【摘 要】
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黄河水中含大量泥沙及养分,难以完全滤除,由此造成滴头堵塞的高风险性和复杂的诱发机制。因此,探明滴灌施肥系统中水质、水温、肥料类型、肥料浓度与滴头堵塞行为之间的作用机理,对于防治滴头堵塞具有重要意义。本论文以内镶贴片斜齿形迷宫流道滴头为研究对象,通过室内固定周期的滴头抗堵塞性能测试,研究人工配制浑水滴灌条件下(泥沙粒径<0.1 mm,含沙量0.8 g/L)不同泥沙级配、灌水温度(夏季平均温度23℃,
【基金项目】
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国家自然科学基金(编号:52079112,51679205); 国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0400202);
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黄河水中含大量泥沙及养分,难以完全滤除,由此造成滴头堵塞的高风险性和复杂的诱发机制。因此,探明滴灌施肥系统中水质、水温、肥料类型、肥料浓度与滴头堵塞行为之间的作用机理,对于防治滴头堵塞具有重要意义。本论文以内镶贴片斜齿形迷宫流道滴头为研究对象,通过室内固定周期的滴头抗堵塞性能测试,研究人工配制浑水滴灌条件下(泥沙粒径<0.1 mm,含沙量0.8 g/L)不同泥沙级配、灌水温度(夏季平均温度23℃,冬季平均温度5℃)、肥料类型(尿素:[CO(NH2)2];磷肥:Ca(H2PO4)2·H2O;钾肥:K2SO4;复合肥:[CO(NH2)2]+KH2PO4+KNO3)、施肥浓度(0、0.25、0.5、0.75、1.0、5.0、10.0、20.0和30.0 g/L)组合对滴头平均相对流量(Discharge of Relative Average,Dra)和灌水均匀度(Irrigation Uniformity,Cu)的影响。并结合肥料在泥沙颗粒上的吸附试验、泥沙颗粒的静水絮凝沉降试验、堵塞物微生物数量计数以及堵塞物表面形貌和其化学组分的微观表征,揭示物理-化学-生物交互作用下滴头堵塞机理,并确定基于系统较优抗堵性能的滴灌肥液浓度阈值,最终建立适应典型区的滴头堵塞风险综合评价模型。主要结论如下:(1)灌水温度显著影响有效灌水次数以及滴头堵塞对泥沙颗粒粒径和肥料浓度的敏感性。夏季(平均温度23℃)滴头有效灌水次数是冬季(平均温度5℃)的1.26~1.43倍,其抗堵塞性能高于冬季。冬季水中粗颗粒(粒径:0.067~0.1 mm)含量越多,肥料浓度对滴头堵塞的影响越敏感;夏季水中细颗粒(粒径:0~0.034 mm)含量越多,肥料浓度对堵塞的影响越敏感。(2)肥料特性是决定滴灌施肥系统中滴头堵塞风险和堵塞类型的重要因素。当肥料浓度为30.0 g/L时,诱发滴头堵塞的风险由高到低的顺序依次为:磷肥>钾肥>尿素>复合肥。尿素滴灌施肥系统以物理和生物混合堵塞为主,主要考虑分子态尿素析出物与水中悬浮颗粒物的团聚沉降,以及由于放线菌繁殖导致的堵塞物加速生长;磷肥滴灌施肥系统以物理堵塞为主,主要考虑浑水泥沙颗粒对磷肥的高吸附率引发的强沉降;钾肥滴灌施肥系统以化学生物混合堵塞为主,主要考虑钾离子与水中钙、镁离子置换形成的沉淀物在滴头流道壁面的淤积,以及由于细菌繁殖导致的堵塞物加速生长;复合肥滴灌施肥系统主要考虑长期灌水过程中由于可溶性氮磷钾促进微生物生长引起的生物堵塞。(3)肥料浓度对浑水施肥滴灌系统滴头堵塞风险及其诱发主导因子有显著影响。当尿素浓度为0.25~1.0 g/L时,细小絮团提高了泥沙的跟随性,降低了滴头堵塞风险;当尿素浓度为5.0~20.0 g/L时,粗大絮团降低水体粘滞性及其对团聚结构的拖曳能力和浮力,加速泥沙在流道内的沉降淤积,滴头堵塞风险高。当磷肥浓度为0.25~0.75 g/L时,絮团的拖曳能力和浮力随泥沙颗粒絮凝沉降速度的减小而增加,此时细菌数量基本降至最低,滴头堵塞风险低;磷肥浓度在1.0~20.0g/L区间为堵塞高风险区。当钾肥浓度在0.25~5.0 g/L时,泥沙颗粒快速达到絮凝平衡,沉速稳定且相比未施肥具有抑制絮凝沉降的作用,为堵塞低风险区,而钾肥浓度在10.0~20.0 g/L区间为堵塞高风险区。复合肥浑水滴灌滴头抗堵塞性普遍较优,浓度范围0.25~1.0 g/L与5.0~20.0 g/L分别为堵塞的低敏感区和高敏感区。不同肥料滴灌适宜浓度区间分别为:尿素1.0~5.0g/L、磷肥0.75~1.0 g/L、钾肥5.0~10.0 g/L、复合肥1.0~5.0 g/L。(4)采用层次分析法与模糊数学综合评价法,确定了准则层和指标层的权重值和隶属度,在此基础上建立数学模型对滴头堵塞风险进行综合评价。该模型充分发挥了两种数学方法综合评判的优势,将定性因子定量化,对滴头堵塞发生的复杂性和风险程度进行了客观评价。结果表明:滴头流道结构、水质、运行管理模式和灌水环境对滴头堵塞的影响权重分别为:0.056、0.678、0.171和0.095。水质是影响滴头堵塞发生的首要因子,滴灌施肥系统滴头堵塞风险由小到大的顺序依次为:浑水滴灌<复合肥浑水滴灌<尿素浑水滴灌<钾肥浑水滴灌<磷肥浑水滴灌。模型评价结果与实测结果基本一致,具有较高的适用性。本论文的研究成果能够为干旱半干旱地区推广高效滴灌施肥技术、削减肥料成本、降低滴头堵塞风险以及延长滴灌设备寿命提供重要的科学依据。
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