一種新型灌水器滲灌管出水均勻度試驗(yàn)
----毛細(xì)透排水帶

王 霞 玲

(青海省水利水電科學(xué)研究所(青海省水利水電科技發(fā)展有限公司)，青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，西寧 810001)

1　新型灌水器滲灌技術(shù)概述

滲灌是繼噴灌、滴灌之后的又一先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)。其特點(diǎn)是將滲灌管直接埋于作物根系活動(dòng)層，根據(jù)作物需水量向土壤中滲水直接供給作物，采用滲灌技術(shù)灌溉，不僅可以保持土壤的疏松狀態(tài)，保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)不被破壞，灌溉區(qū)域土壤表面不會(huì)產(chǎn)生板結(jié)，而且水面蒸發(fā)小，管道埋在地下，占地量小，滲灌系統(tǒng)壓力小，有省水、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，但由于滲灌管埋于地下，受作物根系向水性等因素的影響，防堵性能差，極易堵塞[1]。而由四川威銓工程材料有限公司會(huì)同國(guó)內(nèi)多家科研、院校、設(shè)計(jì)單位以及多位權(quán)威專家人士研究和開發(fā)的“毛細(xì)透排水帶·管”，是目前成功應(yīng)用于公路、鐵路、隧道橋梁、地鐵工程、擋土邊坡等領(lǐng)域的排水材料。由于其獨(dú)特的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和巧妙地利用了自然界的“重力”和“毛細(xì)吸力”，該排水帶具有很好的抗堵塞優(yōu)勢(shì)。本研究是將該材料作為灌水器應(yīng)用到滲灌系統(tǒng)中，以“排水帶”作為灌水器的滲灌與傳統(tǒng)滴灌和滲灌相比具有一定的優(yōu)勢(shì)：

(1)直接將植物所需水分及營(yíng)養(yǎng)液滲灌于植物根系層，避免了地表滴灌方式所造成的灌溉水及營(yíng)養(yǎng)液地表徑流損耗、滲透損耗和大量的蒸發(fā)散盡損耗。

(2)高效省水，灌水器出水為點(diǎn)出水，土壤濕潤(rùn)區(qū)中心和作物根系中心很接近甚至是重合，棵間土壤中濕潤(rùn)區(qū)不連續(xù)，即使連續(xù)其含水量也較傳統(tǒng)滲灌要小。

(3)系統(tǒng)所需壓力很小，具有節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。

(4)由于排水帶結(jié)構(gòu)的特殊性，其抗堵性能很好。

2　試驗(yàn)材料與方法

2.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用灌水器為四川威銓工程材料有限公司生產(chǎn)的毛細(xì)透排水帶，試驗(yàn)用排數(shù)帶為3流道，截面形狀為矩形，長(zhǎng)寬厚分別為10 cm、5 mm和2 mm，帶體為白色，外壁較硬，內(nèi)部有孔槽相接形成的內(nèi)大外小“Ω”結(jié)構(gòu)，見圖1。滲灌管外徑為32mm，每單條滲灌管長(zhǎng)1 m，共4條，每條上每隔30 cm安裝1個(gè)灌水器，由四川威銓工程材料有限公司生產(chǎn)。大田所用輸水支管為PVC管，管徑為50 mm，滲灌管外徑為32 mm。

圖1　灌水器結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)1-毛細(xì)現(xiàn)象：將水流倒吸進(jìn)入毛細(xì)導(dǎo)管內(nèi)；2-表面張力：防止水流回漏；3-虹吸力：具有抽吸作用，增進(jìn)排水效率；4-重力現(xiàn)象：產(chǎn)生水土分離效果

室內(nèi)試驗(yàn)用的水頭壓力水箱是由硬質(zhì)塑料自主制作而成的，水箱形狀為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)、寬、高分別為45、35、30 cm，塑料板厚度約為2.5 mm。水箱出水管，即滲灌系統(tǒng)中的主管是外徑為50 mm、壁厚為0.2 mm的UPVC管，由成都川路塑料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度為1 m，其上安裝有1個(gè)供水控制總閥。主管上可連接3條毛管，即滲灌管。田間水源為試驗(yàn)地附近的機(jī)井。

另外室內(nèi)試驗(yàn)有滲灌管接頭4個(gè)，1 000 mL的錐形瓶12個(gè)，250 mL的燒杯和100 mL的三角瓶若干，1 000、100、50 mL的量筒各1個(gè)，管堵4個(gè)。

