基于灌水均勻度的溫室自流式低壓滴灌設(shè)計(jì)方法研究

王紅 郭巍 郭金雨 郭輝 趙程銘 羅金梅

摘要 溫室滴灌技術(shù)應(yīng)用廣泛，但現(xiàn)有的低壓滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍不完善，灌水均勻度難以保證。本文通過對溫室大棚中低壓滴灌灌水均勻度和出水量進(jìn)行試驗(yàn)研究，以水頭高度、支管和毛管的排布方式及毛管的數(shù)量、長度為參數(shù)，分析灌水均勻度和出水量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，毛管長度越長、數(shù)量越多，灌水均勻度越??；當(dāng)控制其他參數(shù)不變時(shí)，隨著水箱水頭高度下降，支管、毛管逐漸被水充滿，灌水均勻度和出水量逐漸增大；當(dāng)灌水面積相同時(shí)，毛管沿支管集中分布較發(fā)散分布灌水均勻度更高。可通過適當(dāng)調(diào)整支管和毛管的排布方式，改變水頭高度和毛管數(shù)量、長度來保證灌水質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)論為確定符合作物生長的最優(yōu)低壓滴灌系統(tǒng)布置方案提供參考。

關(guān)鍵詞 低壓滴灌；灌水均勻度；水頭高度；毛管數(shù)量；排布方式

中圖分類號 S625.5+8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）21-0157-04

Study on Design Method of Self-flow Low-pressure Drip Irrigation in Greenhouse Based on Irrigation Uniformity

WANG Hong GUO Wei * GUO Jin-yu GUO Hui ZHAO Cheng-ming LUO Jin-mei

（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing Heilongjiang 163319）

Abstract The greenhouse drip irrigation technology is widely used.The design of the existing low-pressure drip irrigation system is still not perfect，and the uniformity of irrigation is difficult to guarantee.In this paper，through the experimental study on the uniformity and water output of low-pressure drip irrigation in greenhouse，the variation of irrigation uniformity and water output was analyzed by the height of head，the arrangement of branch pipe and capillary and the number and length of capillary.The results showed that the longer and the more of the capillary，the smaller the uniformity of irrigation.When other parameters were kept unchanged，with the water head height of the water tank falling，the branch pipe was filled with water gradually，the irrigation uniformity and water output increased gradually.When the irrigation area was the same，the centralized distribution of the capillary along the branch was more uniform than the divergent distribution of irrigation.The quality of irrigation could be guaranteed by adjusting the arrangement of the branch pipe and the capillary tube，changing the height of the water head and the number of capillary tubes approp-riately.The test conclusions provided references for determining the optimal low-pressure drip irrigation system layout scheme in line with crop growth.

Key words low-pressure drip irrigation；uniformity of irrigation；head height；number of capillary tube；arrangement

近年來，我國人均水資源匱乏，受水資源緊缺的影響，滴灌系統(tǒng)一經(jīng)提出，其節(jié)水節(jié)能效果就得到廣泛認(rèn)可。目前，滴灌是微灌等各種灌水方法中用水量最省、灌水效率最高的一種[1-2]，被廣泛應(yīng)用于果樹、蔬菜、花卉、苗圃等灌溉中。低壓滴灌系統(tǒng)是滴頭設(shè)計(jì)水頭取值為50 kPa（即5 m）的滴灌系統(tǒng)，既能滿足灌溉要求，又沒有能量浪費(fèi)或閑置[3-4]。低壓滴灌技術(shù)通過蓄水池水面高度落差產(chǎn)生壓力使水緩慢滴入作物根部，是一種高效節(jié)能型灌水技術(shù)，采用低壓滴灌不僅可以減少灌溉系統(tǒng)的建設(shè)成本，而且可以降低運(yùn)行成本，因而低壓滴灌是滴灌技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨向[5]。灌水均勻度是衡量滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6]，影響灌水均勻度的因素有很多，張 林等[5]通過試驗(yàn)提出，毛管長度和毛管管徑對灌水均勻度具有一定影響。本試驗(yàn)在溫室自流式低壓滴灌條件下，通過改變初始水位、調(diào)控水壓力，研究毛管的長度和數(shù)量對灌溉均勻度的影響，分析不同試驗(yàn)組數(shù)據(jù)得出滴灌系統(tǒng)的多孔出水規(guī)律，在灌水均勻度的基礎(chǔ)上形成適于溫室自流式低壓滴灌的搭配方式，同時(shí)為溫室低壓滴灌技術(shù)應(yīng)用推廣提供重要參考。在低壓條件下，研究滿足灌水均勻度要求的最佳灌溉區(qū)域成為研究探討的核心問題。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)水科學(xué)與水應(yīng)用實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行。選用萊蕪市沐源節(jié)水設(shè)備有限公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，主要技術(shù)參數(shù)為：滴孔間距為30 cm，滴灌管內(nèi)徑16 mm、壁厚0.2 mm，輸水帶內(nèi)徑50 mm、壁厚1 mm。

