果樹灌水器關(guān)鍵參數(shù)對灌水均勻度影響的研究

王金振，馬偉榮，孫致遠，李遠航，李 茂，彭 磊，李 琦

（1.云南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，昆明650201；2.紅河哈尼族彝族自治州經(jīng)濟作物技術(shù)推廣站，云南紅河661199；3.云南農(nóng)業(yè)大學園林園藝學院，昆明650201）

0 引言

我國水資源較為豐富，但分布不均，北方地區(qū)降水少，干旱缺水；南方地區(qū)降水多，但季節(jié)性干旱突出[1]，且人均占有量處于世界末位，目前已被聯(lián)合國列為13 個貧水國家之一[2]。農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)是指在一段時間內(nèi)灌溉且被作物吸收利用的水量與水源地總引水量的比值[3]，而我國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.559[4]。水資源浪費現(xiàn)象嚴重，有效利用系數(shù)與發(fā)達國家有較大差距[5]。節(jié)水灌溉項目是我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[6]，為了有效利用水資源，我國應發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，做好節(jié)水工作[7]。

在目前眾多灌溉方式下，其中根域灌溉小管出流的方式可以實現(xiàn)快速灌溉，沒有水沿土壤表面的流失和蒸發(fā)，也避免了無效灌溉層的水分損失[8,9]。

孫夢瑩[10]等研究了2種管徑毛管的布設方式與進口壓力對灌水均勻度的影響，得到布設方式、管徑及壓力對灌水均勻度影響均呈顯著水平；付旭輝[11]等針對滴管管網(wǎng)設計參數(shù)包括管長滴頭間距坡比等對出流均勻度的影響指出在一定的坡比管長等邊界條件下適當?shù)某跏妓^滴頭間距參數(shù)組合可滿足滴灌系統(tǒng)的出流均勻度要求；由于前人研究都是基于滴灌針對均勻度問題，本研究將基于根域灌溉研究灌水器參數(shù)對灌水均勻度的影響作用。

在灌溉中，影響灌水均勻度的因素有很多，例如灌水器的壓力變化、制造誤差、堵塞情況、地形坡度等都會影響灌溉系統(tǒng)的均勻性[12-18]。灌水器參數(shù)是多方面因素中最容易改變且影響最大的因素之一，它一旦影響了出水量，就會降低了滴灌均勻度，直接影響了灌溉系統(tǒng)的使用壽命和經(jīng)濟效益[19]。本文研究灌水器參數(shù)對灌水均勻性的影響，涉及的參數(shù)主要為根灌管的鋪設長度、出水孔間距、首端進水壓力。本文采用模擬試驗和數(shù)據(jù)分析的方法，確定試驗因素及水平，建立正交試驗，找出最優(yōu)的試驗因素組合。

作者研究團隊承擔了華寧縣新村柑桔有限責任公司柑桔園水肥一體化灌溉系統(tǒng)設計工作，灌溉總面積20 hm2，其中：3 號地塊為根域灌溉區(qū)域，面積4 hm2，其余為地塊為微噴灌灌溉區(qū)域面積16 hm2，為解決3號地根域灌溉系統(tǒng)中出水毛管首端進水壓力、管道鋪設長度和出流孔間距對灌水均勻度的影響問題，在云南農(nóng)業(yè)大學灌溉工程實驗中心搭建模擬實驗平臺，研究灌水器參數(shù)對灌水均勻性的影響，為項目建設地水肥一體化灌溉系統(tǒng)設計提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地基本概況

本試驗地點為云南農(nóng)業(yè)大學灌溉工程研究中心，地勢較平坦，坡度0°～3°與擬建設水肥一體化灌溉系統(tǒng)的華寧縣新村柑桔有限責任公司柑桔園3號地地勢情況相同。

1.2 試驗材料

試驗材料為PE 材質(zhì)軟管，規(guī)格為外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm；試驗用到的設備有量程為1 MPa，精度為0.3%的壓力表；試驗稱重設備電子秤量程為30 kg，分度值為10 g；試驗測量設備還有量筒、秒表等。

