0 引 言

南疆常年降雨量极少，蒸发量大[1]，水资源短缺已严重制约居民生活与农业生产。然而，在淡水缺乏的同时，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[2]。目前，农田排水再利用作为缓解水资源紧张、减轻水体污染有效途径，被众多学者所重视[3]。

冷冻法淡化技术是基于无机盐在水中分配系数比在冰中分配系数大1～2个数量级的性质[4，5]，达到咸水中水、盐分离目的。多项研究表明，冷冻法在制备淡水[6，7]与结冰灌溉[8-10]方面表现突出。南疆冬季室外拥有天然冷能资源，具有实施冷冻法技术的条件，而农田排水水质、水量变化规律明显且稳定[2]，适宜作为淡化原水，但目前南疆基于冷冻法咸水淡化试验鲜有报道。基于此，本文以冷冻法为研究对象，以农田排水作为淡化原水，利用室内模拟单极受冷试验方法，分析冷冻温度、容器面积对脱盐率、钠吸附比等参数的影响，并讨论了较优冷冻参数组合与结冰灌溉可行性，以期为南疆冷冻法淡化技术试验开展及应用提供数据参考，同时为咸水资源化利用提供新的切入点。

1 试验部分

1.1 试验方案

采用室内模拟单极受冷试验方法，容器四周及底部用保温材料包裹，放入恒温冰柜(BD-447EFA)中确保结冰过程自上而下均匀进行。试验原水取自阿拉尔灌区排渠不同时期农田排水，基于相同试验条件下矿化度对脱盐率影响较小[11]，忽略不同时期原水矿化度差异对实验结果影响。选取冷冻温度、容器面积2个影响因素，设置了25个处理。试验进行至冰块厚度≥27 cm时停止，分层(3 cm)取样并融化。试验设置如表1所示。

1.2 试验材料

试验原水取自阿拉尔灌区塔南总排渠，取水点选取在210省道192 km处(40°32′32″N,081°34′45″E)。塔南总排渠是阿拉尔灌区标志性总排渠，所取农田排水具有一定代表性，试验原水水质如表2所示。

冷冻容器分为外筒、内芯两部分。其中，外筒高度H为50 cm，横截面为正方形，通过调整边长D来控制容器面积，设10，15，20，25，30 cm 5个长度(分别计为D1—D5);内芯面积略小于外筒但高度一致，底部设有过水小孔，拉环用于冷冻结束后内芯、外筒分离；观测尺用以测定冰层厚度，装置如图1所示。

1.3 数据测定与处理

试验测定项目包括冷冻用时、水样矿化度及Na+、Ca2+、Mg2+浓度。每12 h用观测尺测定冰层厚度并计算冷冻用时；水样矿化度采用SL 79—1994重量法测定；Na+浓度采用火焰光度计测定；Ca2+、Mg2+浓度采用EDTA滴定法测定。分析不同冷冻温度、容器面积下冷冻用时、成冰速率、脱盐率变化规律及冰层中盐分、钠吸附比分布规律。

用Origin 2017、Microsoft Excel 2003、Auto CAD 2014完成制图，DPS 16进行数据统计分析。

1.4 参数计算方法

成冰速率反映单位时间内冰晶产生量，其计算式为：

S=HD2/t

(1)

式中：S为成冰速率，mL/h；H为冰层厚度，cm；D为容器边长，cm；t为冷冻用时，h。

脱盐率计算式为：

α=(C1-C2)/C1

(2)

式中：α为脱盐率，%；C1为原水矿化度，g/L；C2为冰融水矿化度，g/L。

钠吸附比计算公式为：

SAR=r(Na+)/[r(Ca2+)+r(Mg2+)]1/2

(3)

式中：SAR为钠吸附比；r为各离子浓度，mmol/L。

2 结果与分析

2.1 冷冻用时、成冰速率变化规律分析

达到一定冷冻要求所用时间与成冰速率，是盐碱水基于冷冻法再利用的重要参数。制作研发盐碱水淡化装置时，为保证规定时间内产生足够冰晶，需依据冷冻用时、成冰速率选取合理的装置尺寸及冷冻温度；咸水结冰灌溉中，冷冻用时、成冰速率可作为设置灌水节点的依据。试验设置不同温度、容器面积，测得冰层厚度达到冷冻要求(27 cm)所用时间。

