低壓對不同滴頭水力技術(shù)指標(biāo)的影響

鄭國玉，馬軍勇，何 帥，周建偉，李 彥，劉湘巖

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水石河子科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，新疆石河子832000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052；3.新疆惠利灌溉科技股份有限公司，新疆石河子832011）

0 引言

滴灌技術(shù)是高效的管道加壓節(jié)水灌溉技術(shù)，一般的大田滴灌系統(tǒng)滴頭的工作壓力按照0.1 MPa 設(shè)計(jì)，到滴灌首部工作壓力達(dá)0.25 MPa 以上，因此滴灌系統(tǒng)正常工作需要的能耗較高。隨著滴灌技術(shù)的大面積應(yīng)用，滴灌系統(tǒng)能耗高的問題得到了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，低能耗、高效成為滴灌技術(shù)發(fā)展的趨勢。本研究成果將為低壓滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。王偉[1]提出了一種低壓滴灌系統(tǒng)，牛文全[2]提出低壓滴灌為工作水頭低于5 m，系統(tǒng)成本及運(yùn)行費(fèi)用較傳統(tǒng)滴灌降低25%。工作壓力的降低會(huì)影響滴頭性能指標(biāo)及灌水均勻度的變化，國外學(xué)者針對低壓滴灌系統(tǒng)[3-5]、水力性能[6-10]、灌水均勻度[11-14]等開展了相關(guān)研究，并對低壓灌水器結(jié)構(gòu)及配套設(shè)備[15-18]進(jìn)行了研發(fā)，這些研究結(jié)果豐富了低壓滴灌技術(shù)體系的內(nèi)容，但是針對不同管徑的滴頭進(jìn)行低壓水力性能及應(yīng)用條件相關(guān)研究較少。本試驗(yàn)選擇2 種管徑8 種滴灌管線的滴頭進(jìn)行研究，研究分析低壓對不同管徑不同滴頭類型的制造偏差、流態(tài)指數(shù)、流量偏差的影響。解決目前低壓滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)有滴灌灌水器灌溉時(shí)技術(shù)參數(shù)不明確，造成灌溉均勻度低、灌水質(zhì)量不高、水分利用率低的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

滴灌管線選擇8 種滴灌管線，其中A1～A4 為管徑為16 mm 的滴灌管線，B1～B4 為管徑為12 mm 的滴灌管線，其中A2、A4、B1、B4 為側(cè)翼迷宮式滴頭，A1、A3、B3 為內(nèi)鑲貼片滴頭、B2為內(nèi)鑲柱狀滴頭，基本參數(shù)見表1。

表1 滴灌管技術(shù)參數(shù)Tab.1 Dripper-line technical parameter

1.2 試驗(yàn)方法

測定方法參照GB/T17187-2009 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，采用自制恒壓滴頭測試平臺測定，測試平臺包括水源、水泵、恒壓罐、壓力表、試驗(yàn)臺等組成，試驗(yàn)每次測3條滴灌管，共30個(gè)滴頭，分別測試10、20、30、40、60、80、100、120、140 kPa 工作壓力下的滴頭流量，測定時(shí)間6 min，采用精度為2.5級的壓力表測定壓力，滴頭流量采用稱重法測定，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值計(jì)算流量。

1.3 滴頭變異系數(shù)計(jì)算公式

式中：Cv為滴頭的變異系數(shù)，%；Sq為試樣流量標(biāo)準(zhǔn)偏差，L/h；為試樣流量平均值，L/h。

1.4 流量偏差計(jì)算公式

式中：qv為滴頭的偏差率，%；qmax為最大滴頭流量，L/h；qmin為最小滴頭流量，L/h；qd為設(shè)計(jì)滴頭流量，L/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同壓力對滴頭變異系數(shù)的影響

滴頭變異系數(shù)是衡量滴頭性能的重要參數(shù)之一，相同工作壓力下滴頭變異系數(shù)越小，說明滴頭流量的離散程度越小，滴頭性能越好。根據(jù)測定10～140 kPa 壓力下的滴頭流量，利用公式（1）計(jì)算不同壓力下的各試樣的滴頭變異系數(shù)，結(jié)果見圖1。由圖1可知，在額定工作壓力（100 kPa）下僅試樣B4的變異系數(shù)Cv大于5%。在低壓（10～60 kPa）情況下試樣A2、A4、B1、B4 滴頭的變異系數(shù)隨著工作壓力的降低而增大，當(dāng)工作壓力小于40 kPa 后變異系數(shù)Cv大于5%，而試樣A1、A3、B2、B3滴頭的變異系數(shù)變化趨勢不明顯，且Cv均小于5%，因此從滴頭的變異系數(shù)方面看，在低壓工作情況下A1、A3、B2、B3四種試樣的滴頭的性能優(yōu)于A2、A4、B1、B4。

