滴灌带灌水均匀度田间试验分析1

景少波 王成福

（新疆水利水电科技信息中心 乌鲁木齐 830000）

0 引言

新疆地方政府历年来高度重视农业节水建设，“十一五”时期，一方面各级财政加大了对农业节水建设补助力度，一方面高效节水产生的效益有力地提高了农民的积极性，同时随着膜下滴灌技术的日臻成熟和滴灌设备在新疆国产化水平的提高，滴灌系统的投资逐渐降低，促使新疆农业高效节水技术呈现迅猛发展的势头［1］。然而常规滴灌器需要较高的水头来保证其灌水均匀度，运行费用较高，为了让经济实力弱的农户都应用滴灌技术，以运行成本较低为优势的低压滴灌将成为未来发展的主要趋势之一［1］。研究表明，微压滴灌成本为目前滴灌成本的30%～70%，年运行费约为目前的30%～50%，因此，降低滴灌工作压力能有效降低运行成本，但工作压力降低后是否会对灌水均匀度造成影响呢？针对该问题，笔者在新疆呼图壁县联丰村、红山村灌区以不同坡度下不同低压毛管为研究对象，分别从铺设坡度、铺设长度、入口压力等方面对毛管灌水均匀度的影响进行了研究和分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

分别选用2种不同类型的滴灌带进行试验。一种为A公司生产的边缝式滴灌带（以下简称A型），管径为16 mm，滴头间距为40 cm，设计流量1.8 L/h；另一种为B公司生产的内镶贴片式滴灌带（以下简称B型），管径为16 mm，滴头间距为30 cm，设计流量1.38 L/h.

1.2 试验方法

试验分2部分进行：①在试验室对2种滴灌带灌水器制造偏差进行测试，由公式（3）计算得出制造偏差系数；②在呼图壁县红山村、联丰村灌区农业生产应用条件下，分别对已铺设的2种滴灌带进行均匀度测试，重点研究毛管进口压力、铺设长度、坡度等参数对灌水均匀度的影响。铺设方式均为膜下铺设，种植作物为棉花。

1.3 试验装置

试验室中试验装置与大田中测试装置除供水系统略有不同外，其余均相同。试验室中供水系统由水箱、加压泵和压力调节装置组成，而大田供水系统由首部提供，首部采用了全自动变频供水控制系统，保证了供水压力的稳定。试验开始时，通过调节流量调节阀获得系统需要的设计工作压力，保持压力稳定，压力通过精度为0.002 MPa级的精密压力表读取，毛管进口和末端各安装一个。毛管铺设坡度采用水准仪测量得出。试验中通过在毛管上安装流量调节阀控制毛管测试长度；试验时按每条毛管测试长短分别等距选取6～10个滴头，同一时刻观测并记录滴水量及相应的出流时间，然后通过量筒测量其出流量。

2 滴灌系统水力计算方法［2］

2.1 灌水均匀度计算方法

滴灌灌水均匀度是评价灌水质量优劣的一个主要技术指标，按微灌工程技术规范（GB/T 50485-2009）要求，对已建成的微灌系统宜采用灌水均匀系数Cu进行灌水均匀性评价，灌水均匀系数按以下公式进行计算：

式中：Cu—灌水均匀系数；

Δq平—灌水器流量的平均偏差，L/h；

qi—田间实测的各灌水器流量，L/h；

q平—灌水器平均流量，L/h；

n—所测灌水器个数。

2.2 灌水器制造偏差

灌水器制造偏差与灌水器设计、所用结构材料以及制造工艺有关，其流道尺寸、形状和表面光洁度的微小差异都会引起滴头流量的较大误差。制造偏差采用Cv表示，本文通过测试样品求得，计算公式如下：

式中：Cv—制造偏差系数；

S—样品的流量标准偏差；

q平—样品平均流量，L/h；

n—样本数量。

2.3 滴灌带上水压变化曲线

根据毛管水力学特性，在一条毛管上，仅仅在末端很小部分出现层流，在入口附近可能出现紊流，其绝大部分属于水力学光滑紊流，其毛管长度、毛管内径、毛管入口压力水头、毛管末端压力水头、沿毛管的坡度和滴头流量之间的关系可由下式表示：

式中：Hin—毛管入口压力水头，m；

Hend—毛管末端压力水头，m；

J—毛管坡度；

L—毛管长度；

K—系数，K=1.47V0.25；

V—水运动黏滞系数，20°时V=0.0101cm2/s，

S—滴头间距，m；

d—毛管直径；

q—滴头流量。

3 试验结果与分析

3.1 灌水器制造偏差测试结果

在试验室对样品的灌水器制造偏差进行了测试，得出A型和B型滴灌带灌水器制造偏差Cv分别为0.06和0.03，根据国际通用滴灌产品标准，A型灌水器质量等级为一般品，B型灌水器质量等级为优等品。

3.2 逆坡条件下降低毛管进口压力对灌水均匀度的影响

逆坡下不同铺设长度对2种滴灌带灌水均匀度的影响见图 1、图2.