2.2　試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)是采用室內(nèi)試驗(yàn)和大田試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，管路未埋入土壤中時(shí)，測(cè)量每單個(gè)灌水器的出水量，利用均勻度公式計(jì)算出滲灌管的出水均勻度。室內(nèi)試驗(yàn)的具體步驟如下。

(1)收取四川威銓工程材料有限公司寄來的試驗(yàn)設(shè)備。

(2)管路連接。首先將毛管和主管用U-PVC膠黏好，確保連接處不漏水不漏氣，然后根據(jù)不同試驗(yàn)方案將滲灌管用接頭接好，每條滲灌管上有3條排水帶，即有3個(gè)灌水器。

(3)測(cè)各灌水器出水量。試驗(yàn)開始，將水源打開，使水箱內(nèi)的水位高度達(dá)到試驗(yàn)方案所定高度。箱內(nèi)水位恒定時(shí)，開始試驗(yàn)，過設(shè)定時(shí)間后，用量筒測(cè)各個(gè)錐形瓶(燒杯、三角瓶)中的水量，各個(gè)錐形瓶(燒杯、三角瓶)中的水量為滲灌管各灌水器的出水量。

(4)整理及計(jì)算。利用均勻度公示計(jì)算：

式中：Cu為滲灌管出水均勻度；qi為一定時(shí)間內(nèi)，滲灌管點(diǎn)源(灌水器)出水量，mL；q為一定時(shí)間內(nèi)，滲灌管各個(gè)點(diǎn)源(灌水器)的平均出水量，mL；n為滲灌管出水點(diǎn)源(灌水器)總個(gè)數(shù)。

大田試驗(yàn)是以3個(gè)不同灌水量作為試驗(yàn)因素，以1～2年生黑枸杞植株為供試作物。記錄每完成一個(gè)水平的灌水量所需要的時(shí)間，分析灌水速率的變化。試驗(yàn)地位于青海省都蘭縣香日德鎮(zhèn)小夏灘試驗(yàn)地，試驗(yàn)地土壤為風(fēng)沙土(沙壤土)，其田間持水量為21.23%，土壤容重為1.65，化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1　試驗(yàn)土壤的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)(結(jié)果)分析及討論

3.1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果分別見圖2-圖4及表2-表5。

圖2　不同水頭下的出水量

圖3　不同水頭和毛管離出水口距離下的出水量

圖4　不同時(shí)間下的出水量

處理水頭/m均勻度(平均值)處理10．10．808715處理20．150．893429處理30．250．895868

表3　不同水頭和毛管離出水口距離下滲灌管的出水均勻度

表4　不同時(shí)間下滲灌管的出水均勻度及總出水量

表5　不同處理下的灌水速率

3.2　分析與討論

灌水均勻程度是完成灌溉水轉(zhuǎn)化為土壤水分后，土壤水分在空間分布的均勻程度，是衡量灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一。一般而言，灌水均勻程度越高，灌水質(zhì)量越好，灌水的節(jié)水增產(chǎn)效果就越明顯，反之，灌水均勻度越差，灌水質(zhì)量越低，灌水的節(jié)水增產(chǎn)效果就越差。而滲灌系統(tǒng)的灌水均勻程度很大程度上是由滲灌管的出水均勻程度決定的[2]。

本次試驗(yàn)首先通過室內(nèi)不覆土試驗(yàn)，對(duì)以“排水帶”作為灌水器的滲灌管在不同因素下的出水量和出水均勻度進(jìn)行初步研究，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果分析如下。

(1)對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，供水高度越高，灌水器單位出水量越大，反之越小；每1m長(zhǎng)的滲灌管上，最中間灌水器出水量較兩端的出水量要高，各滲灌管最首端和最末端的出水量較小；灌水器離出水口越遠(yuǎn)，出水量越大；水頭越大，滲灌管的出水均勻度也越高。

(2)毛管距離供水池出水口越遠(yuǎn)，出水量越小，但在毛管末端，出水量幾乎相同；水頭越大，這種差異越明顯，當(dāng)水頭小于等于0.15 m時(shí)，隨著毛管長(zhǎng)度的增加，這種差異越來越不明顯。即隨著滲灌管長(zhǎng)度的增加，滲灌管到供水池出水口的距離有可能不再是影響出水量的主要因素。

(3)水頭為0.15 m、毛管距離供水池出水口的距離為50 cm時(shí)，滲灌管的出水均勻度最好，可達(dá)0.94；當(dāng)水頭小于等于0.15 m時(shí)，隨著距離的增大，滲灌管出水均勻度減小，當(dāng)供水高度等于0.25 m時(shí)，隨著距離的增大，滲灌管出水均勻度增大。