1.3 試驗方法與設計

1.3.1 試驗方法

由于項目建設地為7年生柑桔樹，株距為2 m，灌溉所用管道為內(nèi)徑6 mm，壁厚1 mm 的PE 管，因此，搭建的模擬實驗平臺使用相同材質(zhì)和規(guī)格的PE 管進行管道鋪設，鋪設方式見圖1。模擬試驗地柑桔滴水線和株距，將其繞成一個個直徑為79.6 cm 的環(huán)形狀圓圈，每個環(huán)形狀圓圈相隔2 m，管道末端封起。每個環(huán)形狀圓圈管道上使用專用鉆套精細打孔，小孔直徑為1 mm，保證孔徑誤差不小于0.1 mm。

試驗開始先在入水口裝設誤差精度為0.3%的壓力表，然后通水疏通管道，打開溢流閥一分鐘穩(wěn)定并逐步調(diào)節(jié)水壓，將壓力表指數(shù)穩(wěn)固在定值。再用防水膠帶把容量瓶固定在每個出水孔下面，測定孔口流量。

測量時先用量筒測量容量瓶內(nèi)水的體積，再用電子秤稱量每個環(huán)形管道下的所有容量瓶內(nèi)水的重量。

1.3.2 單因素試驗

選取管道鋪設長度（展開值）為A、開孔間距為B、首端進水壓力為C 共3個影響因素，分別記作A、B、C，選取各因素不同水平進行單因素試驗，考察不同灌水器參數(shù)對灌水均勻度的影響。

1.3.3 單因素試驗設計

單因素試驗分為3 組，編號為試驗1、2、3，分別以A、B、C 作為變量，其余兩個因素控制不變，進行灌水試驗。由于L1為進水管道且裝有壓力表，L3為出水管道且末端封起，兩者都為定值，不屬于有效灌溉管道鋪設長度，因此不計入因素A中。

式中：n為繞圈個數(shù)；2.5 為繞圈周長，m；L2=2 （同株距），m。

試驗1選取因素A為20.5、25.0、29.5、34.0、38.5、43.0、47.5 m，用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7 表示，分別可繞5、6、7、8、9、10、11 個圈，其中38.5 m 對應的鋪設圖見圖1，因素B 為41.7 cm，C 為0.1 MPa。每組試驗重復3 次，共進行21次試驗，試驗設計見表1。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design

圖1 管道鋪設示意圖Fig.1 Schematic diagram of laying pipes

試驗2選取因素A為47.5 m，B為62.5、50.0、41.7、35.7、31.3 cm（分別對應每個環(huán)形圈4、5、6、7、8 個孔），用B1、B2、B3、B4、B5 表示，C 為0.1 MPa。每組試驗重復3 次，共進行15次試驗，試驗設計見表2。

表2 試驗設計Tab.2 Experimental design

試驗3 選取因素A 為47.5 m，B 為41.7 cm，C 為0.050、0.075、0.100、0.125、0.150 MPa，用C1、C2、C3、C4、C5表示。每組試驗重復3次，共進行15次試驗，試驗設計見表3。

表3 試驗設計Tab.3 Experimental design

1.3.4 正交試驗設計

試驗3 個影響因素A、B、C，根據(jù)單因素試驗結(jié)果各取3個水平，進行三因素三水平正交試驗，通過試驗結(jié)果計算出每組試驗組合的均勻度。

設計本研究正交試驗數(shù)據(jù)表見表4。

表4 因素水平表Tab.4 Factor level table

根據(jù)極差大小，判斷因素的主次影響順序。R越大，表示該因素的水平變化對試驗指標的影響越大，因素越重要。

1.4 測定項目

每組試驗重復3次，測量每次試驗繞成環(huán)形的管道各小孔出流量，測得的出流量之差小于2%，最后取平均值作為各小孔實際的出流量，計算各圈上小孔出流量總和。

均勻度計算以克里斯琴森均勻系數(shù)表示：

式中：Cu為灌水均勻系數(shù)；為各滴頭的平均流量，L/h;qi為各滴頭流量，L/h；N為測試的滴水孔數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

各因素對灌水均勻度的影響。由圖2可知，隨著管道鋪設長度的增加，灌水均勻度呈減小趨勢，但全部處于80%以上，均勻度直觀差異并不明顯。由圖3可知，隨著出流孔間距的增加，灌水均勻度呈逐漸增加趨勢，但均勻度極差小于10%。由圖4可知，隨著首端進水壓力的增加，灌水均勻度明顯逐漸增加，均勻度極差較大，達到30%以上。

圖2 管道鋪設長度對灌水均勻度的影響Fig.2 Influence of pipe laying length on irrigation uniformity

圖3 孔間距對灌水均勻度的影響Fig.3 Influence of hole spacing on irrigation uniformity

圖4 首端進水壓力對灌水均勻度的影響Fig.4 Influence of inlet water pressure on irrigation uniformity

