的为污水。

如果按照污染源分布特征分类可以分为：①点源污染指的是排放点一定的的污染源；②面源污染指的是污染物在雨水或者径流冲刷作用下然后进入水体中，最终引起水体的污染，在其中来自农田中的灌溉污染最为常见；③扩散性污染，大部分指的是工业生产过程中以及地面机动车和机械等运行时产生地污染物，在随着大气扩散后，最终在自然水体中沉降或降水，导致水质严重污染[11-12]。

土壤并不是可以无限度地净化与缓冲污染,如果在农田灌溉中连续使用未经任何处理的污水,慢慢的土壤中的有机污染物、重金属等含量会不断增加，当最终达到了土壤的吸持能力的极限,势必造成土壤重度污染[13]。从而会导致pH值超出正常值，盐分含量超标，出现土壤板结、肥力减小，土壤的结构与功能失调，进而破坏了土壤生态平衡，加快了土壤环境的恶化速度,多样性急剧下降，最终产生环境生态严重问题[14]。并且影响灌溉设备的使用效率，水源中的污染物会影响食品安全，从而对农业的安全生产造成巨大影响。所以在使用污水灌溉时需要谨慎处理，并采用科学妥当的处理方法去除有毒有害物质。

2.5废水再生水灌溉用水占国家总的用水量的70%，中国本来就是一个水资源短缺国家，而且人均占有量很低，伴随着经济不断发展，生活水平的不断提高，生活用水和工业用水量已经不容小觑，同时生活废水的量也不断增加。根据国家统计局统计显示，2011年和2012年全国城市废水排放总量达6 591 922和6 847 612万t[15]，由于水资源的短缺，废水再利用慢慢引起国家的关注，毕竟这是一块潜藏资源。国内外专家开始研究污水再利用，Mollie[16]等人对城市废水再生水和普通灌溉水作了化学成分分析(表2)。由表2分析得出，如果不经处理直接灌溉农田，废水中的高浓度的磷、钾和有机质为大量的微生物细菌，例如大肠杆菌、粪大肠杆菌等提供了良好的生长繁殖坏境，细菌会在灌溉设备内部和出水孔处附着并大量繁殖，当水中微粒和大量微生物细菌数量达到一定值时将堵塞灌溉设备。

表2　普通水和城市废水中的化学成分

3针对不同水源造成的灌溉设备堵塞的解决方法

为了使灌溉设备更好地运行，在使用不同的水源时，应根据污染程度不同，给予区别对待；应采用不同的处理方法，以使灌溉设备处于最佳状态，更好地实现灌溉目标。

3.1使用过滤设备在选择过滤设备的之前，首先就所使用的水源进行分析，当水源污染程度很低时，水体中室友细沙子、小石块和细小的杂质，正常情况发下会采用过滤器来截住这些杂质防止进入管道当中。在一般的系统中过滤设备一般都是第一道工序。当灌溉系统较小时，可以采用小型的过滤器，既可以节约资源又可以满足要求；当系统较大时，就不能选用这种小型过滤器了，因为过滤效率低，应该选用大型系统功能完整的过滤站。通常实用的小型过滤器有以下几种。

3.1.1离心式过滤器。离心式过滤器主要构造由各段内腔呈圆柱形和圆锥形连接组成，水源经过供水器供水由过滤器进水口进入，水流沿切线方向进入分离器,由于离心力的原因，质量越大的离心力越大，水中的小石块等杂质被甩向过滤器的侧壁,这些杂质由于质量区别，离心力将它们送入集砂膛中,而过滤完的水沿着出水孔流出[17]。离心式过滤器绝大多数的情况下都安装在井及泵站旁,因为这是第一道工序，直接接触含有细沙，小石块等杂质的水源。如果采用一般型号的60～150目过滤器,根据实际测量可将92%～ 98%的沙石过滤掉[18]。

3.1.2砂石过滤器。砂石过滤器过滤原理是供水器把含有杂质的水源送到管道中进入过滤器,进去的水由上往下渗透过介质层,干净的水可以完全通过砂床及滤头，而水中的杂质则被挡在外面,这样就可以实现杂质与水的分离，最终完成过滤。砂石过滤器也有自己的过滤范围，超过范围再用其过滤效果会大打折扣，水中有机物含量不能超过10 mg/L时[19-20]。不光是有机物的含量还要考虑水质中的颗粒大小，当颗粒小于20 μm时，砂石过滤器的效果同样会大打折扣[21]。

