低壓滴灌灌水均勻性研究

白雨薇，羅　坤，周小波，阮紅麗，崔寧博,4，龔　雪，徐書哲

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；3.農(nóng)業(yè)部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066；4.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066)

0　引　言

滴灌是目前各種灌水方法中灌水效率最高、用水量最小的一種灌水技術(shù)。它具有節(jié)水增產(chǎn)、提質(zhì)高效等優(yōu)點(diǎn)，在蘋果、櫻桃、馬鈴薯及玉米等多種糧經(jīng)作物中得到了大面積的應(yīng)用，但目前投資相對較高，制約了滴灌技術(shù)的應(yīng)用和推廣，降低系統(tǒng)工作壓力可以有效降低滴灌工程造價(jià)，因此低壓滴灌是今后灌溉技術(shù)發(fā)展的重要方向[1,2]。

灌水均勻度是衡量滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量和水力設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[3]，其影響因素較多，如滴灌毛管入口壓力，敷設(shè)長度，地形坡度，堵塞情況，水溫變化，灌水器類型、間距、制造偏差等。王建眾等[4]分析了毛管入口壓力對灌水質(zhì)量的影響，得出毛管入口壓力可降到4 m左右。孫亞興等[5]通過測定不同滴灌帶入口壓力、敷設(shè)長度下的滴頭的流量分布及設(shè)計(jì)參數(shù)，指出滴灌帶入口壓力為4～5 m時(shí)，最佳敷設(shè)長度為100 m，灌水器流量為1.2 ～1.4 L/h。李文等[6]分析了低壓條件下滴灌帶不同均勻度計(jì)算指標(biāo)的影響因素及變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)灌水均勻度隨滴灌帶入口壓力和敷設(shè)長度變化而變化，但滴灌帶入口壓力對其變化影響較小。劉煥芳等[7]分析了自壓軟管的水力特性，指出軟管滴頭平均流量隨敷設(shè)長度的增大而降低，亦隨管徑的減小而降低，在滿足流量偏差率要求的前提下，優(yōu)先采用較長的敷設(shè)長度及較小的軟管管徑。馬曉鵬等[8]研究了低壓條件下滴灌帶入口壓力、敷設(shè)長度、地形坡度3個(gè)因素對灌水均勻系數(shù)的影響，得出在低壓條件下灌水均勻系數(shù)隨滴灌帶入口壓力的增大而提高，不同類型滴灌帶灌水均勻度存在顯著差別，當(dāng)?shù)喂鄮Х笤O(shè)坡度從逆坡-1 %到順坡 1%變化時(shí)，灌水均勻度逐漸增大。

張?zhí)炫e等[9]通過測定不同毛管入口壓力和敷設(shè)坡度下滴頭流量分布、水力損失和灌水均勻度，得出增大毛管入口壓力或合理敷設(shè)坡度均可提高灌水均勻度。王霞等[10]以邊縫式滴灌帶和內(nèi)鑲貼片式滴灌帶作為研究對象，分析了不同滴灌帶入口壓力、敷設(shè)長度、敷設(shè)坡度等對灌水均勻度的影響，得出在低壓條件下邊縫式滴灌帶更能滿足灌水要求。仵峰等[11]在2～10 m壓力范圍內(nèi)，對內(nèi)鑲式、微管和補(bǔ)償式3種灌水器進(jìn)行了自由出流試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)鑲式滴頭和微管的流量均隨著壓力的增大而提高，補(bǔ)償式滴頭流量相對穩(wěn)定，但低壓時(shí)流量相對較大。曹建東等[12]通過研究不同管口壓力、灌水器間距和管壁厚度對滴灌帶灌水均勻度影響，指出滴灌帶管末壓力損失和單孔滴水量隨管口壓力的增大而提高，灌水均勻度隨灌水器間距的增大先提高后降低，隨滴灌帶管壁厚度的增大而提高。范興科等[1]和張林等[13]提出可通過適當(dāng)降低灌水器設(shè)計(jì)流量、提高毛管管徑及對地形適當(dāng)分區(qū)來提高低壓滴灌灌水均勻度。

