不同滴頭流量、管徑和壓力對(duì)滴灌均勻度的影響

林子秋，劉東昀，白銘熙，李富昌，余柚樸，鄧蘭生，徐煥彬

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642； 3.廣州一翔農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司，廣州 510520)

滴灌是一種局部灌溉方式，具有顯著的節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)工、高效等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，配合地膜覆蓋和大棚等設(shè)施效果更佳[1-3]。隨著生產(chǎn)發(fā)展和對(duì)技術(shù)的普及推廣，滴灌技術(shù)越來越被廣大種植業(yè)者所認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，灌水均勻度的問題也就被更多的用戶所重視。前人對(duì)于影響灌溉均勻度的因素做了許多研究，如進(jìn)水口壓力、灌水器制造偏差、田間微地形、滴灌管鋪設(shè)長(zhǎng)度、滴頭工作壓力和滴頭流量等[4-8]。席奇亮等對(duì)兩種滴灌帶的鋪設(shè)長(zhǎng)度、壓力及兩者相互影響研究表明，內(nèi)嵌式滴灌帶的灌水均勻度較薄壁式滴灌帶表現(xiàn)更好，且更適合較長(zhǎng)距離鋪設(shè)使用；在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，兩種滴灌帶均有其合適的工作壓力范圍[9]。滴灌均勻度直接影響著滴灌技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，在水肥耦合條件下，灌溉均勻度還會(huì)直接影響到施肥的均勻性，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上，研究不同滴頭流量、管徑大小和壓力這3個(gè)因素及其交互作用對(duì)滴灌均勻度的影響，尋求各條件下獲得較高均勻度的組合，以期為滴灌系統(tǒng)的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2017年10-12月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地進(jìn)行。

供試材料包括：3種不同管徑大小的PE管，規(guī)格分別為φ16 mm、φ20 mm、φ25 mm；3種不同流量的壓力補(bǔ)償式滴頭，流量分別為1.2、2.0、4.0 L/h；水泵(額定流量3.5 m3/h，額定揚(yáng)程28 m，額定功率1 100 W)，主要為系統(tǒng)提供壓力。為保障試驗(yàn)順利進(jìn)行，在系統(tǒng)首部安裝時(shí)加裝回流調(diào)壓裝置。此外，還有滿足試驗(yàn)所需的過濾器、壓力表、量筒、量杯、計(jì)時(shí)器等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)按照滴頭流量、管徑大小、壓力的不同設(shè)置不同處理組合(見表1)。其中，管徑大小(簡(jiǎn)稱A)有：φ16 mm(A1)、φ20 mm(A2)、φ25 mm(A3)；滴頭流量(簡(jiǎn)稱B)有：1.2 L/h(B1)、2.0 L/h(B2)、4.0 L/h(B3)；水泵能提供給系統(tǒng)的壓力值(簡(jiǎn)稱C)有：0.05 MPa(C1)、0.10 MPa(C2)、0.15 MPa(C3)、0.20 MPa(C4)、0.25 MPa(C5)、0.30 MPa(C6)、0.35 MPa(C7)、0.40 MPa(C8)，共形成72個(gè)組合。

試驗(yàn)中滴灌用PE管按直線方向擺放，根據(jù)李文[5]等的研究設(shè)計(jì)每條滴灌管長(zhǎng)度100 m，安裝滴頭間距為50 cm，共200個(gè)滴頭。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在200個(gè)滴頭中系統(tǒng)抽樣測(cè)量20個(gè)滴頭，并測(cè)量記錄其出流量，取平均值，用作最后的均勻度計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果計(jì)算出各個(gè)處理或組合的均勻度。根據(jù)滴灌均勻度的采用公式(克里斯琴森公式[10])來看，計(jì)算均勻度的數(shù)據(jù)與時(shí)間無關(guān)，所以試驗(yàn)過程中，為了方便測(cè)量和高效率利用時(shí)間，每個(gè)滴頭出水量的測(cè)量時(shí)間設(shè)定為200 s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

灌水均勻度是衡量灌溉技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)[11]，灌水均勻度用灌水均勻系數(shù)來體現(xiàn)。計(jì)算灌水均勻系數(shù)公式為克里斯琴森公式[10]。

(1)

本試驗(yàn)使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SAS軟件進(jìn)行顯著性分析(p=0.05)。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同壓力對(duì)管徑大小和滴頭流量組合滴灌均勻度的影響