如图2所示，在设置的冷冻温度处理中，T1冷冻用时最长，达到13～24 d，T5冷冻用时最短，达到6～11 d，冷冻用时与温度呈正相关，且相关性较好；在设置的容器面积处理中，D1时冷冻用时在同温度水平下最短,达到6～13 d,而在D5时用时最长,达到11～24 d，且冷冻用时与容器面积呈明显正相关，虽然面积的增加使得冷能接受面加大，但相同高度接受冷能的水体积亦会增加，所需冷能也更多，致使最终表现为同一温度下冷冻用时与容器面积呈正相关。

如图3所示，在设置的冷冻温度处理中，T1成冰速率最小，达到8.7～42.2 mL/h，T5成冰速率最大，达到18.8～92.1 mL/h；在设置的容器面积处理中，D1时成冰速率最小,达到8.7～18.8 mL/h，D5成冰速率最大,达到42.2～92.1 mL/h，且温度最高、容器面积最小时成冰速率最小达到8.7 mL/h，温度最低、容器面积最大时成冰速率最大，达到92.1 mL/h。虽然面积较大时冷冻用时较长，但成冰速率较大，产冰量也会较多。

2.2 脱盐率变化规律分析

脱盐率是淡化效果的体现。尉凤珍等[12]研究发现，砂滤产水浊度受系统进水浊度影响严重，超滤产水浊度稳定，系统脱盐率可稳定达99.7%以上。杨晖等[13]利用冷冻法淡化海水并得出结论，冷冻脱盐率随着结冰质量比的增大先增大后减小,且冷冻温度越高，越有利于冷冻脱盐。试验根据冰融水矿化度，计算冰块平均含盐量，利用式(2)计算各处理平均脱盐率。

如图4所示，在相同容积面积下，脱盐率与温度呈正比，且在各容器面积处理中均有此规律。罗从双等[14]发现，相同质量浓度的水样随着冷冻温度的降低，脱盐率明显降低。特别是相同温度下，各容器面积对脱盐率影响呈不规则分布，且在各温度中均呈此现象。

已有研究表明，冷冻法淡化技术脱盐率最高能达到99%[15]，但由于诸多因素影响而降低。在结冰过程中若冷冻温度较低，则需要较大面积释放潜热，冰晶将呈枝状生长用以增加放热面积，并在主干上产生更高级的枝，各级分枝末端缝隙很容易捕获杂质[16，17],如各种易溶盐，从而脱盐效果变差，最终导致脱盐率降低。若结冰速度足够缓慢，使得结冰速率与盐分浓缩速率相仿，盐分有足够时间由冰、水混合面向下层水中浓缩，脱盐率则会升高。而温度较高时结冰速率较小，因此温度与脱盐率呈正相关。

2.3 冰层中盐分分布规律分析

试验将冰块(厚27 cm)分为9层(每层3 cm)，测定冰融水矿化度。图5为各处理矿化度随着冰层厚度变化情况，分析各温度、容器面积下冰中盐分的竖向分布规律。

由图5可知：冰层厚度与冰中含盐量呈明显正相关，且在各处理中均有此现象。除T4外，表层冰(0～9 cm)含盐量为1～2 g/L，中层冰(9～18 cm)含盐量为2～4 g/L，底层冰(18～27 cm)含盐量>4 g/L；由于T4原水矿化度较高(表2)且冷冻温度低，在有限脱盐率条件下呈现较高含盐量。

