溫室低壓小管徑滴灌試驗設計和模擬分析

馬海蘭

滴灌技術是利用發(fā)達的管路系統(tǒng)將少量水輸送至植物根部范圍土壤，以達到灌溉目的，比傳統(tǒng)漫灌節(jié)約用水量達80%以上，是目前最為先進的灌溉方式之一。溫室種植是提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的重要手段，發(fā)展溫室滴灌也是集約化農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向[1]。但由于目前滴灌系統(tǒng)存在諸如管道堵塞、輸水效果差等技術缺陷，嚴重影響農(nóng)民熱情，因此對溫室滴灌系統(tǒng)進行試驗模擬，以此為基礎來優(yōu)化設計對于滴灌推廣意義重大。

1 項目區(qū)概況

阜康市是新疆天山北坡經(jīng)濟帶率先發(fā)展的中心部位之一，轄有兩區(qū)、四鎮(zhèn)、三鄉(xiāng)、三場。項目區(qū)位于阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)、上戶溝鄉(xiāng)和城關鎮(zhèn)，本次共設計優(yōu)化改造3800畝滴灌系統(tǒng)。此次溫室低壓小管徑滴灌，要求供水保證率P=90%。為了使滴灌設計科學合理，在此利用相關試驗室設備對整個滴灌系統(tǒng)進行模擬分析，以此得出管路布置、壓力差異等相關參數(shù)，模擬結果可指導實際工程施工。

2 實驗材料和方法

溫室滴灌系統(tǒng)由引水部、首部控制樞紐、配水管網(wǎng)、灌水器等組成，系統(tǒng)最大能耗損失位于管道水頭和灌水器內(nèi)部流道[2]。滴灌系統(tǒng)成本和工作壓力成正比關系，之前很多學者只是分析研究了單條毛管的最優(yōu)鋪設長度、坡度、壓力、管徑等參數(shù)，而對多條毛管溫室滴灌系統(tǒng)沒有進行分析。下面通過試驗來確定不同毛管布置的最優(yōu)壓力和管徑。

2.1 試驗裝置

本次試驗共選用三種常用滴灌管：兩種溫室常用滴灌管和一種小管徑低壓圓柱式迷宮滴灌管，其具體技術參數(shù)見表1。

表1 試驗用滴灌管技術規(guī)格

本次試驗借助新疆農(nóng)業(yè)大學相關儀器設備，主體裝置為一個溫室滴灌系統(tǒng)水力測試平臺，尺寸為60 m×8 m，該系統(tǒng)由：變頻柜、供水排水系統(tǒng)、水泵（工作壓力0～40 m）、壓力傳感器（精度等級0.1，量程0～40 m）、支管、毛管等組成，布置圖見圖1[3]。

圖1 試驗裝置示意圖

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗要素

溫室滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)布置形式分為兩種：樹狀和環(huán)狀；毛管布置形式也分為兩種：橫向（支管60 m，毛管8 m）和縱向（支管8 m，毛管60 m）（見圖2）。毛管管徑規(guī)格為8 mm和16 mm，支管管徑均為32 mm。試驗時環(huán)（樹）狀管網(wǎng)依次設計為1-5環(huán)（樹），具體試驗因素和水平見表2[4]。本試驗采用對比方式進行，具體分為以下兩種工況：

圖2 毛管橫向（左）和縱向布置（右）

①毛管橫向布置

受試驗場地限制，每條支管上布置6條毛管，在每條毛管上等間距設計15個滴頭，從15個滴頭中等間距選取5個進行編號（1-5號）并設置壓力傳感器，這樣選取的總滴頭編號為1-30#，傳感器共布置30個。

②毛管縱向布置

布置毛管6條，每條毛管等間距設計滴頭60個，且每條毛管間隔15 m設置一個壓力傳感器，共布置30個（每條毛管5個）并對傳感器進行編號[5]。

表2 試驗因素和水平表

2.2.2 試驗參數(shù)確定

在正式開始前先要將管路中的空氣排除，將全部閥門打開，之后設置所需壓力值并觀察壓力傳感器示數(shù)變化，待穩(wěn)定后則說明空氣排除干凈。此外，還要提前測定水箱溫度、滴頭流量、傳感器數(shù)據(jù)采集是否正常（1 s采集一次，持續(xù) 10 min）。

