坡地滴灌滴孔出水量均勻度模擬與試驗研究

王美玉，鄭 鑫，梁 超，扶 恒，王 侃，王鳳吉，衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

坡地滴灌滴孔出水量均勻度模擬與試驗研究

王美玉，鄭 鑫，梁 超，扶 恒，王 侃，王鳳吉，衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度是影響作物產(chǎn)量的重要因素。為確定滴灌系統(tǒng)各參數(shù)及地表坡度對滴孔出水量均勻度的影響，在理論分析的基礎(chǔ)上，采用Visual Basic 6.0編制了滴孔出水量均勻度計算程序，設(shè)計了坡度為3% 的支滴灌系統(tǒng)。在恒定水壓下，進(jìn)行滴孔出水量均勻度試驗，驗證程序的正確性。結(jié)果表明：所編制的程序能夠很好地模擬坡地滴灌滴孔出水量均勻度，為丘陵漫崗地區(qū)滴灌系統(tǒng)設(shè)計提供了基礎(chǔ)素材。

滴灌；出水量；均勻度；坡地

0 引言

當(dāng)前，世界水資源日趨緊張，采用節(jié)水灌溉模式已成為農(nóng)田灌溉技術(shù)的總趨勢。滴灌是目前各種灌水方法中用水量最節(jié)省、灌水效率最高的一種，因此受到各國的重視[1]。

滴灌系統(tǒng)廣泛用于各種樹木(果樹、喬木等)、棉花、蔬菜、葡萄、花卉、保護(hù)地和溫室作物等[2]。國內(nèi)眾多學(xué)者對滴灌條件下的植物生長及土壤、鹽分等研究較為深入[3-8]。滴灌系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)是《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)、新疆的《大田膜下嘀灌工程規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》(DB 65/T 3055-2010)、《灌溉用塑料管材和管件基本參數(shù)及技術(shù)條件》(GB/T 23241-2009)及水利部農(nóng)村水利司編寫的《節(jié)水灌溉工程實用手冊》。文獻(xiàn)[9]給出了具體的滴灌工程設(shè)計圖集，文獻(xiàn)[10]～[13]給出了過濾器的使用方法及具體的設(shè)計參數(shù)。

衡量滴灌系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)是滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度。在平原地帶可以不用考慮滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度，但在丘陵漫崗地區(qū)滴灌系統(tǒng)滴孔出水量不均勻已成為制約滴灌模式發(fā)展的重要因素。1995年，陳渠昌[14]就對微灌工程設(shè)計灌水均勻度的選定進(jìn)行研究。2003年，譚明[15]對滴灌系統(tǒng)設(shè)計灌水均勻度問題進(jìn)行分析，其研究影響因素為設(shè)備材料特性與制造精度。2008年，王建眾[16]通過試驗研究微灌毛管灌水均勻度進(jìn)行分析。2010年，陳佰鴻[17]對不同類型滴灌帶灌水均勻度的田間測試進(jìn)行分析，但只關(guān)注于管帶壓力對均勻度的影響，并沒有對其他參數(shù)做進(jìn)一步分析。2014年，羅春燕[18]研究了滴灌灌水均勻度影響因素及計算方法，主要側(cè)重水力偏差及堵塞率研究。這些研究奠定了滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度的研究基礎(chǔ)，但針對丘陵漫崗地區(qū)滴灌系統(tǒng)的出水量均勻度研究沒有實質(zhì)性的成果。

基于以上考慮，本文將結(jié)合理論基礎(chǔ)分析，形成滴灌系統(tǒng)滴孔出水量計算程序，并設(shè)計不同坡度的支滴灌系統(tǒng)，使其處于恒定水壓下，進(jìn)行滴孔出水量觀測，進(jìn)而求出均勻度。同時，利用試驗結(jié)果驗證程序的正確性，為將來通過程序優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，大幅提高滴孔出水量均勻度提供基礎(chǔ)素材。

