低壓地下與地表滴灌滴灌帶水力性能對(duì)比試驗(yàn)

劉 楊，黃修橋※，李金山，孫秀路，于紅斌

（1. 中國(guó)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) 453003；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）

0 引 言

滴灌技術(shù)的主要特點(diǎn)是節(jié)水高效，但較高的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用制約了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。低壓地下滴灌與常規(guī)滴灌相比具有使用成本低、水肥利用率高的特點(diǎn)，能夠最大限度地挖掘滴灌技術(shù)節(jié)水、增效的潛力。目前，針對(duì)低壓滴灌和地下滴灌這兩種單一技術(shù)措施的研究較多，將二者結(jié)合應(yīng)用大田的研究較少。低壓滴灌是指灌水器的設(shè)計(jì)工作壓力小于5 m并能滿足系統(tǒng)要求[1]，常壓滴灌是指灌水器的設(shè)計(jì)工作壓力在10 m左右。降低運(yùn)行壓力可以降低系統(tǒng)的成本和運(yùn)行費(fèi)用[2]，為降低系統(tǒng)的工作壓力，以色列的Gideon G G1985年提出重力滴灌的概念[3]，受重力滴灌啟發(fā)，中國(guó)學(xué)者提出低壓滴灌系統(tǒng)[4-6]，針對(duì)該技術(shù)的技術(shù)要素[4]、典型設(shè)計(jì)方案[5]、研究重點(diǎn)內(nèi)容[2]及滴頭、系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭的取值依據(jù)[7-8]進(jìn)行了相關(guān)研究，研究表明低壓滴灌技術(shù)可行，并在棚室生產(chǎn)中取得較好效果，但在大田中應(yīng)用的研究較少。國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)低壓條件下毛管的水頭損失規(guī)律[9-10]與均勻度的影響因素[11-13]進(jìn)行研究，但低壓條件下毛管埋入土壤后水力性能變化規(guī)律并不明確。眾多學(xué)者從不同方向?qū)嗨髀袢氲叵潞蟮某隽饕?guī)律進(jìn)行了研究，Warrick A W，Shani U等發(fā)現(xiàn)地下灌水器出口的正壓導(dǎo)致其流量比地表灌水器減少10%～50%[14-15]。Gil等[16]、王曉愚等[17]通過(guò)稱重法研究表明地下灌水器流量在穩(wěn)定時(shí)比地表灌水器流量減少5%～20%。仵峰等[18]，范王濤等[19]研究了初始流量和土壤特性對(duì)地下灌水器出流規(guī)律的影響，國(guó)外學(xué)者從土壤導(dǎo)水率角度研究土壤對(duì)地下灌水器出流量的影響規(guī)律[20-21]，還有從使用年限對(duì)毛管流量的影響[22]，土壤壓力對(duì)管網(wǎng)水力性能的影響[23]進(jìn)行研究，這些地下灌水器和毛管流量的變化規(guī)律是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或常規(guī)壓力條件下得出的，是否適用于大田中的低壓地下滴灌還有待證實(shí)。現(xiàn)有資料不能明確大田中低壓地下滴灌毛管的流量、壓力、水頭損失與管網(wǎng)均勻度的變化規(guī)律，基礎(chǔ)研究的欠缺制約了該技術(shù)的發(fā)展。

為了明確在大田中，降低系統(tǒng)工作壓力和埋入地下后對(duì)毛管水力特性的影響，選擇參照常壓滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新疆地下滴灌系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)比測(cè)試地表毛管和地下毛管的流量、壓力和水頭損失等參數(shù)，推求毛管考慮局部損失的加大系數(shù)、支管單元內(nèi)的壓力偏差率和流量偏差率。目的是以常規(guī)滴灌系統(tǒng)為參照，比較系統(tǒng)工作壓力降低和毛管埋入地下對(duì)毛管水力特性、管網(wǎng)均勻度的影響，為低壓地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2005年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)七師130團(tuán)16連開展（84°36′～85°03′E，44°29′～44°52′N），位于準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，奎屯河沖積平原上。農(nóng)七師屬北溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年均日照時(shí)數(shù)近3 000 h，年均降水量不足185 mm，年蒸發(fā)量是降水量的12.9～31.5倍，地表水和地下水資源都十分缺乏，制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展，屬于灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗(yàn)地種植品種為新陸早13號(hào)，膜寬1.2 m，膜間距0.6 m，1膜4行，寬行間距40 cm，窄行間距20 cm，株距10 cm，收獲株數(shù)246 000株/hm2。田間持水量：0～40 cm為16.44%（質(zhì)量含水量），40～80 cm為19.86%（質(zhì)量含水量）。容重：0～20 cm為1.63 g/cm3，20～40 cm為1.47 g/cm3。