圖1 不同類型滴頭的變異系數(shù)Fig.1 Coefficient deviation of different types of emitter

2.2 低壓條件下滴頭流態(tài)指數(shù)的特性

滴頭工作壓力與流量關(guān)系如下：

式中：q為灌水器的流量，L/h；k為系數(shù)；H為工作壓力，kPa；x為流態(tài)指數(shù)。

灌水器的流態(tài)指數(shù)x是衡量灌水器性能重要指標(biāo)，流態(tài)指數(shù)值越小，工作壓力變化對灌水器流量的影響越小。滴頭的流態(tài)指數(shù)是通過實(shí)測不同壓力下的滴頭流量，利用軟件擬合計(jì)算得出。分別對每個(gè)試樣按低壓（10～60 kPa）和常壓（10～140 kPa）兩個(gè)工作壓力范圍進(jìn)行流量和壓力關(guān)系擬合，計(jì)算出兩種壓力范圍下滴頭的k值和x值，并繪制8 個(gè)試樣的流量壓力關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 不同工作壓力下滴頭流量壓力曲線Fig.2 Curve of flow rate and pressure of emitter under different working pressure

由圖2 可知，低壓對不同類型滴頭的流態(tài)指數(shù)的影響不同，試樣A1、A2、B1、B2、B4 的流態(tài)指數(shù)x比常壓分別大0.024、0.006、0.062、0.039、0.003，試樣A3、A4、B3 在低壓情況下較常壓分別小0.015、0.013、0.032。低壓工作時(shí)滴頭的流態(tài)指數(shù)變化趨勢與常壓時(shí)的流態(tài)指數(shù)有關(guān)，當(dāng)?shù)晤^的常壓流態(tài)指數(shù)>0.5 時(shí)，低壓工作時(shí)流指數(shù)變大，常壓流態(tài)指數(shù)<0.5 時(shí)，低壓工作時(shí)流指數(shù)變小。兩種管徑比較，低壓情況下管徑為12 mm滴灌管的滴頭流態(tài)指數(shù)變化幅度較大。

2.3 低壓工作下的滴灌流量偏差率比較

滴頭流量偏差率是滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束性指標(biāo)，規(guī)范要求滴頭流量偏差率qv≤20%，通過分析常壓壓力流量公式計(jì)算流量偏差率達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，低壓壓力流量公式計(jì)算出的流量偏差情況，判斷常壓壓力流量公式是否能夠用于滴灌系統(tǒng)低壓設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力hd為60 kPa 和qv為20 %時(shí)，利用常壓壓力流量關(guān)系式計(jì)算出8 個(gè)試樣滴頭的最小工作壓力hmin，然后利用低壓流量關(guān)系式計(jì)算出hd、hmin兩個(gè)壓力下的流量，按照流量偏差率計(jì)算公式（2）計(jì)算流量偏差，比較低壓和常壓時(shí)流量偏差率差異，結(jié)果見表2。

表2 兩種壓力流量公式計(jì)算的滴頭流量偏差率比較Tab.2 Comparison of emitter flow deviation calculated by two pressure-flow formulas

由表2 可知，按照常壓壓力流量公式計(jì)算，管徑為16 mm的試樣中A4 允許壓力變化范圍最大，最低壓力為36.81 kPa，A2 允許壓力變化范圍最小，最低壓力為43.01 kPa。管徑為12 mm 試樣中B3 允許壓力變化范圍最大，最低壓力為34.17 kPa，B1允許壓力變化范圍最小，最低壓力為43.22 kPa。

管徑為16 mm 的4個(gè)試樣，在常壓、低壓兩種公式計(jì)算出的流量偏差的偏差率在-4.06%～5.15%，管徑為12 mm 的4 個(gè)試樣的偏差率在-8.03%～10.74%，說明低工作壓力對管徑12 mm 的滴灌管影響大于管徑16 mm 滴灌管。試樣A3、A4、B3利用低壓公式計(jì)算出的流量偏差均小于允許流量偏差20%，分別為19.38%、19.19%和18.39%，其他5 個(gè)試樣計(jì)算值大于允許偏差，其中B1 的流量偏差最大為22.15%。結(jié)果表明，試樣A3、A4、B3的滴頭，利用常壓壓力流量關(guān)系公式計(jì)算低壓情況下的流量偏差小于規(guī)范規(guī)定的限值，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 討論