1 計算原理及公式

針對目前廣泛應(yīng)用的固定地表式滴灌系統(tǒng)，選用目前常用的潛水泵供水方式，依據(jù)干管、支管、毛管依次布置的原則，設(shè)計了丘陵漫崗地區(qū)常用的旱作物滴灌系統(tǒng)；在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，給出依據(jù)不同設(shè)計方案的主干管進(jìn)口工作水頭、滴灌管進(jìn)口工作水頭，以及順、逆坡各滴孔出水量和灌水均勻度的計算公式[19-20]。

1.1 主干管的進(jìn)口工作水頭計算

根據(jù)潛水泵水泵揚程與水泵水頭損失求主干管的進(jìn)口工作水頭，即

H0主干=H泵-h1-h2-h3

(1)

式中H0主干—主干管進(jìn)口工作水頭(m)；

H泵—潛水泵揚程(m)；

h1—泵管水頭損失(m)；

h2—動水位到地面高程差(m)；

h3—首部水頭損失(m)。

1.2 支管進(jìn)口工作水頭計算

支管進(jìn)口工作水頭與滴灌系統(tǒng)坡度及主干管、分干管水頭損失等參數(shù)直接相關(guān)，其計算公式為

H0支=H0主干-ΔH主干-ΔH分干+JL分干

(2)

式中H0支—支管進(jìn)口工作水頭(m)；

ΔH主干—主干管水頭損失(m)；

ΔH分干—分干管水頭損失(m)；

J—坡度(當(dāng)潛水泵在坡上時為負(fù)值，反之為正值)；

L分干—分干管長度(m)。

1.3 滴灌帶進(jìn)口工作水頭計算

滴灌帶進(jìn)口工作水頭與支管進(jìn)口工作水頭及滴灌系統(tǒng)材料選擇及布設(shè)方案關(guān)系密切，其具體計算公式為

(3)

式中H毛—滴灌帶進(jìn)口工作水頭(m)；

S毛—滴灌孔間距(m)；

S支—滴管帶間距(m)；

D毛—滴灌帶內(nèi)徑(mm)；

D支—支管內(nèi)徑(mm)；

n4—每個支管運行的滴灌帶數(shù)；

Q—支管供水量(L/h)；

H0支—支管進(jìn)口工作水頭(m)；

K—局部水頭加大系數(shù)；

f—與管材有關(guān)系數(shù)。

1.4 滴頭最大工作水頭計算

距離滴灌帶進(jìn)口最近滴頭的工作水頭最大，在計算其他滴頭的工作水頭之前，必須首先確定這一滴頭的工作水頭。滴頭最大工作水頭主要取決于滴灌帶進(jìn)口工作水頭，此外還與滴灌帶材料及滴頭布設(shè)方案關(guān)系密切，其具體計算公式為

(4)

式中h—滴頭最大工作水頭(m)。

1.5 順、逆坡各滴孔出水量計算

以滴頭最大工作水頭為基準(zhǔn)，可以依次遞推出順、逆坡各滴孔工作水頭，進(jìn)而求出順、逆坡各滴孔出水量。各滴孔出水量主要取決于滴頭最大工作水頭，此外還與滴灌帶材料及滴頭布設(shè)方案關(guān)系密切，其具體計算公式如式(5)～式(10)所示。

(5)

(6)

Qi=Qi+1-qi

(7)

(8)

(9)

hi=hi+1-ΔHi

(10)

式中qi—滴孔出水量(L/h)；

k—滴孔流量系數(shù)；

X—滴孔流態(tài)指數(shù)；

Qi—滴灌帶各管段流量(L/h)；

hi—各滴孔處壓力水頭(m)；

ΔHi—相鄰滴孔壓力差(m)。

1.6 滴孔出水量均勻度計算

滴灌的滴孔出水量均勻度一般以克里斯琴森(Christiansen)均勻度系數(shù)(Cu)[1]表示，其計算公式如式(11)、式(12)所示。

(11)

(12)