各個(gè)組合內(nèi)流量因壓力變化而受的影響程度有所差異。隨著滴頭流量的增大，各組合內(nèi)的流量變化程度受壓力影響越大。圖1顯示，前3個(gè)組合A1+B1、A2+B1、A3+B1中，只有兩個(gè)組合內(nèi)有顯著性差異，并且組合內(nèi)有顯著性差異的壓力處理較少；中間3個(gè)組合A1+B2、A2+B2、A3+B2中，有顯著性差異的壓力處理較多；最后3個(gè)組合A1+B3、A2+B3、A3+B3中，各個(gè)組合內(nèi)受壓力影響的流量差異最大。把前中后每3組分成1個(gè)大組，可以看出，前中后3個(gè)大組中，只有滴頭流量大小不同，由此得出在滴灌過程中，滴頭流量越大，其流量變化程度受壓力影響越大。

圖1 壓力變化對(duì)各個(gè)處理組合下流量變化的影響的顯著性分析

另外，隨著管徑增大，流量因壓力的變化而受的影響有減小的趨勢(shì)。在前1個(gè)大組中，A1+B1組合中其他壓力處理的結(jié)果顯著低于C8壓力處理，A2+B1中有一個(gè)壓力處理的結(jié)果顯著低于C8壓力處理，直到A3+B1中的各處理間都沒有顯著差異；在中間1大組中，其趨勢(shì)和前一大組的趨勢(shì)類似；在后1大組中，沒有符合前面推斷的趨勢(shì)，可能是滴頭流量大小是流量受壓力影響程度的決定因素，而管徑大小是次要因數(shù)。所以，在最后1大組中，管徑大小對(duì)緩解壓力影響的作用很小，不足以影響滴頭流量的作用，可以忽略，導(dǎo)致A3+B3組合的滴灌均勻性比A1+B3和A2+B3組合處理差異顯著。

2.2 不同管徑大小或滴頭流量對(duì)滴灌均勻度的影響

不同管徑大小或滴頭流量大小對(duì)滴灌均勻度影響不大。如表1所示，在單獨(dú)考慮管徑大小對(duì)滴灌均勻度的影響時(shí)，3種管徑大小對(duì)滴灌均勻度的影響差異不顯著，即可以認(rèn)為3種管徑大小對(duì)于本試驗(yàn)的滴灌均勻度沒有影響；在單獨(dú)考慮滴頭流量對(duì)均勻度的影響時(shí)，單位時(shí)間流量最小的B1滴頭的滴灌均勻度顯著低于其他兩種滴頭，而 B3和B2兩種流量滴頭對(duì)滴灌均勻度的影響差異不顯著。可能的原因是本試驗(yàn)所用滴頭為壓力補(bǔ)償式滴頭，在其壓力補(bǔ)償范圍內(nèi)，對(duì)于各處理導(dǎo)致的壓力變化有一定的調(diào)節(jié)能力，所以單因素的變化對(duì)滴灌均勻度影響不大[12]。

表1 不同管徑大小或滴頭流量對(duì)滴灌均勻度影響的顯著性分析

2.3 不同管徑大小和壓力或滴頭流量大小和壓力組合對(duì)滴灌均勻度的影響

表2給出了A+C或B+C組合間的顯著性分析。經(jīng)檢驗(yàn)，可以知道本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)因素中，每?jī)梢蛩亻g存在互作效應(yīng)，且效應(yīng)顯著。從檢驗(yàn)結(jié)果看：A+C組合對(duì)均滴灌勻度的影響不大，只出現(xiàn)了兩個(gè)差異等級(jí)，只有A1+C2的均勻度是0.953 9，顯著低于其他組合；B+C組合對(duì)滴灌均勻度的影響比較大，出現(xiàn)3個(gè)差異等級(jí)，最好的3個(gè)組合B3+C5、B3+C4和B3+C6顯著優(yōu)于B1+C7和B1+C2組合，出現(xiàn)一種B3的組合均勻度一般比B1的組合均勻度高的趨勢(shì)。如本文2.1的結(jié)果，流量滴頭是影響滴灌均勻度的決定因素，主導(dǎo)著滴灌均勻度的高低。試驗(yàn)結(jié)果表明，在A+C組合中，最好使用A3+C6，不推薦使用A2+C8、A1+C3、A2+C7和A1+C2組合。在B+C組合中，最好使用B3+C5、C3+C4和B3+C6組合, 不推薦使用B1+C2組合。