試驗(yàn)的地下滴灌系統(tǒng)是2002年建成，試驗(yàn)時(shí)是第4年，毛管的設(shè)計(jì)工作壓力為10 m。支管為外徑Φ75 mm的PVC管、壁厚6 mm、壓力等級(jí)為0.6 MPa。毛管為內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭間距 0.4 m，埋深 40 mm，間距1.5 m。灌溉水是冰雪融水，由渠道流入沉淀池，經(jīng)泵站加壓后進(jìn)入地下滴灌系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇2干3支作為觀測(cè)區(qū)域（213 m ×55 m），毛管沿支管兩側(cè)對(duì)稱、等長(zhǎng)布置，兩側(cè)毛管尾部接入排水管，構(gòu)成環(huán)狀管網(wǎng)。在支管的首部、中部和尾部各選 1對(duì)毛管進(jìn)行測(cè)試，地下毛管與地表毛管測(cè)試位置相同。在測(cè)試毛管的首端串聯(lián)安裝水表（最小刻度0.1 L）、精密壓力表（最小刻度 0.1 m），壓力表在水表下游，尾端安裝同型號(hào)壓力表。儀表安裝后，測(cè)量毛管的長(zhǎng)度、坡度以及與支管進(jìn)口的距離，詳細(xì)參數(shù)見圖1a。

2005年9月1—3日測(cè)量，先測(cè)地下毛管水力性能，測(cè)試壓力變化過(guò)程是由低壓到高壓。測(cè)完地下毛管后，在測(cè)試位置鋪設(shè)地表毛管接入系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)中其余毛管還在地下，測(cè)試壓力變化過(guò)程是由高壓到低壓。通過(guò)控制開啟支管數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)試支管的入口壓力，相同支管入口壓力下，開啟的支管編號(hào)相同。地表毛管與地下毛管型號(hào)相同，長(zhǎng)度相同，觀測(cè)方法相同，相同位置處的觀測(cè)裝置相同，觀測(cè)儀器布置請(qǐng)見圖1b和圖1c。調(diào)壓后，系統(tǒng)工作壓力穩(wěn)定30 min后開始讀數(shù)，壓力值取3次讀數(shù)的平均值，同時(shí)用秒表記錄水表通過(guò)2 L水所用的時(shí)間，計(jì)算流量。用支管首部地表毛管的最大首端壓力值近似代替支管入口壓力值。

圖1 試驗(yàn)管網(wǎng)，地表、地下毛管觀測(cè)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of pipe network and observation device for surface and subsurface lateral pipes

2 結(jié)果與分析

2.1 毛管工作狀態(tài)甄別

地下滴灌系統(tǒng)在使用過(guò)程中，如果管理、維護(hù)不當(dāng)，毛管易發(fā)生灌水器堵塞、受壓變形和破損等現(xiàn)象，影響毛管的工作壓力和流量。通過(guò)比較測(cè)試毛管的工作壓力和流量偏差情況來(lái)甄別地下毛管的工作狀態(tài)，排除異常毛管，選擇正常工作的地下毛管進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

