地下滴灌毛管水頭偏差率特性及與土壤水分均勻度的關(guān)系

劉 楊，黃修橋※，馮俊杰，翟國亮，于紅斌，孫秀路

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新鄉(xiāng) 453002；2. 河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007）

地下滴灌毛管水頭偏差率特性及與土壤水分均勻度的關(guān)系

劉 楊1，黃修橋1※，馮俊杰1，翟國亮1，于紅斌2，孫秀路1

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新鄉(xiāng) 453002；2. 河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007）

毛管水頭偏差率是確定毛管長度的主要技術(shù)指標(biāo)。以正在運(yùn)行的新疆棉田地下滴灌系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，選取代表性毛管，實(shí)測正常灌溉過程中毛管首尾壓力、流量和沿程土壤水分，研究地下滴灌毛管水頭偏差率特性及其與土壤水分均勻度的關(guān)系。結(jié)果表明：在毛管設(shè)計(jì)工作水頭為10 m條件下，測試毛管水頭偏差率在0.58%～12.80%之間。同一管網(wǎng)中，不同毛管的水頭偏差率各不相同且具有波動(dòng)性，但同一支管位置處樹狀毛管與環(huán)狀毛管之間的相對(duì)趨勢穩(wěn)定；在毛管設(shè)計(jì)工作水頭為10 m條件下，支管入口壓力對(duì)毛管水頭偏差率的影響不顯著（P＞0.05）；毛管水頭偏差率和毛管埋深層土壤水分均勻系數(shù)之間有強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），建立了水頭偏差率和土壤水分均勻度之間的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證，85%毛管的絕對(duì)誤差小于5%。研究可以為地下滴灌毛管長度設(shè)計(jì)與毛管工作狀況評(píng)價(jià)提供參考。

土壤水分；均勻度；模型；地下滴灌；毛管；水頭偏差

0 引 言

地下滴灌比地表滴灌更加節(jié)水，其使用周期長，是極具潛力的一種節(jié)水灌溉技術(shù)[1-2]。該技術(shù)在中國新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的棉花生產(chǎn)中有較大規(guī)模的應(yīng)用[3-4]。目前地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)測主要是參考地表滴灌系統(tǒng)[5-8]，未能充分考慮地下滴灌技術(shù)的優(yōu)勢。由于毛管被埋在地下后，灌水器容易發(fā)生堵塞[9]和淹沒出流，經(jīng)機(jī)械碾壓毛管容易發(fā)生滲漏和過流不暢[10]等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會(huì)使毛管水頭偏差率偏離設(shè)計(jì)工況，對(duì)灌水均勻度產(chǎn)生影響。水頭偏差是灌水器出流量差異的主要原因，是確定毛管長度的主要指標(biāo)[11]。對(duì)于已建成投入運(yùn)行的地下滴灌系統(tǒng)，可通過監(jiān)測毛管水頭偏差率來評(píng)估毛管流量均勻性和系統(tǒng)運(yùn)行情況。因此，研究地下滴灌系統(tǒng)毛管水頭偏差率的變化特征，對(duì)于科學(xué)設(shè)計(jì)和監(jiān)測評(píng)估地下滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。

目前對(duì)地下滴灌的研究主要集中在灌水器的水力性能[12-13]與堵塞問題[14-15]、水分運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律[16-19]、管網(wǎng)計(jì)算與優(yōu)化[20]、水肥均勻度評(píng)價(jià)[21-22]以及針對(duì)具體作物的應(yīng)用效果，針對(duì)大田中地下毛管水頭偏差率的試驗(yàn)資料較少。Hills等[23-24]通過試驗(yàn)，模擬土壤壓實(shí)使毛管截面從圓形變形為橢圓形后毛管流量減少，水頭損失增加，建議宜縮短毛管長度適應(yīng)毛管管徑的變形程度；叢佩娟等[25]建議適當(dāng)延長灌水時(shí)間；仵鋒等[26]通過田間定位觀測發(fā)現(xiàn)，大田中地下滴灌毛管因處在支管的不同位置和使用年限的不同而流量會(huì)出現(xiàn)不同程度的減少；白丹等[27]研究了地下滴灌毛管流量和壓力的變化規(guī)律。這些研究從不同角度揭示了地下滴灌管網(wǎng)均勻度的變化規(guī)律，但針對(duì)毛管水頭偏差率這一直接指標(biāo)的研究較少，使得對(duì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)效果和運(yùn)行狀況的評(píng)判缺少直接依據(jù)。因此，有必要對(duì)已建成管網(wǎng)中毛管水頭偏差率的變化規(guī)律與影響因素進(jìn)行研究。

