一種內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的水力性能影響因素研究

周 良，陶洪飛，李 巧，馬合木江·艾合買提，楊文新，姜有為，李 莎

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

滴灌是三大高效節(jié)水灌溉技術(shù)之一，在節(jié)水灌溉的發(fā)展過程中起到了重要作用[1]。而滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度則是評價滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，隨著滴灌技術(shù)的推廣與應(yīng)用、精細(xì)作物對灌溉要求的提高，滴灌均勻度得到了越來越多的重視[2]。滴頭流量是滴灌均勻度的主要影響因素，滴頭的實(shí)時出流又受到水溫、工作壓力、灌水頻率、地形高差等多因素的共同影響[3]，前人對此進(jìn)行了大量研究。朱德蘭等[4]在同時考慮地形偏差、水力偏差、制造偏差的條件下，通過計(jì)算機(jī)模擬，分析得出了可直接用于水力學(xué)計(jì)算的灌水均勻度公式。馬曉鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)低壓條件下當(dāng)?shù)喂鄮У匿佋O(shè)坡度從-1%到1%變化時，灌水均勻度呈增加趨勢。席奇亮等[6]通過研究滴灌帶進(jìn)水壓力和鋪設(shè)長度對灌水均勻度的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水均勻度較薄壁式滴灌帶表現(xiàn)更優(yōu)，且適宜長距離鋪設(shè)。

目前，各專家學(xué)者在進(jìn)行灌水均勻度研究時，多采用全試驗(yàn)設(shè)計(jì)，工作量較大，花費(fèi)時間較多，且無法對設(shè)計(jì)后滴灌帶的灌水均勻度進(jìn)行預(yù)測。本試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上采用均勻正交設(shè)計(jì)以節(jié)省工作量，以內(nèi)鑲貼片式滴灌帶為研究對象，通過對鋪設(shè)坡度、工作壓力、鋪設(shè)長度與內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌水均勻度之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，以探討以上3因素對此滴灌帶灌水均勻度影響的主次順序，并通過數(shù)據(jù)的整理分析，建立一個Cu=f(I,P,S)的數(shù)學(xué)模型，以期為滴灌均勻度的預(yù)測提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

每組試驗(yàn)使用大禹節(jié)水公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴灌帶參數(shù)見表1。試驗(yàn)研究在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)水實(shí)驗(yàn)室的滴灌帶(管)抗堵塞性能測試平臺上進(jìn)行，裝置示意圖如圖1所示。

表1 滴灌帶水力性能參數(shù)Tab.1 Hydraulic performance parameters of drip irrigation belt

1-主控柜；2-閘閥；3-水箱；4-計(jì)算機(jī)；5-壓力表；6-流量測試平臺；7-滴灌帶；8-供水管圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

此裝置包括計(jì)算機(jī)、主控柜、流量測試平臺、壓力表、水泵、水箱等，其中主控柜包括供水加壓系統(tǒng)、水壓力控制系統(tǒng)、壓力傳感器等部分。

本套設(shè)備在10～800 kPa范圍內(nèi)，可任意設(shè)定供水壓力，精確到2 kPa，壓力波動范圍±2 kPa，最大鋪設(shè)長度35 m。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

滴灌帶的鋪設(shè)坡度、工作壓力、鋪設(shè)長度是滴灌工程設(shè)計(jì)需考慮的關(guān)鍵因素[2]，使用以上3因素作為參選因素(分別標(biāo)記為A、B、C，D表示誤差)，每因素選取3個水平(表2)，選用均勻正交表UL9(34)[7](表3)進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

表2 因素與水平Tab.2 Factors and levels

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

選擇相應(yīng)長度的試驗(yàn)用滴灌帶安裝在測試平臺上，調(diào)試鋪設(shè)坡度，在計(jì)算機(jī)終端設(shè)定測試壓力值、穩(wěn)壓時間、取樣時間。每次穩(wěn)壓時間為3 min，取樣時間為10 min，每根滴灌帶等間距選擇25個滴頭[8]，并在其下方放置集水桶(1 000 mL)收集水量，重復(fù)3次，取其均值，計(jì)算并記錄出水流量。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