3.1.3叠片式过滤器。叠片式过滤器是数量众多的且带有凹槽的塑料圆环形状的叠片，套在一根圆柱上形成圆柱型滤芯,这些碟片相当于一道道过滤网,一道过滤网的效果是有限的，但是数量众多的叠片相当于相当于30层普通滤网，可想而知其过滤效果如何。当供水器将水送至过滤器时，水流流经这些碟片,盘壁和叠片上的凹槽可以聚集及挡住杂物。盘槽的复合内截面提供了相当于在砂石过滤器中形成三维的过滤，由于其过流能力强大,结构且简单,维护容易,组装广泛,运行可靠，易于清洗可循环使用的特点，在水过滤系统中叠片式过滤器是比较受欢迎的[22]。

3.2水化处理当使用污染程度较低，仅仅是水体中含有水藻等物质，可以采用灌溉水的化学处理方法[23]，就是在灌溉水中通入或加入化学物质，使其进行化学和生物反应以达到疏通灌溉设备管道的疏通和净化灌水器出水孔的效果。氯气作为一种低成本杀菌灭藻剂，且具有良好的经济性,如果确保加氯设备的安全问题,则氯气可以更好更方便地起到疏通灌溉设备的效果。氯气极易溶于水并发生以下反应：

氯气和水的反应生成了次氯酸和盐酸：

Cl2+H2O=HClO+HCl

次氯酸电离成为次氯酸根和氢离子：

HClO↔H++ClO-。

在酸性的环境中，次氯酸分子更易于扩散到带负电荷的细菌表面，并经过细胞壁从而进入到细菌内部然后破坏其内部系统，进而杀死细菌和藻类。针对不同的污染程度来决定氯水浓度和消毒时间，例如对于中度或重度设备堵塞可以采用100~150 mg/L浓度的氯水，冲刷10~30 min就会达到杀菌除藻的效果，再用清水冲洗即可。氯水[8.9]中的盐酸可以与灌水器中的沉淀物发生下列反应：

碳酸钙与盐酸反应会生成氯化钙、水和二氧化碳：

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑

碳酸镁与盐酸反应会生成氯化镁、水和二氧化碳：

MgCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。

反应后生成的氯化物易溶于水，用水冲洗后便可以疏通出水孔。这个方法经济，操作简便，不需繁杂的设备。但氯气本身有毒，使用时必须注意安全，防止泄漏。

3.3使用电去离子水软化技术进行软化水电去离子水软化技术的原理[24-26]：在EDI膜堆工作过程、离子交换和电渗的过程是在同时进行的，强酸性阳树脂对Ca2+，更加敏感更倾向于Ca2+。这就是离子交换过程可以把水中的Ca2+和Na+完美分离的原因，在Ca2+被树脂吸附的同时，还留在水中的Na+，则跟着水流流出淡水室，而Ca2+被去除，因此水得到软化。与此同时被吸附走Ca2+，在外加电场作用下，发生横向传质迁移，Ca2+向阳膜转移，然后透过阳膜，最终到达浓水室中．这就是EDI软水过程[27]。

EDI软化水技术具有高效、水的利用率高、成本低廉、能耗少等显著优点, 尤其适用于低硬度原水条件下的深度除硬[23]。

3.4运用EM等生物技术来净化水体当湖泊和水窖受到污染时，其中含有大量的氮、磷和碳等有机物，根据日本琉球大学比嘉照夫教授研究并发明出新型的微生物活性剂，EM是由光合细菌、乳酸菌、醋酸杆菌等10属80多种微生物复合培育而成[28-30]。现在有机工业污水和生活污水的处理、农业灌溉还有净化富营养化可以将EM技术。EM的主要原理[31-33]：①EM菌的繁殖是依靠吸取富营养水体中的大量氮、磷、碳等有机物，从而可以与藻类(重点对象是蓝藻)竞争生长资源;②复杂的EM菌群代谢的部分产物对藻类有直接地杀灭作用,从而致使水源中的藻类植物消失;③ EM菌群可以减短水源底层各类有机物的分解时间;④ EM菌群吸取水源中的营养,进而抑制腐败细菌的繁殖;⑤ EM菌群代谢地作用,对土壤中的生物多样性有着很大的帮助,同时对生态地有着很大的作用。通过应用于实践，证实EM技术在污水处理方面与污水农业灌溉的方面取得了很好的成效[34]。

3.5水源头治理污染运用污水进行灌溉并不代表污水可以肆意的产生，应该采取措施从源头进行处理。针对工厂企业来说，应该重视节水,注意先进设备更新,高效工艺的学习，不应该只放在治理污染上，通过各种网络、书籍和媒体等渠道来宣传节水的重要性,提高节水的自觉性，培养大众节水意识[35]。

4结语

水化处理虽然经济适用但氯气已发生泄漏，电去离子水软化技术和EM等生物技术虽然安全环保但效率低且成本高昂。农业灌溉应该从基本国情出发,采取积极有效的措施，保持科学的态度,努力探索研究经济实用、技术可行的灌溉设备及其水质处理方法来应对复杂多变的水源。

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