本文以生產(chǎn)中棉田地下滴灌管網(wǎng)為研究對(duì)象，通過田間試驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)已建成管網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)毛管水頭偏差率的變化規(guī)律、影響因素及與土壤水分均勻度的關(guān)系等展開研究，以期為毛管水頭偏差率指標(biāo)的設(shè)計(jì)、毛管工況的評(píng)測提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)數(shù)據(jù)是2006年在新疆博樂農(nóng)五師九十團(tuán)九連測得的（82°60′ E，44°82′ N），該地區(qū)年平均氣溫 5.8 ℃，平均降水量187.4 mm，平均蒸發(fā)量1 558.5 mm，積溫3116 ℃，無霜期170 d，全年日照時(shí)數(shù)2 515.8 h，平均風(fēng)速1.9 m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)，旱少雨，屬于典型的干旱荒漠氣候，屬純灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，抽取地下水灌溉。在距地表50 cm深度以內(nèi)為砂壤土，50 cm以下為砂土。試驗(yàn)地種植棉花已有5 a，1膜6行，膜寬220 cm，株數(shù)2.28×105株/hm2。

滴灌帶（毛管）是由大馬力拖拉機(jī)牽引鋪管機(jī)埋入地下，埋深控制在28～33 cm之間，長度100 m，2002年（A5）鋪設(shè)的間距是0.9 m，2003（B4）年和2006（B1）年鋪設(shè)的間距是1 m。支管為外徑110 mm的PVC管，長200 m，控制范圍200 m×200 m，毛管沿支管對(duì)稱鋪設(shè)。有2種管網(wǎng)形式，毛管末端接入排沙管的構(gòu)成環(huán)狀管網(wǎng)，排沙管為外徑75 mm的PVC管，毛管末端直接封堵的構(gòu)成樹狀管網(wǎng)。試驗(yàn)地中有2種型號(hào)毛管，分別記作A和B，3個(gè)使用年限的管網(wǎng)，分別是第1年、第4年和第5年，毛管水力性能參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)地管網(wǎng)參數(shù)Table 1 Parameters of pipe network in experimental field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在3處管網(wǎng)中各選1條支管作為觀測區(qū)域（200 m ×200 m），為能夠同時(shí)對(duì)2種管網(wǎng)形式進(jìn)行觀測，要求所選觀測支管的一側(cè)為環(huán)狀管網(wǎng)，另一側(cè)為樹狀管網(wǎng)。沿支管水流方向，分別在支管的首部、中部和尾部等間距、左右對(duì)稱選取毛管進(jìn)行觀測。在管網(wǎng)B1和B4的首、中和尾部各選1對(duì)，共測試6條毛管；管網(wǎng)A5的首、尾各1對(duì)，中部2對(duì)，共觀測8條毛管。奇數(shù)編號(hào)毛管為環(huán)狀管網(wǎng)形式，偶數(shù)編號(hào)毛管為樹狀管網(wǎng)形式，觀測區(qū)管網(wǎng)形式、毛管編號(hào)及儀器布置情況見圖1。在觀測毛管的首端串聯(lián)安裝水表、精密壓力表（壓力表在水表下游），尾端安裝壓力表。儀表位置固定后，對(duì)觀測段毛管的長度、坡度以及與支管進(jìn)口的距離進(jìn)行測量，毛管長度和坡度詳情見表2。

