旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)水力特性研究及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王劍鵬

（陜西省大荔縣水管水保站，陜西大荔715100）

旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)水力特性研究及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王劍鵬

（陜西省大荔縣水管水保站，陜西大荔715100）

為解決陜西省渭北旱塬區(qū)滴管系統(tǒng)灌水均勻度較低的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)與實(shí)際工程相結(jié)合的方法，研究不同進(jìn)口工作水頭與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)單孔流量、灌溉均勻度和流量偏差率的影響，結(jié)果表明：系統(tǒng)單孔流量和灌水均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度呈反比，與進(jìn)口工作水頭呈正比，而流量偏差率與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度呈正比，與進(jìn)口工作水頭呈反比，工作水頭在9 m左右，毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度在30 m左右范圍內(nèi)時(shí)，可在節(jié)約成本的情況下，使系統(tǒng)灌溉均勻度最高；進(jìn)口工作水頭、毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度與灌水均勻度的關(guān)系呈良好的二次拋物線關(guān)系，并得出了滴灌系統(tǒng)灌溉均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度、進(jìn)口工作水頭之間的函數(shù)關(guān)系式，可為渭北旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。

旱塬區(qū)；滴灌系統(tǒng)；水力特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)灌溉水質(zhì)與水量的要求，滴灌由于其灌水均勻度較高、耗能較低，已逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最重要的灌溉方式之一。滴灌系統(tǒng)包括首部樞紐、管道系統(tǒng)和灌水器3大部分，灌水器的目的是要將灌溉水流在流經(jīng)小孔道時(shí)，壓力水頭逐漸降低，使得灌溉水流以水滴的方式進(jìn)入土壤[1]。但目前滴灌系統(tǒng)在渭北旱塬區(qū)的應(yīng)用存在灌溉均勻度較低、灌溉水量不穩(wěn)定等較多問(wèn)題，在旱塬區(qū)的應(yīng)用受到了限制[2]。本文結(jié)合陜西省澄城縣實(shí)際滴灌工程，地塊種植蘋果，結(jié)合旱塬區(qū)滴灌工程實(shí)際應(yīng)用，研究了不同進(jìn)口工作水頭、不同毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)陜西省旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)灌溉均勻度、流量偏差率等水力特性的影響，并得出了適用于陜西旱塬區(qū)滴灌的最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 水力特性實(shí)驗(yàn)與參數(shù)計(jì)算

1.1 滴管工程總體規(guī)劃

在規(guī)劃整個(gè)工程時(shí)，要合理確定水源位置與高程，保證系統(tǒng)能在不同工作水頭下正常運(yùn)行，綜合考慮地塊面積、位置與高程，管道布設(shè)遵循毛管平行等高線，支管垂直等高線的原則布置，在保證灌溉要求的情況下，選擇成本最低，施工難度最小的實(shí)施方案。

1.2 輪灌組劃分

灌溉方式采用輪灌方式進(jìn)行，采用輪灌方式可最大限度提高水分利用效率，節(jié)約人力，利于工作人員之間的配合，提高灌溉效率[3]，因地塊主要種植蘋果，一個(gè)輪灌組工作天數(shù)為5～7天。

1.3 設(shè)計(jì)灌水定額的確定

滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌水定額采用GB/T50485-2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》中的方法進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)滴灌灌水定額mmax采用以下公式計(jì)算:

式中mmax為最大凈灌水定額，mm；γ為土壤容重（g/cm3），壤土取1.265 g/cm3；z為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度，m，取0.35 m；p為微灌土壤濕潤(rùn)比，取30%；θmax為適宜土壤最大含水率，%；θmin為適宜土壤最小含水率，%。

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)試驗(yàn)布置主要包括變頻控制柜，灌溉水源、及測(cè)試段幾部分，通過(guò)調(diào)節(jié)控制柜與灌溉水源水位得到不同工作壓力，以研究不同工況下的滴管系統(tǒng)水力特性，具體試驗(yàn)布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 陜西旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)試驗(yàn)布置示意圖

1.5 水力特性參數(shù)計(jì)算

1.5.1 系統(tǒng)單孔流量計(jì)算

滴灌系統(tǒng)出流特性常用單孔流量來(lái)表示，在灌水器正常工作的條件下，流量與工作壓力水頭存在以下關(guān)系：

式中，q為灌水器流量，L/h；h為系統(tǒng)工作壓力水頭，m；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)系數(shù)，取值為0

1.5.2 灌水均勻度計(jì)算

滴管系統(tǒng)灌水均勻度常采用克里斯琴森均勻系數(shù)Cu表示，其具體計(jì)算過(guò)程如下：

式中，Cu為灌水均勻度，%；為灌水器平均流量，L/h；n為灌水器個(gè)數(shù)；qi為每個(gè)灌水器的流量。

1.5.3 流量偏差率計(jì)算

流量偏差率是衡量灌水均勻性的一個(gè)重要指標(biāo)，其具體計(jì)算公式如下,

式中，qv為流量偏差率，%；qmax為灌水器最大流量，L/h；qmin為灌水器最小流量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)單孔流量的影響