表2 不同A+C組合或B+C組合對(duì)滴灌均勻度影響的顯著性分析

2.4 不同管徑大小和滴頭流量組合對(duì)滴灌均勻度的影響

如圖2所示，滴灌均勻度最優(yōu)的組合是A3+B3組合，其滴灌均勻度顯著高于A1+B1、A2+B1和A3+B1這3個(gè)組合的均勻度。滴灌均勻度高于0.980 0的有5個(gè)組合，在這5個(gè)組合中發(fā)現(xiàn)A1、A2和A3的最優(yōu)搭配都是B3和B2，有B1的組合滴灌均勻度都顯著顯著低于其他組合處理。在不考慮成本和壓力的情況下，使用A3+B3組合能獲得最高的均勻度，滴灌效果最佳。

圖2 滴頭流量和管徑組合對(duì)滴灌均勻度影響的顯著性分析

2.5 不同滴頭流量、管徑大小和壓力組合對(duì)滴灌均勻度的影響分析

本試驗(yàn)中，各單個(gè)因素處理結(jié)果差異不大；考慮雙因素或三因素的情況下，不同水平間的處理結(jié)果會(huì)有所差異。圖3給出了A+B組合在C2～C8壓力值間的滴灌均勻度變化，從圖3可以看出在各個(gè)壓力情況下滴灌均勻度最穩(wěn)定且最高的A+B組合為A3+B3和A2+B3組合；隨壓力變化最大的組合為A1+B3，在壓力值C6出現(xiàn)最高滴灌均勻度為0.993 4，在壓力值C2出現(xiàn)最低滴灌均勻度為0.918 3，為本試驗(yàn)條件下最不穩(wěn)定的組合。

圖3 壓力對(duì)各組合條件下滴灌均勻度的影響

3 討 論

本試驗(yàn)在不考慮其他因素的情況下，尋找最優(yōu)滴灌均勻度的管徑大小、滴頭流量和壓力組合，以期為滴灌系統(tǒng)的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用提供理論參考。

試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)壓力在0.05 MPa時(shí)，A1+B2、A1+B3和A2+B3這3種滴頭管徑與流量組合所表現(xiàn)出來的滴灌均勻度會(huì)變得異常的低，均勻度只有0.5左右，與張?zhí)炫e等人的研究結(jié)果存在較大差異[8]。試驗(yàn)過程中，壓力在0.05 MPa時(shí)，100 m長(zhǎng)的滴灌管中，靠近末端的滴頭沒有水滴出來，可能是末端壓力不足所致。當(dāng)水泵提供的壓力大于0.30 MPa時(shí)，8個(gè)管徑與滴頭流量組合中，大部分處理的均勻度會(huì)隨著壓力的增大而下降，但仍然維持在較高的均勻度。

滴灌均勻度主要受滴頭流量影響，滴頭流量的精度又主要受滴頭制造偏差影響[13]，本試驗(yàn)未考慮滴頭制造偏差等因素對(duì)滴灌均勻度的影響。考慮到實(shí)際應(yīng)用中滴頭間距一般在40～50 cm左右，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的滴頭間距為50 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓力梯度為0.05 MPa，與白雨薇等人[6]試驗(yàn)相比，壓力范圍較大，梯度設(shè)計(jì)較大，也沒有考慮高壓情況下的經(jīng)濟(jì)成本，可能會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定影響，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語

(1)在考慮管徑大小或滴頭流量或壓力變化的單因素情況下，因?yàn)榈晤^為壓力補(bǔ)償式滴頭，管徑大小對(duì)滴灌均勻度的影響差異不顯著；滴頭流量B2和B3的滴灌均勻度顯著高于B1處理，不建議使用B1。滴頭流量越大，流量變化幅度受壓力影響越大，管徑的增大對(duì)流量變化幅度有減緩作用。

(2)在考慮管徑大小、滴頭流量或壓力變化的任意兩因素情況下，使用A3+B3組合能在A+B組合系列中獲得最高的均勻度，滴灌效果最佳，不建議應(yīng)用有B1的組合；在A+C組合中，最好使用A3+C6組合，不推薦使用A2+C8、A1+C3、A2+C7和A1+C2組合；在B+C組合中，最好使用B3+C5、C3+C4和B3+C6組合, 不推薦使用B1+C2組合。

(3)在考慮管徑大小、滴頭流量和壓力變化的三因素情況下，各個(gè)壓力情況下滴灌均勻度最穩(wěn)定的A+B組合為A3+B3和A2+B3組合。三因素組合的均勻度最高是A1+B3+C6，該組合是本試驗(yàn)所有處理的最優(yōu)組合。