硬水灌溉陶瓷灌水器堵塞特性研究

聂一品，郝志豪，高子涵，鲁成泽，陈慧芳，刘燕芳，陈俊英,3

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 咸阳 712100； 2. 鲁东大学资源与环境工程学院，山东 烟台264025；3. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 咸阳 712100)

受水资源短缺的限制，我国仍有较大面积农业灌溉区利用高硬度地下水进行灌溉[1]。对于缺水且水质较硬的地区，渗灌无疑是最有利的农业灌溉方式[2,3]。但存在于硬水中的无机质及可溶性盐类等物质会造成灌水器的堵塞[4]。因此探究硬水渗灌系统中堵塞物质的形成过程和机理对预防和处理渗灌系统灌水器的堵塞问题具有重要意义。

为此，本文选用同种砂基陶瓷灌水器，采用地下水和配置3种不同硬度的灌溉水，组成硬水陶瓷灌水器灌溉系统，试验通过测定其流量变化、观察和分析堵塞物成分和堵塞物图像研究硬水作用下堵塞物的形成机理，以便对陶瓷灌水器硬水灌溉技术的应用提供科学建议。

1 材料与方法

1.1 石英砂基微孔陶瓷灌水器

试验所用的灌水器为西北农林科技大学自主研制的砂基管间式微孔陶瓷灌水器[24]，设计流量为0.07 L/h。砂基微孔陶瓷灌水器工作过程中，水流首先通过灌水器内壁上的微孔隙向外渗流，然后经过微孔陶瓷灌水器外壁-土壤界面，产生渗流[25]。

1.2 灌溉用水

本试验灌溉用水根据总硬度设置4个水平，分别记为E1、E2、E3、E4。其中，E1(对照)为杨凌区自来水；E2、E3、E4利用杨凌区自来水添加化学试剂NaHCO3与CaCl2(物质的量比为2∶1)配制；待水质均匀后取水样检测，主要指标如表1所示。

1.3 试验装置与布置

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实验大厅进行，根据水源类型，试验设置4个相同且独立的灌溉系统，装置如图1所示(仅展示了两组试验)。每个系统由一个马氏瓶(直径20 cm，高100 cm)和两条平行布置的管道(长2.5 m，直径20 mm)组成。其中，马氏瓶为系统提供恒定微压(约1 m水头)；每条管道上等间距20 cm安装8个相同规格的砂基陶瓷灌水器，即每个处理16个重复。

表1 试验用水水质参数Tab.1 Parameters of experimental water quality

图1 试验装置图Fig.1 The experiment system

硬水灌溉前，对4个渗灌系统进行彻底清洗，并用自来水连续灌溉7 d，排空陶瓷灌水器内部的空气，使流量稳定。之后，试验自2018年9月17日开始至2018年11月10日结束(共55 d)，4个渗灌系统分别连续灌溉E1、E2、E3、E4，期间连续采集每个灌水器流量、试验环境温度和湿度。试验期间每隔6 d清洗一次马氏瓶，管道系统不再清洗。

1.4 试验评价指标

灌水器的堵塞程度用同一处理下所有灌水器的相对流量的平均值，即流量百分数进行评价:

(1)

式中：Dra为平均相对流量，%；n为灌水器总数；qi为第i个灌水器的流量，L/h;q0为灌水器初始流量，L/h。

1.5 试验监测内容

(1)实验室环境条件监测。实验室环境条件监测包括环境温度监测以及环境湿度监测。

实验室环境温度和环境湿度于每日9∶00和15∶00分别用水银温度计(最小刻度0.5 ℃)和湿度计(最小刻度1%)进行两次监测，取平均值作为当日环境温度和环境湿度。试验期间环境温度和环境湿度变化分别如图2和图3所示，试验期间环境温度和环境湿度最高、最低值分别为30 ℃、11 ℃和60%、5%。

图2 系统运行期间环境温度监测图Fig.2 Variation in irrigation ambient temperature during the experiment

图3 系统运行期间环境湿度监测图Fig.3 Variation in irrigation ambient humidity during the experiment

(2)灌水器流量测定。灌水器流量于每日9∶00和15∶00测定两次，用布置于灌水器下面的量杯(容积1 L)接取30 min内灌水器出水量。用电子天平(精度为0.1 g)测量出水量净重，换算成灌水器流量。

