摘 要：选取迷宫式、内镶式和压力补偿式三种滴灌设备进行自来水和城市中水滴灌对照实验，观察在两种水源灌溉条件下三种滴灌设备的流量和灌水均匀度随时间的变化情况，分析比较在城市中水滴灌条件下不同滴灌设备的抗堵塞性能。实验结果显示：使用中水和自来水滴灌，三种滴灌设备均出现不同程度的堵塞，中水滴灌对设备的堵塞程度要明显高于自来水。对堵塞物质成分分析发现Ca2+、Mg2+以及HCO3-等化学成分产生的沉淀是造成中水滴灌滴头堵塞的主要原因。
关键词：中水,滴灌,滴头堵塞
一、材料与方法
1.实验装置与布置
实验灌溉水源采用中水(污水处理厂二级处理出水)和城市自来水。
实验采用三种流量在1～3L/h的常用滴灌设备，分别是迷宫式滴头、内镶式滴头和压力补偿式滴头，水力参数见表1。
*表中所列滴头流量为进行实验前实测的流量，测量时选用26个滴头
根据滴灌设备(3种)和水源类型(2种)，共设置6个处理，其中中水灌溉的3个处理设2个重复，自来水灌溉的处理没有重复，共计9条毛管。每条毛管长8m，设有26个滴头，滴头间距为30cm。所有的滴灌管和滴灌带布置在尺寸为8.0m×1.0m×1.4m的铁支架上。在铁支架下面放置两个PVC储水槽(尺寸分别为1.0m×2.0m×0.4m和1.0m×2.0m×0.5m)，用来收集滴头滴下的水，以便循环使用。水泵选用单相自吸泵(额定流量0.8 m3/h，扬程为12m)。
实验中采用120目网式过滤器，对中水灌溉进行过滤。选用的过滤器的过滤面积90cm2，最大流量5m3/h。每隔2～3d对滤网进行清洗，当实验运行90d后，每天在实验结束后清洗滤网。自来水灌溉处理没有设过滤装置。
选用两块压力表(量程0.5MPa，精度0.01MPa)分别控制自来水和中水滴灌条件下毛管的工作压力。系统运行时，调节流量，使毛管进口处的压力为0.1MPa。实验开始前，对三种实验滴头测量流量，检验其制造偏差。实验自12月至次年6月进行，系统每天运行12h。
2.测试内容与方法
实验观测指标主要包括水质检测和滴头流量测量。
水质检测：水质检测分理化性状检测和生物学性状检测，根据循环水槽换水周期进行测试。理化性状检测指标有BOD5、CODcr、Ca2+、Mg2+、HCO3-、pH、TSS、Fe、Mn、总盐分、有机碳和硫化物;生物学性状检测指标是中水菌落总数。
滴头流量每10d测定一次。测量前，在每个滴头下面布置一个盛水桶(体积为5L)，系统运行1～1.5h后，关闭系统，用电子天平(精度0.5g)称桶和水的总重量。则水量为总重量减去桶重。单个滴头流量计算公式如下：q=m/(ρt) (1)其中：q为滴头流量，L/h;m为测量的水量，kg;ρ为水的密度，1kg/L;t为滴头向容器内滴水持续的时间，h;
3.灌水均匀度计算方法
滴灌均匀度采用克理斯琴森(Christiansen)均匀系数Cu表示，均匀度计算公式：
(2)式中：为同一实验处理下滴头平均流量，L/h;为第i个滴头流量，L/h;n为同一实验处理条件下滴头的个数。均匀度每10d计算一次，在流量测量完毕后进行。
二、结果分析与讨论
1.中水灌溉对滴灌设备流量的影响
图1显示了内镶式滴头平均流量随时间变化情况：用中水灌溉的内镶式滴头在运行70 d后流量只有轻微的变化;运行80 d时，滴头出现比较严重的堵塞，平均流量下降为16%;堵塞随滴灌设备运行时间的延长进一步加剧，在实验结束(140 d)时，平均流量下降37%。自来水灌溉条件下，内镶式滴头平均流量的变化较小，在运行140d后，流量由最初的2.92 L/h降为2.62 L/h，下降了10.3%。
从图2可以看出，在中水灌溉条件下，迷宫式滴头的平均流量在系统运行20 d时即明显下降，100 d后平均流量下降了83.4%。
而在同样水质条件下，与其它两种类型滴头相比，压力补偿式滴头流量变化最小(图3)，在实验结束(140d)时，平均流量由2.28 L/h下降到1.67 L/h，降幅为26.8%，低于其它两种滴灌设备流量下降幅度。
