南疆农田排水过滤中沙滤料的作用

　　摘    要：　针对如何将劣质排水循环再利用，以缓解水资源紧张，减轻水体污染等环境问题，本研究以南疆地区的农田排水为对象，以不同粒径沙和生物炭进行组合，形成“沙-生物炭”组合滤料，研究原水与过滤水离子变化规律，探索出适合的滤料组合。研究得出：矿化度、电导率与百分含量相关性三者之间具有显着的线性相关关系；不同组合农田排水过滤速度呈先减小后趋于稳定的趋势，而电导率变化呈现为先减小后增大的趋势，不同组合过滤速度为：细沙-活性炭-细沙组合<粗沙-活性炭-细沙组合<粗沙-细沙组合，而电导率变化与之相反；粗沙-活性炭-细沙、细沙-活性炭-细沙和粗-细3种组合方式中，细沙-活性炭-细沙组合对农田排水离子过滤最优。同时，农田排水中Na+、 Cl-含量高于K+、 SO42-，说明本地区土壤盐分以NaCl、 Na2SO4为主。该研究结果可为缓解南疆水资源短缺及劣质水循环用水提供前期研究基础。

　　关键词 :     农田排水;沙滤料;离子变化;

　　南疆地区气候干燥，年降雨量较少，蒸发量大，土壤盐渍化严重。通过大水洗盐和种植水稻改良可以起到压盐及洗盐效果，但是农田用水量较大，对于本就水资源短缺的南疆地区而言无疑是雪上加霜。然而，丰富的农田排水资源并未被重视，反而对灌区排水载体造成严重污染，因此，研究如何将劣质排水循环再利用，缓解水资源紧张、减轻水体污染的问题已被众多学者所重视。

　　农田排水资源化利用作为干旱缺水地区开发水资源利用潜力的有效途径，早已被人们所重视与采用，并且有研究者指出，利用农田排水作为补充水源，不仅提供给作物所需水分，同时可减轻对水环境的影响[1]。对于农田排水资源化利用技术，国内外专家做出了大量研究。王少丽[2]等认为，作物早期采用淡水灌溉较为适宜，而在生长的中后期可采用农田排水进行灌溉；刘大刚[3]等认为应将农田排水水质、作物特性、土壤特性、水文气象、灌排措施等作为排水资源化利用适宜性评价指标；彭世彰[4]等则强调应更加注重农田污染物迁移与劣质水处理、劣质水灌溉技术与标准、以及劣质水灌溉的环境影响与生态风险等方面的研究。农田排水灌溉对土壤水分运移特性的影响直接反映了其利用的优劣性。赖永明[5]等提出针对特定地区的各种作物，制定相应的苦咸水灌溉技术措施，包括控制灌溉水矿化度、制定合理的灌溉制度、采用滴灌的灌溉方式等。因此，农田排水资源化利用对提高灌溉水资源重复利用率，减少化肥和农药的流失，降低农业排水污染，促进节水与水资源可持续利用具有重要作用[6]。

　　本研究以南疆农田排水为对象，以不同粒径沙和生物炭为原料，形成“沙-生物炭”组合滤料，研究原水与过滤水盐分及离子变化规律，探索出适合的滤料组合，为缓解南疆水资源短缺及劣质水循环利用提供前期研究基础。

　　1、 材料与方法

　　1.1、 实验材料。

　　实验于2020年11～12月在塔里木大学水利与建筑工程学院给排水实验室进行。供试劣质水取自阿拉尔市13团总排碱渠农田排水，如图1(a)。沙滤料及活性炭取自建筑材料实验室。沙滤料及活性炭粒径如表1所示。

　　表1 粒径分析(mm)

　　1.2、 实验方法。

　　将取来的沙滤料用纯净水进行清洗，直至连续3次测定溶液电导率相同。按照粗沙-活性炭-细沙、细沙-活性炭-细沙和粗沙-细沙3种组合方式装填至圆柱形土柱中，圆柱规格为：准20 cm，高100 cm，装填规格为上层30 cm，中层20 cm，下层30 cm，如图1(b)所示。装填完毕后加入10 L农田排水进行过滤。

　　图1 农田排水取样及土柱装填方式

　　1.3 、测定指标

　　1.3.1 、矿化度、电导率与百分含量相关性。

　　于实验室内配制相应百分比浓度溶液，用电导率测定仪(DDB-303A)测定溶液电导率，用烘干法测定溶液矿化度，并绘制相关性曲线。

　　1.3.2 、农田排水过滤速度及电导率变化。

　　每过滤100 ml水样便进行取样，记录时间，测定过滤速度。将过滤出的水样收集后用电导率测定仪测定电导率值，可通过矿化度、电导率与百分含量相关性进行转换。

　　1.3.3 、水质检测。

　　包括Na+、K+、Cl-、SO42-，用火焰光度计(FP6450)测定水样中Na+、K+浓度，用全自动化学分析仪(Smartchem200)测定水样中Cl-、SO42-浓度。

　　1.4 、数据处理。

　　运用Microsoft Excel 2010，进行数据整理及完成绘图。

　　2 、结果与分析

　　2.1 、矿化度、电导率与百分含量相关性。

　　由图2可知，矿化度、电导率与百分含量呈显着性线性相关，百分含量与矿化度相关性方程为y=9.9849x-0.0028，决定系数为0.99；百分含量与电导率相关性方程为y=16.058x+1.0899，决定系数为0.99；矿化度与电导率相关性方程为y=1.6079x+1.0972，决定系数为0.99。因此，矿化度、电导率与百分含量可以通过相关性方程进行相互转换，得出所需单位表述。