用地表毛管的平均工作壓力與流量進(jìn)行回歸分析，計(jì)算灌水器自由出流狀態(tài)下的壓力與流量關(guān)系參數(shù)，公式為

式中q為灌水器流量，L/h；h為平均工作壓力，m，文中取毛管首端和尾端實(shí)測(cè)壓力的平均值；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如圖 2所示，其中地表毛管 k=0.260 4、x=0.879 1，將k、x值與地下毛管的平均工作壓力代入公式（1）計(jì)算地下毛管的理論流量，用地下毛管實(shí)測(cè)流量與理論流量計(jì)算地下毛管的流量偏差系數(shù) δ，計(jì)算公式如下

式中δ為流量偏差系數(shù)；q實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)毛管流量，L/h；q理論為毛管理論流量，L/h。

圖2 毛管壓力與流量關(guān)系圖Fig.2 Relation graph of pressure and flow rate in lateral pipes

比較地下毛管的首端、尾端工作壓力及流量偏差系數(shù)δ，分析毛管的工作狀態(tài)，具體數(shù)值詳見表1。支管入口壓力在1.4～6.55 m之間時(shí)：1號(hào)地下毛管的首、尾端工作壓力與相鄰毛管接近，流量是理論流量的 2.4～4.7倍，原因是 1號(hào)毛管中部破損，導(dǎo)致流量較大，因環(huán)狀管網(wǎng)的補(bǔ)償效應(yīng)對(duì)毛管首、尾端壓力影響較??；5號(hào)毛管首、尾端工作壓力正常，但流量?jī)H為理論流量的0.5～0.9倍，明顯低于相鄰毛管，原因是堵塞或土壤擠壓導(dǎo)致過(guò)流不暢；6號(hào)毛管尾端壓力正常，首端壓力僅在0～0.2 m之間，明顯低于相鄰毛管，流量是理論流量的 2.5～6.2倍，原因是靠近毛管首端測(cè)壓點(diǎn)附近有破損導(dǎo)致流量變大，同時(shí)支管與首端測(cè)壓點(diǎn)之間毛管受擠壓導(dǎo)致首端壓力變低。綜合以上分析1號(hào)、5號(hào)和6號(hào)為異常地下毛管，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)為正常地下毛管。

用相同方法，對(duì)地表毛管進(jìn)行工作壓力與流量偏差分析，具體數(shù)值詳見下表2。支管入口壓力在1.4 m時(shí)，6號(hào)毛管首、尾端壓力與流量偏差系數(shù)與相鄰毛管接近，在1.7～6.55 m時(shí)，6號(hào)毛管首端壓力與流量偏差系數(shù)均比相鄰毛管略低，經(jīng)檢測(cè)該毛管無(wú)破損，原因是支管與首端測(cè)壓點(diǎn)之間毛管受擠壓影響過(guò)流（如圖1c所示該段埋在地下），6號(hào)地表毛管工作異常，其余毛管工作正常，正常地表毛管的實(shí)際過(guò)流量是理論流量的0.9～1.2倍。

表1 地下毛管工作壓力及流量偏差系數(shù)Table 1 Deviation coefficient of flow rate and working pressure in subsurface lateral pipe

表2 地表毛管工作壓力及流量偏差系數(shù)Table 2 Deviation coefficient of flow rate and working pressure in surface lateral pipe

2.2 地下與地表毛管流量對(duì)比

比較地下毛管與地表毛管的流量關(guān)系，用地下毛管相對(duì)地表毛管的流量變化系數(shù)Kq表示

式中Kq為地下毛管相對(duì)地表毛管的流量變化系數(shù)；q地下為實(shí)測(cè)地下毛管的流量，L/h；q地表為實(shí)測(cè)地表毛管的流量，L/h。