試驗(yàn)裝置如圖1所示。該試驗(yàn)裝置主要由1.5 m3水箱（底面直徑1.2 m，高2.0 m）、輸水帶（支管）、滴灌帶（毛管）、總流量調(diào)節(jié)閥以及球閥閥門開關(guān)等部件組成。測量所用儀器包括米尺、取水器、量筒（100 mL）、秒表等。

本試驗(yàn)旨在研究溫室自流式低壓滴灌的設(shè)計(jì)方法，故在試驗(yàn)中應(yīng)考慮大棚尺寸、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)用性以及起壟方式等因素。故本試驗(yàn)研究水頭為2～3 m、毛管長度為5 m和10 m條件下A、B、C、D 4個(gè)灌水區(qū)域的均勻度情況。支管有效使用長度為60 m，毛管間距為0.5 m，單側(cè)為121根毛管，以支管30 m處為分界點(diǎn)，將灌溉區(qū)域劃分為A、B、C、D 4個(gè)灌水區(qū)，每個(gè)灌水區(qū)取7根毛管并測量其出水量，以A區(qū)為例，取區(qū)域內(nèi)編號為1、11、21、31、41、51和61的7根毛管（后文中簡稱為測管）。每根測管分別取等分點(diǎn)及首尾處滴孔測量，其中5 m毛管取3個(gè)取水點(diǎn)，10 m毛管取4個(gè)取水點(diǎn)。

試驗(yàn)的測量方法為測量相應(yīng)測管對應(yīng)取水點(diǎn)2 min內(nèi)的出水量，計(jì)算出水速率、單根毛管灌水均勻度及區(qū)域灌水均勻度。試驗(yàn)方案如表1所示，共設(shè)7個(gè)試驗(yàn)組，每組試驗(yàn)分別測量3個(gè)水頭高度對應(yīng)區(qū)域內(nèi)測管出水量。進(jìn)行每組試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)對應(yīng)灌水區(qū)外其他區(qū)域的毛管均處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 灌水均勻度計(jì)算公式

滴灌灌水均勻度采用美國克里斯秦森（Christiansen）均勻系數(shù)Cu[7]來表示：

式中：Cu—灌水均勻度；q—灌水器平均流量，L/h；qi—第i個(gè)灌水器流量，L/h；n—灌水器數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水頭高度對灌水均勻度和出水量的影響