(3)灌水器内壁面附着物物分析。为探明系统运行期间灌水器内堵塞物质成分连续变化情况，在试验过程中对灌水器进行取样。当系统运行至第11、22、33、44、55 d时进行取样，每个处理每次取1个灌水器，在取样位置用相同长度的聚乙烯管连接，共计得到20个样品灌水器。

将样品灌水器常温下风干7 d后，解剖灌水器，观察灌水器内壁状况，并对内壁面附着物进行拍照记录。

本文分别对E1，E2，E3与E4组的堵塞沉积物进行分析处理：首先分割陶瓷灌水器，分别收集E1，E2，E3与E4组在不同堵塞程度下，灌水器内部相同位置、相同厚度的堵塞物；随后对收集到的堵塞沉积物进行X射线衍射仪扫描，以获取多晶衍射图谱；最后利用XRD分析软件Jade6.5对其衍射图像以及堵塞物样品各物质相对百分含量进行分析，确定灌水器运行过程中附着物成分的变化情况。

2 结果分析

2.1 硬水灌溉对灌水器流量的影响

图4描述了硬水灌溉期间各处理陶瓷灌水器日均流量百分数(Dra)的日动态变化情况。从图4可以看到，4个处理下的日均Dra在渗灌系统运行期间存在较大波动，这是由陶瓷灌水器本身的性质决定的。由董爱红等人的研究可知[26]，陶瓷灌水器因其自身的工作原理，极易受到工作环境的温度、湿度、压强等因素的影响导致流量出现波动，而在本试验渗灌系统运行期间，环境温度和湿度的每日平均值均存在较大波动(见图2和图3)，故导致4个处理的Dra出现较大波动。

图4 试验期间4个处理灌水器的平均相对流量百分数的变化过程Fig.4 Variations of Dra of emitters with different hard water

为消除环境因素导致灌水器流量的波动影响，本文用其移动均值线来代表其流量平均变化过程，如图4所示。对比4个处理的流量变化图像可知，E1处理下Dra在系统运行期间一直以较大的波动持续至试验结束，在第50～55 d，流量峰值最低达到50%、最高达到140%，移动均值未见持续性下降现象，即该处理灌水器未发生堵塞；E2、E3经历较长时间的波动后，其移动均值分别在运行的第43、38 d出现明显、连续的下降过程，运行结束时Dra分别为61.6%、57.0%；E4在整个系统运行期间的Dra波动幅度较小，且流量高峰值仅106%，在灌水31 d后移动均值持续大幅度下降，结束时灌水器Dra达到最低值34.8%，流量降幅最大。由此可知，硬水灌溉会导致微孔陶瓷灌水器会发生堵塞，且硬度越高，堵塞越严重；在渗灌系统运行前期，流量波动明显，且下降不明显，而在后期，流量出现稳定、连续的下降现象。

对E2、E3、E4分别以第43、38、31d为分界点将日均Dra变化过程划分阶段，分界点之前成为“波动阶段”，之后称为“下降阶段”。用分界点处的当日流量作为初始流量，对3个处理下的两个阶段中的灌水器日均Dra分别进行线性拟合，拟合直线的斜率k、相关系数R2及显著性检验结果列于表2。从表2和图4可以看出，第一阶段4个处理的灌水器Dra未见明显下降，均维持在波动阶段均值附近波动，拟合直线斜率k为0.27～0.48，相对第二阶段斜率较小，且最终流量较初始流量下降较小；第二阶段拟合直线斜率在-2.59～-2.46之间，线性相关关系显著(R2>0.733*)，即灌水器在该阶段呈现显著的线性下降趋势(p<0.05)；在该阶段，E2、E3和E4的拟合直线斜率绝对值逐渐增大，表明硬水浓度影响陶瓷灌水器堵塞速率，且浓度越大，灌水器堵塞速率越大。

表2 硬水灌溉灌水器Dra在两阶段的线性拟合参数Tab.2 Linear fitting parameters of emitter Dra in two stages for hard water irrigation