計(jì)算結(jié)果詳見表3，分析2、3和4號(hào)正常地下毛管的流量變化系數(shù) Kq可知：支管入口壓力6.55 m時(shí)，Kq在-0.08～-0.01之間，說(shuō)明地下毛管流量小于地表毛管；支管入口壓力1.4～3.8 m時(shí)，Kq在0.09～1.03之間，Kq值隨壓力降低而增大，說(shuō)明地下毛管流量相對(duì)地表毛管流量增加比例變大，支管入口壓力1.4 m時(shí)，增加比例最大。破損的1、6號(hào)地下毛管流量始終大于地表毛管流量，隨著支管入口壓力降低增加比例加大。過(guò)流不暢但未破損的 5號(hào)地下毛管流量始終小于地表毛管的流量，隨支管入口壓力降低，Kq值由-0.44變到-0.15，說(shuō)明流量減少比例變小。將地下毛管按正常工作（2、3、4號(hào)），破損（1、6號(hào)）進(jìn)行分類，支管入口壓力由 3.8 m 降到1.4 m時(shí)，2、3、4號(hào)正常毛管的Kq均值由0.12增加到0.9，隨壓力降低流量增加比例在變大；1、6號(hào)破損毛管的Kq均值由1.44增加到2.66，隨壓力降低流量增加比例在變大。

表3 地下毛管相對(duì)地表毛管的流量變化系數(shù)Table 3 Variation coefficient of flow rate of subsurface lateral pipes compared to surface lateral pipes

由流量變化系數(shù)Kq的變化規(guī)律可知，在支管入口壓力由6.55 m降到1.4 m的過(guò)程中，正常地下毛管與地表毛管的壓力流量關(guān)系有個(gè)交叉點(diǎn)，用毛管的平均工作壓力、灌水器實(shí)測(cè)平均流量分別擬合地下毛管、地表毛管的壓力流量關(guān)系，具體詳見圖2，通過(guò)計(jì)算求得交叉點(diǎn)處毛管平均工作壓力為4.6 m。

2.3 地下與地表毛管工作壓力對(duì)比

比較地下毛管與地表毛管的首端、尾端和平均工作壓力（首、尾端壓力均值），用地下毛管相對(duì)地表毛管的壓力變化系數(shù)Kh表示

式中Kh為地下毛管相對(duì)地表毛管的壓力變化系數(shù)；h地下為實(shí)測(cè)地下毛管的工作壓力，m；h地表為實(shí)測(cè)地表毛管的工作壓力，m。

Kh計(jì)算值詳見表4，支管入口壓力在1.4～6.55 m之間時(shí)，60個(gè)首、尾端計(jì)算值中，有56個(gè)是Kh＜0，說(shuō)明地下毛管比相應(yīng)地表毛管的工作壓力低，毛管埋入地下后工作壓力發(fā)生不同程度的折減，1個(gè)是地下毛管比相應(yīng)地表毛管壓力高即Kh＞0，3個(gè)相等即Kh=0。

將地下毛管按正常工作（2、3、4號(hào)），破損（1、6號(hào)），過(guò)流不暢（5號(hào)）進(jìn)行分類，與對(duì)應(yīng)的地表毛管比較，統(tǒng)計(jì)各工作壓力變化區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率，具體數(shù)值詳見表5，相同支管入口壓力下，正常地下毛管有90%的概率發(fā)生工作壓力降低，降低范圍在(-10%，0)的概率是70%。

表4 地下毛管相對(duì)地表毛管壓力變化系數(shù)Table 4 Variation coefficient of pressure of subsurface lateral pipes compared to surface lateral pipes

表5 地下毛管工作壓力降低概率Table 5 Reduction probability of working pressure in subsurface lateral pipes

2.4 考慮局部水頭損失的加大系數(shù)對(duì)比

用測(cè)試毛管的首端、末端壓力，毛管長(zhǎng)度與鋪設(shè)坡度計(jì)算毛管的實(shí)測(cè)總水頭損失，用實(shí)測(cè)總水頭損失推求考慮局部損失的加大系數(shù)[24]。實(shí)測(cè)毛管的總水頭損失計(jì)算公式為

式中hi為毛管末端的壓力水頭，m；H為毛管首端的壓力水頭，m；ΔH為首端至末端的摩阻損失，m；ΔH′為首端與末端地形高差，m，順坡為“+”，逆坡為“-”。

毛管沿程水頭損失用勃拉休斯（Blasius）公式[24]計(jì)算，試驗(yàn)水溫為10 ℃，在考慮溫度、局部水頭損失和多口出流的影響后，考慮局部損失的加大系數(shù)K的計(jì)算公式為

