摘 要：選取迷宮式、內鑲式和壓力補償式三種滴灌設備進行自來水和城市中水滴灌對照實驗，觀察在兩種水源灌溉條件下三種滴灌設備的流量和灌水均勻度隨時間的變化情況，分析比較在城市中水滴灌條件下不同滴灌設備的抗堵塞性能。實驗結果顯示：使用中水和自來水滴灌，三種滴灌設備均出現不同程度的堵塞，中水滴灌對設備的堵塞程度要明顯高于自來水。對堵塞物質成分分析發現Ca2+、Mg2+以及HCO3-等化學成分產生的沉淀是造成中水滴灌滴頭堵塞的主要原因。
關鍵詞：中水,滴灌,滴頭堵塞
一、材料與方法
1.實驗裝置與布置
實驗灌溉水源采用中水(污水處理廠二級處理出水)和城市自來水。
實驗采用三種流量在1～3L/h的常用滴灌設備，分別是迷宮式滴頭、內鑲式滴頭和壓力補償式滴頭，水力參數見表1。
*表中所列滴頭流量為進行實驗前實測的流量，測量時選用26個滴頭
根據滴灌設備(3種)和水源類型(2種)，共設置6個處理，其中中水灌溉的3個處理設2個重復，自來水灌溉的處理沒有重復，共計9條毛管。每條毛管長8m，設有26個滴頭，滴頭間距為30cm。所有的滴灌管和滴灌帶布置在尺寸為8.0m×1.0m×1.4m的鐵支架上。在鐵支架下面放置兩個PVC儲水槽(尺寸分別為1.0m×2.0m×0.4m和1.0m×2.0m×0.5m)，用來收集滴頭滴下的水，以便循環使用。水泵選用單相自吸泵(額定流量0.8 m3/h，揚程為12m)。
實驗中采用120目網式過濾器，對中水灌溉進行過濾。選用的過濾器的過濾面積90cm2，最大流量5m3/h。每隔2～3d對濾網進行清洗，當實驗運行90d后，每天在實驗結束后清洗濾網。自來水灌溉處理沒有設過濾裝置。
選用兩塊壓力表(量程0.5MPa，精度0.01MPa)分別控制自來水和中水滴灌條件下毛管的工作壓力。系統運行時，調節流量，使毛管進口處的壓力為0.1MPa。實驗開始前，對三種實驗滴頭測量流量，檢驗其制造偏差。實驗自12月至次年6月進行，系統每天運行12h。
2.測試內容與方法
實驗觀測指標主要包括水質檢測和滴頭流量測量。
水質檢測：水質檢測分理化性狀檢測和生物學性狀檢測，根據循環水槽換水周期進行測試。理化性狀檢測指標有BOD5、CODcr、Ca2+、Mg2+、HCO3-、pH、TSS、Fe、Mn、總鹽分、有機碳和硫化物;生物學性狀檢測指標是中水菌落總數。
滴頭流量每10d測定一次。測量前，在每個滴頭下面布置一個盛水桶(體積為5L)，系統運行1～1.5h后，關閉系統，用電子天平(精度0.5g)稱桶和水的總重量。則水量為總重量減去桶重。單個滴頭流量計算公式如下：q=m/(ρt) (1)其中：q為滴頭流量，L/h;m為測量的水量，kg;ρ為水的密度，1kg/L;t為滴頭向容器內滴水持續的時間，h;
3.灌水均勻度計算方法
滴灌均勻度采用克理斯琴森(Christiansen)均勻系數Cu表示，均勻度計算公式：
(2)式中：為同一實驗處理下滴頭平均流量，L/h;為第i個滴頭流量，L/h;n為同一實驗處理條件下滴頭的個數。均勻度每10d計算一次，在流量測量完畢后進行。
二、結果分析與討論
1.中水灌溉對滴灌設備流量的影響
圖1顯示了內鑲式滴頭平均流量隨時間變化情況：用中水灌溉的內鑲式滴頭在運行70 d后流量只有輕微的變化;運行80 d時，滴頭出現比較嚴重的堵塞，平均流量下降為16%;堵塞隨滴灌設備運行時間的延長進一步加劇，在實驗結束(140 d)時，平均流量下降37%。自來水灌溉條件下，內鑲式滴頭平均流量的變化較小，在運行140d后，流量由最初的2.92 L/h降為2.62 L/h，下降了10.3%。
從圖2可以看出，在中水灌溉條件下，迷宮式滴頭的平均流量在系統運行20 d時即明顯下降，100 d后平均流量下降了83.4%。
而在同樣水質條件下，與其它兩種類型滴頭相比，壓力補償式滴頭流量變化最小(圖3)，在實驗結束(140d)時，平均流量由2.28 L/h下降到1.67 L/h，降幅為26.8%，低于其它兩種滴灌設備流量下降幅度。
