埃塞俄比亚Dodota拖曳式喷灌系统灌溉适宜性评价：Awash河水质时空变异及堵塞与结垢风险

《Advances in Agriculture》：Evaluation of Surface Water Quality Variation for Irrigation Suitability in Dodota Dragline Sprinkler Irrigation System, Ethiopia

　　

拖曳式喷灌系统等灌溉方案的可持续性取决于灌溉水质。研究人员评价了Dodota拖曳式喷灌系统中所用Awash河水的理化特征及灌溉适宜性。在3个旱季采样期，从7个连续水力监测点共采集21份水样。采用标准实验室程序分析约17项水质参数。采用钠吸附比（SAR）、可溶性钠百分比（SSP）、渗透性指数（PI）、Kelly比（KR）、残余碳酸钠（RSC）、Langelier饱和指数（LSI）和灌溉水质指数（IWQI）评估灌溉适宜性。结果显示，电导率（EC）为0.45–4.7 dS/m，SAR为0.59–2.65；总溶解固体（TDS）为314–3000 mg/L，总悬浮固体（TSS）为23–200 mg/L，氯化物浓度为1.2–13.6 meq/L，钾为7.42–20.63 mg/L，铬浓度为0.02–0.15 mg/L，碳酸氢盐（HCO₃^?）为4–12 meq/L，LSI值为0.02–1.53。IWQI值为46.69–83.81，其中38.1%的样品被分类为低限制，57.1%为中等限制，4.76%为高度限制用于灌溉。研究结果表明，在适当管理措施下，Awash河水适于拖曳式喷灌。然而，部分监测站点的TSS、氯化物、铬、碳酸氢盐和钾浓度可能增加喷头堵塞风险及长期土壤质量退化风险。因此，建议采取适当预处理措施、定期水质监测和有效上游污染控制，以提高灌溉系统性能并维持土壤生产力。

研究背景与目的：水资源短缺和水质退化限制清洁可用水供给，工业、资源开采和农业径流对水环境造成压力，地表水易受未经处理的工业、生活及农业废物污染。灌溉水质直接影响作物产量、土壤健康以及人畜健康，劣质水可影响植物生长、光合作用和土壤结构。灌溉水质关键危害包括盐度、钠度/入渗、毒性离子和杂项效应，并可引起金属管道腐蚀和CaCO₃沉积或溶解；灌溉水质指数（IWQI）可综合反映适宜性。埃塞俄比亚Awash河流域因快速工业化、城市扩张和集约农业而脆弱；Wonji/Shoa糖业庄园依赖Awash河水灌溉甘蔗，水经开放渠道至泵站后再经加压喷灌分配，保持水质对减少管道堵塞、腐蚀、灌溉效率下降及土壤和作物不良影响十分重要。既有研究确认未处理工业与农业废物排放，但尚无针对Awash河水用于喷灌的综合研究，尤其缺乏沿灌溉基础设施的水质变化、堵塞和腐蚀风险、时空与纵向变异以及综合指数和多元统计污染源识别。为此，研究人员评估Awash河水用于拖曳式喷灌的适宜性，目标包括评估理化质量、评价从取水口到喷头出口的时空变化、识别影响灌溉适宜性和污染变异的主要参数、确定对喷灌设施的堵塞和腐蚀潜力，为改善作物产量及Wonji/Shoa糖业庄园可持续生产提供信息。

方法概述：研究在埃塞俄比亚Upper Awash River Basin内Wonji/Shoa Sugar Estate的Dodota灌溉方案（Koka坝下游）开展；沿Awash河及Dodota拖曳式喷灌网络设置7个顺序水力监测点（取水构筑物、泵站、增压站、过滤单元、主/支分布段及100区和200区喷头出口），旱季每2个月采样，共3期21份水样；分析约17项理化参数，采用SAR、SSP、PI、KR、RSC、LSI和IWQI评价灌溉适宜性，计算去除效率（RE）和下游变化（DC），并用Excel/SPSS、Piper图及单因素方差分析（ANOVA）分析时空变异。

主要研究结果：
3.1 Salinity（盐度）：基于EC和TDS测定，EC为0.45–4.7 dS/m、TDS为314–3000 mg/L；除取水站第1期EC 4.7 dS/m和TDS 3000 mg/L局部超FAO（联合国粮农组织）3 dS/m和2000 mg/L限值外，多低于限值；按US Salinity Laboratory分类为C1低盐害，局部TDS高提示需站点监测、淋洗和耐盐作物。

3.2 Infiltration and Permeability（入渗与渗透性）：Na⁺为0.8–2.22 meq/L，远低于FAO 40 meq/L；SAR为0.6–2.7，与EC联合判定为“无限制”；Ca²⁺、Mg²⁺峰值分别为9.2和5.2 meq/L，SO₄^2?为0.2–0.6 meq/L；表明钠害、土壤分散和入渗问题风险低，Ca²⁺/Mg²⁺有利团聚，局部Mg²⁺较高但比例仍适宜。

3.3 Specific Ion for Toxicity（特定离子毒性）：Cl^?为1.2–13.6 meq/L，多数较低，但在取水、增压和喷头站第1、3期出现峰值；B均低于方法检出限（MDL）；Cr为0.02–0.15 mg/L，第1期在过滤和喷头2/7站超过FAO 0.10 mg/L参考值；表明总体毒性低，但Cl^?和Cr存在局部、间歇性风险，需高风险站监测。

