農(nóng)業(yè)滴灌設(shè)備流量一致性測(cè)試方法探討

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定總站，北京 100122）

隨著我國(guó)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模化程度越來越高，對(duì)優(yōu)質(zhì)牧草的需求量逐年增加。但當(dāng)前我國(guó)牧草產(chǎn)業(yè)存在數(shù)量少、產(chǎn)量低、質(zhì)量較差等問題，已成為制約我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展的重要因素之一。新疆、內(nèi)蒙古是我國(guó)主要的牧業(yè)省份，地處干旱和半干旱地區(qū)，大多地區(qū)自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，由于氣候的變化和過度放牧，近年來許多天然草原都出現(xiàn)了不同程度的退化，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化。為解決水資源短缺、畜草矛盾，促進(jìn)草地生態(tài)恢復(fù)，提高牧草產(chǎn)量和品質(zhì)，各牧區(qū)按照中央一號(hào)文件提出的“穩(wěn)步發(fā)展牧區(qū)水利，建設(shè)節(jié)水高效灌溉飼草料地”要求，大力在牧區(qū)發(fā)展節(jié)水滴灌技術(shù)，推廣農(nóng)業(yè)滴灌設(shè)備，“十三五”期間新增高效節(jié)水灌溉面積達(dá)1億畝以上。目前，滴灌技術(shù)已廣泛應(yīng)用于苜蓿、玉米等飼料作物種植，相較于傳統(tǒng)大范圍灌溉，該技術(shù)不受地形影響，可地邊、地角同時(shí)均勻進(jìn)水，并且可適時(shí)、適量控制灌水時(shí)間和數(shù)量，能更好地滿足作物供水需求。

目前，評(píng)價(jià)滴灌設(shè)備作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是流量一致性，其性能好壞直接影響到整個(gè)滴灌設(shè)備的節(jié)水性能和灌溉效果。滴灌裝置是滴灌設(shè)備的核心部分，是指從滴灌系統(tǒng)支管開始到滴灌管（帶）的組合，由支管、過濾器（如有）、三通、滴灌管（帶）組成。其工作原理是將具有一定壓力的水，過濾后經(jīng)管網(wǎng)和出水管道（滴灌帶）或滴頭以水滴的形式緩慢而均勻地滴入植物根部附近土壤，達(dá)到高效灌水。做好機(jī)具的技術(shù)評(píng)價(jià)，尤其是作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)，有利于促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高，也有助于增加牧草產(chǎn)量。根據(jù)多次試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)方法分析，筆者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17187-2009《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》[1]（以下簡(jiǎn)稱為GB/T 17187-2009）中“流量一致性”的測(cè)試方法存在缺陷，有必要深入研究并加以改進(jìn)。

1 現(xiàn)行滴灌設(shè)備流量一致性測(cè)試情況介紹

1.1 現(xiàn)行測(cè)試方法

目前，滴灌設(shè)備試驗(yàn)樣品制備及性能測(cè)定按照GB/T 17187-2009第9.1規(guī)定，具體方法如下：

該方法適用于恒流式和非恒流式滴頭/滴灌管。試驗(yàn)應(yīng)包含25個(gè)GB/T 17187-2009第8.1規(guī)定要求抽取的滴頭/滴水元件。對(duì)于多出水口滴頭，應(yīng)將每個(gè)出水口視為一個(gè)滴頭。

對(duì)于非恒流式滴頭/滴灌管，在滴頭/滴水元件進(jìn)水口處的壓力等于額定試驗(yàn)壓力下，測(cè)量滴頭/滴水元件的流量，分別記錄每個(gè)滴頭/滴水元件的流量測(cè)定值。按式（1）計(jì)算變異系數(shù)。

式中：Cν為流量變異系數(shù)（%）；Sq為試驗(yàn)流量標(biāo)準(zhǔn)偏差（L/h）；為試樣的平均流量（L/h）。

對(duì)于恒流式滴頭/滴灌管，調(diào)節(jié)試驗(yàn)中滴頭/滴水元件的運(yùn)行狀態(tài)，使其共運(yùn)行1h，調(diào)節(jié)過程完成后在進(jìn)水口壓力保持調(diào)節(jié)范圍中間值的調(diào)節(jié)下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量滴頭/滴水元件的流量并按式（1）計(jì)算變異系數(shù)。

1.2 現(xiàn)行方法存在的問題

現(xiàn)行方法是屬于簡(jiǎn)單的對(duì)單支滴灌管構(gòu)件的流量一致性進(jìn)行試驗(yàn)，試樣不是一個(gè)農(nóng)業(yè)實(shí)際的施水單元，試驗(yàn)受過程因素影響較大，試驗(yàn)結(jié)果不能完全反映實(shí)際情況。此外，試樣要求應(yīng)包含25個(gè)滴頭/滴水元件，試樣制作繁瑣，試驗(yàn)工作量大。

2 滴灌設(shè)備流量一致性測(cè)試方法的改進(jìn)

2.1 試樣制備

將待測(cè)滴灌設(shè)備制成灌水裝置試驗(yàn)單元，即為兩條各有7個(gè)滴頭的滴灌管（帶）與支管連接而成，成“F”狀。滴灌管（帶）在支管上的安裝間距為1m，一端裝有快換接頭，一端用堵頭堵死。兩頭距離滴灌管（帶）600 mm（圖1）。

