再生水滴灌系统滴头抗堵塞性能试验研究

为了得到再生水灌溉对滴灌流量的影响规律及滴头抗堵塞性能,该文通过试验对再生水灌溉条件下11种不同滴头流道的流量变化进行了研究.结果表明:再生水灌溉条件下滴头流量的降幅与流道长度、流道截面积呈现正相关关系,具有反冲洗功能的滴头可以有效防止堵塞.田间试验表明,再生水处理滴头流量与地下水处理相比明显下降,流道沉积物富集是导致滴头流量衰减的主要原因.建议再生水滴灌系统选择具有反冲洗功能的滴头或者滴头流道较短、流道截面积较小的滴头,可有效降低堵塞的发生,为再生水灌溉系统科学选型与配套提供依据.     

一体化压力补偿式热塑性弹性材质滴头设计与试验

为克服硅胶片类压力补偿式滴头“回收难”的问题,设计开发了一种含热塑性弹性体的全塑料材质的一体化压力补偿式滴头。基于压力补偿式滴头流量补偿原理及计算流体力学数值计算方法,对一体化滴头关键结构参数齿尖角、流道宽度、流道深度、流道单元个数开展正交设计试验,通过Ansys15.0软件对滴头迷宫流道结构进行确定,以参数组合齿尖角34°,流道宽度0.4 mm,流道深度0.4 mm,流道单元数12个,进行滴头试制并对其补偿性能及抗堵塞性能进行测试。结果表明：该一体化压力补偿滴头流态指数为0.07,起调压力为35 kPa,补偿区间为35～300 kPa,属于恒流灌水器－压力补偿滴头范畴;与国内滴头相比,设计滴头的水力性能更优;在低压堵塞试验中,一体化压力补偿式滴头具有更好的抗堵塞性能,当泥沙浓度为1.0 g/L,灌水15次后,一体化压力补偿滴头与另外两种普通迷宫流道滴头的相对流量分别下降至93.1%、54.2%、81.8%,一体化压力补偿滴头的抗堵塞性能明显优于普通迷宫流道滴头。该滴头研发周期短、成本低、便于回收利用,是传统滴头的良好替代品。该研究可为一体化压力补偿式滴头结构设计、相关产品研发提供参考。     

额定流量与毛管位置对纽扣式滴头堵塞的影响及机理分析

为探究引用高含沙水滴灌时额定流量与毛管位置对纽扣式滴头堵塞风险的影响及相应机理，该研究对3种不同额定流量（2、4、8 L/h）的纽扣式滴头按照不同的毛管安装位置（毛管进水口处的支管长度分别为：w、2w、3w，毛管间距w=204 mm；依次为内侧、中间和外侧）进行浑水堵塞试验。试验结果表明：滴头额定流量与毛管位置会影响毛管与支管内的断面平均流速，从而对管中沉积泥沙的起动产生影响，影响滴头堵塞进程。额定流量为4 L/h的滴头，其平均相对流量和灌水均匀度系数下降速率最慢，即抗堵塞性能最优，且其有效灌水次数最多，平均使用寿命比2和8 L/h的滴头分别提高了11.84%和49.11%。滴头额定流量越小，毛管位置对滴头使用寿命影响越明显，其毛管内滞留泥沙质量越大、沉积的大颗粒泥沙占比越多，大颗粒泥沙相对小颗粒泥沙更容易被滞留在毛管中。滴头额定流量越大、在单根毛管上的安装位置越靠近前段，其排出的泥沙粒径越大。毛管中沉积泥沙的起动是导致大流量滴头更快堵塞的主要原因。试验为滴灌系统堵塞机理的研究提供了思路，为实际应用中滴头额定流量的选用与滴头堵塞的预防提供了参考。     

滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响

为探明滴灌条件下水的硬度对滴头堵塞的影响规律及堵塞机理,该文选取不同硬度水源和2种滴头(内镶圆柱式、内镶贴片式)进行滴灌试验,研究滴头的流量变化和堵塞规律,并用场发射扫描电镜技术观测了滴头内堵塞物的结构及成分。结果显示:硬水滴灌条件下,2种滴头的平均相对流量随着滴灌运行时间的增加呈均匀下降趋势,且水质越硬下降越明显;硬水滴灌会造成滴头堵塞,且水质越硬堵塞程度越严重。但同一硬度水源处理下,2种滴头的平均相对流量和堵塞程度基本一致。堵塞的滴头在毛管的前1/3段、中1/3段、后1/3段都有分布。堵塞物质分析显示,Ca CO3沉淀导致的化学堵塞是滴头堵塞的主要原因。研究结果为滴灌技术在灌溉水质较硬地区的推广使用提供参考。     