注：Dra=kt+b，其中：t为系统运行时间；k为Dra线性拟合斜率；b为截距。 *代表在显著性水平a=0.05达到显著。

移动标准偏差可以体现每一日波动量相于其移动均值的标准偏差[27]。表3中列出了两个阶段日均Dra数据的统计参数。可以看出，E2、E3、E4的3组处理第二阶段的移动标准偏差均比第一阶段的值小，说明随着运行时间的增加，波动特征不明显了，即堵塞对Dra的影响超过了环境因素；同时，在两个阶段内，随着硬水硬度的增加，灌水器日均Dra数据变化呈现逐渐减小的趋势，说明硬水抑制了灌水器Dra每日波动。由此可知，硬水导致的堵塞，其对流量的影响具有时间上的累积效应，且硬度越大，这个特性越明显。

表3 硬水灌溉灌水器Dra在两阶段的移动标准偏差 %

2.2 灌水器堵塞物成分与含量

获取的样品XRD检测图谱数据绘制图5。图5纵坐标数值含义为被吸收的能量与照射能量的比值。在图5每幅图中，从下至上依次为该组中第11、22、33、44与55 d的样品所测得X射线衍射图谱。由图5可观察到E2、E3、E4的3组灌水器沉积物的多晶衍射图谱的峰较为规整，说明硬水的3种处理下、不同灌水时长的灌水器内沉积物组成成分比较一致。而E1组多晶衍射图谱与E2、E3、E4的3组在衍射峰的位置上存在不同，但也较为规整，说明在该组灌水器内部沉积物成分与另外3组有较大的不同。

通过软件分析，得出了不同处理在不同时期堵塞物相对含量表(见表4)。表4中数据为CaCO3与SiO2相对含量，由于两种物质相对含量总和为1，在总成分中CaCO3相对增加，则代表SiO2相对减少。检测取样为灌水器内部相同位置、相同厚度的物质，若灌水器内部CaCO3沉积较少，则样品中会含有较多的灌水器成分即SiO2，以至于通过X射线衍射后，样品中极少量的CaCO3无法被检测出。

图5 沉积物XRD检测图谱图Fig.5 Phase analysis by XRD

%

2.3 灌水器内堵塞物图像分析及堵塞机理

图6给出了硬水灌溉灌水器(E4组)内部堵塞物在第11、33与55 d的情况。其中图6(a)为灌水器剖开的堵塞物俯视图，图6(b)为堵塞物侧视图。结合图6(a)可以看出，在E4组中，随着运行时间的增长，灌水器内表面逐渐被堵塞物覆盖。从图6(b)可以看出堵塞物厚度从0增长至300 μm左右。综合图6结果可知，随着灌水器内部堵塞物厚度逐渐增加，灌水器内部腔体过流能力减小并逐渐堵塞渗流通道入口，从而导致灌水器流量减小。

图6 陶瓷灌水器内堵塞物图像(E4)Fig.6 The picture of the ceramic emitter inner stemming (E4)

用光学显微镜分别观察未使用的、E4处理灌水55 d后的灌水器的自然断面形态，如图7所示。从图7可以看出，硬水灌溉55 d后的陶瓷灌水器，其自然断面试验形态较未使用的灌水器无明显变化，且未见堵塞物存在。结合图6堵塞物图像可知，硬水灌溉时，水中生成的化学沉淀只会沉淀、附着在灌水器的内壁面，不会进入灌水器内部孔隙。

图7 陶瓷灌水器自然断面拍摄图Fig.7 The picture of ceramic emitter natural section

根据上述分析，陶瓷灌水器内的堵塞过程是：硬水中的离子在随灌溉水进入灌水器的过程中，不断发生反应形成化学沉淀物。由于灌水器内壁并不完全光滑，故化学沉淀随水流渗出的过程中随机地附着于灌水器内壁表面，并逐渐形成一层疏松的附着层，堵塞了陶瓷灌水器渗水通道，灌水器流量相应减小。随着试验的运行，硬水中的化学离子不断进入灌水器内腔继续沉淀，导致灌水器内壁更加粗糙，更有利于沉淀形成[28]。随着附着层的厚度不断增大，最终造成了灌水器的堵塞。

3 结 语

(1)硬水灌溉条件下，试验陶瓷灌水器流量随时间的变化过程分为“波动阶段”和“下降阶段”，而自来水处理下陶瓷灌水器流量未见明显下降。

(2)试验用硬水处理下陶瓷灌水器堵塞物成分为CaCO3，其相对含量随着试验灌水时间增长和试验硬度增加而增加。

(3)硬水灌溉条件下，灌水器内壁面形成层状堵塞物，但堵塞物不会进入灌水器内部。层状物堵塞灌水器渗流通道是灌水器流量下降的原因。