再生水滴灌对滴头堵塞的影响

研究以再生水（二级处理出水）为灌溉水源时,3种滴头（单翼迷宫式滴头、内镶式滴头和压力补偿孔口式滴头）的流量、灌水均匀度和堵塞的变化过程及规律,并和自来水灌溉条件下的结果进行对比,分析了滴头堵塞的主要原因。研究结果显示：再生水灌溉条件下3种滴头的流量和灌水均匀度都要明显小于自来水条件下的结果,其中单翼迷宫式滴头的流量和灌水均匀度下降最大,而压力补偿孔口式滴头的变化最小。水质和滴头内沉淀物质的分析显示,化学沉淀（主要成分为CaCO3和MgCO3）是引起滴头堵塞的主要方式,滴头流量小、流道尺寸小和流态指数偏高也增加了滴头堵塞的风险。建议实际中利用再生水灌溉的滴灌系统,可选用压力补偿孔口式滴头。     

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灌水均匀度下降的减缓作用最大,磁化强度为0.2 T时,对尿素混合液的灌水均匀度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。     

泥沙粒径与含沙量对迷宫流道滴头堵塞的影响

为探明泥沙粒径与含沙量对内镶片式斜齿形迷宫流道滴头的堵塞过程和原因,采用筛分法,分选出6个小于0.1 mm的粒径段,配制成不同含沙量的浑水,在恒压条件下,采用周期性间歇灌水试验观测流量变化,通过电镜扫描法观测堵塞泥沙结构。试验结果表明:粒径为0.075≤D0.1 mm和0.03≤D0.038 mm的泥沙易引起滴头堵塞;粒径为0.038≤D0.05和D0.02 mm的泥沙较难引起堵塞,且含沙量变化对堵塞的影响较小;粒径0.02≤D0.03 mm和0.05≤D0.075 mm的堵塞情况介于上述两者之间。当含沙量为1.2~1.3 g/L时,是最易引起堵塞的临界含沙量。当0.038≤D0.1 mm时,泥沙在流道内不易形成团聚体,造成滴头堵塞的原因是泥沙沉降、堆积;当D0.038 mm时,泥沙易在流道中凝结成大的团聚体,是造成滴头堵塞的主要原因。     

减缓滴头堵塞风险的毛管首次冲洗时间及周期的确定

为探究引黄滴灌区水肥一体化灌溉过程中毛管冲洗周期对滴头堵塞风险的影响,该研究分别对浑水和浑水+尿素滴灌后不同毛管冲洗周期（3、5、7、10 d）对滴灌滴头堵塞的控制效果进行了研究。结果表明：毛管冲洗周期对滴头相对流量有极显著影响,在浑水滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高14.29%～47.77%（P<0.05）,在浑水+尿素滴灌条件下,毛管冲洗处理的相对流量比未冲洗的对照处理高12.89%～126.67%（P<0.05）。按照毛管冲洗对滴头流量的保持能力可将滴灌系统运行为3个阶段：冲洗钝感期、冲洗敏感期和冲洗无效期,首次冲洗应在冲洗钝感期结束前进行。宁夏中卫段黄河水浑水滴灌和浑水+尿素滴灌后的首次冲洗应该分别在第2灌水和第9次灌水后进行,适宜的毛管冲洗周期分别为5和7 d。研究结果可为宁夏中卫段黄河水滴灌区采取适宜的抗堵塞措施提供参考。     

考虑滴头堵塞位置的灌水均匀系数模型优化

为准确评价堵塞对滴灌工程灌水均匀性的影响,从确定采样点布置方式入手,利用HYDRUS-2D模拟不同堵塞情况下的土壤水分状况,首先分析灌水均匀性与土壤水分分布均匀性之间的关系,然后以土壤水分分布均匀系数为依据,在考虑滴头堵塞位置的基础上对灌水均匀系数模型进行优化,最后通过温室灌溉试验进行验证。结果表明,取样点布置方式对土壤水分分布均匀系数影响显著,适宜的取样间距和深度分别为60 cm及地表下20 cm。土壤水分分布均匀系数与不同灌水均匀系数之间存在良好的线性关系,且随着堵塞滴头数量的增加,堵塞滴头位置分布情况对土壤水分分布均匀性的影响增大。小区灌溉试验结果表明,当堵塞滴头数量较多时,土壤水分分布均匀系数与考虑滴头堵塞位置的优化灌水均匀系数具有较高的相关性,优于原指标,可较好反映由堵塞滴头位置改变引起的土壤水分分布均匀性变化,故在评价滴灌系统灌水均匀性时宜使用优化均匀系数。     

滴头流量偏差系数测量过程中不确定度评定方法探讨

为了量化滴头流量偏差系数检测的误差水平、提高检测数据可靠性,提供滴头流量偏差系数的不确定度,该文根据室内滴头流量偏差系数实测数据,开展不确定度评定方法的比较分析,探讨基于2种用于对观测数据进行统计分析的A类评定方法的滴头流量偏差系数不确定度评定效果和适用性。结果表明,A类标准不确定度较之用不同于对观测数据进行统计分析的B类标准不确定度对合成标准不确定度的影响较大,A类最大熵法在95%概率下滴头流量偏差系数的扩展不确定度高出常规法6%左右,滴头流量偏差系数的分布密度函数最为接近实测数据,且相应的偏度系数也高于常规方法,但其要求的最低试验重复数据量则是常规方法的1倍以上。在产品检测结果的不确定度评定工作中,建议应尽量使用有利于提高不确定度评定准确性的A类最大熵法。     