式中 K為考慮局部損失的加大系數(shù)。hf為沿程摩阻損失水頭，m；Q為流量，m3/s；D為管道內(nèi)徑，mm；L為管道長(zhǎng)度，m。α為溫度修正系數(shù)，tν為水溫為任意溫度時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s；20ν為水溫為20 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s；采用勃拉休斯公式計(jì)算時(shí)，z=0.25。F為多口系數(shù)；N為出口數(shù)目；m為流量指數(shù)；X為進(jìn)口端至第一個(gè)出水口的距離與孔口間距之比，計(jì)算時(shí)取X=1。

計(jì)算 2、3、4號(hào)地下毛管、地表毛管考慮局部損失的加大系數(shù)K，結(jié)果如圖3所示。將相同支管入口壓力下的K值取平均值，支管入口壓力由6.55 m降到1.4 m之間時(shí)，地下與地表毛管的K值都是隨壓力降低而增大，地表毛管的增加幅度大于地下毛管，地表毛管的K平均值由1.32增加到5.94，地下毛管的K平均值由1.37增加到2.18，地表毛管在支管入口壓力由1.7 m降到1.4 m時(shí)，K均值由2.71增到5.94。

K值減去 1即為毛管局部水頭損失占沿程水頭損失比值，試驗(yàn)壓力下，地下與地表毛管的 K值都大于 1.3即局部水頭損失比例大于0.3，該值大于微灌工程技術(shù)規(guī)范（GB/T 50485-2009）中的建議值0.1～0.2[25]；擴(kuò)大系數(shù)大于《微灌工程技術(shù)指南》中建議值 1.05～1.3的上限[24]。地下與地表毛管的K值與上述文獻(xiàn)中建議值有較大偏離，并且壓力越低偏離越大。

圖3 毛管考慮局部損失的加大系數(shù)圖Fig.3 Diagram of increasing coefficient considering local loss of lateral pipes

2.5 地下毛管與地表毛管均勻度對(duì)比

在相同支管入口壓力下，用測(cè)試毛管的最大、最小工作壓力計(jì)算試驗(yàn)支管單元內(nèi)灌水器的水頭偏差率與流量偏差率，比較地下和地表兩種鋪設(shè)方式對(duì)管網(wǎng)均勻度的影響。目前管網(wǎng)設(shè)計(jì)只考慮水力學(xué)（壓力）變化對(duì)均勻度的影響，忽略灌水器的制造偏差，堵塞情況與毛管破損的實(shí)際影響，所以可以將首端、尾端壓力正常的毛管都用于計(jì)算，6號(hào)地表和地下毛管首端壓力偏低沒(méi)有被選用。計(jì)算灌水器的工作水頭偏差率

式中 Hv為灌水器工作水頭偏差率；hmax為灌水器的最大工作水頭，m；hmin為灌水器的最小工作水頭，m；ha為灌水器的平均工作水頭，m。

用hmax、hmin值與回歸分析得到的k、x值（圖2所示）代入公式（1）計(jì)算各毛管的最大、最小流量，求灌水器的流量偏差率

式中 qv為灌水器的流量偏差率；qmax為相應(yīng) hmax時(shí)灌水器流量，L/h；qmin為相應(yīng)hmin時(shí)灌水器流量，L/h；qa為灌水器平均流量，L/h。

將地下毛管分為正常毛管（2、3、4號(hào)）與正常毛管加破損加過(guò)流不暢毛管（1、2、3、4、5號(hào)），2種情況分別計(jì)算，地表毛管只選正常狀態(tài)的毛管（1、2、3、4、5號(hào)），計(jì)算結(jié)果見表6。正常地下毛管組成的管網(wǎng)（2、3、4號(hào)）均勻度要好于地表毛管（1、2、3、4、5號(hào)），壓力偏差率比地表毛管低（支管入口壓力3.8 m時(shí)除外）0.62%～3.44%，流量偏差率比地表毛管低 8.15%～22.4%。