图1 铺设长度50 m逆坡10.8‰时灌水均匀度

图2 铺设长度65 m逆坡7.6‰灌水均匀度

由图1可以看出，L=50 m，逆坡10.8‰情况下，当5 m≤Hin≤10 m时，A型和B型毛管Cu均保持在95%以上，降低入口压力水头对Cu影响不大；当2m≤Hin＜5 m时，A型和B型毛管Cu均随着入口压力的降低而降低，A型降低的趋势更加明显，但Cu均保持在85%以上。

由图2可以看出，L=65 m，逆坡7.6‰情况下，当6 m≤Hin≤10 m时，A型和B型毛管Cu均保持在95%左右，降低入口压力水头对Cu影响不大；当2 m≤Hin＜6 m时，A型和B型毛管Cu均随着入口压力的降低而降低，A型降低的趋势更加明显，但Cu均保持在80%以上。

由图1和图2可以看出，A型滴灌带由于其灌水器制造偏差过大，铺设长度和水头的变化对其滴水均匀度的影响较B型滴灌带更为明显。

3.3 顺坡条件下降低毛管进口压力对灌水均匀度的影响

3.3.1 顺坡15‰时不同长度下2种滴灌带滴水均匀度对比，对比情况见图3、图4、图5.

图3 铺设长度65 m时的均匀度

图4 铺设长度100 m时的均匀度

图5 铺设长度120 m时的均匀度

由图3至图5可以看出，在顺坡15‰情况下，在进口压力水头测试范围内，对于不同铺设长度，A型和B型毛管Cu随压力的降低均呈下降趋势，而B型滴灌带Cu下降的趋势更为明显。在三种铺设长度下，A型滴灌带Cu始终大于B型滴灌带，随着铺设长度的增加，Cu的差值逐渐加大，当铺设长度达到120 m时，Cu平均差值达到5%.

3.3.2 顺坡15‰时不同铺设长度对A型和B型滴灌带灌水均匀度的影响

图6 不同长度下A型滴灌带灌水均匀度

图7 不同长度下B型滴灌带灌水均匀度

由图6和图7可以看出，顺坡15‰情况下，当2 m≤Hin≤10 m时，A型和B型毛管Cu随着压力的降低均呈下降趋势。对于A型滴灌带，铺设长度在65 m和100 m情况下Cu均保持在90%以上，当铺设长度增加到120 m，2 m≤Hin≤5 m时，Cu随压力降低的趋势更加明显，但Cu仍保持在85%以上。对于B型滴灌带，三种铺设长度下Cu均保持在90%以上，当2 m≤Hin≤4 m时，Cu随压力降低的趋势较为显示，但Cu仍保持在90%以上。

3.4 压力与毛管出水量关系

图8 铺设长度100m顺坡15‰时压力与出水量关系（B型）

图9 铺设长度65m逆坡7.6‰时压力与出水量关系（A型）

限于篇幅限制，本文选取A型和B型滴灌带具有代表性的测试结果进行分析，分别见图8和图9.图8为B型滴灌带铺设长度100 m顺坡15‰时压力与出水量关系，图9为A型滴灌带铺设长度65 m逆坡7.6‰时压力与出水量关系。由图8和图9计算得出，A型和B型滴灌带在设计水头下出水量均未达到设计要求，由公式（6）可以得到印证。

试验中发现，图8情况下，进水口压力始终与出水口压力相等（Hin=Hend），说明地形坡降的压力补偿刚好与毛管水头损失相等，因此该情况下毛管灌水均匀度受压力变化影响较小。虽然地形坡降引起的压力增加补偿了毛管水头损失，但其出水量仍然未达到设计要求，较设计偏小0.02 L/h.

4 结论

（1）对于本文研究的毛管顺坡和逆坡铺设情况，在不影响灌水均匀度的情况下，A型和B型滴灌带进水口设计压力可进一步降低。在逆坡10‰，铺设长度60 m情况下，当4 m≤Hin≤10 m时，Hin的降低对Cu影响不大，对于A型滴灌带，Hin可以降到3 m，对于B型滴灌带，Hin则可以降到2 m.

（2）顺坡条件下，A型和B型毛管灌水均匀度均随铺设长度的增加而降低，当Hin≤4 m时，A型降低的速率更为明显。当L≤100 m时，降低入口压力和增加毛管铺设长度对毛管灌水均匀度影响均不大，Hin=2 m情况下，仍可以保证在90%以上。当L=120 m时，A型滴灌带Hin可以降到3 m，B型滴灌带Hin则可以降到2 m.

（3）B型滴灌带由于其灌水器制造偏差小，在各种条件下灌水均匀度均优于A型滴灌带，但其价格高，一般农户很难承受。在不影响灌水均匀度的情况下，为了使更多的农户应用运行成本低的低压滴灌技术，设计时采用A型滴灌带在低压条件下进行灌水是一个很好的选择，其优点在于低压条件运行，可大大增加一次轮灌面积，这不仅减少了田间支管控制球阀的使用数量，同时也大大降低了泵站管理人员的工作强度和工作量。虽然该方式单位时间内滴水量较小，但该缺点可以通过增加灌水时间得到很好解决。

［1］马英杰，何继武，洪 明，等.新疆膜下滴灌技术发展过程及趋势分析［J］.节水灌溉，2010（12）：87～89

［2］张志新.滴灌工程规划设计原理与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2007：39-104