圖1 8G-32×0.30型滴灌裝置

2.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用自制的DG-14型滴灌裝置性能試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)由供水系統(tǒng)、水源前部和擋水裝置三部分組成。其中，供水系統(tǒng)由高壓泵、截止閥、減壓閥、安全閥、壓力表、進(jìn)水與出水回路組成，實(shí)現(xiàn)向試驗(yàn)樣品穩(wěn)定地供水；水源前部由過濾器、微小流量計(jì)、貯水罐、進(jìn)排氣閥、壓力表、快換接頭及球閥組成，保證進(jìn)入試驗(yàn)樣品的水質(zhì)、流量、流速和壓力滿足試驗(yàn)條件；擋水裝置由擋水板、雙搖桿平行擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、可調(diào)支架、量杯承接臺(tái)、量杯、懸掛桿及掛鉤、集水槽與回水軟管、灌管固定機(jī)構(gòu)等組成，可滿足滴水性能試驗(yàn)要求。試驗(yàn)臺(tái)見圖2。

圖2 DG-14型滴灌裝置性能試驗(yàn)臺(tái)

2.3 測(cè)試方法

本測(cè)試方法適用于非恒流滴灌管（帶）和恒流式滴灌管（帶）[2]。對(duì)于非恒流滴灌管（帶），抽取1個(gè)試驗(yàn)單元，將試驗(yàn)單元樣品支管進(jìn)水口與水源相連，堵上除滴頭/滴水元件以外的出水口，向內(nèi)充水，排盡空氣后逐漸（20～40s）加壓至額定工作壓力，穩(wěn)定滴水至少3min后，用集水容器收集每個(gè)滴頭/滴水元件的滴水量，滴水時(shí)間應(yīng)不少于3min。用量筒測(cè)量集水容器中的滴水量并計(jì)算成流量。按式（2）和式（3）計(jì)算流量變異系數(shù)。

對(duì)于恒流式滴灌管（帶），抽取1個(gè)試驗(yàn)單元，將試驗(yàn)單元樣品支管進(jìn)水口與水源相連，堵上除滴頭/滴水元件以外的出水口，向內(nèi)充水，排盡空氣后，調(diào)節(jié)試樣中滴頭/滴水元件的運(yùn)行狀態(tài)，使其共運(yùn)行1h。調(diào)節(jié)步驟如下：設(shè)置為最小工作壓力，保壓3min；設(shè)置為最大工作壓力，保壓3min。反復(fù)3次。

設(shè)置為壓力調(diào)節(jié)范圍的中間值，并保持到整個(gè)調(diào)節(jié)過程（1h）結(jié)束。 在進(jìn)水口壓力保持調(diào)節(jié)范圍中間值的條件下，穩(wěn)定滴水至少3min后，用集水容器收集每個(gè)滴頭/滴水元件的滴水量，滴水時(shí)間應(yīng)不少于3min。用量筒測(cè)量集水容器中的滴水量并計(jì)算成流量。按式（2）和式（3）計(jì)算流量變異系數(shù)。

2.4 方法特點(diǎn)

（1）試驗(yàn)方法科學(xué)準(zhǔn)確。本試驗(yàn)所采用的滴灌裝置單元是由支管、滴灌管（帶）、管件、過濾器等組合連接而成，試樣構(gòu)成了實(shí)際應(yīng)用的基本施水單元，因而試驗(yàn)更接近實(shí)際，結(jié)果更能準(zhǔn)確反映滴灌設(shè)備灌水性能。

（2）優(yōu)化試驗(yàn)過程，易于操作。與GB/T 17187—2009相比，滴頭/滴水元件數(shù)量由25個(gè)減至14個(gè)，減輕了試驗(yàn)工作量。采用DG-14型滴灌裝置性能試驗(yàn)臺(tái)，確保了試驗(yàn)條件穩(wěn)定，并且能瞬時(shí)同步啟閉接取滴灌管（帶）的滴水，試樣與試驗(yàn)臺(tái)拆卸方便易行，很好地滿足了試驗(yàn)要求。

3 方法驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

對(duì)非恒流式8G-32×0.30型滴灌裝置進(jìn)行試驗(yàn)。該滴灌裝置工作壓力范圍為0.08～0.12MPa，額定流量4L/h，額定工作壓力0.1MPa，滴灌帶采用內(nèi)鑲迷宮式。按兩種方法制備試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)條件滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并分別進(jìn)行流量一致性試驗(yàn)。試驗(yàn)重復(fù)5次[3]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果見表1。采用極差分析法對(duì)兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[4,5]。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)行方法重復(fù)5次試驗(yàn)的極差R1=0.38，改進(jìn)方法重復(fù)5次試驗(yàn)的極差R2=0.04，R1＞R2。由此說明在試驗(yàn)條件一致的情況下，采用現(xiàn)行方法試驗(yàn)所得結(jié)果穩(wěn)定性較差、單次試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性較大。而采用改進(jìn)方法試驗(yàn)由于受試驗(yàn)過程因素影響較小，因此所測(cè)定的結(jié)果穩(wěn)定性好、單次試驗(yàn)結(jié)果基本接近，試驗(yàn)結(jié)果更具有可比性和復(fù)現(xiàn)性。

表1 現(xiàn)行方法與改進(jìn)方法測(cè)定的流量變異系數(shù)對(duì)比 單位：%

4 結(jié)語(yǔ)

流量一致性是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)滴灌設(shè)備作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo), 現(xiàn)行方法僅對(duì)單支滴灌管構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不能反映滴灌設(shè)備實(shí)際滴水作業(yè)質(zhì)量。本文探討的測(cè)試方法在滴灌設(shè)備試驗(yàn)樣品的制備及流量一致性測(cè)定上更加合理，能夠科學(xué)地評(píng)價(jià)滴灌設(shè)備作業(yè)質(zhì)量。