（1）不同壓力對滴頭變異系數(shù)的影響。計(jì)算結(jié)果表明低壓情況下不同類型的滴頭變異系數(shù)變化不同，這與梁華峰等[19]研究得出的在低壓情況下滴頭的制造變異系數(shù)隨著壓力降低有增大趨勢結(jié)論不同，可以發(fā)現(xiàn)在低壓情況下變異系數(shù)變大的滴頭均為側(cè)翼迷宮式滴頭，內(nèi)鑲貼片式或內(nèi)鑲柱狀滴頭的變異系數(shù)變化不明顯。原因是側(cè)翼迷宮式滴頭是加熱擠壓而成，滴頭尺寸精度低，而內(nèi)鑲式滴頭是由模具注塑制成，制造精度高，因此在低壓對側(cè)翼迷宮式滴頭的變異系數(shù)影響較大，對內(nèi)鑲貼片或內(nèi)鑲柱狀滴頭影響小。

（2）低壓條件下滴頭流態(tài)指數(shù)的特性。壓力流量公式中流態(tài)指數(shù)x是滴頭性能重要指標(biāo)，試樣A3、A4、B3 的流態(tài)指數(shù)x在低壓情況下變小，而另外5 個(gè)試樣滴頭的流態(tài)指數(shù)x在低壓情況下變大，表明在常壓下流態(tài)指數(shù)x＜0.5 的滴頭低壓工作下x變小，在常壓下x＞0.5 的滴頭在低壓下x變大，這與馬曉鵬等[20]研究得出的流態(tài)指數(shù)隨壓力的降低而增大結(jié)論不同，產(chǎn)量結(jié)論不同的原因可能是測試滴頭類型的差異。通過不同壓力下滴頭流態(tài)指數(shù)變化比較，表明管徑對滴頭流態(tài)指數(shù)有一定的影響，管徑越小影響越大，原因是相同情況下管徑12 mm的滴頭較管徑16 mm的滴頭體積小，因此對壓力變化的反應(yīng)較敏感。

（3）低壓工作下滴灌流量偏差率比較。滴頭的流量偏差率在滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有重要意義，是評價(jià)滴灌系統(tǒng)是否合理的重要指標(biāo)，其取值直接影響滴灌系統(tǒng)布置方式、灌溉質(zhì)量及工程造價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中，常壓條件下的壓力流量公式中系數(shù)k和流態(tài)指數(shù)x能夠得到，但是低壓情況下需要進(jìn)行測試后才能得到，因此需要找出一種途徑簡化實(shí)際設(shè)計(jì)中缺少技術(shù)參數(shù)問題。通過兩種壓力流量公式計(jì)算流量偏差率的比較，結(jié)果表明當(dāng)常壓公式試算出qv=20%，滴頭流態(tài)指數(shù)x＜0.5 時(shí)，低壓公式試算出的qv＜20%，滴頭流態(tài)指數(shù)x＞0.5 時(shí)，低壓公式試算出的qv＞20%，因此當(dāng)?shù)晤^流態(tài)指數(shù)x＜0.5 時(shí)，可以用常壓壓力流量公式進(jìn)行低壓滴灌設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

（1）由于滴頭的材料和制造工藝不同，低壓條件下對側(cè)翼迷宮式滴頭的變異系數(shù)影響較大，對內(nèi)鑲貼片或內(nèi)鑲柱狀滴頭影響小。

（2）低壓對滴頭流態(tài)指數(shù)的影響以常壓下流態(tài)指數(shù)x=0.5為界，常壓下x＜0.5 的滴頭，低壓下流態(tài)指數(shù)減小，反之，低壓下流態(tài)指數(shù)增大。

（3）利用常壓滴頭作為在低壓滴灌系統(tǒng)中時(shí)灌水器時(shí)，選擇大管徑、滴頭流態(tài)指數(shù)小于0.5 的滴灌管線，可以提高低壓滴灌系統(tǒng)的均勻度，保證灌水質(zhì)量要求。