灌溉水磁化处理对水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响

为探究灌溉水磁化处理对引黄灌区水肥一体化滴灌滴头堵塞的影响,该研究针对内镶片式滴头,设置磁化强度为0.2、0.4和0.6 T,对照组为未磁化处理,并配置质量份数为2 %的硫酸钾肥、尿素和复合肥浑水（泥沙浓度为3.0 g/L）,采用短周期间歇性灌水试验。结果表明：磁化极显著减缓滴头流量与灌水均匀度的下降趋势（P<0.01）,不同肥料适合的最佳磁化强度不同,磁化强度为0.4 T时,对硫酸钾肥与复合肥混合液的滴头流量下降的减缓作用最大,磁化强度为0.2 T时,对尿素混合液的滴头流量下降的减缓作用最大;灌溉水磁化后,硫酸钾肥和复合肥处理毛管前段堵塞滴头的数量增加,尿素处理的减少;磁化处理显著影响滴头堵塞敏感粒径的沉降和运动,显著增加了硫酸钾肥与复合肥混合液在毛管中淤积泥沙的敏感粒径（<0.03 mm）占比,减少了滴头输出泥沙中敏感粒径占比,尿素则相反。研究结果可为引黄灌区水肥一体化滴灌滴头抗堵塞防治措施提供参考。     

地下滴灌灌水器堵塞研究

地下滴灌(SDI)是一种高效的节水灌溉技术，但系统易于堵塞，堵塞问题成为影响地下滴灌成败的关键。通过对运行8年的地下滴灌系统堵塞的实地调查，迷宫式、微管式和孔口式等3类型的灌水器均有不同程度的堵塞，堵塞率分别达到16.67%、25%和63.89%。分析3类型灌水器的堵塞状况，引起地下滴灌堵塞的主要原因是进入系统的微粒在流道壁的附着和发育。为此，提出加强过滤、定时冲洗和改变滴头流道设计等解决地下滴灌堵塞的建议。     

滴头堵塞程度分级和评价及堵塞风险预测方法

为了准确监测滴头的堵塞状态，预测滴头堵塞程度的发展变化趋势。该研究基于模糊综合评价法，以相对流量变化量、灌水均匀度变化量为评价指标，用熵权法和三角形隶属度函数计算各评价指标权重和隶属度，建立了滴头堵塞综合评价指标（Evaluation Index，EI），利用灰色GM(1,1)预测模型预测滴头堵塞程度随灌水时间的变化情况。结果表明：滴头堵塞是一个随灌水时间增加而波动渐进的过程，滴头堵塞过程可分为波动平稳阶段和快速发展阶段2个过程，不同滴头的堵塞过程具有一致性规律，不同灌水时间的EI值间具有很好的相关性，可以根据前期试验数据预测滴头后期堵塞程度的变化趋势；提出了基于EI的滴头堵塞程度5级分级标准和方法，建立了基于5次测试灌水数据的滴头堵塞风险灰色GM(1,1)预测方法，可以预测不同滴头未来不同灌水时间后的滴头堵塞状态，对7种滴头堵塞程度的预测结果准确率为85.7%。该方法为滴头抗堵塞能力评价以及滴灌工程抗堵塞预防措施的配置提供了理论依据。     

地下滴灌土壤水运动和溶质运移数学模型的应用

利用建立的地埋点源土壤水运动和溶质运移数学模型描述地下滴灌条件下土壤水、肥运动的分布规律,将土壤质地结构、滴头出流量、滴头埋深和单次灌水历时等因素对土壤水分布的影响进行模拟分析。结果表明,在确定的土壤质地条件下,滴头出流量和埋深是影响地下滴灌系统性能的两个最重要的灌水设计参数,应尽量采用增加滴头数量而不是选用大流量滴头的方法来满足作物的需水要求。此外,合理的灌溉施肥时机应依据当地的土壤质地条件予以确定     