系統(tǒng)中毛管的設(shè)計(jì)工作壓力水頭為10 m，在正常灌水時(shí)，待系統(tǒng)工作壓力穩(wěn)定后，測量毛管首端和尾端的壓力、毛管入口流量以及灌水2 d后沿毛管方向的土壤含水率。每個(gè)觀測區(qū)設(shè)3次重復(fù)即測量3次灌水，每次觀測時(shí)壓力值取 3次讀數(shù)的平均值，用秒表記錄水表通過2 L水所用的時(shí)間[26]，計(jì)算流量。本試驗(yàn)中用支管首部毛管的最大入口壓力值近似代替支管入口壓力值。

考慮作物根系吸水區(qū)域主要在毛管埋設(shè)層，灌水量變化對(duì)該層土壤水分影響顯著[21]。因此，選取毛管埋設(shè)層土壤水分為研究對(duì)象。為了不破壞毛管，取樣點(diǎn)深30 cm，與毛管的垂直距離為5～7 cm，每條毛管等距選取10個(gè)點(diǎn)取樣點(diǎn)，間距約10 m。

3處觀測區(qū)域的管網(wǎng)形式和埋深均相同，土壤結(jié)構(gòu)、棉花品種、種植密度和管理方法也基本相同。不同的是：各毛管的觀測段長度不同，管網(wǎng)A5的毛管間距是0.9 m，B1和B4的間距是1 m。試驗(yàn)設(shè)備是在用滴灌系統(tǒng)灌溉第一水前安裝好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在棉花開花期前測得。

圖1 試驗(yàn)管網(wǎng)布置示意圖Fig.1 Sketch map of pipe network layout in experiment

表2 試驗(yàn)區(qū)毛管長度和坡度Table 2 Length and slope of laterals pipes in study area

1.3 試驗(yàn)儀器、設(shè)備

壓力表采用上海自動(dòng)化儀表廠生產(chǎn)的 0.4級(jí)精密壓力表，量程0～16 m，最小刻度0.1 m。水表為外徑16 mm的自來水表，最小刻度 0.1 L。土壤水分含量采用 TSC-Ⅰ土壤水分快速測定儀測量。

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 毛管水頭偏差率和流量偏差率

選用參考文獻(xiàn)[6]中公式，用實(shí)測的毛管最大、最小壓力計(jì)算水頭偏差率Hv：

式中hmax為實(shí)測毛管的最大工作水頭，m；hmin為實(shí)測毛管的最小工作水頭，m；ha為毛管的平均工作水頭，m。

計(jì)算灌水器對(duì)應(yīng)壓力下的流量，公式為

式中q為灌水器的流量，L/h；h為工作水頭，m；k為流量系數(shù)；x′為流態(tài)指數(shù)。

灌水器流量偏差率qv的計(jì)算，公式為：

式中qmax為相應(yīng)于hmax時(shí)的灌水器的流量，L/h；qmin為相應(yīng)于hmin時(shí)的灌水器的流量，L/h；qa為灌水器的平均流量，L/h。

2.2 均勻度分析

土壤水分均勻度采用克里斯琴森均勻系數(shù)Cu：

式中Cu為均勻系數(shù)，%；為平均土壤含水率，%；Δθ為每個(gè)取樣點(diǎn)的實(shí)際土壤含水率與平均值之差的絕對(duì)值的平均值，即平均差，%；θi為每個(gè)取樣點(diǎn)的實(shí)際土壤含水率，%；N為取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛管水頭偏差率的變化規(guī)律

經(jīng)式（1）計(jì)算，發(fā)現(xiàn)實(shí)測毛管水頭偏差率Hv的變化特點(diǎn)是整體上有穩(wěn)定趨勢具體數(shù)值有波動(dòng)性，具體如圖2所示。穩(wěn)定趨勢表現(xiàn)在：A5管網(wǎng)中沿支管方向同種布置形式毛管的Hv有減小趨勢，相同支管位置處，環(huán)狀形式毛管的Hv比樹狀形式毛管的Hv要大；B4和B1中同側(cè)毛管的Hv變化趨勢不明顯，但相同支管位置處環(huán)狀形式毛管的Hv比樹狀形式毛管的Hv要小，這與A5管網(wǎng)正相反。波動(dòng)性表現(xiàn)在：同一毛管在支管入口壓力接近時(shí)Hv值并不接近，如B4中1、2、4、5號(hào)毛管的Hv在支管入口壓力水頭8.27 m和8.22 m的2次測量中并不接近；當(dāng)同一毛管測得的Hv值接近時(shí)，支管入口壓力并不接近，如A5中2、6號(hào)在入口壓力水頭9.65 m和8.67 m的2次測量時(shí)Hv值較接近。這種變化特點(diǎn)的原因是地下滴灌毛管的水頭偏差率是由多種因素共同作用的結(jié)果。