2.中水灌溉对灌水均匀度的影响
分别显示了三种滴头灌水均匀度的变化。从图4可以看出，中水灌溉条件下，内镶式滴头灌水均匀度在运行80 d后开始出现大幅度下降，均匀度由0.99下降为0.75，下降幅度为24%，在实验结束(140 d)时，均匀度仅为0.51。自来水灌溉条件下，内镶式滴头的灌水均匀度一直保持在0.98以上，变化较小。
中水灌溉条件下，迷宫式滴头灌水均匀度在实验结束后(100 d)为0.32，下降了67.2%。压力补偿式滴头用自来水时灌水均匀度变化较小，在实验结束时仍达到 0.988(图6)，在中水灌溉条件下，运行90d时压力补偿式滴头灌水均匀度与同期自来水灌水均匀度基本一致，运行100 d后，灌水均匀度开始明显下降，运行140d时，灌水均匀度下降了11.2%。
3.不同滴灌设备抗堵塞情况统计及堵塞原因分析
(1)不同滴灌设备堵塞情况统计
从表2中可以看出，自来水灌溉条件下三种滴灌设备没有出现明显的堵塞，有1/3的迷宫式滴头流量下降幅度超过25%，堵塞程度高于另外两种滴灌设备。中水灌溉条件下不同滴灌设备堵塞情况差异显著，堵塞最严重的是迷宫式滴头，滴头流量下降幅度都高于25%，有18个滴头完全堵塞，占滴头总数(52个)的35%。相对而言，中水灌溉条件下压力补偿式滴头堵塞程度最轻，没有出现完全堵塞现象。
(2)堵塞原因分析
实验过程中自来水和中水水质检测结果与Bucks等人的微灌水质指标对照。从表中可以发现，自来水中铁含量和pH值达到滴灌中度堵塞的程度。本实验中水悬浮固体颗粒(TSS)含量最大为0.02mg/L，远低于Bucks等的轻微堵塞的上限值50 mg/L。在整个实验期间，中水细菌总数检测范围为2000～8400个/mL，也低于Bucks等的轻微堵塞的上限值10000 个/mL。但铁和硫化物处于Bucks等的中度堵塞范围内,而pH都在8.0以上，超过Bucks等提出的严重堵塞下限值。因此，分析认为本研究所使用的中水中悬浮物固体颗粒以及细菌含量，对滴灌设备可能只会造成轻微的物理堵塞和生物堵塞。实验采用的中水中Ca2+、Mg2+、HCO3-及全盐量均较高，有关研究表明，CaCO3和Ca(HCO3)2都会因温度以及pH值变化而产生沉淀，一般含有2 mmol/L左右的碳酸钙的水，若pH值超过7.5就会产生显著沉淀，从而造成滴头堵塞。整个实验期间中水pH都在8.0以上，同时实验结束时，中水滴灌在滴头出水口处都有明显的白色钙盐沉淀出现。综合分析认为，化学沉淀是造成中水滴灌滴头堵塞的主要因素。
从表3中还可以看出，自来水中的TSS，锰和硫化物，以及菌落总数都要小于Bucks et al给出的轻微堵塞时的指标，铁含量要稍微高于轻微堵塞时的指标。但是Ca2+、Mg2+和HCO3-的含量较高，为中水相应离子浓度的50%以上。虽然自来水中的pH值(7.05)接近于中性，但是在较高的Ca2+、Mg2+和HCO3-的浓度下，随着水温的逐渐升高，仍旧会发生化学反应形成沉淀。在滴头流道内水流一般较缓慢，因此形成的沉淀物质容易沉淀下来，减小过流断面面积，使得流量减小，如图2～4所示。在制造过程中，由于制造的偏差，使得堵塞首先发生在流道尺寸较小滴头上。滴头堵塞的不均匀性使得自来水灌溉条件下滴头灌水均匀度随着时间的增加而降低，如图5～7所示。同时，由于自来水灌溉条件下没有过滤装置，因此管道中脱落下来的物质也会堵塞滴头，影响滴头流量和灌水均匀度。
三、结论
中水滴灌条件下，滴头堵塞程度要远高于自来水滴灌，且堵塞以化学堵塞为主。压力补偿式滴头抗堵塞性能优于迷宫式滴头和内镶式滴头，迷宫式的滴头抗堵塞性能最差，压力补偿式滴头更适宜于中水滴灌。
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