豫北地区冬小麦滴灌灌水技术参数研究

为优化豫北地区冬小麦在滴灌条件下的灌水技术参数,通过田间试验系统研究了不同滴头流量(2.0,4.0,6.0 L/h)和滴灌带间距(40,60,80,100,120 cm)对灌溉水在土壤中分布、冬小麦产量以及水分利用效率的影响。结果表明：就灌水均匀度而言,缩小滴灌带间距和增加滴头流量可以提高灌溉水在冬小麦根区的分布均匀度;本试验条件下滴灌带铺设超过80 cm,会影响冬小麦产量及其构成,滴灌带间距相同时,冬小麦产量随着滴头流量的增加呈递增趋势。就水分利用效率而言,适宜的滴灌带间距及滴头流量组合能在同一灌水条件下,有效减小耗水量并提高水分利用效率;本试验条件下滴灌带间距60 cm、滴头流量2.0 L/h的参数组合的产量最高,达到10 626.45 kg/hm²,水分利用效率最高,达到2.42 kg/m³。综合分析灌溉水均匀度、冬小麦产量以及水分利用效率,滴灌带间距60 cm、滴头流量2.0 L/h,以及滴灌带间距80 cm、滴头流量6.0 L/h的参数组合是适宜的冬小麦滴灌灌水技术参数。     

滴灌技术参数对南疆棉花生长和土壤水盐的影响

为确定最适宜南疆棉花生长的滴灌技术参数，2018和2019年的4-10月在新疆库尔勒31团（86°56′58″E，40°53′03″N）进行2年大田试验，试验设置3个灌水量（W1：60%ETc，W2：80%ETc，W3：100%ETc，ETc为作物蒸腾蒸发量）和2个滴头流量（D1.8：1.8L/h，D2.4：2.4L/h），通过测定棉花生长、产量及其构成要素和土壤水盐分布的相关指标，研究不同灌溉定额和滴头流量对南疆棉花生长、干物质积累、产量和土壤水盐分布的影响，为棉田节水控盐高效生产提供理论依据。结果表明：1）同一滴头流量条件下，W3处理的株高、茎粗、叶面积指数、干物质累积量、产量、有效铃数和百铃质量显著高于W1和W2处理。2018和2019年吐絮期，滴头流量为D1.8时，W1处理的株高较W3分别下降了11.38%和11.22%；W1处理的叶面积指数较W3分别降低22.52%和44.16%，滴头流量为D2.4时，W1处理的株高较W3分别下降了12.84%和4.64%；W1处理的叶面积指数较W3分别低24.55%和53.83%。同一灌溉定额下，D2.4的株高、茎粗、LAI、干物质累积量、产量、有效铃数和百铃质量显著高于D1.8处理。2018和2019年，滴头流量为D2.4处理的产量比D1.8分别增加4.81%、8.39%、4.69%和4.98%、7.23%、11.06%。2）水分利用效率和灌溉水分利用效率随灌溉定额的增加而降低，同一滴头流量条件下，W1处理的灌溉水分利用效率和水分利用效率显著高于其他灌水处理；同一灌水处理下，D2.4处理的水分利用效率和灌溉水分利用效率显著高于D1.8处理。2018和2019年，D2.4处理的水分利用效率分别比D1.8高出13.48%、5.44%、8.99%和5.61%、5.36%、0.84%。3）同一滴头流量条件下，W3处理土壤含水率更高，同一灌溉定额下，D2.4处理的土壤含水率均匀性更好；0～40 cm土壤含盐量随整个生育期推进呈上升趋势，土壤含盐量随灌溉定额和滴头流量的增加而降低。综合分析，灌溉定额为W3（100%ETc）、滴头流量为2.4 L/h处理棉花生长最好，产量最高，2018和2019年最高产量分别为7 361.44 kg·hm-2和7 837.91 kg·hm-2，是南疆棉田适宜的灌水技术组合，可为指导该地区棉花节水控盐高效生产提供理论依据。     