低壓滴灌是一種高效節(jié)能灌水技術(shù)，降低毛管入口壓力可以有效降低滴灌工程造價(jià)，但同時(shí)也降低了滴灌灌水均勻度和灌水質(zhì)量，且目前對毛管入口壓力小于5m情況下的低壓滴灌灌水均勻性研究較少。本研究通過測定不同敷設(shè)長度下毛管入口壓力變化、不同灌水器間距的滴頭流量分布等對滴灌灌水均勻度相關(guān)指標(biāo)的影響，分析各因素對灌水均勻度的影響規(guī)律，尋求低壓滴灌條件下提高灌水均勻度的方法，為低壓滴灌系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)于2017年5月在四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院進(jìn)行，試驗(yàn)用滴灌帶為以色列Netafim公司生產(chǎn)的壓力補(bǔ)償內(nèi)鑲式滴灌帶，滴頭間距為40與50 cm，滴頭流量1.6 L/h，管徑16 mm；滴灌管為壓力補(bǔ)償圓柱式滴灌管，滴頭間距為50 cm，滴頭流量1.0 L/h，管徑16 mm。試驗(yàn)裝置主要由移動(dòng)水源、水箱、壓力調(diào)節(jié)裝置、過濾器和試驗(yàn)材料組成。水箱體積為1 m×1 m×0.9 m，水箱上方設(shè)有進(jìn)水口，水箱下方設(shè)有排水閥，水箱內(nèi)設(shè)有監(jiān)測水量的浮球開關(guān)，水泵出水口末端接壓力傳感器，整個(gè)系統(tǒng)和控制柜連接。試驗(yàn)中通過改變水泵的頻率調(diào)節(jié)揚(yáng)程來滿足試驗(yàn)所需水頭?？刂乒窈蠼舆^濾器，降低堵塞情況對滴頭出流的影響。過濾器后連接干支管，干管和支管采用球閥連接。每個(gè)球閥的布設(shè)間距為20 cm。并制作φ20轉(zhuǎn)化為φ16的寶塔頭來連接球閥和支管。為防止漏水，接口處采用生料帶纏繞，且寶塔頭和毛管連接處使用鐵絲擰緊固定。為了方便試驗(yàn)，毛管將水流引至靠近地面處，與稱量容器同高。

1.2　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要研究滴灌毛管入口壓力、敷設(shè)長度、灌水器間距對灌水均勻度的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)按照每10 m選擇3個(gè)滴頭的原則設(shè)置塑料盒，每次試驗(yàn)進(jìn)行10 min，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)毛管入口壓力小于3 m時(shí)，敷設(shè)長度大于90 m時(shí)，灌水均勻度低于75%，因此設(shè)置最大敷設(shè)長度為90 m。試驗(yàn)首先將3根滴灌毛管的長度同時(shí)設(shè)置為90 m，按照壓力水頭為0.5、1、2、3、4、5 m依次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后稱量每個(gè)塑料盒的重量，計(jì)算試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)滴頭的出水量。每次截取一定長度的滴灌毛管，改變3根滴灌毛管長度重復(fù)上述試驗(yàn)。

1.3　灌水均勻度計(jì)算方法

滴灌灌水均勻度是評價(jià)灌水質(zhì)量優(yōu)劣的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，按微灌工程技術(shù)規(guī)范要求，對已建成的微灌系統(tǒng)宜采用灌水均勻度進(jìn)行灌水均勻性評價(jià)，滴灌工程的灌水均勻度不得低于80%，灌水均勻度一般采用克里斯琴森公式計(jì)算：

表1低壓滴灌灌水均勻度試驗(yàn)設(shè)計(jì)
Tab.1Experimentdesignoflow-pressuredripirrigation

處理編號毛管入口壓力h/m毛管敷設(shè)長度L/m灌水器間距S/cm滴灌管滴灌帶10．5405040/5021505040/5032605040/5043705040/5054805040/5065905040/50

(1)