取A區(qū)為灌水區(qū)域。根據(jù)不同水頭高度下各測點(diǎn)的出水量，繪制圖2、3、4，并根據(jù)克里斯秦森公式計(jì)算其相應(yīng)毛管的灌水均勻度和A區(qū)整體的灌水均勻度，繪制表2。通過分析發(fā)現(xiàn)，水頭高度在3.0 m時(shí)，每根毛管上各測點(diǎn)的出水量有極大差別，灌水均勻度極低，且每根毛管的后半段灌水均勻度呈上升趨勢。由表2可知，在毛管被水完全充滿之前，毛管的灌水均勻度與其到水箱的距離有關(guān)，毛管離水箱越遠(yuǎn)，灌水均勻度越高；離水箱越近，灌水均勻度越低。隨著水位下降，水頭高度在2.7 m時(shí)，毛管被完全充滿，則每根毛管上各測點(diǎn)的出水量較高，且出水量變化小，出水量差值基本保持在 ±5 mL；當(dāng)水頭高度在2.5 m時(shí)，每根毛管上出水量均較小，但是灌水均勻度一直保持在較高的狀態(tài)。由此可以推斷，支管和毛管末端先被充滿，隨著水位下降，逐漸向前推進(jìn)，最終整體被填滿。這是由于開始時(shí)水頭較高，壓力較大，支管內(nèi)流速較大，在支管、毛管接口處只有小部分水進(jìn)入毛管內(nèi)，而進(jìn)入毛管內(nèi)的水由于速度過大，首先會在毛管末端形成積水，故毛管后半段灌水均勻度呈上升趨勢。由此可以得出，在開始灌水時(shí)，距離水箱越遠(yuǎn)位置的毛管，灌水均勻度越高；隨著水位下降，支管、毛管內(nèi)被水充滿，各個(gè)毛管灌水均勻度開始上升，達(dá)到最大值后，水位下降對毛管灌水均勻度的影響較小。

2.2 排布方式對出水量及灌水均勻度的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算A、B區(qū)同時(shí)進(jìn)行滴灌與A、C區(qū)同時(shí)進(jìn)行滴灌的整體均勻度如表3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A、B區(qū)同時(shí)進(jìn)行灌水時(shí)，在任一水頭高度下，整個(gè)區(qū)域的灌水均勻度都沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的灌水均勻度85%的灌溉要求[7]；A、C區(qū)同時(shí)進(jìn)行滴灌時(shí)，在任一水頭高度下，整個(gè)區(qū)域的灌水均勻度都達(dá)到了規(guī)范規(guī)定的灌水均勻度85%的灌溉要求。選取灌水均勻度均較高的水頭2.7 m時(shí)的出水量進(jìn)行分析并繪制圖5、6，發(fā)現(xiàn)A、B區(qū)的出水量集中在10～50 mL之間，A、C區(qū)集中在40～65 mL之間?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論，當(dāng)?shù)喂嗝娣e相同時(shí)（即同時(shí)滴灌的毛管數(shù)量相同時(shí)），雙側(cè)毛管分布的灌水均勻度和出水量均較高，單側(cè)毛管分布的灌水均勻度和出水量均較低。由此可以推斷，排布方式對滴灌出水量和均勻度的影響較大，當(dāng)?shù)喂嗝娣e相同時(shí)，毛管沿支管集中分布比發(fā)散分布的情況更滿足灌溉要求。

2.3 毛管數(shù)量對出水量及灌水均勻度的影響

通過表4中A、C區(qū)同時(shí)灌水與僅A區(qū)灌水時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)對比情況，分析毛管數(shù)量對同一段支管的出水量和均勻度的影響，在相同的初始水頭高度以及相同的測量時(shí)間內(nèi)，由出水量的對比發(fā)現(xiàn)，A、C區(qū)同時(shí)灌水的出水量較多（由于A、C區(qū)是雙側(cè)同時(shí)進(jìn)行灌水，出水量情況接近，故圖6中僅為單側(cè)測點(diǎn)出水量，總出水量為雙倍單側(cè)測點(diǎn)出水量）；在相同水頭高度情況下，僅A區(qū)灌水時(shí)，灌水均勻度較高，出水量較低；A、C區(qū)同時(shí)灌水時(shí)，出水量較高，灌水均勻度較低。