圖2為不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)單孔流量的影響。圖2顯示，在其余條件均一致，僅改變系統(tǒng)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度時(shí)，系統(tǒng)單孔流量隨毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加而減少。即管道鋪設(shè)的越長(zhǎng)，管道能夠提供的平均單孔流量越?。幻茕佋O(shè)長(zhǎng)度越短，管道能夠提供的平均單孔流量越大。這可能是由于管道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，系統(tǒng)沿程水頭損失越大，在初始流量一定的情況下，出流量越低。在相同進(jìn)口水頭下，隨著毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，平均流量變化差異明顯，在H=7m時(shí)，變化最為劇烈，平均流量分別為5.84L/h、4.16L/h、3.84L/h、2.40L/h。隨著進(jìn)口工作水頭的提高，單孔流量隨不同毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的變化逐漸趨于平穩(wěn)，在H=10m時(shí)，系統(tǒng)單孔流量?jī)H變化了20%。當(dāng)其余條件相同時(shí)，系統(tǒng)單孔流量隨進(jìn)口壓力的增大而增大，這可能是由于系統(tǒng)初始水頭較大，為水流帶來(lái)了較大的動(dòng)能，流量增大，且相同鋪設(shè)長(zhǎng)度、不同進(jìn)口水頭時(shí)，系統(tǒng)單孔流量之間差異顯著，不同進(jìn)口水頭單孔流量之間的差異基本在40%～60%之間，說(shuō)明在毛管設(shè)計(jì)流量確定的情況下，鋪設(shè)長(zhǎng)度和進(jìn)口工作水頭均影響著孔口平均流量，所以為了保證灌水效果,對(duì)于確定滴灌管最佳鋪設(shè)長(zhǎng)度和進(jìn)口工作水頭是非常有必要的。

圖2 不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)單孔流量的影響

2.2 不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)灌溉均勻度的影響

圖3為不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)灌溉均勻度的影響。圖3顯示，在其他條件相同時(shí)，灌水均勻度隨毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的增大而呈降低趨勢(shì)，鋪設(shè)長(zhǎng)度越短，毛管灌水均勻性越好。毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度在30 m之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)仍然能保持較高的灌溉均勻度，30 m時(shí)的灌溉均勻度僅比20 m降低了0.5%～1. 5%之間，但40 m時(shí)的灌溉均勻度較30 m降低了5.0%～8.0%，降低明顯，說(shuō)明在低壓條件下，要保證灌水均勻度，毛管管長(zhǎng)必須要選擇適宜，本試驗(yàn)中最佳鋪設(shè)長(zhǎng)度30 m左右為宜。在其余條件相同時(shí)，系統(tǒng)灌溉均勻度隨進(jìn)口工作水頭的增加而增加，工作水頭越高，灌水均勻性越好，當(dāng)工作水頭H<8 m時(shí)，系統(tǒng)灌水均勻性較差，基本均在92%以下，但當(dāng)H=9 m時(shí)，系統(tǒng)灌水均勻度較H=8 m時(shí)提高顯著，基本提高了2.0%～5.0%，在H=10 m時(shí)，系統(tǒng)灌水均勻度較H=9 m時(shí)提高不明顯，因此為保證滴灌系統(tǒng)較高的均勻度，可將滴管系統(tǒng)進(jìn)口工作水頭維持在9 m左右范圍內(nèi)。

圖3 不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)灌溉均勻度的影響

2.3 不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)流量偏差率的影響

圖4為不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)流量偏差率的影響。圖4顯示，在其他條件相同時(shí)，流量偏差率隨毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的增大而呈增大趨勢(shì)，這說(shuō)明鋪設(shè)長(zhǎng)度越短，系統(tǒng)流量偏差率越小，毛管灌水均勻性越好。毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度在30 m之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)仍然能保持較低的流量偏差率，30 m時(shí)的灌溉均勻度僅比20 m升高了2.0%～3.5%之間，但40 m時(shí)的流量偏差率較30 m提高了6.0%～10.0%，提高明顯，說(shuō)明在低壓條件下，要保證灌水均勻度，減低系統(tǒng)流量偏差率，必須毛管管長(zhǎng)要選擇適宜，本試驗(yàn)中最佳鋪設(shè)長(zhǎng)度30 m左右為宜。在其余條件相同時(shí)，系統(tǒng)流量偏差率隨進(jìn)口工作水頭的增加而降低，工作水頭越高，灌水均勻性越好，當(dāng)工作水頭H<8 m時(shí)，系統(tǒng)灌水均勻性較差，流量偏差率均在30%以上，但當(dāng)H=9 m時(shí)，系統(tǒng)流量偏差率較H=8 m時(shí)降低顯著，基本提高了17.2%～28.9%，在H=10 m時(shí)，系統(tǒng)灌水均勻度較H=9 m時(shí)提高不明顯，因此為保證滴灌系統(tǒng)較低的流量偏差率及較高的均勻度，可將滴管系統(tǒng)進(jìn)口工作水頭維持在9 m左右范圍內(nèi)。

