动态压力对滴灌系统中滴头堵塞的影响：多重污染因素的视角

《Agricultural Water Management》：Effect of dynamic pressure on emitter clogging in drip irrigation system: The perspective of multiple fouling

动态压力通过增强湍流和剪切力有效抑制滴灌带多种污垢（颗粒物、沉淀物、生物膜）的累积，降低污垢干重54.8%，提高流量变异系数32.2%和灌溉均匀度21.8%，其机理与流体动力学作用相关

　　动态压力（Dynamic Pressure, DP）在滴灌系统中被广泛认为是一种有效的防堵措施，尤其在应对多类型结垢现象时表现突出。随着全球水资源短缺问题日益严重，以及人均可耕地面积持续减少，提高滴灌系统的用水效率成为保障农业可持续发展的关键。滴灌系统的性能主要依赖于滴头的稳定运行，而滴头内部复杂的结构和狭窄的流道使其极易受到结垢和堵塞的影响。此外，施肥技术的应用进一步加剧了滴头内部的结垢积累，导致系统效率下降。因此，提升滴头的防堵能力，对于滴灌系统的高效与可持续运行至关重要。本研究通过实验室实验，系统评估了动态压力对滴灌带结垢性能及多类型结垢特性的影响，发现其在抑制结垢和提高系统运行效率方面具有显著优势。

滴灌系统中，结垢现象主要由多种因素共同作用形成，包括物理沉积、化学沉淀和生物膜的生长。这些结垢成分相互促进，使得滴头内部的堵塞问题更加复杂。在传统的恒定压力（Constant Pressure, CP）条件下，水流在滴头内部的流动较为平稳，容易导致沉积物和沉淀物的累积。然而，动态压力通过周期性变化的流速和压力，能够增强滴头内部的湍流强度，提高水流对结垢材料的冲刷和清除能力。实验中，动态压力被设定为一种梯形波形，其基线压力为100 kPa，振幅为30 kPa，周期时间为90秒。实验持续了64天，共测试了两种非压力补偿滴灌带（IPEs-E1和IPEs-E3）以及一种压力补偿滴灌带（PCEs-E2），并在每种滴灌带上选取10个采样点进行性能评估。

实验结果表明，与恒定压力相比，动态压力显著降低了滴灌带的结垢干重（DW）达54.8%（p < 0.01），同时提升了滴灌系统的出水比和变化（Dra）32.2%以及克里斯蒂安森灌溉均匀度（CU）21.8%。此外，动态压力有效缓解了结垢对Dra和CU的抑制作用。这表明，动态压力不仅能够减少结垢的积累，还能改善滴灌系统的整体性能。在多类型结垢相互促进的情况下，动态压力表现出较强的抑制能力，特别是在减少颗粒物（59.7%）、沉淀物（55.7%）和生物膜（26.7%）的积累方面效果显著（p < 0.05），从而提高了滴灌系统的水利用效率。

实验中还采用了扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对结垢材料的表面形态和矿物组成进行了详细分析。结果显示，尽管动态压力和滴灌带类型对结垢的矿物成分影响较小，但动态压力显著降低了结垢的积累速率。这表明，动态压力对结垢的抑制作用主要来自于其增强的水力冲刷效应，而非化学作用。此外，结垢材料中的生物膜（EPS）在动态压力作用下减少，这进一步削弱了生物膜对颗粒物和沉淀物的吸附和结合能力，从而抑制了结垢的形成和发展。

在微生物群落的分析中，动态压力被发现能够提高微生物的多样性和丰富度，同时改变了某些菌群的相对丰度。例如，Proteobacteria、Actinobacteriota和Bacteroidota仍然是主要的菌群，但它们的相对丰度在动态压力下有所变化。Bacteroidota菌群在颗粒物附着和生物聚合物降解中扮演重要角色，其丰度的变化可能影响生物膜的形成和稳定性。网络分析显示，动态压力降低了分子生态网络的平均连接度，减少了网络中的微生物数量，并且这些网络微生物与生物膜之间存在负相关关系。这表明，动态压力通过增强水流的湍流和剪切力，不仅直接冲刷结垢材料，还间接影响了微生物群落的结构，从而抑制了生物膜的生长。

从实际应用的角度来看，动态压力作为一种物理策略，能够有效抑制滴灌系统的多种结垢现象。与传统的化学清洗方法相比，动态压力具有操作简便、成本较低和对环境影响较小的优势。然而，动态压力的实施需要考虑其参数设置，如波形类型、振幅、周期时间和基线压力。在实际田间应用中，应根据地形、冲洗策略、作物需求和能源供应情况，选择最适合的动态压力参数。此外，将动态压力与其他先进技术如物联网（IoT）结合，可以实现对滴灌系统结垢情况的精准监测和分析，从而优化动态压力的应用时机和区域，提高系统的整体运行效率。

综上所述，动态压力在滴灌系统中具有重要的应用价值，特别是在应对多类型结垢问题时。通过增强水流的湍流和剪切力，动态压力能够有效减少结垢的积累，提高系统的灌溉均匀度和出水比，从而提升滴灌系统的水利用效率。未来的研究可以进一步探讨动态压力与其他技术的协同作用，以及在不同环境条件下其最佳应用参数。同时，应加强对动态压力在田间实际应用中的研究，以确保其在提高滴灌系统性能方面的长期效果。