式中Cu—滴孔出水量均勻系數(shù)；

qi—各滴孔出水量(L/h)；

n—滴孔數(shù)目。

2 程序編制

通過理論公式可以計算出丘陵漫崗地區(qū)滴灌系統(tǒng)滴孔的出水流量，運用Visual Basic 6.0編制了滴孔出水量計算程序，可以計算出每個小孔出水流量，進(jìn)而可以求出滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度系數(shù)。程序界面如圖1所示。界面1中有影響小孔流量的滴灌系統(tǒng)各個設(shè)計參數(shù)輸入窗口；界面2中主要有與支管、毛管材料相關(guān)的輸入?yún)?shù)和與坡度相關(guān)的輸入?yún)?shù)，通過輸入?yún)?shù)組合可以計算出該參數(shù)組合下各小孔流量和均勻度系數(shù)，計算得到的各小孔出水量計算結(jié)果體現(xiàn)在界面2右側(cè)的兩個空白框中。根據(jù)各小孔出水量計算結(jié)果計算得到的有關(guān)其均勻度的統(tǒng)計參數(shù)結(jié)果體現(xiàn)在左下側(cè)的相應(yīng)位置。

圖1 程序界面

3 坡地滴灌系統(tǒng)小孔出水量模型試驗

為驗證本文編制程序的正確性，進(jìn)一步探討坡地滴灌系統(tǒng)小孔出水量的分布規(guī)律，在搭建試驗臺的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同的毛管坡度，在保持恒定水壓的前提下對小孔出水量進(jìn)行實際測量，積累第一手資料與素材。試驗在八一農(nóng)大農(nóng)學(xué)院試驗田進(jìn)行，模擬旱稻播種的壟距及播深，試驗結(jié)果具有一定的代表性。

3.1 試驗材料

為方便運輸及現(xiàn)場安裝，共制作4塊試驗臺承重骨架，每塊由2根5.0m長、50×5的角鋼及若干0.6m長扁鋼焊接形成5.0m×0.6m的寬鋼架。整個試驗臺由4個寬鋼架縱向拼接而成，長度20m，寬度0.6m。組合寬鋼架試驗臺鋪裝12mm厚木板與鋼架形成0.6m×0.04m槽，槽內(nèi)填土并布設(shè)側(cè)翼迷宮式滴灌帶，形成整體試驗系統(tǒng)，如圖2所示。整體試驗系統(tǒng)利用千斤頂實現(xiàn)試驗臺坡度可調(diào)節(jié)，利用水準(zhǔn)儀控制試驗臺坡度調(diào)節(jié)精度。為盡量減小由于有坡度產(chǎn)生的滴孔出水量不均勻，本方案采用工程中常用的非均勻布管方式，其順坡方向毛管長度為14m，逆坡方向毛管長度為6m。系統(tǒng)水源采用市政給水管網(wǎng)，利用閥門與水壓表調(diào)節(jié)水壓，整體布管方案如圖3所示。

圖2 試驗臺設(shè)計方案

圖3 布管方案

整個試驗系統(tǒng)用到的其他試驗儀器及耗材還有水壓表、塔尺、塑料量筒、集水瓶、米尺、直通接頭及三通接頭等。

為了還原丘陵漫崗地帶滴灌系統(tǒng)實際布置情況，模擬不同坡度下，毛管各滴孔單位時間實際出水量，設(shè)計了1%、2%、3% 坡度的試驗臺滴灌系統(tǒng)，圖4展示了試驗現(xiàn)場的情況。通水調(diào)壓后，利用圖5所示的方式收集測量各滴孔單位時間實際出水量，并據(jù)此分析數(shù)據(jù)，將實際測量出水量與軟件計算結(jié)果對比，驗證軟件的正確性和可行性。

圖4 試驗現(xiàn)場

圖5 集水方式

3.2 試驗步驟

1)鋪設(shè)墊塊、試驗臺，通過水準(zhǔn)儀觀測結(jié)果調(diào)節(jié)墊塊以局部調(diào)節(jié)試驗臺坡度，保證試驗的精確性及嚴(yán)謹(jǐn)性；