(1)流量均勻性計(jì)算。流量均勻性以平均流量相對于額定流量的偏差率C及滴頭流量的變異系數(shù)Cv來判定[9]。

(1)

(2)

(3)

(2)滴灌的均勻度通常以克里斯琴森均勻系數(shù)表示[2]。

(4)

(3)數(shù)據(jù)處理。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013進(jìn)行整理和計(jì)算，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

受制造工藝、材料等因素影響，制造偏差無可避免[10]，為排除制造偏差對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)開始前，對滴灌帶的流量均勻性進(jìn)行測試，具體步驟見規(guī)范[9]。由公式(1)～(3)可得，平均流量相對于額定流量的偏差率C為-0.51%<±7%，滴頭流量的變異系數(shù)Cv為2.54%<±7%[9]，因此判定此類滴灌帶為優(yōu)等品[11]，排除了制造偏差對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

每個處理完成后，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)每個滴頭的流量，由式(4)計(jì)算出每個處理的灌水均勻度。試驗(yàn)結(jié)果見表3，表中數(shù)據(jù)為3次取樣的平均。對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析、方差分析、多重比較分析，以找出不同因素對內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌水均勻度影響的排序。

表3 UL9(34)均勻正交設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Uniform orthogonal design and experimental results of UL9(34)

2.1 直觀分析

直觀分析也叫作極差分析，可利用均勻正交試驗(yàn)的極差分析方法得到試驗(yàn)各因素水平對滴灌帶灌水均勻度的影響，從而分析各因素對灌水均勻度影響的敏感水平和因素的主次作用。

內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌水均勻度的直觀分析見表4。由表4可知，極差RB>RC>RA>RD，根據(jù)極差的大小順序列出影響滴灌帶灌水均勻度的因素主次順序?yàn)锽>C>A，即壓力>長度>坡度。為直觀觀察灌水均勻度的變化趨勢，現(xiàn)繪制因素指標(biāo)圖如圖2所示。

表4 直觀分析Tab.4 Intuitive analysis

圖2 灌水均勻度與特征參數(shù)的因素指標(biāo)Fig.2 Factor index of irrigation uniformity coefficient and characteristic parameters

2.2 方差分析和多重比較分析

2.2.1 方差分析

使用SPSS進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表5。由表5可以看出，在95%的置信度條件下，由顯著性值可知：因素B對內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水均勻度影響最大，達(dá)到顯著水平，因素C的影響達(dá)到顯著水平，因素A的影響最小，未達(dá)到顯著水平，各因素的顯著性依次為：B，C，A。試驗(yàn)分析結(jié)果認(rèn)為坡度對灌水均勻度影響不顯著，與王建眾[12]的研究結(jié)論相符，且方差分析與直觀分析的結(jié)果一致。

表5 方差分析及多重比較Tab.5 Analysis of variance and multiple comparisons

2.2.2 主效應(yīng)多重比較分析

使用SPSS分析了各因素不同水平之間的差異，因素A影響不顯著，故不做多重比較分析，主效應(yīng)多重比較結(jié)果見表5。

由表5可以看出：在因素B中，B2的灌水均勻度顯著高于B1，B3的灌水均勻度顯著高于B1，其余水平間的灌水均勻度差異不顯著。在因素C中，C1的灌水均勻度顯著高于C3，C2顯著高于C3，其余水平間的灌水均勻度不顯著。由以上分析結(jié)合圖2可知，較高的工作壓力有助于提升滴灌帶灌水均勻度，但并不是壓力越高內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水均勻度越高，而是壓力適中條件下其灌水均勻度更高，這與前人的研究[6]相一致，出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能是因?yàn)樵趬毫^高時滴灌帶內(nèi)的水流狀態(tài)發(fā)生了變化，從而引起了滴頭流量變化，進(jìn)一步引起了灌水均勻度的變化[13]。隨著鋪設(shè)長度的增加，滴灌帶灌水均勻度呈下降趨勢，與王建眾[12]的結(jié)論一致，原因是隨著鋪設(shè)長度增加，滴頭的工作壓力沿程降低，導(dǎo)致滴頭出流量減少，最終影響滴灌帶的灌水均勻度。故在進(jìn)行滴灌帶鋪設(shè)時，為保證其灌水均勻度，應(yīng)盡量降低鋪設(shè)長度。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知，采用均勻正交設(shè)計(jì)可顯著減少試驗(yàn)的次數(shù)，可使用常見的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，且分析方法簡單，是進(jìn)行灌水均勻度研究的有效工具。

