滴灌帶灌水均勻度田間試驗分析1

景少波 王成福

（新疆水利水電科技信息中心 烏魯木齊 830000）

0 引言

新疆地方政府歷年來高度重視農業(yè)節(jié)水建設，“十一五”時期，一方面各級財政加大了對農業(yè)節(jié)水建設補助力度，一方面高效節(jié)水產生的效益有力地提高了農民的積極性，同時隨著膜下滴灌技術的日臻成熟和滴灌設備在新疆國產化水平的提高，滴灌系統(tǒng)的投資逐漸降低，促使新疆農業(yè)高效節(jié)水技術呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭［1］。然而常規(guī)滴灌器需要較高的水頭來保證其灌水均勻度，運行費用較高，為了讓經濟實力弱的農戶都應用滴灌技術，以運行成本較低為優(yōu)勢的低壓滴灌將成為未來發(fā)展的主要趨勢之一［1］。研究表明，微壓滴灌成本為目前滴灌成本的30%～70%，年運行費約為目前的30%～50%，因此，降低滴灌工作壓力能有效降低運行成本，但工作壓力降低后是否會對灌水均勻度造成影響呢？針對該問題，筆者在新疆呼圖壁縣聯(lián)豐村、紅山村灌區(qū)以不同坡度下不同低壓毛管為研究對象，分別從鋪設坡度、鋪設長度、入口壓力等方面對毛管灌水均勻度的影響進行了研究和分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

分別選用2種不同類型的滴灌帶進行試驗。一種為A公司生產的邊縫式滴灌帶（以下簡稱A型），管徑為16 mm，滴頭間距為40 cm，設計流量1.8 L/h；另一種為B公司生產的內鑲貼片式滴灌帶（以下簡稱B型），管徑為16 mm，滴頭間距為30 cm，設計流量1.38 L/h.

1.2 試驗方法

試驗分2部分進行：①在試驗室對2種滴灌帶灌水器制造偏差進行測試，由公式（3）計算得出制造偏差系數(shù)；②在呼圖壁縣紅山村、聯(lián)豐村灌區(qū)農業(yè)生產應用條件下，分別對已鋪設的2種滴灌帶進行均勻度測試，重點研究毛管進口壓力、鋪設長度、坡度等參數(shù)對灌水均勻度的影響。鋪設方式均為膜下鋪設，種植作物為棉花。

1.3 試驗裝置

試驗室中試驗裝置與大田中測試裝置除供水系統(tǒng)略有不同外，其余均相同。試驗室中供水系統(tǒng)由水箱、加壓泵和壓力調節(jié)裝置組成，而大田供水系統(tǒng)由首部提供，首部采用了全自動變頻供水控制系統(tǒng)，保證了供水壓力的穩(wěn)定。試驗開始時，通過調節(jié)流量調節(jié)閥獲得系統(tǒng)需要的設計工作壓力，保持壓力穩(wěn)定，壓力通過精度為0.002 MPa級的精密壓力表讀取，毛管進口和末端各安裝一個。毛管鋪設坡度采用水準儀測量得出。試驗中通過在毛管上安裝流量調節(jié)閥控制毛管測試長度；試驗時按每條毛管測試長短分別等距選取6～10個滴頭，同一時刻觀測并記錄滴水量及相應的出流時間，然后通過量筒測量其出流量。

2 滴灌系統(tǒng)水力計算方法［2］

2.1 灌水均勻度計算方法

滴灌灌水均勻度是評價灌水質量優(yōu)劣的一個主要技術指標，按微灌工程技術規(guī)范（GB/T 50485-2009）要求，對已建成的微灌系統(tǒng)宜采用灌水均勻系數(shù)Cu進行灌水均勻性評價，灌水均勻系數(shù)按以下公式進行計算：