(4)對(duì)于室內(nèi)不覆土試驗(yàn)結(jié)果，滲灌管總出水量與時(shí)間不成線性關(guān)系。如5 min時(shí)為4 602.67 mL，10 min時(shí)為8 812.333 mL，20 min時(shí)為16 077.67 mL。出水流量分別為920.53、881.23和803.88 mL/min，這種非線性的原因在于出水流量的不穩(wěn)定，這可能是由排水帶與滲灌管接口的密合性不好造成的。

(5)壓力水頭對(duì)滲灌管出水量影響明顯。水頭從0.1 m增至0.15 m時(shí)，滲灌管的出水量由2 183.67 ml增加到3 689.33 mL，水頭從0.15 m增至0.25 m時(shí)，滲灌管的出水量由3 689.33 mL增加到5 429 mL。

(6)壓力水頭對(duì)滲灌管的出水均勻度影響也明顯。水頭為0.1 m時(shí)，出水均勻度為0.81，水頭為0.15 m時(shí)，出水均勻度為0.89，水頭為0.25 m時(shí)，出水均勻度為0.90。

(7)供水時(shí)間對(duì)滲灌管的出水均勻度影響也明顯，隨著供水時(shí)間的延長(zhǎng)，滲灌管的出水均勻度降低。時(shí)間為5 min時(shí)，出水均勻度為0.947，時(shí)間為10 min時(shí)，出水均勻度為0.945，時(shí)間為20 min時(shí)，出水均勻度為0.938。

(8)滲灌管出水均勻度和供水高度和滲灌管離出水口的距離都有關(guān)系，大水頭對(duì)應(yīng)大距離，小水頭對(duì)應(yīng)小距離時(shí)，出水均勻度較高。

(9)對(duì)于大田試驗(yàn)，隨著灌水量的增加，灌水速率先增大后減小。這可能與大田土壤對(duì)水分的需求及吸收情況不同有關(guān)。故每次灌水時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

(10)排氣不暢和擺放不平會(huì)引起毛管最末端的排水帶出水較少，影響整條滲灌管的出水均勻度，因此在田間灌溉時(shí)，應(yīng)對(duì)滲灌管路系統(tǒng)采取一定的排氣措施，并盡量安放平整。

4　結(jié)論及展望

4.1　結(jié)　論

通過以上對(duì)以“排水帶”作為灌水器的滲灌管的室內(nèi)和大田試驗(yàn)，對(duì)滲灌管的出水均勻度及在大田中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析討論，可以得到以下結(jié)論。

(1)同樣時(shí)間“排水帶”的出水量明顯大于傳統(tǒng)的滲灌和滴灌灌水器的出水量，這可以提高灌溉效率，節(jié)省灌溉時(shí)間及能源。

(2)以“排水帶”為灌水器的滲灌管的出水均勻度基本都在0.8以上，出水效果好；且隨著供水水頭的增大(一定范圍內(nèi))，均勻度升高，隨著滲灌管距供水口距離的增大、供水時(shí)間的延長(zhǎng)，均勻度降低。

(3)各滲灌管最末端的灌水器出水量都較小，影響整條滲灌管的均勻度。引起這種現(xiàn)象的原因是排氣不暢和擺放不水平所致。

(4)滲灌管總出水量與時(shí)間不成線性關(guān)系。

(5)對(duì)于大田試驗(yàn)，隨著灌水量的增加，灌水速率先增大后減小。

4.2　展　望

滲灌是目前較為成熟的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，但傳統(tǒng)的滲灌其抗堵塞能力較差，以“排水帶”作為傳統(tǒng)滲灌系統(tǒng)的灌水器，在保證灌溉均勻度的情況下發(fā)揮其良好的抗堵性能，具有較好的研究前景。對(duì)于該技術(shù)的研究，還有許多工作需要進(jìn)行彌補(bǔ)和做進(jìn)一步的探討。

(1)毛管中壓力的控制研究。

(2)出水均勻度和供水水頭的函數(shù)關(guān)系研究。

(3)毛細(xì)節(jié)水滲灌技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)影響的研究。

(4)該滲灌條件下的作物需水量、節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)與灌溉制度研究。

(5)滲灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論研究。

(6)滲灌的灌溉施肥與環(huán)境效應(yīng)研究等等。

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