2.3 灌水均勻度與鋪設(shè)坡度、工作壓力及鋪設(shè)長度的回歸模型的建立

通過對數(shù)據(jù)的整理分析，初步建立一個Cu=f(I,P,S)的數(shù)學(xué)模型(其中，Cu為灌水均勻度，I為鋪設(shè)坡度，P為滴灌帶工作壓力，S為滴灌帶鋪設(shè)長度)。

2.3.1 關(guān)于灌水均勻度Cu線性回歸模型輸出結(jié)果與分析

采用多元線性回歸模型，具體模型如下：

Y=α+β1x1+β2x2+…+βixi

(5)

式中：Y為預(yù)測值；xi為關(guān)鍵參數(shù)；α為常數(shù)項(xiàng)，βi為線性回歸系數(shù)。

使用SPSS進(jìn)行線性回歸分析，對各參數(shù)進(jìn)行共線性診斷可知，其共線性指標(biāo)在允許范圍內(nèi)。

由表6可知，回歸模型的顯著性值為0.133，決定系數(shù)R2=0.644，說明模型不顯著，且擬合精度較低，可能存在非線性關(guān)系。由表7可知，常量的顯著性值小于0.001，表明可能存在未考慮因子或非線性關(guān)系[14]，因此嘗試建立非線性模型。

表6 回歸方差分析表Tab.6 Regression analysis of variance

表7 回歸參數(shù)估計(jì)和檢驗(yàn)Tab.7 Estimation and test of regression parameters

2.3.2 關(guān)于灌水均勻度Cu非線性回歸模型輸出結(jié)果與分析

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及前人研究[14]，擬采用以下回歸模型進(jìn)行擬合計(jì)算：

Y=Ksin(b1I+b2P+b3S)

(6)

式中：K、b1、b2、b3均為模型參數(shù)。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS進(jìn)行擬合計(jì)算，由表8可知，模型決定系數(shù)R2=0.782，說明所選非線性模型具有較好的擬合精度。由表9可知，參數(shù)估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差很小，說明其置信度很高。

表8 回歸方差分析表Tab.8 Regression analysis of variance table

表9 回歸參數(shù)估計(jì)值和0.95近似置信區(qū)間Tab.9 Estimated values of regression parameters and approximate confidence interval of 0.95

參考Bannayan等[15]模型的評估標(biāo)準(zhǔn)為：nRMSE<10%，模型表現(xiàn)極好，10%30%模型表現(xiàn)很差。

(7)

(8)

式中：OBSi為觀測值，SMi為模型模擬值；n為樣本容量；nRMSE為標(biāo)準(zhǔn)化的均方根誤差。

由公式(7)、(8)計(jì)算可得，模型nRMSE=1.333%，說明其表現(xiàn)極好，由表9輸出非線性模型如下：

Cu=-0.981 sin(-0.004I+4.6P-3.138S)

(9)

3 結(jié) 論

(1)進(jìn)行滴灌帶鋪設(shè)時，為保證其灌水均勻度，應(yīng)盡量降低鋪設(shè)長度；壓力適中條件內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水灌均勻度更高。

(2)內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的工作壓力、鋪設(shè)長度對其灌水均勻度影響顯著，鋪設(shè)坡度對其影響不顯著，三因素排序?yàn)椋汗ぷ鲏毫?鋪設(shè)長度>鋪設(shè)坡度。且工作壓力、鋪設(shè)長度、鋪設(shè)坡度和灌水均勻度之間構(gòu)成非線性關(guān)系。

(3)使用非線性回歸的方法構(gòu)建的灌水均勻及其相關(guān)影響因素的數(shù)學(xué)模型為：Cu=-0.981 sin (-0.004I+4.6P-3.13S)。