式中：Cu—灌水均勻系數(shù)；

Δq平—灌水器流量的平均偏差，L/h；

qi—田間實測的各灌水器流量，L/h；

q平—灌水器平均流量，L/h；

n—所測灌水器個數(shù)。

2.2 灌水器制造偏差

灌水器制造偏差與灌水器設計、所用結構材料以及制造工藝有關，其流道尺寸、形狀和表面光潔度的微小差異都會引起滴頭流量的較大誤差。制造偏差采用Cv表示，本文通過測試樣品求得，計算公式如下：

式中：Cv—制造偏差系數(shù)；

S—樣品的流量標準偏差；

q平—樣品平均流量，L/h；

n—樣本數(shù)量。

2.3 滴灌帶上水壓變化曲線

根據毛管水力學特性，在一條毛管上，僅僅在末端很小部分出現(xiàn)層流，在入口附近可能出現(xiàn)紊流，其絕大部分屬于水力學光滑紊流，其毛管長度、毛管內徑、毛管入口壓力水頭、毛管末端壓力水頭、沿毛管的坡度和滴頭流量之間的關系可由下式表示：

式中：Hin—毛管入口壓力水頭，m；

Hend—毛管末端壓力水頭，m；

J—毛管坡度；

L—毛管長度；

K—系數(shù)，K=1.47V0.25；

V—水運動黏滯系數(shù)，20°時V=0.0101cm2/s，

S—滴頭間距，m；

d—毛管直徑；

q—滴頭流量。

3 試驗結果與分析

3.1 灌水器制造偏差測試結果

在試驗室對樣品的灌水器制造偏差進行了測試，得出A型和B型滴灌帶灌水器制造偏差Cv分別為0.06和0.03，根據國際通用滴灌產品標準，A型灌水器質量等級為一般品，B型灌水器質量等級為優(yōu)等品。

3.2 逆坡條件下降低毛管進口壓力對灌水均勻度的影響

逆坡下不同鋪設長度對2種滴灌帶灌水均勻度的影響見圖 1、圖2.

圖1 鋪設長度50 m逆坡10.8‰時灌水均勻度

圖2 鋪設長度65 m逆坡7.6‰灌水均勻度

由圖1可以看出，L=50 m，逆坡10.8‰情況下，當5 m≤Hin≤10 m時，A型和B型毛管Cu均保持在95%以上，降低入口壓力水頭對Cu影響不大；當2m≤Hin＜5 m時，A型和B型毛管Cu均隨著入口壓力的降低而降低，A型降低的趨勢更加明顯，但Cu均保持在85%以上。

由圖2可以看出，L=65 m，逆坡7.6‰情況下，當6 m≤Hin≤10 m時，A型和B型毛管Cu均保持在95%左右，降低入口壓力水頭對Cu影響不大；當2 m≤Hin＜6 m時，A型和B型毛管Cu均隨著入口壓力的降低而降低，A型降低的趨勢更加明顯，但Cu均保持在80%以上。

由圖1和圖2可以看出，A型滴灌帶由于其灌水器制造偏差過大，鋪設長度和水頭的變化對其滴水均勻度的影響較B型滴灌帶更為明顯。

3.3 順坡條件下降低毛管進口壓力對灌水均勻度的影響

3.3.1 順坡15‰時不同長度下2種滴灌帶滴水均勻度對比，對比情況見圖3、圖4、圖5.

圖3 鋪設長度65 m時的均勻度

圖4 鋪設長度100 m時的均勻度

圖5 鋪設長度120 m時的均勻度

由圖3至圖5可以看出，在順坡15‰情況下，在進口壓力水頭測試范圍內，對于不同鋪設長度，A型和B型毛管Cu隨壓力的降低均呈下降趨勢，而B型滴灌帶Cu下降的趨勢更為明顯。在三種鋪設長度下，A型滴灌帶Cu始終大于B型滴灌帶，隨著鋪設長度的增加，Cu的差值逐漸加大，當鋪設長度達到120 m時，Cu平均差值達到5%.

