溫室滴灌系統(tǒng)毛管布設(shè)方式與壓力對灌水均勻度的影響

孫夢瑩

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

隨著我國溫室種植業(yè)的發(fā)展，滴灌作為一種現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉模式已在溫室作物栽培中廣泛應用。但目前溫室滴灌系統(tǒng)存在運行成本較高、灌水均勻度較低、效果不理想等問題[1]。壓力及管徑是決定滴灌系統(tǒng)造價的最主要的因素，采用小管徑低壓滴灌系統(tǒng)灌水是當今溫室滴灌技術(shù)應用的主要模式[1]。滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度是衡量灌水質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一，受多種因素共同影響，如毛管直徑大小、布設(shè)方式，滴頭、工作壓力等[2]。張國祥等[3]理論分析認為滴灌系統(tǒng)滴頭設(shè)計水頭在5 m以下，不僅可提高灌水均勻度，還可降低系統(tǒng)運行成本；朱德蘭等[4]研究制造偏差系數(shù)小的滴頭及灌水均勻度關(guān)系；張林等[5-6]探討了壓力、鋪設(shè)長度等對灌水均勻度的影響；BARRAGAN等[7]給出了微灌灌水均勻度的精確計算方法；TAYEL等[8-9]研究了不同管網(wǎng)下的灌水均勻度變化規(guī)律。前人對多條毛管、不同管網(wǎng)布設(shè)形式的滴灌系統(tǒng)灌水均勻度試驗研究不多。因此，進一步研究不同毛管管徑下滴灌管網(wǎng)布設(shè)形式、滴頭工作壓力的溫室滴灌系統(tǒng)灌水均勻度差異，提出適宜溫室滴灌管系統(tǒng)采用的毛管管徑、毛管布設(shè)形式、滴頭工作壓力，對改善溫室滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量、降低系統(tǒng)造價有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗毛管與滴頭

試驗毛管為溫室滴灌系統(tǒng)常用的φ8、φ16滴灌帶(管)，滴頭為小管徑低壓圓柱型迷宮式滴灌管，其參數(shù)見表1。

表1 試驗毛管與滴頭參數(shù)

1.2 試驗平臺與測量指標

試驗平臺尺寸60 m×8 m(圖1)，組成部件，變頻柜、水泵(工作壓力0～40 m)、壓力傳感器 (量程為0～40 m，精度等級0.1)。試驗每個處理測試時間均為8 min，滴頭流量用稱重法測量，每隔1 s采集各測點壓力傳感器的壓力值1次。

1.3 試驗因素設(shè)計

由表2可見，試驗設(shè)樹狀和環(huán)狀2種管網(wǎng)布設(shè)形式，毛管設(shè)橫向(支管長60 m、毛管長8 m)和縱向(支管長8 m，毛管長60 m)2種布設(shè)形式，毛管管徑分別為8 mm、16 mm，支管管徑均為32 mm，毛管間距為0.8 m。

試驗分兩部分進行。第1部分為橫向布設(shè)，每條毛管均勻布設(shè)15個滴頭；第2部分為縱向布設(shè)，每條毛管均勻布設(shè)60個滴頭。第1個壓力傳感器安裝在毛管首部和尾部，第2個壓力傳感器在毛管中間安裝。

注：1，水箱；2，水泵；3，變頻穩(wěn)壓器；4，閘閥；5，滴頭；6，毛管；7，壓力傳感器毛管；8，1環(huán)(樹)；9，2環(huán)(樹)。

圖21 試驗平臺結(jié)構(gòu)

表2 試驗因素與水平設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 不同毛管布設(shè)方式下滴灌灌水的均勻度

圖2為毛管管徑16 mm和8 mm、低壓2 m的滴灌帶(管)，毛管橫向與縱向布設(shè)方式下的滴灌灌水均勻度?？梢妷毫? m和管徑16 mm條件下，毛管橫向布設(shè)灌水均勻度均在95%以上，表明橫向布設(shè)的滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量較好。環(huán)(樹)管網(wǎng)隨著毛管條數(shù)增加灌水均勻度降低。但對于環(huán)狀管網(wǎng)而言，因其水流的再次分配作用對于壓力有補償效果，使得同環(huán)數(shù)下的灌水均勻度大于相應的樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)。當管徑減小50%、為8 mm時，與16 mm毛管相比，布設(shè)方式對灌水質(zhì)量的影響很大。如：縱向布設(shè)的5樹管網(wǎng)灌水均勻度為83%，較管徑16 mm的低9百分點，這是因為在相同毛管長度下，管徑較小時，系統(tǒng)水頭損失較大，導致灌水均勻度降低；而橫向布設(shè)的5樹管網(wǎng)灌水均勻度較管徑16 mm的僅低0.2百分點。因此，當溫室滴灌系統(tǒng)毛管沿縱向布設(shè)時，因毛管鋪設(shè)長度較長，宜選用16 mm毛管保證灌水均勻度；毛管橫向布設(shè)時沿程水頭損失較小，宜選用管徑8 mm的毛管，即可滿足灌水均勻度的要求；相同管徑下，環(huán)狀管網(wǎng)灌水質(zhì)量高于樹狀管網(wǎng)，在溫室中灌水均勻度不理想時建議采用環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)來提高滴灌灌水均勻度。

圖2 相同進口壓力下不同管徑、布置方式樹狀和環(huán)狀管網(wǎng)的滴灌灌水均勻度

2.2 不同滴頭工作壓力下滴灌灌水的均勻度

由圖3可見，當管徑為16 mm的毛管縱向布設(shè)時，樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)的灌水均勻度均在92%以上，但環(huán)狀管網(wǎng)的灌水均勻度要比樹狀管網(wǎng)高出1.3～2.8百分點，說明環(huán)狀管網(wǎng)相對于樹狀管網(wǎng)有較高的灌水均勻度；當管徑為8 mm的毛管橫向布設(shè)時，樹狀和環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)灌水均勻度均在95%以上，均勻度相差不大，說明毛管鋪設(shè)長度較短時，水頭損失較小，毛管壓力偏差較小。