2)按照圖3所示布管方式布置管路，調(diào)節(jié)各部分至系統(tǒng)穩(wěn)定，記錄水壓表示數(shù)；

3)收集小孔單位時間出水量，記錄數(shù)據(jù)，分析出水量均勻度；

4)根據(jù)試驗需要的坡度，人為利用千斤頂及墊塊修改坡度，觀測水準(zhǔn)儀確定試驗臺坡度，達(dá)到試驗所需要求；

5)多次修改試驗臺坡度，重復(fù)上述試驗步驟，避免試驗偶然性；

6)分析試驗數(shù)據(jù)，并與軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證軟件的正確性和可行性。

4 程序驗證

本文設(shè)計了1%、2%、3%等3個坡度的試驗臺滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度試驗，取得了第一手試驗數(shù)據(jù)。為反映坡度對滴孔出水量均勻度的影響，此處列出試驗采用的最大坡度(3%坡度)順坡和逆坡的兩根管滴孔出水量的實測值與程序的計算值，并進(jìn)行對比分析。其中，順坡方向毛管長度為14m，每根毛管共計46個滴孔，順坡情況程序計算值與實測值對比結(jié)果如圖6所示；逆坡方向毛管長度為6m，每根毛管共計19個滴孔，逆坡情況程序計算值與實測值對比結(jié)果如圖7所示。由圖6～圖7可知：實測結(jié)果的實測值在計算值附近上下波動，且波動范圍很小。經(jīng)測算，順坡情況下計算的最大相對誤差為7.1%，逆坡情況下計算的最大相對誤差為4.8%，除去試驗誤差的因素，試驗得到的實測值與程序計算的計算值基本相符，從而驗證了本文算法和所編制程序的正確性。

圖6 3%順坡情況下程序計算值與實測值比較

5 結(jié)論

在理論分析的基礎(chǔ)上，采用Visual Basic 6.0編制了滴孔出水量均勻度計算程序，設(shè)計了坡度為1%、2%、3% 的支滴灌系統(tǒng)；在恒定水壓下，進(jìn)行了滴孔出水量均勻度試驗，取得了實測的具體坡度情況下滴灌系統(tǒng)毛管滴孔出水量數(shù)據(jù)。利用坡度為3%情況下的實測結(jié)果與程序計算結(jié)果比較，驗證了程序的正確性。對比分析結(jié)果表明：本文編制的程序能夠比較準(zhǔn)確模擬坡地滴灌滴孔出水量及其出水量均勻度。

在此基礎(chǔ)上，可以采用已有的優(yōu)化方法，以滴灌系統(tǒng)滴孔出水量均勻度最大為目標(biāo)，通過本文編制的程序優(yōu)化給定坡度坡地滴灌系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)及材料性能參數(shù)，優(yōu)化結(jié)果必定能大幅提高滴孔出水量均勻度，為解決丘陵漫崗地區(qū)滴灌系統(tǒng)灌溉不均勻的問題提供設(shè)計依據(jù)。

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Simulation and Experimental Study on Water Content Uniformity of Drip Irrigation System on Slope

Wang Meiyu, Zheng Xin, Liang Chao, Fu Heng, Wang Kan, Wang Fengji, Yi Shujuan

(College of Engineering, Heilojiang Bayi Agricultural Univerisity, Daqing 163319, China)

Water content uniformity of drip irrigation system is a very important factor affecting crop yield. In order to study the influence of the parameters of drip irrigation system and slope on water content uniformity, on the basis of theoretical analysis，the calculation program for water content uniformity was compiled by using Visual Basic. The branch drip irrigation system with slope of 3% was designed. Under the constant water pressure, the drip irrigation was test for water content uniformity, and the calculation program was verified by the test. It shows in the test that this calculation program can simulate the water content uniformity of the drip irrigation system on slope, which provides basis for design of drip irrigation system in hill field.

drip irrigation; water content; uniformity; slop

2017-02-19

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610223006)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成、引進(jìn)人才科研啟動計劃項目(XDB2013-44)

王美玉(1996-),女，黑龍江綏化人，本科學(xué)生，(E-mail)577531142@qq.com。

鄭 鑫(1974-)，男，黑龍江湯原人，教授，博士，(E-mail)zhxin@aliyun.com。

S275.6

A

1003-188X(2018)02-0165-05