2　結(jié)果與分析

2.1　毛管入口壓力對灌水均勻度的影響

圖1是毛管入口壓力對灌水均勻度的影響。圖1表明，滴灌管和滴灌帶灌水均勻度均隨毛管入口壓力的增大而提高。滴灌管入口壓力小于2 m時(shí)，灌水均勻度隨毛管入口壓力的減小呈明顯降低趨勢，但灌水均勻度仍高于80%，當(dāng)h=0.5、1 m時(shí)，灌水均勻度分別為81%、84%；當(dāng)毛管入口壓力在2～5 m時(shí)，灌水均勻度隨毛管入口壓力的減小而緩慢降低，灌水均勻度均高于90%，當(dāng)h=2、5 m時(shí)，灌水均勻度分別為93%、95%。滴灌帶入口壓力小于2 m時(shí)，灌水均勻度均低于80%，且隨入口壓力的減小呈明顯降低趨勢，當(dāng)h=0.5、1 m時(shí)，灌水均勻度分別為41%、61%，當(dāng)毛管入口壓力在2～5 m時(shí)，灌水均勻度隨入口壓力的減小而緩慢降低，灌水均勻度均高于85%，當(dāng)h=2、5 m時(shí)，灌水均勻度分別為88%、93%。當(dāng)毛管入口壓力在0.5～5 m時(shí)，滴灌管、滴灌帶的灌水均勻度分別在81%～95%、41%～93%，滴灌管灌水均勻度始終高于滴灌帶，且兩者灌水均勻度差值在2%～40%。當(dāng)入口壓力從0.5 m增大到5 m時(shí)，滴灌管、滴灌帶灌水均勻度的增幅分別為14%、52%，滴灌帶對入口壓力的變化更敏感。因此，為滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滴灌管入口壓力不應(yīng)低于0.5 m，滴灌帶入口壓力不應(yīng)低于2 m。

圖1　毛管入口壓力對灌水均勻度的影響Fig.1 The influence of lateral inlet pressure on irrigation uniformity

2.2　毛管敷設(shè)長度對灌水均勻度的影響

圖2是毛管敷設(shè)長度對灌水均勻度的影響。圖2表明，滴灌管和滴灌帶灌水均勻度均隨敷設(shè)長度的增大而降低。滴灌管敷設(shè)長度在40～70 m時(shí)，灌水均勻度均高于90%，且隨敷設(shè)長度的增大呈緩慢降低趨勢，當(dāng)L=40、70 m時(shí)，灌水均勻度分別為96%、92%；當(dāng)敷設(shè)長度在80～90 m，灌水均勻度分別為85%、77%。滴灌帶敷設(shè)長度在40～70 m時(shí)，灌水均勻度均高于85%，且隨敷設(shè)長度的增大呈緩慢降低趨勢，當(dāng)L=40、70 m時(shí)，灌水均勻度分別為91%、87%；敷設(shè)長度在80～90 m時(shí)，灌水均勻度均低于80%，當(dāng)L=80、90 m時(shí)，灌水均勻度分別為71%、56%。當(dāng)毛管敷設(shè)長度在40～90 m時(shí)，滴灌管、滴灌帶的灌水均勻度分別在77%～96%、59%～91%，滴灌管灌水均勻度始終高于滴灌帶，且兩者灌水均勻度差值在4%～18%。當(dāng)敷設(shè)長度從40 m增大到90 m時(shí)，滴灌管、滴灌帶灌水均勻度的差值分別為19%、32%，滴灌帶對敷設(shè)長度的變化更敏感。當(dāng)?shù)喂喙躄=80、90 m時(shí)，灌水均勻度分別為85%、77%，滴灌帶L=70、80 m時(shí)，灌水均勻度分別為87%、71%，因此，當(dāng)?shù)喂喙芊笤O(shè)長度延長至85 m，滴灌帶敷設(shè)長度延長至75 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%。

圖2　毛管敷設(shè)長度對灌水均勻度的影響Fig.2 The influence of lateral length on irrigation uniformity

2.3　灌水器間距對灌水均勻度的影響

圖3是滴灌帶入口壓力對灌水均勻度的影響。圖3表明，當(dāng)灌水器間距S=40、50 cm時(shí)，灌水均勻度均隨滴灌帶入口壓力的減小而降低。當(dāng)?shù)喂鄮肟趬毫π∮? m時(shí)，S=40、50 cm的灌水均勻度均低于80%，且隨入口壓力的減小呈明顯降低趨勢；當(dāng)h=0.5 m時(shí)，灌水均勻度分別為58%、50%；當(dāng)h=1 m時(shí)，灌水均勻度分別為76%、65%；當(dāng)?shù)喂鄮肟趬毫υ?～5 m時(shí)，S=40、50 cm的灌水均勻度均高于90%，且隨入口壓力的減小而緩慢降低，當(dāng)h=2 m時(shí)，灌水均勻度分別為95%、90%，當(dāng)h=5 m時(shí)，灌水均勻度分別為97%、92%。當(dāng)?shù)喂鄮肟趬毫υ?.5～5 m時(shí)，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度分別在58%～97%、50%～92%，S=40 cm的灌水均勻度始終高于S=50 cm，且兩者灌水均勻度的差值在4%～11%。當(dāng)?shù)喂鄮肟趬毫?.5 m增大到5 m時(shí)，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度增幅分別為39%、42%，灌水器間距S=50 cm對毛管入口壓力的變化更敏感。灌水器間距S=40 cm在h=2、1 m時(shí)，灌水均勻度分別為95%、76%，灌水器間距S=50 cm在h=2、1 m時(shí)，灌水均勻度分別為90%、65%，因此當(dāng)?shù)喂鄮Ч嗨鏖g距S=40、50 cm的入口壓力分別降至1.3、1.6 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%。