正常地下毛管支管入口壓力在1.7～6.55 m之間時(shí)，流量偏差率qv＜20%，符合規(guī)范要求[25]，支管入口壓力在1.4 m時(shí)，qv＞20%不符合規(guī)范要求。相同支管入口壓力下，破損和過(guò)流不暢現(xiàn)象導(dǎo)致地下管網(wǎng)的壓力偏差率、流量偏差率變大，使地下管網(wǎng)的均勻度降低。支管入口壓力在1.4～6.55 m區(qū)間內(nèi)，地表管網(wǎng)的流量偏差率qv＞20%，不符合規(guī)范要求[25]，說(shuō)明常規(guī)壓力滴灌系統(tǒng)低壓下運(yùn)行會(huì)使均勻度降低。

表6 管網(wǎng)壓力、流量偏差率Table 6 Deviation ratio of pressure and flow rate in pipe network

3 討 論

3.1 地下毛管與地表毛管流量對(duì)比

毛管平均工作壓力小于4.6 m后，相同工作壓力下，地下毛管流量大于地表毛管自由出流時(shí)流量。然而，已有研究表明相同工作壓力下地下灌水器流量比地表灌水器流量有一定比例的減少[14-16,18]，或者是初期略大但1～2 min后減小并趨于恒定[17]。原因是：1）參考文獻(xiàn)中試驗(yàn)是將灌水器埋入土槽或桶中，與埋入大田相比，土壤水分運(yùn)動(dòng)空間較小，并且常壓下灌水器流量很快、大于土壤擴(kuò)散能力，灌水器出口處于淹沒(méi)出流狀態(tài)，使灌水器流量小于自由出流時(shí)流量；2）土壤水力特性的差異影響灌水器與周圍土壤之間的相互作用，本試驗(yàn)土壤透水性較強(qiáng)，試驗(yàn)時(shí)土壤含水率較低，土壤負(fù)壓與毛管內(nèi)正壓共同驅(qū)動(dòng)灌水器出流，導(dǎo)致流量增大。

地下毛管工作壓力小于4.6 m時(shí)，土壤較干燥，與負(fù)壓或無(wú)壓灌溉原理相同[26-27]，試驗(yàn)土壤基質(zhì)勢(shì)較小吸力較大，土壤基質(zhì)勢(shì)產(chǎn)生的吸力與毛管中的工作壓力共同作用于滴頭，使滴頭流量大于地表毛管流量。此時(shí)，地下毛管灌水器的平均流量計(jì)算公式為q地下=k（h壓+h吸）x（12）式中q地下為地下毛管灌水器的平均流量，L/h；h壓為毛管內(nèi)工作壓力平均值，m；h吸為土壤基質(zhì)勢(shì)產(chǎn)生吸力平均值，m；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)。

經(jīng)計(jì)算作用在地下毛管上的土壤基質(zhì)勢(shì)產(chǎn)生的吸力均值如表 7所示。試驗(yàn)中，基質(zhì)勢(shì)產(chǎn)生吸力能夠使滴頭出流量增加，基質(zhì)勢(shì)吸力均值在0.55～1.64 m之間，隨工作壓力降低而增大，基質(zhì)勢(shì)與毛管中工作壓力的比值在0.17～1.73之間。

表7 地下毛管土壤基質(zhì)勢(shì)Table 7 Soil matrix potential around subsurface lateral pipes

地下毛管與地表毛管流量相對(duì)趨勢(shì)的成因是：試驗(yàn)初始土壤含水率較低，土壤基質(zhì)對(duì)水的吸持作用較強(qiáng)，在土壤吸力和毛管內(nèi)壓力共同作用下，地下毛管流量明顯高于相同支管入口壓力下的地表毛管；隨著滴頭累計(jì)出流量的增加，出水口周圍土壤含水率增大，土壤基質(zhì)勢(shì)增大，土壤吸力減小直到消失，地下毛管流量等于地表毛管流量；當(dāng)?shù)晤^周圍土壤含水率繼續(xù)增大，滴頭處于淹沒(méi)出流，出水口周圍變?yōu)檎龎海藭r(shí)滴頭出流的驅(qū)動(dòng)力是毛管內(nèi)工作壓力減去出水口處壓力，地下毛管流量小于地表毛管流量。