2.中水灌溉對灌水均勻度的影響
分別顯示了三種滴頭灌水均勻度的變化。從圖4可以看出，中水灌溉條件下，內鑲式滴頭灌水均勻度在運行80 d后開始出現大幅度下降，均勻度由0.99下降為0.75，下降幅度為24%，在實驗結束(140 d)時，均勻度僅為0.51。自來水灌溉條件下，內鑲式滴頭的灌水均勻度一直保持在0.98以上，變化較小。
中水灌溉條件下，迷宮式滴頭灌水均勻度在實驗結束后(100 d)為0.32，下降了67.2%。壓力補償式滴頭用自來水時灌水均勻度變化較小，在實驗結束時仍達到 0.988(圖6)，在中水灌溉條件下，運行90d時壓力補償式滴頭灌水均勻度與同期自來水灌水均勻度基本一致，運行100 d后，灌水均勻度開始明顯下降，運行140d時，灌水均勻度下降了11.2%。
3.不同滴灌設備抗堵塞情況統計及堵塞原因分析
(1)不同滴灌設備堵塞情況統計
從表2中可以看出，自來水灌溉條件下三種滴灌設備沒有出現明顯的堵塞，有1/3的迷宮式滴頭流量下降幅度超過25%，堵塞程度高于另外兩種滴灌設備。中水灌溉條件下不同滴灌設備堵塞情況差異顯著，堵塞最嚴重的是迷宮式滴頭，滴頭流量下降幅度都高于25%，有18個滴頭完全堵塞，占滴頭總數(52個)的35%。相對而言，中水灌溉條件下壓力補償式滴頭堵塞程度最輕，沒有出現完全堵塞現象。
(2)堵塞原因分析
實驗過程中自來水和中水水質檢測結果與Bucks等人的微灌水質指標對照。從表中可以發現，自來水中鐵含量和pH值達到滴灌中度堵塞的程度。本實驗中水懸浮固體顆粒(TSS)含量最大為0.02mg/L，遠低于Bucks等的輕微堵塞的上限值50 mg/L。在整個實驗期間，中水細菌總數檢測范圍為2000～8400個/mL，也低于Bucks等的輕微堵塞的上限值10000 個/mL。但鐵和硫化物處于Bucks等的中度堵塞范圍內,而pH都在8.0以上，超過Bucks等提出的嚴重堵塞下限值。因此，分析認為本研究所使用的中水中懸浮物固體顆粒以及細菌含量，對滴灌設備可能只會造成輕微的物理堵塞和生物堵塞。實驗采用的中水中Ca2+、Mg2+、HCO3-及全鹽量均較高，有關研究表明，CaCO3和Ca(HCO3)2都會因溫度以及pH值變化而產生沉淀，一般含有2 mmol/L左右的碳酸鈣的水，若pH值超過7.5就會產生顯著沉淀，從而造成滴頭堵塞。整個實驗期間中水pH都在8.0以上，同時實驗結束時，中水滴灌在滴頭出水口處都有明顯的白色鈣鹽沉淀出現。綜合分析認為，化學沉淀是造成中水滴灌滴頭堵塞的主要因素。
從表3中還可以看出，自來水中的TSS，錳和硫化物，以及菌落總數都要小于Bucks et al給出的輕微堵塞時的指標，鐵含量要稍微高于輕微堵塞時的指標。但是Ca2+、Mg2+和HCO3-的含量較高，為中水相應離子濃度的50%以上。雖然自來水中的pH值(7.05)接近于中性，但是在較高的Ca2+、Mg2+和HCO3-的濃度下，隨著水溫的逐漸升高，仍舊會發生化學反應形成沉淀。在滴頭流道內水流一般較緩慢，因此形成的沉淀物質容易沉淀下來，減小過流斷面面積，使得流量減小，如圖2～4所示。在制造過程中，由于制造的偏差，使得堵塞首先發生在流道尺寸較小滴頭上。滴頭堵塞的不均勻性使得自來水灌溉條件下滴頭灌水均勻度隨著時間的增加而降低，如圖5～7所示。同時，由于自來水灌溉條件下沒有過濾裝置，因此管道中脫落下來的物質也會堵塞滴頭，影響滴頭流量和灌水均勻度。
三、結論
中水滴灌條件下，滴頭堵塞程度要遠高于自來水滴灌，且堵塞以化學堵塞為主。壓力補償式滴頭抗堵塞性能優于迷宮式滴頭和內鑲式滴頭，迷宮式的滴頭抗堵塞性能最差，壓力補償式滴頭更適宜于中水滴灌。
參考文獻：
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