动态压力与滴灌带类型对滴灌系统堵塞影响的实验研究：提升水肥一体化可持续性的新策略

《Agricultural Water Management》：Evaluation of the effects of dynamic pressure and emitter type on clogging in drip irrigation systems

　　本研究针对水肥一体化滴灌系统中滴头易堵塞导致灌溉均匀性下降的问题，系统评估了动态压力（DP）与滴灌带类型（TE）对系统抗堵塞能力的影响。结果表明，DP可显著提升排放比变异系数（Dra）和克里斯蒂安森均匀系数（CU）（p<0.01），延长系统使用寿命，为非压力补偿式滴灌带（IPEs）和压力补偿式滴灌带（PCEs）的优化应用提供了新指导。

　　

在干旱半干旱地区，水资源短缺是制约农业可持续发展的关键瓶颈。滴灌技术作为高效节水灌溉方式，结合水肥一体化技术，能显著提高水肥利用效率，降低农业生产成本。然而，滴灌系统中滴头内部流道狭窄曲折，在灌溉过程中容易受到泥沙、肥料等物质的堵塞，导致系统抗堵塞能力下降，灌溉均匀性降低，严重影响滴灌系统的长期稳定运行。特别是在水肥一体化条件下，肥料加入可能加剧滴头内堵塞物质的积累，进一步制约该技术在农业生产中的推广应用。

为了破解这一难题，发表在《Agricultural Water Management》上的这项研究，通过室内模拟实验，深入探究了动态压力（Dynamic Pressure, DP）和不同类型滴灌带（Type of Emitters, TE）对滴灌系统抗堵塞性能和灌溉均匀性的影响机制，旨在为滴灌系统的优化设计和长期稳定运行提供理论依据和实践指导。

研究人员采用了室内堵塞性能实验系统。实验设置了恒定压力（Constant Pressure, CP, 100 kPa）作为对照组，以及梯形波动态压力（DP，基压100 kPa，振幅30 kPa，周期90秒）作为实验组。实验水源模拟了新疆石河子灌区的实际条件，使用了含有尿素（0.3 g/L）和玛纳斯河泥沙（3.0 g/L）的灌溉水。研究选用了三种常见的滴灌带：两种非压力补偿式内置贴片滴头（IPEs-E1和IPEs-E3）和一种压力补偿式滴头（PCEs-E2）。实验持续64天（每天8小时），模拟了8年的实际田间运行时间，期间定期测试滴灌带的排放量和灌溉均匀性。

在技术方法上，本研究主要运用了室内模拟实验系统，对比分析了动态压力（DP）与恒定压力（CP）下不同滴灌带的运行性能。通过精确的压力控制和排放量测量（称重法），评估了排放比变异系数（Dra）和克里斯蒂安森均匀系数（CU）随时间的变化。采用方差分析（ANOVA）和结构方程模型（SEM）等统计方法，揭示了DP、TE及运行时间（RT）对系统性能的影响路径。

3.1 滴灌带堵塞性能的变化

随着运行时间增加，所有滴灌带的Dra逐渐下降，但DP条件下的抗堵塞性能明显优于CP。DP使IPEs-E1、PCEs-E2和IPEs-E3达到75%堵塞水平的时间分别延长了292.105%、35.278%和7.606%。DP显著延缓了Dra的下降速率，并改变了不同堵塞级别滴头的分布，减少了严重堵塞和完全堵塞的发生。

3.2 滴头堵塞性能的变化

DP条件下，不同类型滴灌带滴头间Dra的标准差减小，表明DP使滴头间的堵塞分布更加均匀。对于非压力补偿式滴灌带（IPEs-E1和IPEs-E3），DP显著减少了滴灌带前段和中段发生堵塞（Dra≤75%）的滴头数量；而对于压力补偿式滴灌带（PCEs-E2），DP则整体提升了其抗堵塞能力，对滴头堵塞分布的均匀性影响不显著。

3.3 滴灌系统灌溉均匀性的变化

DP显著提高了滴灌系统的灌溉均匀性（CU）。DP条件下，IPEs-E1、PCEs-E2和IPEs-E3的CU相较于CP分别提高了28.888%、5.358%和8.452%。相关性分析表明，Dra与CU之间存在极显著正相关关系（p<0.01），说明DP通过改善抗堵塞能力进而提升了灌溉均匀性。

3.4 压力和滴灌带类型对滴头堵塞的影响路径

结构方程模型（SEM）分析表明，DP对滴头样本点排放比（PDra）和系统Dra有显著正向影响，而对滴灌带前、中、后段堵塞滴头数量（NF, NM, NR）有显著负向影响。滴灌带类型（TE）显著影响单个滴头的PDra以及不同区段的堵塞分布，从而导致Dra和CU的显著差异。

研究表明，动态压力（DP）通过周期性的压力波动，在滴头内部产生更强的湍流和剪切力，有效减少了堵塞物质的沉积和附着，从而显著增强了滴灌系统的抗堵塞能力。同时，滴灌带的结构特性（如流道几何参数、是否具有压力补偿功能）显著影响DP的优化效果。压力补偿式滴灌带（PCEs）和低额定流量的非压力补偿式滴灌带（IPEs）在DP条件下表现出更好的抗堵塞性能。DP不仅延缓了系统性能的衰退，还通过提升抗堵塞能力间接改善了灌溉均匀性（CU）。

这项研究明确了DP与滴灌带类型协同作用对缓解堵塞的积极效果，为在水肥一体化条件下延长滴灌系统使用寿命、提高灌溉水利用效率提供了重要的理论支撑和技术途径。研究结果对推动滴灌技术，特别是在缺水地区的可持续应用具有重要的指导意义。未来的研究可进一步探索DP参数（如振幅、周期、波形）与不同肥料类型、水质条件下的优化组合，并结合计算流体动力学（CFD）等先进技术手段，深入揭示DP影响堵塞物质运移的内在流体力学机制。