　　图2 矿化度电导率与百分含量相关性

　　2.2、 不同组合对农田排水过滤速度及电导率的影响。

　　农田排水过滤速度及电导率变化如图3所示，随着取样次数的增加，农田排水过滤速度呈现快速降低后趋于稳定的趋势，稳定时细沙-活性炭-细沙组合、粗沙-活性炭-细沙组合、粗沙-细沙组合过滤速度分别为0.09 L/h、0.15 L/h和0.17 L/h。不同组合过滤速度为：细沙-活性炭-细沙组合<粗沙-活性炭-细沙组合<粗沙-细沙组合。农田排水电导率变化随取样次数的增加呈先低后高的趋势，在第5次取样时开始回升，初始农田排水电导率为12.72 ms/cm，第1次取样细沙-活性炭-细沙组合、粗沙-活性炭-细沙组合、粗沙-细沙组合电导率分别为7.62 ms/cm、8.18 ms/cm和8.35 ms/cm。分析可知，细沙-活性炭-细沙组合过滤农田排水效果最好，其次为粗沙-活性炭-细沙组合，粗沙-细沙组合过滤效果最差。

　　图3 不同组合对农田排水过滤速度及电导率的影响

　　2.3、 不同组合对农田排水阳离子的影响。

　　农田排水阳离子过滤效果如图4所示，Na+、K+浓度随着取样次数的增加呈“V”型变化，且不同组合间Na+浓度变化幅度较大，K+浓度相对较小。粗沙-活性炭-细沙组合和粗沙-细沙组合K+浓度在第4次取样时开始回升，细沙-活性炭-细沙组合在第5次取样时开始增加。粗沙-细沙组合、细沙-活性炭-细沙组合和粗沙-活性炭-细沙组合K+浓度均在第4次取样时开始回升。较原样中Na+浓度，粗沙-细沙组合、细沙-活性炭-细沙组合和粗沙-活性炭-细沙组合分别减少了0.06 g/L、0.08 g/L和0.07 g/L，而K+浓度分别减少0.02 g/L、0.03 g/L和0.02 g/L。分析可知，细沙-活性炭-细沙组合过滤农田排水中Na+、K+效果最好，其次为粗沙-活性炭-细沙组合，粗沙-细沙组合过滤效果最差。

　　图4 不同组合对农田排水阳离子的影响

　　2.4、 不同组合对农田排水阴离子的影响。

　　不同组合对农田排水阴离子的影响如图5所示，随着取样次数的增加，Cl-、SO42-浓度均呈先下降后上升的趋势，粗沙-活性炭-细沙组合和粗沙-细沙组合Cl-浓度在第4次取样时开始回升，细沙-活性炭-细沙组合在第5次取样时开始回升。粗沙-细沙组合SO42-浓度在第2次取样时开始回升，而细沙-活性炭-细沙组合和粗沙-活性炭-细沙组合在第3次取样时开始回升。较原样中Cl-浓度，粗沙-细沙组合、细沙-活性炭-细沙组合和粗沙-活性炭-细沙组合分别减少了0.02 g/L、0.11 g/L和0.04 g/L，而SO42-浓度分别减少0.14 g/L、0.31 g/L和0.25 g/L。分析可知，细沙-活性炭-细沙组合过滤农田排水中Cl-、SO42-效果最好，其次为粗沙-活性炭-细沙组合，粗沙-细沙组合过滤效果最差。同时，过滤农田排水中Cl-离子时，不同组合间差异较大，而过滤农田排水中SO42-时，组合间差异相对较小。

　　图5 不同组合对农田排水阴离子的影响

　　3 、结论与讨论

　　3.1、 矿化度、电导率与百分含量相关性三者之间具有显着的线性相关。

　　3.2、不同组合农田排水过滤速度先减小后趋于稳定，而电导率变化呈现为先减小后增大的趋势，不同组合过滤速度为：细沙-活性炭-细沙组合<粗沙-活性炭-细沙组合<粗沙-细沙组合，而电导率变化与之相反。

　　3.3、粗沙-活性炭-细沙、细沙-活性炭-细沙和粗沙-细沙3种组合方式中，细沙-活性炭-细沙组合对农田排水离子过滤效果最优。同时，农田排水中Na+、Cl-含量高于K+、SO42-，说明本地区土壤盐分以NaCl,Na2SO4为主。

　　参考文献

　　[1] Qadir M,Oster J D Crop and irigation managemen strategies for saline-sodic soils and waters aimed at environmentally sustainable agriculture[J] Science of the Total Environment,2004,323(3)-:1~19.

　　[2]沙丽，许迪,方树星，等宁夏银北灌区农田排水再利用水质风险评价[J]干旱地区农业研究，2010,28 (03):43~47.

　　[3]刘大刚,珍丽,许迪,等农田排水资源灌溉利用适宜性评价指标体系研究[J]灌溉排水学报, 2013,32 (02):93~-96.

　　[4]彭世彰，程胜,徐俊增,等劣质水安全利用研究综述[].水资源保护, 2014,30 (04):1~6.

　　[5]赖永明,洪林,陈浩，等咸水灌溉影响及改善措施研究进展[J].节水灌溉, 2015 (12):55~59.

　　[6]贺新春,邵东国,刘武艺,等农田排水资源化利用的研究进展与展望[J]农业工程学报, 2006(03):176~179.