①灌溉均勻系數(shù)CM

灌溉均勻系數(shù)CM是評價滴灌系統(tǒng)設計合理與否的最重要參數(shù)，是作物需水保證度的直接反映，在此利用“克里斯欣森”公式計算[6]：

式中：qi為第i個灌水器流量，L/h；qˉ為所有灌水器平均流量，L/h；n為灌水器數(shù)量。

②毛管工作壓力

毛管工作壓力直接影響灌溉用水和系統(tǒng)經(jīng)濟效益，滴頭工作壓力越高，所需水泵揚程越大，功耗越高。而不同的管網(wǎng)布置形式其壓力分布差別顯著，因此在滿足使用的前提下需要盡量降低滴頭壓力，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

3 溫室低壓小管徑滴灌試驗結果分析

3.1 不同管網(wǎng)布置毛管壓力分布

（1）樹狀毛管布置工作壓力分布

圖3描繪的是當毛管進口壓力為10 m、樹狀布置時，其工作壓力隨毛管長度變化的曲線圖。由圖中可知：①各毛管壓力隨著輸水距離的增大而逐漸降低，且1-4#毛管降低速率也是逐漸增大，說明越遠離支管進口，受影響越大；②隨著輸水距離增加，各管路壓力值越拉越大，分布松散。

圖3 同一進口壓力下樹狀毛管工作壓力分布

（2）環(huán)狀毛管布置工作壓力分布

圖4描繪的是當毛管進口壓力為10 m、環(huán)狀布置時，其工作壓力隨毛管長度變化的曲線圖。由圖中可知：①在0～45 m范圍，各毛管壓力隨著輸水距離的增大而逐漸降低，且1-4#毛管降低速率基本一致，沒出現(xiàn)松散現(xiàn)象；②在45～60 m范圍，毛管工作壓力隨著輸水距離增加而逐漸平緩。

綜合分析：樹狀毛管布置沒有壓力補償效果，而環(huán)狀布置有一定壓力補償，因此環(huán)狀布置的灌水均勻度更好，是提高CM的一種途徑。

圖4 同一進口壓力下環(huán)狀毛管工作壓力分布

3.2 不同管網(wǎng)布置及管徑毛管水頭損失

圖5 模擬出不同管徑及布置形式下毛管的水頭損失曲線變化。由圖中可知：①無論毛管直徑及何種布置形式，隨著進口壓力增加，其水頭損失也在逐步增加；②毛管橫向布置時，小直徑滴灌管（8 mm）與常規(guī)滴灌管（16 mm）相比，當進口壓力由2 m增至10 m時，它們水頭損失均很小，因此可在相同進口壓力下，應用小直徑滴灌管以降低管材成本，而不會產(chǎn)生額外能耗；③毛管縱向布置時，由于鋪設長度較長，小直徑滴灌管相對于常規(guī)滴灌管水頭損失較大，因此選擇直徑較大的滴灌管才能夠有效降低系統(tǒng)能耗。

圖5 不同管徑及布置形式下毛管水頭損失

4 結語

滴灌系統(tǒng)布置合理性與否直接影響應用效果，因此必須對系統(tǒng)重要參數(shù)進行模擬對比。通過對溫室低壓小管徑滴灌進行試驗和模擬，在阜康市3800畝滴灌系統(tǒng)優(yōu)化改造中最后選擇方案是8 mm毛管橫向布置，較好的避免了水頭損失過多，且大大節(jié)約了管材采購成本，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]李明思,康紹忠,孫海燕.點源滴灌滴頭流量與濕潤體關系研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006(04):32-35.

[2]馬章進,汪自勝.談棉花膜下滴灌設計要點[J].水利技術監(jiān)督,2006(02):40-43.

[3]孫夢瑩.溫室滴灌應用現(xiàn)狀與滴灌設計參數(shù)研究[D].西北農(nóng)林科技大學,2014.

[4]傅曉松.沙井子灌區(qū)棉花滴灌設計中日耗水強度的確定[J].水利技術監(jiān)督,2009,17(02):48-50.

[5]朱振田.滴灌設計中毛管水頭損失計算應注意的問題[J].噴灌技術,2009(02):13-16.

[6]朱德蘭,李昭軍,王健,賈銳魚.滴灌條件下土壤水分分布特性研究[J].水土保持研究,2010(01):81-84.