得出結(jié)論：單因素試驗中，鋪設長度和出流孔間距對均勻度影響較小，首端進水壓力對均勻度影響最大。

2.2 正交試驗結(jié)果

由表5可知，影響灌水均勻度的因素主次順序是：首端進水壓力>管道鋪設長度>出流孔間距，即首端進水壓力影響最大，管道鋪設長度和出流孔間距其次。由正交試驗得出小孔出流最優(yōu)組合是A1B3C3，即鋪設長度為38.5 m，出流孔間距為62.5 cm，首端進水壓力為0.15 MPa。

表5 正交試驗結(jié)果Tab.5 Orthogonal test results

2.3 正交試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過SPSS 軟件進行方差分析，得到主體間效應檢驗結(jié)果見表6。該結(jié)果同單因素試驗結(jié)果相似，根據(jù)軟件計算出的方差分析表，分析A、B、C 因素的顯著性水平，因素主次順序C-A-B?？芍?，因素C(首端進水壓力)顯著性水平小于0.05，影響最顯著，因素B(孔間距)和因素A（鋪設長度）的顯著性水平的大于0.05，影響不顯著。

表6 主體間效應檢驗Tab.6 Inter-subject effect test

表7 和表8 分別為因素A（鋪設長度）作均值比較，從均值報告來看，均勻度隨著鋪設長度增加而減小，從組間方差顯著性來看鋪設長度對均勻度的影響為不顯著，即sig=0.630>0.05，表示各組間不存在明顯差異，即不同鋪設長度下的灌水均勻度不存在明顯差異。

表7 鋪設長度均值報告Tab.7 Average laying length report

表8 鋪設長度ANOVA表Tab.8 Laying length ANOVA table

表9和表10分別為因素B（出流孔間距）作均值比較，從均值報告來看，均勻度隨著出流孔間距增加而增大，從組間方差顯著性來看出流孔間距對均勻度的影響不顯著，sig=0.969>0.05，而且大于因素A的0.630，表示各組間不存在明顯差異，比因素A 差異性更大，即不同出流孔間距下的灌水均勻度不存在明顯差異。

表9 出流孔間距均值報告Tab.9 Average outlet hole spacing report

表10 出流孔間距ANOVA表Tab.10 Distance between outlet holes ANOVA table

表11和表12分別為因素C（首端進水壓力）作均值比較，從均值報告來看，均勻度隨著首端進水壓力增加而增大，從組間方差顯著性來看首端進水壓力對均勻度影響為顯著，sig=0.005<0.05，表示各組間存在明顯差異，即不同首端進水壓力下的灌水均勻度存在明顯差異。

表11 首端進水壓力均值報告Tab.11 Average inlet water pressure at the front end

表12 首端進水壓力ANOVA表Tab.12 Inlet water pressure at the front end ANOVA table

3 討論與結(jié)論

采用小孔出流試驗的方法，與張慧等[20]研究的灌水器參數(shù)對均勻度的影響大致相同，都是進水壓力大于鋪設長度。徐茹等[21]研究則發(fā)現(xiàn)為保證較好的灌溉均勻度,一定作用壓力條件下微噴帶存在極限鋪設長度;在實際使用中,應根據(jù)微噴帶的具體結(jié)構(gòu)形式設定鋪設長度與首部工作壓力。本試驗對影響小孔出流的均勻度的主要因素進行分析，以管道鋪設長度、出流孔間距和首端進水壓力為影響因素，以出水均勻度為評價標準，設計L9(33)正交試驗，得出小孔出流均勻性最優(yōu)的組合是首端進水壓力為0.15 MPa，出流孔間距為62.5 cm，鋪設長度為38.5 m 的組合，影響灌水均勻度的主要因素為首端進水壓力，而鋪設長度和出流孔間距并無顯著性影響作用。

該實驗結(jié)果較好地支持了項目建設地-華寧縣新村柑桔有限責任公司柑桔園3號地塊的水肥一體化根域灌溉系統(tǒng)設計工作，2021年3月1日，項目建設地的水肥一體化根域灌溉系統(tǒng)完成安裝調(diào)試工作，經(jīng)過灌水均勻性檢測，3號地塊的水肥一體化根域灌溉系統(tǒng)灌水均勻度到達92%，一次通過驗收。