正常工作狀態(tài)下，影響地下滴灌毛管水頭偏差率的主要因素有毛管的管徑、長度、鋪設(shè)坡度和管網(wǎng)形式及周邊土壤的緊實(shí)度，滴頭的形狀、大小、流量、間距、堵塞狀況和出流狀態(tài)[28-29]。對(duì)于已建成的地下滴灌系統(tǒng)，除滴頭的堵塞狀況、出流狀態(tài)和毛管周邊土壤的緊實(shí)度具有隨機(jī)性外，其余影響因素具有確定性。確定的影響因素是不變的，使毛管產(chǎn)生的水頭偏差率趨于固定值；隨機(jī)影響因素使毛管的水頭偏差率產(chǎn)生偏離具有波動(dòng)性。當(dāng)?shù)晤^的流道堵塞或處于淹沒出流時(shí)，滴頭的出流量會(huì)偏離正常的壓力流量關(guān)系，這種偏離使滴頭流速水頭與壓力水頭的轉(zhuǎn)換發(fā)生變化，結(jié)果影響毛管的水頭偏差率；毛管周邊土壤緊實(shí)度的變化會(huì)使毛管過水?dāng)嗝姘l(fā)生改變[23-24]，進(jìn)而影響毛管水頭偏差率的變化。隨機(jī)因素對(duì)毛管水頭偏差率的影響機(jī)理和變化范圍還需要深入研究。

圖2 不同管網(wǎng)水頭偏差率Fig.2 Head deviation ratio of laterals for different pipe networks

對(duì)試驗(yàn)中水頭偏差率明顯異常的毛管進(jìn)行分析，如管網(wǎng)B4中的6號(hào)毛管，在支管入口壓力為7.32 m時(shí)的測量值明顯大于其他毛管的測量值，分析原因可能是該毛管為樹狀形式，毛管漏水使得尾端壓力較低，經(jīng)檢查找到毛管破損處，修復(fù)后水頭偏差率值和同側(cè)編號(hào)毛管接近。管網(wǎng)B1中的3號(hào)、5號(hào)毛管水頭偏差率始終較小，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩毛管的尾端壓力與同側(cè)毛管接近，首部壓力明顯低于同側(cè)毛管，經(jīng)實(shí)地觀察，排除了毛管漏水和堵塞兩因素，在與管理人員交流后認(rèn)為是B1管網(wǎng)為薄壁滴灌帶，毛管入口和首端測壓點(diǎn)間的毛管在受到較大土塊的擠壓后過流面積變小，過水不暢，正常供水時(shí)也無法恢復(fù)，導(dǎo)致毛管首端壓力較低，現(xiàn)場將該段毛管上部的土壤挖去后，兩毛管首部壓力與同側(cè)毛管接近。管網(wǎng)B1中的3號(hào)、5毛管為環(huán)狀管網(wǎng)形式，當(dāng)毛管首部供水受影響時(shí)，尾部能夠起到良好的補(bǔ)償效應(yīng)。

用式（2）和（3）計(jì)算毛管的流量偏差率，A5的范圍是 1.29%～7.15%，B4的范圍是 2.49%～11.47%，B1的范圍是0.58%～12.80%，三試驗(yàn)管網(wǎng)在設(shè)計(jì)工況下都滿足目前《微灌工程技術(shù)規(guī)范》[5]（GB/T50485-2009）規(guī)定，即灌水單元內(nèi)灌水器設(shè)計(jì)允許流量偏差率應(yīng)小于或等于20%的要求。