在不同容器面积处理中，含盐量分布也存在差异。其中，D1同一冰层含盐量呈现T1T3，但仍

分析数据发现，各处理>21 cm厚度时，相邻两层冰融水矿化度差值较小，为0.5 g/L左右，而<21 cm时，相邻两层冰融水矿化度差值较大，可达1 g/L左右，冰层含盐量呈爆发性升高，表现为>21 cm厚度时矿化度增长较缓慢，<21 cm厚度时增长较快；随着冷冻结冰过程的进行，大部分盐分向下层水中聚集，导致下层未冷冻水矿化度浓缩升高，在相同脱盐率条件下，下部冰层含盐量呈加权增长，最为典型的表现是，D2、D3、D4、D5处理中21 cm厚度时，冰层含盐量T3T5。

2.4 冰层中钠吸附比分布规律分析

钠吸附比作为水体碱化评价指标[18]在众多结冰灌溉试验中均有涉及。郭凯等[19]与张越等[20]研究表明，咸水冰融化初期，融出水含盐量和SAR较高；融化过程中，融出水含盐量和SAR均持续降低。图6为各处理钠吸附比与冰层厚度之间的关系。

由图6可知：各处理中钠吸附比随着冰层厚度增加而升高；同一容器面积处理中，钠吸附比呈T1+去除率高于硬度去除率[14]，加之冷冻原水中Na+浓度远大于硬度浓度(表2)，Na+向下层未冷冻水聚集更加明显，致使冰层中Na+变化梯度较大，而硬度变化梯度较小，并且Na+浓度在钠吸附比计算式(3)中占主导地位，导致钠吸附比自上而下逐渐升高；同理，冷冻原水中Na+与硬度浓度呈现T1

钠吸附比是根据Na+与硬度比值计算得出，所以，图中未出现盐分分布时的急剧增加现象，但Na+与硬度浓度在冰层中分布规律与盐分分布规律一致；在计算过程中发现图中存在部分点未符合规律分布，是由于Na+与硬度变化时规律一致但幅度不同步而导致。

3 讨 论

3.1 冷冻参数的确定

冷冻法作为淡化技术，为获得较优脱盐率，冷冻参数的确定在实际应用中具有一定价值。如图2—4所示，成冰速率与容器面积呈正相关，与冷冻温度呈反比，脱盐率与冷冻温度呈正相关。对数据进行数理统计分析结果如表3所示。

注：**均值差显著性水平为0.01；*均值差显著性水平为0.05；+均值差显著性水平为0.1。

由表3可知：当温度作为影响因子时，T1脱盐率与其余处理间差异达到显著水平(P>0.05)；容器面积作为影响因子时，D1与D2脱盐率差异未达到显著水平，但与其余处理间差异达显著水平。分析数据可以确定，最佳冷冻参数组合为T1D1、T1D2。

淡化技术用于生活用水制备时，应注意成冰速率与脱盐率之间存在一定制约，冷冻温度低、容器面积大时成冰速率较大，但脱盐率也较低，产出水的质量亦会下降，适宜冷冻温度与容器面积应根据实际工程结合适宜的成冰速率、冰融水矿化度制定。

3.2 南疆咸水结冰灌溉可行性探讨

咸水灌溉时，水中盐分进入土壤后会发生累积现象，从而造成次生盐渍化[21，22]。肖振华等[23]研究表明，利用咸水进行灌溉时，灌溉水带入土壤的盐分在土壤中累积与淋洗交替进行，当灌溉水矿化度<3 g/L时，土壤剖面中的盐分处于平衡状态，>3 g/L，则有不同程度的积盐现象。

单极冷冻法能够模拟咸水结冰灌溉冰层的形成过程，其冰层中盐分及SAR分布与实际过程拟合程度较高。查阅历年农一师阿拉尔灌区气象数据，冬季室外最低温度为-5～-15 ℃；实验发现，T1、T2各容器在0～18 cm冰层中冰融水矿化度均<3 g/L，而T3由于其原水矿化度高且处理效率较低，致使其0～12 cm冰融水矿化度>3 g/L，而12～15 cm冰层含盐量在3 g/L左右，所以0～18 cm冰层中的冰融水灌溉后不会发生积盐现象。郭凯等[24]在实验中得出，咸水结冰灌溉实际灌水量为180 mm(1800 m3/hm2)。张秀梅等[25]研究表明，利用矿化度为8.15～14.27 g/L，灌水量为180 mm的咸水进行冬季结冰灌溉，后期结合地膜覆盖，可显著降低土壤盐分含量并提高土壤含水量。综上可知，阿拉尔灌区咸水水质、室外温度及咸水结冰后0～18 cm冰层含盐量等参数符合咸水结冰灌溉实施条件。

