磁化对滴灌系统管道内泥沙絮凝沉降的影响

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滴灌是目前干旱缺水地区最有效的灌溉方式之一,灌水器堵塞是直接影响灌水均匀度的重要因素。根据水质可将灌水器堵塞类型分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种,物理堵塞是最主要的堵塞形式。泥沙的絮凝与沉降是造成灌水器物理堵塞的直接原因。细微粒泥沙具有较强的电化学性质,一定条件下会碰撞黏结形成泥沙絮团,从而加剧滴头堵塞。磁化后水分子间氢键断裂,水分子由团簇状变成单个极性水分子,水中溶解氧量提高4~6 mg/L,溶解度提高20%~70%,水的电导率至少提高2%,澄清速度提高20%~90%,水的性质发生改变。磁化后水中游离的离子内能增加,碰撞概率增大,从而会影响黏性颗粒的絮凝沉降过程。磁化水灌溉可促进植物生长、提高植物根系活力,改变盐渍化土壤中水盐的分布、减少土壤盐分、增强土壤保水能力。磁处理水技术在促进土壤脱盐、提高植物耐盐性和土壤养分有效性、促进植物生长等方面具有广泛的作用效果。磁化水应用已经引起广泛的关注,但目前关于磁化对农业生产领域的研究多集中在作物与土壤中,关于磁化处理对滴灌系统中细颗粒泥沙絮凝沉降的影响研究较少。亟待探究磁化处理对滴灌系统中细颗粒泥沙絮凝沉降过程的影响,为滴头堵塞的防治提供理论依据。本研究设置了4种磁化强度(0、0.2、0.4和0.6 T),选择4000目的高岭土和不同粒径级配的(0~0.038、0.038~0.075、0.075~0.1和0~0.1 mm)渭河细颗粒泥沙为研究对象,通过静水絮凝沉降试验、动水絮凝沉降试验和短周期间歇性灌水试验,探究了磁化强度对不同浓度的高岭土(0.5、1、1.5、3和5 g/L)絮凝沉降的影响、在分别施加0.25、0.5和0.75 g/L的硫酸钾肥、尿素和复合肥下,磁化强度对高岭土(1.5 g/L)絮凝沉降的影响、磁化强度对不同粒径级配的渭河细颗粒泥沙絮凝沉降和滴头堵塞的影响、不同内筒转速(0、15、30和60 r/min)的水流紊动强度下,磁化处理对不同矿化度的(0、2、4和6 g/L)黄河水和微咸水混配水中渭河细颗粒泥沙絮凝沉降的影响,研究结果可为磁化水滴灌滴头堵塞的防治提供理论依据。并得出以下主要结论。(1)磁化处理显著促进了细颗粒泥沙的絮凝沉降过程(P<0.05),且促进作用随磁化强度的增大呈先增后减的趋势。本试验中磁化强度为0.4 T时,磁化处理对细颗粒泥沙絮凝沉降的促进作用最大。与未磁化处理相比,磁化后细颗粒泥沙的中值沉速提高了5.85%~67.58%,p H值提高了0.22%~11.24%,电导率提高了0.03%~25.56%,粘滞系数提高了0.09%~17.45%,zeta电位降低了20.35%~68.70%。(2)肥料类型和浓度不同,磁化处理对细颗粒泥沙絮凝沉降的加剧程度不同。施加硫酸钾肥时,磁化处理的加剧程度最大,复合肥次之,尿素最小,其中值沉速比未磁化处理最高增加67.6%、52.5%和40.1%。且磁化处理的加剧程度随硫酸钾浓度的增加而增加,随复合肥浓度升高而减小,基本不受尿素浓度的影响。(3)泥沙粒径级配不同磁化处理对其絮凝沉降作用的加剧程度不同,细粒径泥沙占比越高,磁化处理后其加剧程度越大。磁化处理后,粒径小于0.03 mm的泥沙颗粒占比为65.3%的浑水沉降后泥沙相对浓度较未磁化处理下降了29.44%,而无小于0.03mm泥沙颗粒的浑水仅下降了8.85%。(4)磁化处理减缓了滴头平均相对流量和灌水均匀的下降趋势。灌水结束时,磁化后滴头Dra和Cu与未磁化相比分别增加了4.80%~17.42%,磁化处理增加了毛管前段滴头堵塞率,浑水D1、D2、D3和D4处理下,毛管前段滴头堵塞率分别提高了11.77%、20.37%、15.56%和23.15%。(5)水流紊动阻碍了细颗粒泥沙在水中的絮凝沉降过程,水流紊动强度越大,磁化处理对水中细颗粒泥沙絮凝沉降的促进作用越小。当混配水矿化度小于4 g/L时,磁化处理对细颗粒泥沙絮凝沉降的促进作用随水中矿化度的增加而增加,当混配水矿化度大于4 g/L时,磁化处理对其絮凝沉降的促进作用随矿化的增加无明显增加趋势。
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