3.4 Miscellaneous Chemicals（其他化学指标）：NO₃^?–N为0.22–1.58 mg/L、NO₂^?为0.17–0.34 mg/L，低于FAO；K⁺为7.42–20.63 mg/L，持续高于FAO 2 mg/L；HCO₃^?为4–12 meq/L，部分泵和喷头站超过8.5 meq/L；CO₃^2?未检出；pH为6.90–8.25，在FAO范围；表明氮素低，但K⁺和HCO₃^?局部偏高，长期可能影响土壤结构和入渗。

3.5 Physical Clogging Parameters Analysis（物理堵塞参数分析）：TSS为23–200 mg/L，>100 mg/L有堵塞风险；浊度为199–334 NTU，超过文中推荐的喷灌系统最大值50 NTU；硬度为140.2–640.9 mg/L（以CaCO₃计），第2期超300；过滤站3的TSS去除率由第1期70.00%降至第2期16.39%、第3期16.07%，站5过滤后或下游TSS高于上游并出现负去除效率，表明过滤性能有限或失效及沉积物再悬浮、反冲洗不足；需沉淀、高效过滤和定期维护。

3.6 Evaluation of IWQIs of Awash River（Awash河IWQI相关指数评价）：3.6.1 SAR低于15 meq/L，属FAO优良；3.6.2 SSP为9.22–44.24 meq/L，低于50 meq/L，钠害小；3.6.3 PI为28–105 meq/L，高于25 meq/L，利于维持土壤渗透性；3.6.4 KR为0.1–0.79，低于1.0，碱害可忽略；3.6.5 RSC低于2.5 meq/L，总体适宜至边际适宜，仅第1期200区喷头1个样品3.8 meq/L超安全限；3.6.6 LSI为0.02–1.53且均为正，CaCO₃过饱和，有管道、过滤器和喷头结垢倾向。

3.7 IWQI Assessment（IWQI评估）：基于EC、Na⁺、Cl^?、HCO₃^?和SAR加权计算，IWQI为46.69–83.81；泵站较高（低限制），过滤点较低（中度限制）；38.1%低限制、57.1%中度限制、4.76%高度限制；表明总体适于喷灌但需监测和土壤管理以防盐分累积。

3.8 Piper Plot Diagram（Piper图）：Piper图显示取水口以Na⁺+K⁺和CO₃^2?+HCO₃^?为主，泵站和100、200区过滤器较均衡，100区喷头Cl^?、SO₄^2?、Ca²⁺、Mg²⁺较高，增压站以Ca²⁺、SO₄^2?、Ca²⁺+Mg²⁺为主，200区喷头Na⁺+K⁺、SO₄^2?+Cl^?、CO₃^2?+HCO₃^?较高；说明沿水力路径水化学存在差异，受自然和人为来源影响。

3.8.1 One-Way ANOVA Analysis Based on Sampling Periods（基于采样期的单因素方差分析）：ANOVA显示TSS、浊度和硬度等随采样期显著变化，Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、NO₃^?等高度显著，温度、pH、EC、TDS、HCO₃^?、Cl^?、NO₂^?、B、Cr无显著时间差异；沿采样站仅pH和TDS显著变化；结论为季节水文和农业活动强烈影响沉积物和离子参数，输水系统对多数参数影响有限，但pH和TDS监测对控制盐分和堵塞仍重要。

讨论部分总结：讨论认为Awash河水在盐度和钠度方面总体满足喷灌要求，多数样品IWQI为低至中度限制；但局部TDS、Cl^?、K⁺、HCO₃^?、Cr、TSS、浊度、硬度超限及正LSI会造成土壤退化、喷头堵塞和结垢；污染来源包括工业废水、农业径流和自然地球化学过程，站5过滤性能差显示运行维护不足；因此预处理、沉淀/高效过滤、定期维护、连续监测和上游污染控制是保障Dodota系统效率、基础设施和长期可持续性的关键。

研究结论（据原文翻译）：该研究评价了埃塞俄比亚Dodota拖曳式喷灌系统所用Awash河水的理化特征和灌溉适宜性。结果表明，在适当管理实践下，总体水质一般适于喷灌。多数盐度和钠度参数，包括EC、SAR、SSP、PI、KR和RSC，仍在FAO可接受限值内，表明土壤分散、入渗问题或长期碱害风险很小。IIWQI进一步将大多数样品归类为低至中度限制，确认Awash河水可在现有灌溉系统下支持可持续甘蔗生产。然而，某些参数在特定站点和采样期超过推荐限值，表明存在局部污染和运行挑战。较高浓度的TDS、氯化物、钾、碳酸氢盐、铬、TSS、浊度和硬度可能导致土壤质量退化、喷头堵塞和喷灌系统内结垢问题。LSI为正值也证实水的结垢趋势。多变量统计分析确定工业废水、农业径流和自然地球化学过程是水质变异的主要来源。因此，有效过滤和沉淀系统、定期维护、连续水质监测和上游污染控制对于提高灌溉效率、保护基础设施和维持Dodota灌溉方案长期农业可持续性至关重要。总体而言，Awash河水在盐度和钠度方面一般适于灌溉，但特定化学和物理参数对Dodota加压喷灌系统构成运行风险；这些风险沿水力流程和旱季采样期变化，其中5号站过滤性能尤其差。