3.2 支管入口壓力對(duì)毛管水頭偏差率的影響

測量時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下，支管入口、毛管首端和尾端的工作壓力，總是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，并非固定不變。經(jīng)分析產(chǎn)生波動(dòng)的原因主要是水泵工況、過濾器與施肥器水頭損失和滴頭出流狀態(tài)在工作時(shí)都是變化的，這些變化隨機(jī)組合的結(jié)果導(dǎo)致很難在相同的支管入口壓力下測量毛管的水頭偏差率，只能是在同一時(shí)刻測得各節(jié)點(diǎn)的壓力值。用Excel2010對(duì)支管入口壓力和毛管水頭偏差率進(jìn)行方差分析（單向分類），結(jié)果見表3。結(jié)果顯示：在本文試驗(yàn)條件下，即毛管的設(shè)計(jì)工作壓力水頭10 m，實(shí)測支管入口壓力水頭變化范圍在7.32～11.75 m之間時(shí)，三管網(wǎng)中支管入口壓力對(duì)毛管水頭偏差率的影響沒有顯著效應(yīng)（P＞0.05）。

表3 支管入口壓力對(duì)毛管偏差率影響的方差分析Table 3 Variance analysis on effect of entrance pressure from branch pipe on head deviation ratio in lateral pipe

3.3 毛管水頭偏差率的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

本試驗(yàn)條件下，經(jīng)方差分析可知，支管入口壓力水頭在7.32～11.75 m之間變化時(shí)，支管入口壓力對(duì)毛管水頭偏差率沒有顯著影響，所以可將不同支管入口壓力下的毛管水頭偏差率共同分析。對(duì)非壓力補(bǔ)償灌水器來說，在不考慮灌水器制造偏差和堵塞影響時(shí)，影響均勻度的根本原因就是水頭偏差的存在而導(dǎo)致出水量的不同。研究表明，當(dāng)毛管進(jìn)口壓力水頭為 10 m時(shí)，鋪設(shè)坡度在-5‰～5‰范圍內(nèi)，毛管鋪設(shè)坡度對(duì)灌水均勻度的影響不顯著[30]。本試驗(yàn)毛管入口壓力水頭10 m，同時(shí)地形較平整，所以可以忽略毛管坡度的影響，主要考慮毛管鋪設(shè)長度的影響。將實(shí)測毛管水頭偏差率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將水頭偏差率的平均數(shù)按百分比關(guān)系換算成100 m長的平均數(shù)，結(jié)果見表4。從表4可知，管網(wǎng)中毛管水頭偏差率的標(biāo)準(zhǔn)差值A(chǔ)5＜B1＜B4，變異系數(shù)是A5﹦B4＜B1，100 m長毛管的水頭偏差率值A(chǔ)5＜B1＜B4，說明A比B毛管的Hv變化范圍要小且比較集中。原因是土壤壓力變化使毛管的過水?dāng)嗝孀冃。鼙粔罕猓?，毛管的水頭損失、水頭偏差率均變大，厚壁毛管抵抗和恢復(fù)土壤壓力的能力比薄壁毛管要強(qiáng)，所以A毛管相對(duì)于B毛管的水頭變化范圍更小且比較集中。B1管網(wǎng)中毛管的標(biāo)準(zhǔn)差、100 m毛管的水頭偏差率值都要小于B4管網(wǎng)中的，說明使用年限會(huì)導(dǎo)致毛管水頭偏差率變大。原因可能是B1管網(wǎng)為新建管網(wǎng)，在農(nóng)事管理過程中，機(jī)械碾壓相對(duì)較少，土壤壓力對(duì)毛管過水?dāng)嗝娴挠绊戄^小。以上分析表明，在地下滴灌應(yīng)用中，厚壁毛管比薄壁毛管的水力性能要穩(wěn)定，更有利于提高沿毛管方向土壤水分的均勻度。

表4 毛管水頭偏差率統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of head deviation ratio in laterals pipes