3.2 地下毛管與地表毛管平均工作壓力對(duì)比

當(dāng)支管入口壓力相同時(shí)，相同位置地下毛管的工作壓力要比地表毛管低，因?yàn)樗鹘?jīng)過(guò)地下毛管要消耗更多的能量。灌溉時(shí)水泵工況、過(guò)濾器與施肥器水頭損失和滴頭出流狀態(tài)都是變化的，這些變化使毛管內(nèi)的工作壓力總是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，并非固定不變[28]。毛管埋深一定時(shí)，受到的外部土壤壓力一定，波動(dòng)的內(nèi)壓在抵抗管壁四周土壤壓力時(shí)會(huì)使管壁發(fā)生位移做功而消耗能量。地下毛管受土壤擠壓后，與地表毛管相比，流線較曲折且斷面形狀變化增多，使局部水頭損失增大，導(dǎo)致地下毛管總水頭損失增加。地表毛管在空氣中不受土壤擠壓，不需要做功抵抗土壤壓力，與地下毛管相比流線更加平直且斷面形狀變化很小，局部水頭損失比地下毛管小。土壤擠壓使水流經(jīng)過(guò)地下毛管時(shí)消耗了更多的機(jī)械能，與地表毛管相比工作壓力有所降低。

3.3 考慮局部水頭損失的加大系數(shù)對(duì)比

支管入口壓力在1.4～6.55 m范圍內(nèi)，地表毛管的局部水頭損失所占沿程水頭損失的比值隨壓力降低而增大，這與文獻(xiàn)[29]中結(jié)論二者比值并非常數(shù)的結(jié)論一致，與目前規(guī)范建議值有較大偏差。原因主要有：1）規(guī)范建議值是在常規(guī)壓力下（10 m）地表滴灌設(shè)計(jì)中使用，低壓和地下滴灌條件下不適用；2）毛管局部水頭損失實(shí)質(zhì)是由滴頭接入處過(guò)流斷面的收縮引起的，主要與毛管長(zhǎng)度、內(nèi)徑以及滴頭的類型、規(guī)格和間距有關(guān)，不同種類毛管的這些參數(shù)均有可能不同，所以局部水頭損失也會(huì)有差異[30]；3）毛管是沿程多口出流管道，沿程水頭損失計(jì)算是用有壓管道沿程摩阻損失乘以多口系數(shù)進(jìn)行修正，應(yīng)用中已證實(shí)勃拉休斯公式計(jì)算沿程水頭損失具有足夠的精度，但孔口系數(shù)的推導(dǎo)前提是沿程流量逐漸減小至末端流量等于零，是指樹狀管網(wǎng)形式，對(duì)于末端有泄流的環(huán)狀管網(wǎng)形式是否適用還需證實(shí)。

由公式（7）可知，沿程水頭損失與流量的1.75次乘方成正比，當(dāng)支管入口壓力在1.4～3.8 m時(shí)，土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)水的吸持作用使地下毛管流量大于地表毛管，流量增大使得計(jì)算的沿程水頭損失偏大，將沿程損失帶入公式（6）計(jì)算后，導(dǎo)致地下毛管考慮局部水頭損失的加大系數(shù)比地表毛管小，隨壓力降低，土壤基質(zhì)勢(shì)吸力產(chǎn)生流量比重增加，地下毛管與地表毛管的加大系數(shù)差別增大。

3.4 地下毛管與地表毛管均勻度對(duì)比

灌水均勻度是指灌水器出流量的差異，灌水器流量與工作壓力的變化、制造偏差、堵塞情況、出流狀況，水溫與微地形變化等因素有關(guān)[24]，本試驗(yàn)中主要是工作壓力變化導(dǎo)致管網(wǎng)均勻度的變化。圖3中的K值減去1為局部水頭損失比例，如圖 3所示地表毛管加大系數(shù)曲線的斜率隨壓力降低而增大，即局部水頭損失比例是加速增加，導(dǎo)致壓力偏差率與流量偏差率加速增加，因此，地表管網(wǎng)均勻度隨工作壓力降低而降低。