3.3.2 順坡15‰時不同鋪設長度對A型和B型滴灌帶灌水均勻度的影響

圖6 不同長度下A型滴灌帶灌水均勻度

圖7 不同長度下B型滴灌帶灌水均勻度

由圖6和圖7可以看出，順坡15‰情況下，當2 m≤Hin≤10 m時，A型和B型毛管Cu隨著壓力的降低均呈下降趨勢。對于A型滴灌帶，鋪設長度在65 m和100 m情況下Cu均保持在90%以上，當鋪設長度增加到120 m，2 m≤Hin≤5 m時，Cu隨壓力降低的趨勢更加明顯，但Cu仍保持在85%以上。對于B型滴灌帶，三種鋪設長度下Cu均保持在90%以上，當2 m≤Hin≤4 m時，Cu隨壓力降低的趨勢較為顯示，但Cu仍保持在90%以上。

3.4 壓力與毛管出水量關系

圖8 鋪設長度100m順坡15‰時壓力與出水量關系（B型）

圖9 鋪設長度65m逆坡7.6‰時壓力與出水量關系（A型）

限于篇幅限制，本文選取A型和B型滴灌帶具有代表性的測試結果進行分析，分別見圖8和圖9.圖8為B型滴灌帶鋪設長度100 m順坡15‰時壓力與出水量關系，圖9為A型滴灌帶鋪設長度65 m逆坡7.6‰時壓力與出水量關系。由圖8和圖9計算得出，A型和B型滴灌帶在設計水頭下出水量均未達到設計要求，由公式（6）可以得到印證。

試驗中發(fā)現(xiàn)，圖8情況下，進水口壓力始終與出水口壓力相等（Hin=Hend），說明地形坡降的壓力補償剛好與毛管水頭損失相等，因此該情況下毛管灌水均勻度受壓力變化影響較小。雖然地形坡降引起的壓力增加補償了毛管水頭損失，但其出水量仍然未達到設計要求，較設計偏小0.02 L/h.

4 結論

（1）對于本文研究的毛管順坡和逆坡鋪設情況，在不影響灌水均勻度的情況下，A型和B型滴灌帶進水口設計壓力可進一步降低。在逆坡10‰，鋪設長度60 m情況下，當4 m≤Hin≤10 m時，Hin的降低對Cu影響不大，對于A型滴灌帶，Hin可以降到3 m，對于B型滴灌帶，Hin則可以降到2 m.

（2）順坡條件下，A型和B型毛管灌水均勻度均隨鋪設長度的增加而降低，當Hin≤4 m時，A型降低的速率更為明顯。當L≤100 m時，降低入口壓力和增加毛管鋪設長度對毛管灌水均勻度影響均不大，Hin=2 m情況下，仍可以保證在90%以上。當L=120 m時，A型滴灌帶Hin可以降到3 m，B型滴灌帶Hin則可以降到2 m.

（3）B型滴灌帶由于其灌水器制造偏差小，在各種條件下灌水均勻度均優(yōu)于A型滴灌帶，但其價格高，一般農戶很難承受。在不影響灌水均勻度的情況下，為了使更多的農戶應用運行成本低的低壓滴灌技術，設計時采用A型滴灌帶在低壓條件下進行灌水是一個很好的選擇，其優(yōu)點在于低壓條件運行，可大大增加一次輪灌面積，這不僅減少了田間支管控制球閥的使用數(shù)量，同時也大大降低了泵站管理人員的工作強度和工作量。雖然該方式單位時間內滴水量較小，但該缺點可以通過增加灌水時間得到很好解決。

［1］馬英杰，何繼武，洪 明，等.新疆膜下滴灌技術發(fā)展過程及趨勢分析［J］.節(jié)水灌溉，2010（12）：87～89

［2］張志新.滴灌工程規(guī)劃設計原理與應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007：39-104