3.4 水頭偏差率與埋設(shè)層土壤水分均勻度的關(guān)系

3.4.1 埋深層土壤水分均勻系數(shù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

用式（4）、（5）計(jì)算 30 cm深土層含水率的克里斯琴森均勻系數(shù)Cu，分析Cu的統(tǒng)計(jì)參數(shù)及Cu和Hv的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)用Excel2010中的CORREL函數(shù)，結(jié)果見表5?？梢钥闯鯝5管網(wǎng)中毛管埋深層土層含水率的均勻度要高于B4和B1，同時(shí)Hv與Cu具有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.001)，可以對(duì)Hv和Cu的關(guān)系進(jìn)行建模。

表5 土壤水分均勻系數(shù)統(tǒng)計(jì)及與水頭偏差率的相關(guān)系數(shù)Table 5 Statistics of soil moisture uniformity coefficient and its correlation coefficient with head deviation ratio

3.4.2 機(jī)理分析和模型假設(shè)

試驗(yàn)中 2種型號(hào)毛管的滴頭都是非壓力補(bǔ)償式灌水器，水頭偏差導(dǎo)致滴頭流量不等，使滴頭周邊土壤水分的分布產(chǎn)生差異，最終影響埋設(shè)層土壤水分均勻度的變化。同理，滴頭流量對(duì)壓力的敏感程度決定了埋設(shè)層土壤水分均勻度的高低。因此，可以建立起水頭偏差率、灌水器流量對(duì)壓力的敏感程度與沿毛管方向埋設(shè)層土壤水分均勻度的關(guān)系。

假設(shè)試驗(yàn)地中的砂壤土在毛管埋設(shè)層上無空間變異性，不考慮作物吸水的影響，灌水2 d后濕潤鋒充分搭接，埋設(shè)層土壤水分運(yùn)動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，在同一條毛管上水頭偏差率和灌水器流量對(duì)壓力的敏感程度是影響滴頭流量差異的主要因素。

3.4.3 模型建立

1）模型形式建立

用實(shí)測的Hv當(dāng)自變量，灌水2 d后毛管埋設(shè)層土壤含水率的Cu當(dāng)因變量，灌水器的k和x′為參數(shù)建立Cu=f（Hv）的數(shù)學(xué)模型。

在假設(shè)條件下，Cu=f（Hv）是Hv的減函數(shù)，Hv≥0。變化趨勢是：當(dāng)Hv→0時(shí)，f（Hv）→1；當(dāng)Hv→+∞時(shí)，f（Hv）→C，C為常數(shù)接近初始土壤水分均勻度。x′反映灌水器的流量對(duì)壓力的敏感程度，k則反映流道水頭損失對(duì)流量變化的敏感程度，在相同的壓力變化區(qū)間，x′和k均和灌水器流量變化值成正比[6]，與再分布后土壤水分均勻度成反比。當(dāng)毛管型號(hào)確定時(shí)，x′、k為已知參數(shù)。經(jīng)推斷，符合模型變化趨勢的模型結(jié)構(gòu)有2種形式：

式中Cu為灌水2 d后沿毛管方向埋設(shè)層土壤含水率的克里斯琴森均勻系數(shù)，%；Hv為穩(wěn)定工作狀態(tài)下毛管水頭偏差率，%；k為毛管灌水器流量系數(shù)，k＞0；x′為毛管灌水器流態(tài)指數(shù)，0≤x≤1。k、x′值由毛管型號(hào)確定。2）模型選擇