灌区水资源综合效益的改进多级模糊优选评价

针对灌区水资源综合效益的评价问题,对于不同层次权向量的确定方法进行改进,构建了改进的多级多目标模糊优选评价模型。利用各评价指标的具体变异程度所反映信息的效用程度进行第一层熵权值的计算;对于中间层的权向量,通过熵权值与主观权重线性或均值相结合方法来确定,兼顾了决策者意愿偏好和客观数据属性,以最高层的输出进行方案整体评价。以陕西省某灌区进行实例验证,评价结果表明灌区规划年各项效益均呈递增趋势,2015年即方案三为最优方案,其综合效益比1997年、2005年分别提高了22.6%和39.6%。并与其他两种方法进行了对比,认为该方法不仅能够用于方案优选,而且对每个方案能给予优劣评价,结果合理可靠,适用于灌区水资源综合效益的评价。     

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。     

对微灌滴头水流流态若干问题的思考及补偿机理的探索

滴头水力计算对于管道工程设计是十分重要的。该文研究了压管道水流流态划分的依据与水流条件、滴头工作水头与管流沿程损失水头的区别,及滴头流量的水温修正。并对无弹性件滴头流态指数x<0.5的现象,作了机理探讨,提出了"面积补偿"法。结果表明:1)将尼古拉兹水力实验成果为依据的有压管流流态套用于滴头水力计算中(除微管滴头外)是错误的;2)认为对流态指数x=1的滴头,按层流流态对滴头流量做水温修正是正确的;对x≤0.5的滴头,不需做流量的水温修正,原因在于流道内基本上全为局部损失,而不是滴头流态为紊流阻力平方区;对1>x>0.5的滴头,目前可不做水温修正,可在滴头水力试验中使用设计温度的水,获取符合水温要求的水力关系。3)对于滴头流态区分,仅对已基本淘汰的微管滴头有必要,对其余滴头并无实际需要,应于放弃。4)无弹性件滴头x<0.5的现象机理是"面积补偿",即过流面积随水头增大而减小,原因是流道边界的急剧变化和水流惯性与水头(流速)正相关。     

加氯处理对再生水滴灌系统灌水器堵塞及性能的影响

选取有压力补偿功能和无压力补偿功能,标称流量1.0～2.6 L/h的6种灌水器,研究了加氯间隔1～4周、系统余氯质量浓度2.5～10 mg/L对二级处理再生水滴灌系统灌水器堵塞和系统均匀性的影响,以便确定加氯处理最优运行方式。系统采用每天灌溉12 h的运行方式,累计运行84 d（1 008 h）。结果表明,加氯处理可有效地减轻灌水器堵塞,使滴灌系统保持均匀系数大于90%的良好性能,流量小于1.38 L/h的灌水器效果更为明显。尽管控制系统余氯浓度2.5、5.0和10.0 mg/L均可以杀死再生水中99.9%的细菌,但加氯间隔1周和2周处理减轻堵塞使系统保持良好性能的效果优于加氯间隔4周的处理。从保持滴灌系统性能良好的角度出发,建议采用低浓度高频率的加氯处理运行方式。     

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。     

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。     

施肥对浑水灌溉滴头堵塞的加速作用

为探究水肥一体化灌溉过程中,施肥对滴头堵塞的影响,分别配置了4个施肥浓度(0,0.4,0.6和1.2 g/L),3种泥沙级配,进行浑水间歇灌水堵塞试验,并用场发射扫描电镜分析了堵塞物的结构与成分。结果表明:施肥对于迷宫滴头堵塞具有明显的加速作用,施肥浓度越大,加速堵塞效果越明显,当施肥1.2 g/L时,3种级配浑水的有效灌水次数比未施肥的对照处理分别下降了36.4%,77.8%和78.8%;当施肥0.4 g/L时,有效灌水次数分别下降9.1%、33.3%和14.3%,施肥浓度≤0.4 g/L时,加速滴头堵塞的效果较小。浑水中增加化肥增强了水体中泥沙颗粒间的絮凝作用,促进了稳定而致密团聚体的形成,这是施肥加速滴头堵塞的主要原因;施肥后堵塞物表面结构复杂程度增加,堆积体间隙减小,堵塞以完全堵塞为主。该试验结果为水肥一体化滴灌技术推广提供理论依据。     

射流三通产生的高频压力脉冲对迷宫流道灌水器堵塞的影响

滴头堵塞是滴灌技术发展的主要障碍。为了分析75 kPa射流三通入口压力下形成的压力脉动对迷宫流道灌水器堵塞的影响。该研究以3个压力（恒定压力,射流三通左侧和右侧的脉动压力）,采用因素组合,进行了滴灌系统迷宫流道灌水器堵塞试验研究,最后确定射流三通产生的高频压力脉冲与稳压对平均相对流量（Dra）和克里斯琴森均匀性系数（CU）的影响。结果表明,射流三通组的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数分别比普通三通组高10.8%～14.8%和21.1%～44.9%。3种浑水浓度下（0.5,1.0和1.5 g/L）,对于普通三通组,在第16、11和7次灌溉运行之后,平均相对流量降低到74%,这被认为灌水器处于严重堵塞的状态。但是,对于射流三通左和右侧组,分别在第18、16、14、13、11和10次运行后,平均相对流量仍高于75%。高泥沙沉积物浓度（1.5 g/L）的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数与低和中泥沙沉积物浓度（0.5和1.0 g/L）的有显着差异（P<0.01）。高浓度（1.5 g/L）时堵塞的可能性迅速增加,但此浓度下射流三通较普通三通依然具有抗堵塞性能。总之,射流三通产生的高频压力脉冲具有稳定的防堵塞性能。建议使用射流三通代替滴灌系统中的普通三通,以防止灌水器堵塞。