灌水器流量與對(duì)工作水頭的敏感程度有關(guān)[1]，灌水器在不同工作壓力區(qū)間內(nèi)流態(tài)指數(shù)不同，即流量對(duì)壓力的敏感程度不同。對(duì)本試驗(yàn)灌水器自由出流時(shí)，在試驗(yàn)壓力區(qū)間和常規(guī)壓力區(qū)間內(nèi)分別進(jìn)行壓力與流量關(guān)系分析，計(jì)算公式（1）中的流態(tài)指數(shù)x，壓力在7～12 m內(nèi)x=0.445 5＜0.5（R2=0.984 6），具有壓力補(bǔ)償功能，流量受壓力影響較弱；壓力在 1.3～7 m 內(nèi) x=0.842＞0.5（R2=0.918 7），不具有壓力補(bǔ)償功能，灌水器流量受壓力影響較大，導(dǎo)致管網(wǎng)均勻度下降。

低壓地下管網(wǎng)的均勻度除受以上2個(gè)因素的影響外，還受到灌水器出流狀態(tài)的影響，出流狀態(tài)是由出流能力與周圍土壤水分?jǐn)U散能力之間的相對(duì)關(guān)系決定的[31]。本試驗(yàn)中地下與地表毛管壓力偏差率相差較小，流量偏差率相差較大，主要是土壤基質(zhì)勢(shì)（吸力）作用隨毛管工作壓力降低而增大，降低了地下灌水器流量對(duì)毛管內(nèi)工作壓力的敏感程度，提高了地下滴灌管網(wǎng)的均勻性。灌水器發(fā)生淹沒(méi)出流時(shí)，對(duì)毛管水力性能及管網(wǎng)均勻性的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

在常規(guī)大田地下滴灌系統(tǒng)中，支管入口壓力在1.4～6.55 m范圍內(nèi)，對(duì)地下與地表毛管的水力性能與管網(wǎng)均勻度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）同一支管中，可以比較毛管間的工作壓力和實(shí)測(cè)流量相對(duì)理論流量的偏差情況來(lái)判斷毛管工作是否正常。地下毛管在破損時(shí)流量是理論流量的 2.4～6.2倍；過(guò)流不暢時(shí)流量是理論流量的 0.5～0.9倍。正常地表毛管的流量是理論流量的0.9～1.2倍。

2）相同工作壓力下，管內(nèi)工作壓力與土壤基質(zhì)勢(shì)共同驅(qū)動(dòng)滴頭出流時(shí)，地下毛管流量大于地表毛管流量，流量變化系數(shù)在0.12～0.9之間并且隨壓力降低而增大。

3）相同支管入口壓力下，90%正常地下毛管的工作壓力要小于地表毛管，壓力變化系數(shù)在(-10%，0）的概率是 70%。工作壓力降低的原因是水流經(jīng)過(guò)地下毛管時(shí)抵抗土壤壓力做功以及局部水頭損失增加導(dǎo)致總機(jī)械能減少。

4）用總水頭損失、勃拉休斯公式及多口系數(shù)推求毛管考慮局部水頭損失的加大系數(shù)，地表毛管均值在1.32～5.94之間，地下毛管均值在 1.37～2.18之間，并隨壓力降低而增大，加大系數(shù)比現(xiàn)有資料建議值都大。土壤基質(zhì)勢(shì)作用使地下毛管流量增大，使得地下毛管的加大系數(shù)比地表毛管小。

5）試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)地表管網(wǎng)的灌水均勻度隨壓力降低而降低，并且不符合規(guī)范要求。土壤基質(zhì)勢(shì)的作用提高了地下管網(wǎng)的均勻度，壓力偏差率比地表管網(wǎng)低0.62%～3.44%，流量偏差率比地表管網(wǎng)低 8.15%～22.4%。支管入口壓力在1.7～6.55 m時(shí)，地下管網(wǎng)均勻度符合規(guī)范要求。

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