將管網(wǎng)中各毛管的k、x′值和實(shí)測Hv值代入式（6）和式（7）得Cu估算值，分別與基于土壤含水率（式（4））的計(jì)算值（簡稱實(shí)測值）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：式（7）計(jì)算值絕對(duì)誤差為-9.7%～3.7%，65%毛管（13條）絕對(duì)誤差在[-5%,+5%]內(nèi)；式（6）計(jì)算值與實(shí)測值絕對(duì)誤差（表6）在-6%～5.3%之間，除B1管網(wǎng)的1、2、3號(hào)共3支毛管外，其他毛管的絕對(duì)誤差均在[-5%, +5%]內(nèi)，占測試毛管總數(shù)的85%。可見，式（6）優(yōu)于式（7）。進(jìn)一步地，基于式（6）得到沿毛管方向30 cm深土壤水分均勻度的模型計(jì)算值，如圖3所示。圖3表明，基于式（6）的Cu模型計(jì)算值和實(shí)測值變化趨勢一致：在本試驗(yàn)條件下，Hv在1.23%～36.77%之間變化時(shí)，沿毛管方向埋設(shè)層土壤水分均勻度Cu隨著Hv的增大而逐漸減小。模型的決定系數(shù)R2=0.64（P＜0.01）。這表明，在本試驗(yàn)條件下，可用式（6）基于實(shí)測Hv值預(yù)測Cu，為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)地下滴灌毛管工作狀況的評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。然而，由于模型精度R2只有0.64，仍有很大的提升空間，有待于進(jìn)一步研究。

圖3 計(jì)算及實(shí)測的土壤水分均勻系數(shù)隨水頭偏差率的變化Fig.3 Change in calculated and measured soil water uniformity coefficient with head deviation ratio

表6 土壤水分均勻系數(shù)誤差分析Table 6 Absolute error (AE) analysis of soil water uniformity Coefficient %

4 結(jié)論與討論

本文以新疆棉田地下滴灌系統(tǒng)為研究對(duì)象，在系統(tǒng)正常供水時(shí)，通過對(duì)支管首部、中部和尾部毛管的田間實(shí)測，研究毛管水頭偏差率的變化規(guī)律與影響因素，得出以下結(jié)論：

1）在本試驗(yàn)中，毛管的設(shè)計(jì)工作壓力為10 m，正常灌水時(shí)，各毛管的水頭偏差率并非是一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的定值，而是在一定范圍內(nèi)變動(dòng)（0.58%～12.80%）。同一管網(wǎng)中毛管水頭偏差率的變化特點(diǎn)是：整體上有穩(wěn)定趨勢，具體數(shù)值有波動(dòng)性。穩(wěn)定趨勢是由影響水頭偏差率的確定因素所決定的，具體數(shù)值的波動(dòng)性是隨機(jī)因素作用的結(jié)果。確定因素的影響在設(shè)計(jì)時(shí)是可控的，隨機(jī)因素（堵塞狀況、出流狀態(tài)和毛管周邊土壤擠壓）的作用機(jī)理、影響程度以及交互作用還不明確，有待于進(jìn)一步研究。水頭偏差率能反映出毛管工作的工作狀況，同一管網(wǎng)中，當(dāng)某一毛管的水頭偏差率明顯偏離其附近毛管的水頭偏差率時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢修。

2）對(duì)水頭偏差率明顯異常毛管分析發(fā)現(xiàn)，地下滴灌中，厚壁毛管比薄壁毛管的水力性能要穩(wěn)定，更有利于提高系統(tǒng)的均勻性。管壁厚度還決定著地下管網(wǎng)的建設(shè)成本，有必要研究毛管壁厚與埋深、擠壓程度對(duì)毛管過流能力的影響，這樣既可控制成本又能保證管網(wǎng)的均勻性。

3）在本試驗(yàn)條件下，支管入口壓力水頭在 7.32～11.75 m之間時(shí)，支管入口壓力對(duì)毛管水頭偏差率沒有顯著影響（P＞0.05），毛管水頭偏差率與沿毛管方向埋設(shè)層的土壤水分均勻度有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），可以用毛管水頭偏差率、灌水器的流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)為參數(shù)，通過模型預(yù)測沿毛管方向埋設(shè)層的土壤水分均勻度。該文建立的模型，預(yù)測精度為0.64，85%毛管的絕對(duì)誤差小于5%，可為試驗(yàn)區(qū)毛管工作狀況的評(píng)價(jià)提供參考。

系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下，地下管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力總是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，主要是水泵工況、過濾器和施肥器的水頭損失在工作中都是處于波動(dòng)狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)時(shí)應(yīng)明確這些設(shè)備在正常工況下水力性能的變化范圍，防止最不利組合狀態(tài)下毛管的工作壓力較設(shè)計(jì)壓力發(fā)生較大偏離。