适用于黄河水滴灌的灌水器筛选研究

传统的黄河水滴灌系统灌水器选择方法常以抗堵塞能力高低为标准,极易产生成本过高、资源浪费等问题。该研究提出了综合考虑使用年限需求、系统成本投入及碳足迹的滴灌带产品选择方法,并开展了黄河水原位加速测试试验。结果表明:黄河水滴灌条件下不同类型灌水器产品的生命周期、投入成本和碳足迹差异较大,以1 a使用期的毛管不冲洗处理组为例,内镶贴片式生命周期均值最高,内镶圆柱式、贴条式次之,单翼迷宫式最低,分别为309.8、170.3、158.1、135.9 h;成本与碳足迹为圆柱式最高,内镶贴片式、贴条式次之,单翼迷宫式最低,较前3者成本分别低52.7%～67.5%、17.1%～63.5%、28.7%～54.7%,产生的碳足迹分别低0～15.5%、10.6%～17.1%、8.9%～12.6%。并在此基础上建议河套灌区黄河水滴灌条件下1 a使用期的向日葵、3 a使用期的枸杞及5 a使用期的苜蓿分别选择流量为2.7 L/h的单翼迷宫式、1.4和2.8 L/h(配合毛管冲洗)的内镶贴片式灌水器。研究可为沿黄流域滴灌技术高质量发展和快速推广提供支撑。     

加氯及毛管冲洗控制再生水滴灌系统灌水器堵塞

再生水滴灌系统中灌水器生物堵塞与其内部堵塞物质-附生生物膜的形成、生长有着密切关系,加氯配合毛管冲洗既可以借助加氯杀菌抑制微生物生长,又可以利用毛管冲洗的剪切力作用而促进毛管内部堵塞物质的脱落而冲出系统外部,有望成为一种控制灌水器内部生物膜形成与堵塞的有效措施。为此,借助周期循环式活性污泥法(cyclic activated sludge system,CASS)工艺污水处理厂现场再生水滴灌系统灌水器堵塞试验,研究毛管冲洗、加氯、加氯配合毛管冲洗3种模式对再生水滴灌系统灌水器堵塞控制效果。研究发现加氯配合毛管冲洗可有效降低灌水器内附生生物膜中微生物的数量,较单独的毛管冲洗、加氯以及未进行任何处理条件下微生物磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acids,PLFAs)含量分别降低了52.2%、44.2%、73.2%,微生物分泌的黏性胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)含量也分别降低了约28.0%、22.9%、63.9%,在微生物及其分泌的黏性多聚物的共同作用下,使得灌水器内部堵塞物质总量分别降低了47.4%、43.1%、69.1%,进而使得灌水器相对平均流量和灌水均匀度最高分别提升了40.0%、53.0%,灌水均匀度(coefficient of uniformity,CU)达到了70%以上。同时表明在推迟加氯起始时间后(即灌水器相对平均流量(discharge ratio variation,Dra)降至80%开始加氯),加氯仍可以达到满意的堵塞控制效果。但加氯配合毛管冲洗也会显著增加微生物活性,分别提升了36.5%、29.0%、15.7%,这也使得对灌水器堵塞的恢复效果逐渐降低。     

再生水滴灌系统灌水器堵塞的微生物学机理及控制方法研究

滴灌因其精量、可控而被认为是再生水最安全、可靠的灌溉方式,然而再生水中含有大量的颗粒物、营养盐分、有机物、微生物等物质使得灌水器堵塞机理变得更为复杂,堵塞风险也大幅度增加。该文在对灌水器堵塞物质-生物膜结构、组分变化特征进行分析,基于生物膜组分:干物质量(DW)、磷脂脂肪酸(PLFAs)和胞外聚合物(EPS)含量与灌水器堵塞程度之间显著的"S型曲线"关系明确了生物膜形成是诱发灌水器堵塞的根本原因。灌水器堵塞过程中表现为:再生水中微生物首先在滴灌系统毛管内部固定形成生物膜,并不断摄取、消耗水中的底物和营养物进行新陈代谢,分泌大量的胞外多聚物,并依靠胞外多聚物的黏性不断吸附微生物及固体悬浮颗粒物而引起生物膜不断形成、生长与脱落以及堵塞沉积物的不断聚集,而最终导致灌水器堵塞。从流道结构形式与几何参数、水体颗粒物特性、近壁面流动剪切力、灌溉水质以及灌水频率五个方面阐述生物膜的形成机制及影响因素。并分别从灌水器流道结构优化(增强流道自清洗能力,促进生物膜脱落)、抗菌材料开发(抑制微生物附着)、化学加氯、微生物拮抗与生长群体响应、微纳米气杀菌等多个角度出发提出了以生物膜形成为靶向目标的灌水器堵塞控制技术体系。最后从滴灌灌水器内部附生生物膜的水动力学-微生物学耦合作用机制研究、滴灌灌水器堵塞预报的综合模拟模型构建及灌水器设计参数合理阈值确定、协同考虑灌水器堵塞清除效应与土壤质量健康长期可持续发展的堵塞控制模式建立三个方面出发提出了再生水滴灌系统灌水器堵塞控制领域未来急需解决的问题。     