圖4是滴灌帶敷設(shè)長度對灌水均勻度的影響。圖4表明，當(dāng)灌水器間距S=40、50 cm時(shí)，灌水均勻度均隨滴灌帶敷設(shè)長度的增大而降低。當(dāng)敷設(shè)長度在40～70 m時(shí)，S=40、50 cm的灌水均勻度均高于90%，當(dāng)L=40 m時(shí)，灌水均勻度分別為98%、94%，當(dāng)L=70 m時(shí)，灌水均勻度分別為93%、90%；當(dāng)敷設(shè)長度在80～90 m時(shí)，S=40、50 cm的灌水均勻度均高于85%，當(dāng)L=80 m時(shí)，灌水均勻度分別為89%、87%；當(dāng)L=90 m時(shí)，灌水均勻度分別為87%、85%。當(dāng)?shù)喂鄮Х笤O(shè)長度在40～90 m時(shí)，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度在87%～98%、85%～94%，S=40 cm的灌水均勻度始終高于S=50 cm，且兩者灌水均勻度差值在2%～4%。當(dāng)敷設(shè)長度從40 m增大到90 m時(shí)，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度差值為11%、9%，灌水器間距S=40 cm對敷設(shè)長度的變化更敏感。灌水器間距S=40、50 cm在L=90 m時(shí)，灌水均勻度均高于85%，因此，當(dāng)?shù)喂鄮Ч嗨鏖g距S=40、50 cm的敷設(shè)長度延長至110 m，灌水均勻度仍高于80%。

圖3　滴灌帶入口壓力對灌水均勻度的影響Fig.3 The influence of drip irrigation tape inlet pressure on irrigation uniformity

圖4　滴灌帶敷設(shè)長度對灌水均勻度的影響Fig.4 The influence of drip irrigation tape laying length on irrigation uniformity

3　結(jié)　論

(1)低壓滴灌條件下，灌水均勻度隨毛管入口壓力的增大而提高，滴灌管灌水均勻度均高于滴灌帶，且滴灌帶對入口壓力的變化更敏感。滴灌管入口壓力在0.5～5 m時(shí)，減小毛管入口壓力對灌水均勻度的影響較小，故毛管入口壓力不應(yīng)低于0.5 m，灌水均勻度均高于80%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；滴灌帶入口壓力在2～5 m時(shí)，灌水均勻度高于80%，當(dāng)入口壓力在0.5～1 m時(shí)，灌水均勻度顯著降低，均低于80%，故毛管入口壓力不應(yīng)低于2 m。

(2)低壓滴灌條件下，灌水均勻度隨毛管敷設(shè)長度的減小而提高，滴灌管灌水均勻度均高于滴灌帶，且滴灌帶對敷設(shè)長度的變化更敏感。滴灌管在L=80、90 m時(shí)，灌水均勻度分別為85%、77%，當(dāng)L=85 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故滴灌管敷設(shè)長度可以延長至85 m；滴灌帶在L=70、80 m時(shí)，灌水均勻度分別為87%、71%，當(dāng)L=75 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故滴灌帶敷設(shè)長度可延長至75 m。

(3)低壓滴灌條件下，灌水均勻度隨滴灌帶灌水器間距的減小而提高。灌水器間距S=40 cm在h=2、1 m時(shí)，灌水均勻度分別為95%、76%，當(dāng)h=1.6 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%，灌水器間距S=50 cm在h=2、1 m時(shí)，灌水均勻度分別為90%、65%，當(dāng)h=1.3 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%，因此滴灌帶灌水器間距S=40、50 cm的入口壓力可分別降至1.6、1.3 m。灌水器間距S=40 cm、S=50 cm在L=90 m時(shí)，灌水均勻度均高于85%，因此，當(dāng)?shù)喂鄮Ч嗨鏖g距S=40 cm、S=50 cm的敷設(shè)長度延長至110 m時(shí)，灌水均勻度仍高于80%。

(4)本文僅研究了平坡條件下不同毛管入口壓力、敷設(shè)長度、灌水器間距對灌水均勻度的影響，且試驗(yàn)采用的滴灌毛管種類和灌水器間距有限，其相關(guān)關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。

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