2.4 陜西旱塬區(qū)滴管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本研究以灌溉均勻度為例，得出灌溉均勻度最高時(shí)的最優(yōu)進(jìn)口工作壓力與最優(yōu)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度，對(duì)陜西旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)提高最優(yōu)化理論基礎(chǔ)。

圖4 不同進(jìn)口壓力水頭和毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)流量偏差率的影響

圖5 進(jìn)口工作水頭一定條件下，灌溉均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的關(guān)系（H=6 m、7 m、8 m、9 m、10 m）

表1 灌溉均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度關(guān)系式參數(shù)計(jì)算表

2.4.1 系統(tǒng)最優(yōu)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度確定

當(dāng)工作水頭等其余因素都一致時(shí)，灌溉均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的關(guān)系如圖5所示，其關(guān)系式可用下式表明：

由圖5和表1可知，系統(tǒng)灌溉均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的關(guān)系滿足2次拋物線關(guān)系，且5條擬合曲線的決定系數(shù)R2分別為0.9209、0.9240、0.9720、0.9075、0.801，均大于0.90，且均通過(guò)了極顯著水平（P<0.01），說(shuō)明擬合關(guān)系較好。在實(shí)際工程與試驗(yàn)中，具體的A、B、C值可根據(jù)實(shí)際情況測(cè)定,對(duì)于與本試驗(yàn)相似的情況，也可根據(jù)本研究的關(guān)系式進(jìn)行直接計(jì)算，得出某種工作水頭下，使得灌溉均勻度最高的最優(yōu)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度。

2.4.2 系統(tǒng)最優(yōu)進(jìn)口工作水頭確定

由圖6和表2可知，系統(tǒng)灌溉均勻度與進(jìn)口工作水頭的關(guān)系滿足2次拋物線關(guān)系，且5條擬合曲線的決定系數(shù)R2分別為0.9632、0.8622、0.9682、0.8994，均大于0.85，且均通過(guò)了極顯著水平（P<0.01），說(shuō)明擬合關(guān)系較好。在實(shí)際工程與試驗(yàn)中，具體的A、B、C值可根據(jù)實(shí)際情況測(cè)定，對(duì)于與本試驗(yàn)相似的情況，也可根據(jù)本研究的關(guān)系式進(jìn)行直接計(jì)算，得出某種毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度下，使得灌溉均勻度最高的最優(yōu)進(jìn)口工作水頭。

圖6 毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度一定條件下，灌溉均勻度與進(jìn)口工作水頭的關(guān)系（H=6 m、7 m、8 m、9 m、10 m）

表2 灌溉均勻度與進(jìn)口工作水頭關(guān)系式參數(shù)計(jì)算表

3 結(jié)論

為了解陜西省旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)水力特性，本文通過(guò)試驗(yàn)研究不同進(jìn)口工作水頭與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)單孔流量、灌溉均勻度和流量偏差率的影響，得出了使得系統(tǒng)灌溉均勻度最高的進(jìn)口工作水頭與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的值，指出工作水頭在9 m左右，毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度在30 m左右范圍內(nèi)時(shí)，可在節(jié)約成本的情況下，使系統(tǒng)灌溉均勻度最高，并得出了滴灌系統(tǒng)灌溉均勻度與毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度、進(jìn)口工作水頭的關(guān)系，為陜西旱塬區(qū)滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工提供了理論基礎(chǔ)。

[1]李援農(nóng),馬孝義.節(jié)水灌溉新技術(shù)—噴灌、微灌技術(shù)[J].節(jié)水農(nóng)業(yè),2002（12）：12-15.

[2]楊凱,續(xù)海紅,張鵬飛,等.山地果園滴灌工程參數(shù)設(shè)計(jì)[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014,34（3）：281-283.

[3]汪志農(nóng).灌溉排水工程學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2010:80-187.

Study on Hydraulic Characteristics and System Optimization Design of Drip Irrigation System in the Dryland Area

Wang Jianpeng
（Dali CountyWater Management and Water Conservation Station in Shaanxi Province Dali county715000,Shaanxi）

Tosolve the problemoflower evenness ofthe drip irrigation systemin Weibei dryland area ofShaanxi Province, through the test and the practical engineering combination method,the article is based on study different inlet working head and capillary tube laying length influence on the single hole flow,irrigation uniformity and flowrate deviation.The results show that the single hole flow rate and irrigation uniformity of the system are inverse proportional to the length of the laying of the capillary and proportional tothe working head,and the deviation rate of the flowis proportional to the length of the laying of the pipe and is inversely proportional to the working head.When the working head is about 9m and the length of the pipe laying in the range of about 30m,the irrigation uniformity can be the highest in the case of cost saving.It is a good quadratic parabolic relationship among the inlet working head,the length of the pipe laying and the irrigation uniformity.It also achieved the function relation among the irrigation uniformity of the drip irrigation system and the capillary laying length and the head of inlet work,which can provide the theoretical basis for the design and construction of the drip irrigation system in Weibei dry-land area.

The dry-land area,the drip irrigation system,the hydrological characteristics and optimization design

S161.4

A

1673-9000（2017）04-0113-04

2017-03-16

王峰（1964-），男，回族，新疆烏魯木齊市人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。