广西赤红壤甘蔗田间滴灌带合理布设参数确定

赤红壤是广西蔗区主要土壤类型之一,为探讨赤红壤蔗区滴灌条件下土壤水分运动规律,该文在试验基础上,利用HYDRUS-3D建立了双点源土壤水分运动数学模型,通过对照试验和模拟情况表明,HYDRUS-3D能较好地模拟试验土样的湿润锋运移规律和土壤含水率变化规律。在此基础上,利用HYDRUS-3D建模分析滴头间距、滴头流量对滴灌灌水均匀性的影响,结果表明:滴头间距对滴灌灌水均匀性影响较大,当滴头流量为1.38 L/h时,30、40、50 cm 3种滴头间距的滴灌带中,仅滴头间距30 cm的滴灌带满足试验土样灌水均匀性的要求;滴头流量对滴灌灌水均匀性也有一定影响,采用较大滴头能提高滴灌的灌水均匀性,但会增加单位灌溉面积设计供水能力,进而增加工程造价。综合考虑灌水均匀度、工程造价、工程运行管理模式以及糖料蔗不同生育期的用水需求,确定广西赤红壤蔗区滴灌带合理的滴头流量为1.38 L/h、滴头间距为30 cm、糖料蔗生育初期的适宜灌水时间为3.5 h,糖料蔗生育旺盛期适宜灌水时间为6.5 h。该结果可为广西赤红壤蔗区滴灌系统田间滴灌带合理设计提供参考。     

再生水滴灌条件下滴头堵塞特性评估

针对再生水水质复杂,污染物众多,其在农业滴灌上的应用对滴灌系统的抗堵塞能力要求更高的特点,采用6种滴头进行约360h的再生水滴灌试验,测定了再生水滴灌条件下滴头堵塞规律,探讨了滴头流道尺寸参数对于堵塞规律的影响,并采用环境扫描电子显微镜技术分析了滴头堵塞物质的组成结构。试验结果表明：不同流道结构的滴头抗堵塞能力明显不同,各类滴头流量下降的幅度范围为14.4%～72.2%;流道水力直径、流道长度、锯齿高度和锯齿间距等参数都影响着堵塞的发生,其中以水力直径代表性最好,分区域地呈负相关关系;微生物、胞外多聚物以及颗粒物质混合形成的絮状结构,构成了滴头流道内的主要沉积物;堵塞过程的发生往往是以微生物富集开始的。试验结果有助于进一步提高再生水滴灌的应用水平。     

肥料种类与浓度对灌水器堵塞特征的影响及防堵策略

为降低堵塞风险,延长灌溉系统使用寿命,提高灌溉施肥均匀度,研究通过3种滴灌带（管）水肥一体化长周期堵塞试验,测试尿素、硫酸钾、氯化钾、磷酸一铵、磷酸二铵在不同浓度（0、0.4、0.8、1.0、1.2 g/L）滴灌时各灌水器堵塞性能,结合场发射扫描电镜、EDS表面能谱分析和X射线衍射仪等物质分析方法,探究肥料种类及浓度对灌水器堵塞及堵塞物质累积的影响,并揭示水肥一体化滴灌灌水器化学堵塞形成过程。结果显示：不同肥料种类、浓度对迷宫灌水器造成的影响不同。随着浓度增加,尿素灌溉下侧翼迷宫滴灌带相对流量下降速率加快,存在堵塞风险;磷酸二铵灌溉下,发生明显堵塞;片状滴灌带相对平均流量和灌溉均匀系数随灌水次数增加而降低,且降幅随肥液浓度增大而增大。堵塞物干质量都随着灌水次数的增加而增加,与灌水器的相对流量和灌溉均匀系数随着灌水次数的增加而降低的趋势吻合。随着肥液浓度的升高,水流剪切力对堵塞物质影响越小。因此,磷酸二铵的施肥浓度以不超过1.2 g/L为宜。研究可为控制滴灌系统化学堵塞、延长灌水器使用寿命提供依据。