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Head deviation property and its relationship with soil moisture uniformity of subsurface drip irrigation laterals

Liu Yang1, Huang Xiuqiao1※, Feng Junjie1, Zhai Guoliang1, Yu Hongbin2, Sun Xiulu1
(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water-saving Agriculture of Henan Province, Xinxiang453002,China; 2.College of Computer and Information Engineering,
Henan Normal University,Xinxiang453007,China)

Head deviation ratio is a key technical indicator for length optimization in drip irrigation laterals. The deviation ratio in sub-surface drip irrigation is different from that in surface drip irrigation because the laterals are embedded and compressed in soil, and influenced by the submerged discharging. This study aimed to investigate head deviation property of subsurface drip irrigation laterals and its relationship with soil moisture uniformity. This experiment including 3 large pipe networks of subsurface drip irrigation in cotton field was carried out in Xinjiang. The drip irrigation pipe was buried in 28-33 cm below the soil surface. The length was 100 m. The spacing of pipes was 0.5 m in 2002, and 1 m after tye year of 2004. A total of 3 pairs of laterals were chosen out of upstream, medium-stream and downstream of the branch pipe. For each pipe network, more than 6 laterals were selected for the experiment. Among the laterals, some were ring network and some were tree network. The precision pressure gauge was used to measure the water pressure in the head and tail of laterals, and water meter to measure water volume at the beginning of laterals. During the experiment, the designed working pressure was 10 m. The soil moisture at depths of 30 cm along the laterals was determined by a soil moisture measuring instrument. The head deviation ratio and soil moisture uniformity was calculated based on soil moisture. The relationship between the laterals’ head deviation ratio and soil moisture uniformity coefficient in 30 cm depths along the laterals was analyzed. The results showed that the head deviation ratio of the laterals were from 0.58% to 12.80%, meeting the requirement of Chinese microirrigation standard (smaller than or equal to 20%). Overall, the head deviation ratio in each lateral were different in a same pipe network with the value fluctuated in a certain range, whereas the changing trend was stable between tree-like laterals and ring-like laterals in a same branch pipe.The analysis on outliers of measured head deviation ratio showed that the deviation ratio may be affected by thickness of lateral wall. The lateral with thick wall had more stable hydraulic performance than that of the thin wall. During the entrance pressure of 7.32-11.75 m, the entrance pressure had no significant influence on head deviation ratio (P＞0.05). The head deviation ratio was extremely negatively correlated with soil moisture uniformity coefficient (P＜0.001). According to theoretical analysis, a model was established with soil moisture uniformity coefficient as response variable and head deviation ratio as independent variable. By comparing the calculated values and model-established values of soil moisture uniformity coefficient, we found the model was reliable in predicting oil moisture uniformity coefficient with the absolute error from-6.0% to 5.3% and 85% of laterals had the absolute error smaller than 5%. This study can provide valuable information for the length optimization of laterals, evaluation of working conditions, and management of operation in subsurface drip irrigation system.

soil moisture; uniformity; models; subsurface drip irrigation; laterals; head deviation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015

S275.4

A

1002-6819(2017)-14-0108-07

劉 楊，黃修橋，馮俊杰，翟國亮，于紅斌，孫秀路. 地下滴灌毛管水頭偏差率特性及與土壤水分均勻度的關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(14)：108－114.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015 http://www.tcsae.org

Liu Yang, Huang Xiuqiao, Feng Junjie, Zhai Guoliang, Yu Hongbin, Sun Xiulu. Head deviation property and its relationship with soil moisture uniformity of subsurface drip irrigation laterals[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 108－114. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015 http://www.tcsae.org

2017-01-03

2017-06-10

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0400202）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(14A520005)。

劉 楊，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士生，助理研究員，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。新鄉(xiāng) 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，453002。Email：ngsliuyang@163.com

※通信作者：黃修橋，男，湖北漢川人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。新鄉(xiāng) 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，453002。Email：huangxq626@126.com