對于管徑16 mm、管長60 m的毛管，灌水均勻度隨毛管進口壓力的增大而增大，在4～8 m時增幅較大，對于樹狀管網(wǎng)，8 m以后均勻度增幅很??；對于環(huán)狀管網(wǎng)，6 m以后均勻度基本無變化。說明環(huán)狀管網(wǎng)在壓力較低時較樹狀易達到理想均勻度。因此，溫室滴灌系統(tǒng)縱向布設(shè)條件下，適宜選擇管徑為16 mm毛管，若采用樹狀管網(wǎng)則適宜選擇的壓力為8 m，若采用環(huán)狀管網(wǎng)而適宜選擇的壓力為5 m；若溫室毛管采用橫向布設(shè)，適宜選擇管徑為8 mm毛管，毛管進口壓力選擇2 m為宜。以降低系統(tǒng)投資和運行費用。

由圖4可見，同時采用縱向布設(shè)，在10 m的毛管進口壓力下，環(huán)狀管網(wǎng)的毛管壓力分布隨著毛管長度增加，呈先減小后增加的變化。隨著距毛管進口距離增加，3環(huán)管網(wǎng)4條毛管各測點壓力均呈降低趨勢，但在45 m后4條毛管壓力均有上升，這可能是因為環(huán)狀管網(wǎng)自身對于壓力的補償效果，此效果有利于提高環(huán)狀管網(wǎng)的灌水均勻度，而樹狀管網(wǎng)就沒有此補償效果。第4條毛管在45 m處的壓力為8.7 m，大于各鄰測點的壓力值，由水流能量關(guān)系可以推斷水流在此交匯。同樣在10 m工作壓力下，樹狀管網(wǎng)的毛管壓力隨著離毛管長度的增加，第1條至第4條毛管各測點壓力均呈降低趨勢。越遠離支管進口處，毛管壓力下降越明顯。

注：3環(huán)(樹)-1代表3環(huán)中的第1條毛管，依次為第2、3、4條毛管。

圖24 相同進口壓力下縱向布設(shè)的環(huán)狀和樹狀管網(wǎng)壓力分布

2.3 滴灌灌水均勻度影響因素顯著性

對試驗因素方差分析表明(表3)，布設(shè)方式、管徑及壓力對溫室滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，即各因素對滴灌系統(tǒng)灌水均勻度影響較大，而管網(wǎng)形式對灌水均勻度的影響達到顯著水平(P<0.1)，而對比其他各因素，管網(wǎng)形式對系統(tǒng)灌水均勻度影響最小。主要原因：一是管徑采用溫室專用小管徑滴灌管和常用滴灌帶，管徑變化較大；二是布設(shè)方式不同，毛管長度差異較大，隨著毛管長度的增加，水頭損失也在增大，使得滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度降低，嚴重影響灌水質(zhì)量。對于管網(wǎng)形式，已達到顯著水平，說明在其他條件不變時，環(huán)狀管網(wǎng)較樹狀確實有提高灌水均勻度的作用，因此在現(xiàn)有溫室滴灌中可以選用環(huán)狀管網(wǎng)，提高滴灌灌水均勻度。即小管徑橫向布設(shè)下，2 m進口壓力下的灌水均勻度能達到95%以上，而縱向布設(shè)，因管徑太小，2 m下灌水均勻度不足85%，嚴重影響灌水質(zhì)量。因此在現(xiàn)有溫室滴灌中若確定為橫向布設(shè)毛管，則可以選擇小管徑滴灌管，降低系統(tǒng)運行壓力與成本?？梢赃x用環(huán)狀管網(wǎng)，提高滴灌灌水均勻度。

表3 低壓條件下各因素對灌水均勻度影響的方差分析

3 結(jié)論與討論

1) 滴灌毛管橫向布設(shè)灌水均勻度大于縱向布設(shè)；同一布設(shè)方式下，隨著滴灌系統(tǒng)毛管條數(shù)的增加，灌水均勻度均呈現(xiàn)下降趨勢；對于環(huán)狀管網(wǎng)而言，因其壓力補償效果，使得同環(huán)數(shù)下的滴灌系統(tǒng)灌水均勻度大于對應的樹狀管網(wǎng)系統(tǒng)；對于縱向布設(shè)而言，因毛管鋪設(shè)長度較長，管徑對灌水均勻度影響顯著，環(huán)狀管網(wǎng)能夠提供部分壓力補償，從而減小毛管壓力分布偏差。

2) 溫室滴灌系統(tǒng)不同管網(wǎng)形式及布設(shè)方式下，灌水均勻度均隨著毛管進口壓力增加而增加。隨著毛管長度增加，不同管網(wǎng)形式下，毛管的壓力分布沿程降低。對于環(huán)狀而言，由于水流的交匯產(chǎn)生部分壓力補償，使得毛管壓力分偏差減小，提高了灌水均勻度。

3) 管網(wǎng)形式、布設(shè)方式、管徑及壓力對溫室滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度的影響均呈顯著水平，其中布設(shè)方式的影響最大，管網(wǎng)形式影響最小。因此，溫室毛管縱向布設(shè)(60 m)，滴灌帶(管)管徑可選16 mm，根據(jù)管網(wǎng)的形式選擇適宜工作壓力；溫室滴灌系統(tǒng)毛管橫向布設(shè)(8 m)，滴灌帶(管)管徑可選8 mm，適宜壓力為2 m。