當(dāng)水頭高度在2.7～2.5 m之間時(shí)，僅A區(qū)灌水的灌水均勻度沒有發(fā)生大變化，但出水量隨著水頭水位下降而減小，說明支管、毛管內(nèi)已經(jīng)被水充滿（即灌水均勻度最高），灌水均勻度不會隨著水位下降而發(fā)生大變化，僅有出水量隨水頭水位下降（引起的壓強(qiáng)減?。┒陆?；分析A、C區(qū)同時(shí)灌水發(fā)現(xiàn)，灌水均勻度隨著水位下降而減小，但出水量增加，說明水頭在2.7～2.5 m水位之間時(shí)毛管、支管被完全充滿過，灌水均勻度呈先增大后減小的狀態(tài)。由此推斷，在支管毛管被完全充滿之前，出水量越大灌水均勻度越高；在支管毛管被完全充滿之后，灌水均勻度隨著水頭水位的下降變化不大，僅出水量減小。由此得出結(jié)論，相同一段支管，在灌水均勻度均達(dá)到最大值后，其出水量和灌水均勻度十分接近，且均滿足作物對灌溉質(zhì)量的要求，考慮到經(jīng)濟(jì)因素的影響，同一段支管，雙側(cè)毛管灌水方式更適宜被推廣。

2.4 毛管長度對出水量及灌水均勻度的影響

對灌水A區(qū)5 m毛管和10 m毛管的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表5所示。張 林等[8]提出，毛管鋪設(shè)長度越長，灌水均勻度越低；毛管鋪設(shè)長度越短，灌水均勻度越高，與本試驗(yàn)結(jié)論一致。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在不同水頭高度下，毛管長度10 m時(shí)，選中測量的任何一根毛管或者整個(gè)區(qū)域的灌水均勻度均較低，而5 m毛管的灌水均勻度均較高。因此，在符合大棚規(guī)模的條件下毛管長度不宜過長。

3 結(jié)論

（1）在滴灌開始水頭較高時(shí)，支管末端位置毛管灌水均勻度較支管前端毛管灌水均勻度高。

（2）毛管在被充滿時(shí)，出水量最多，灌水均勻度最佳；隨著水頭降低，出水量減少，灌水均勻度不會發(fā)生明顯變化。

（3）在毛管數(shù)量、灌水面積相同，毛管布置方式、支管長度不同的情況下，沿支管集中分布雙側(cè)毛管較沿支管分散分布單側(cè)毛管灌水均勻度高。當(dāng)支管長度相同，單側(cè)毛管較雙側(cè)毛管灌水均勻度高。灌水均勻度與毛管長度有關(guān)，毛管越長，灌水均勻度越低。

（4）在溫室大棚中，從水源、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟(jì)狀況方面考慮，若水箱僅能在一側(cè)建設(shè)，可設(shè)支管長度60 m、雙側(cè)毛管5 m，為滿足農(nóng)作物對灌水質(zhì)量的要求，采取前30 m和后30 m分區(qū)灌溉，但灌水時(shí)間較長；若條件允許可將水箱設(shè)在兩側(cè)，分別設(shè)支管長度30 m、雙側(cè)毛管5 m，這種方式灌水質(zhì)量有所保證，且用時(shí)較短。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 孫永勝，張新燕，尹京川.低壓微灌多孔軟管水力特性試驗(yàn)研究[J].節(jié)水灌溉，2012（3）：10-13.

[2] 王宏，李援農(nóng)，洪明，等.低壓滴灌小孔出流孔前壓力變化研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（2）：174-178..

[3] 牛文全，吳普特，范興科，等.低壓滴灌系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉，2005（2）：29-32.

[4] 范興科.低壓滴灌及其優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿C]//中國節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究與實(shí)踐.北京：中國農(nóng)業(yè)科技技術(shù)出版社，2006：469-471.

[5] 張林，吳普特，范興科，等.低壓滴灌灌水均勻度試驗(yàn)研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（12）：207-212.

[6] 羅春艷.滴灌灌水均勻度影響因素及計(jì)算方法[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[7] 微灌工程技術(shù)規(guī)范：GBT 50485-2009[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[8] 張林，范興科，吳樸特.低壓條件下滴灌灌水均勻度試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2008（10）：22-24.