钠吸附比(SAR)是灌溉水质评价重要指标，当SAR≤10时，灌溉水质级别为Ⅰ级，适用于各种土壤灌溉;当10[26]。分析钠吸附比在冰层中分布数据发现，T1、T2处理中0～18 cm冰层中的钠吸附比值均<10，T3处理0～18 cm冰层中钠吸附比约为10，其冰融水适合于灌溉。

综上所述，在室内模拟试验条件下，阿拉尔灌区以农田排水作为原水的结冰灌溉在理论上具有可行性，冰层厚度宜为18 cm左右。

4 结 论

1)相同温度条件下，容器面积与成冰速率呈正比，与脱盐率呈负相关；相同容器面积条件下，冷冻温度与成冰速率呈负相关，与脱盐率呈正相关。

2)冰层厚度与冰中含盐量、钠吸附比呈明显正相关，且冰层厚度达到21 cm后含盐量会爆发性升高。

3)从脱盐率角度考虑，T1脱盐率与其余处理间差异达到显著水平(P>0.05)；D1与D2脱盐率差异未达显著水平，但与其余处理间差异达到显著水平。当冷冻参数组合为T1D1、T1D2时脱盐率最佳。成冰速率与脱盐率之间存在一定制约，适宜冷冻温度与容器面积应根据实际工程所需的成冰速率、冰融水矿化度制定。

4)南疆以农田排水作为原水的结冰灌溉在理论上具有可行性，冰层厚度宜为18 cm左右。

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DESALINATION AND APPLICATION OF SALINE WATER IN SOUTHERN XINJIANG BASED ON UNIDIRECTIONAL FREEZING

YANG Yu-hui1,2, WANG Xing-peng1,2, LI Zhao-yang1, DONG Xiao-mei1

(1.College of Water Resource and Architectural Engineering，Tarim University，Alaer 843300 China; 2.Farmland Irrigation Research Institute of CAAS, Xinxiang 453000,China)

Abstract: In order to explore the feasibility of freezing desalination of salt water in Southern Xinjiang, the effects of temperature and container area on the rate of desalination and SAR were explored.With the raw water originated from farmland drainage, and the indoor simulation of unidirectional freezing test method selected, optimized freezing parameters and the feasibility of freezing water irrigation in Southern Xinjiang were discussed.The results showed that: container area was proportional to the freezing speed, and inversely proportional to the desalination rate with constant temperature; temperature was proportional to the desalination rate and inversely proportional to the freezing speed, with constant container area; the thickness of the ice layer was positively correlated with the salt content and sodium adsoiption rate (SAR)in the ice, and the salt content increased explosively after the thickness reached 21 cm; from the perspective of desalination rate, the difference between T1 desalination and the rest of the treatment reached a significant level (P>0.05); the difference between D1 and D2 desalination rates did not reach a significant level, but the rest of treatment did.In southern Xinjiang, it was theoretically feasible to use farmland drainage as raw water, to do freezing water irrigation, and the ice thickness should be controlled at about 18 cm.This paper can provide data reference for the development and application of freezing desalination technology in Southern Xinjiang, and new entry point for the utilization of salt water resources.

Keywords: unidirectional freezing; Southern Xinjiang; salt water; freezing water irrigation;sodium adsorption rate(SAR)

DOI:10.13205/j.hjgc.201912022

*国家十三五重点研发计划(2016YFC0400208)；兵团中青年科技创新领军人才计划(2016BC001)；国家自然科学基金项目(31060084)。

收稿日期：2018-11-19

第一作者：杨玉辉(1990-)，男，本科。yyh4353050@163.com

通信作者：王兴鹏(1978-)，男，硕士，教授，主要从事极端干旱荒漠区农业水土环境方面的研究。13999068354@163.com