旱塬区滴灌系统水力特性研究及系统优化设计

王剑鹏

（陕西省大荔县水管水保站，陕西大荔715100）

旱塬区滴灌系统水力特性研究及系统优化设计

王剑鹏

（陕西省大荔县水管水保站，陕西大荔715100）

为解决陕西省渭北旱塬区滴管系统灌水均匀度较低的问题，通过试验与实际工程相结合的方法，研究不同进口工作水头与毛管铺设长度对系统单孔流量、灌溉均匀度和流量偏差率的影响，结果表明：系统单孔流量和灌水均匀度与毛管铺设长度呈反比，与进口工作水头呈正比，而流量偏差率与毛管铺设长度呈正比，与进口工作水头呈反比，工作水头在9 m左右，毛管铺设长度在30 m左右范围内时，可在节约成本的情况下，使系统灌溉均匀度最高；进口工作水头、毛管铺设长度与灌水均匀度的关系呈良好的二次抛物线关系，并得出了滴灌系统灌溉均匀度与毛管铺设长度、进口工作水头之间的函数关系式，可为渭北旱塬区滴灌系统的设计与施工提供理论依据。

旱塬区；滴灌系统；水力特性；优化设计

随着现代农业对灌溉水质与水量的要求，滴灌由于其灌水均匀度较高、耗能较低，已逐渐成为现代农业最重要的灌溉方式之一。滴灌系统包括首部枢纽、管道系统和灌水器3大部分，灌水器的目的是要将灌溉水流在流经小孔道时，压力水头逐渐降低，使得灌溉水流以水滴的方式进入土壤[1]。但目前滴灌系统在渭北旱塬区的应用存在灌溉均匀度较低、灌溉水量不稳定等较多问题，在旱塬区的应用受到了限制[2]。本文结合陕西省澄城县实际滴灌工程，地块种植苹果，结合旱塬区滴灌工程实际应用，研究了不同进口工作水头、不同毛管铺设长度对陕西省旱塬区滴灌系统灌溉均匀度、流量偏差率等水力特性的影响，并得出了适用于陕西旱塬区滴灌的最佳系统设计方案。

1 水力特性实验与参数计算

1.1 滴管工程总体规划

在规划整个工程时，要合理确定水源位置与高程，保证系统能在不同工作水头下正常运行，综合考虑地块面积、位置与高程，管道布设遵循毛管平行等高线，支管垂直等高线的原则布置，在保证灌溉要求的情况下，选择成本最低，施工难度最小的实施方案。

1.2 轮灌组划分

灌溉方式采用轮灌方式进行，采用轮灌方式可最大限度提高水分利用效率，节约人力，利于工作人员之间的配合，提高灌溉效率[3]，因地块主要种植苹果，一个轮灌组工作天数为5～7天。

1.3 设计灌水定额的确定

滴灌系统设计灌水定额采用GB/T50485-2009《微灌工程技术规范》中的方法进行计算，设计滴灌灌水定额mmax采用以下公式计算:

式中mmax为最大净灌水定额，mm；γ为土壤容重（g/cm3），壤土取1.265 g/cm3；z为土壤计划湿润土层深度，m，取0.35 m；p为微灌土壤湿润比，取30%；θmax为适宜土壤最大含水率，%；θmin为适宜土壤最小含水率，%。

1.4 试验方案设计

整个试验布置主要包括变频控制柜，灌溉水源、及测试段几部分，通过调节控制柜与灌溉水源水位得到不同工作压力，以研究不同工况下的滴管系统水力特性，具体试验布置示意图见图1。

图1 陕西旱塬区滴灌系统试验布置示意图

1.5 水力特性参数计算

1.5.1 系统单孔流量计算

滴灌系统出流特性常用单孔流量来表示，在灌水器正常工作的条件下，流量与工作压力水头存在以下关系：

式中，q为灌水器流量，L/h；h为系统工作压力水头，m；k为流量系数；x为流态系数，取值为0

1.5.2 灌水均匀度计算

滴管系统灌水均匀度常采用克里斯琴森均匀系数Cu表示，其具体计算过程如下：

式中，Cu为灌水均匀度，%；为灌水器平均流量，L/h；n为灌水器个数；qi为每个灌水器的流量。

1.5.3 流量偏差率计算

流量偏差率是衡量灌水均匀性的一个重要指标，其具体计算公式如下,

式中，qv为流量偏差率，%；qmax为灌水器最大流量，L/h；qmin为灌水器最小流量。

2 结果与分析

2.1 不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统单孔流量的影响

图2为不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统单孔流量的影响。图2显示，在其余条件均一致，仅改变系统毛管铺设长度时，系统单孔流量随毛管铺设长度的增加而减少。即管道铺设的越长，管道能够提供的平均单孔流量越小；毛管铺设长度越短，管道能够提供的平均单孔流量越大。这可能是由于管道长度越长，系统沿程水头损失越大，在初始流量一定的情况下，出流量越低。在相同进口水头下，随着毛管铺设长度的增加，平均流量变化差异明显，在H=7m时，变化最为剧烈，平均流量分别为5.84L/h、4.16L/h、3.84L/h、2.40L/h。随着进口工作水头的提高，单孔流量随不同毛管铺设长度的变化逐渐趋于平稳，在H=10m时，系统单孔流量仅变化了20%。当其余条件相同时，系统单孔流量随进口压力的增大而增大，这可能是由于系统初始水头较大，为水流带来了较大的动能，流量增大，且相同铺设长度、不同进口水头时，系统单孔流量之间差异显著，不同进口水头单孔流量之间的差异基本在40%～60%之间，说明在毛管设计流量确定的情况下，铺设长度和进口工作水头均影响着孔口平均流量，所以为了保证灌水效果,对于确定滴灌管最佳铺设长度和进口工作水头是非常有必要的。

图2 不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统单孔流量的影响

2.2 不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统灌溉均匀度的影响

图3为不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统灌溉均匀度的影响。图3显示，在其他条件相同时，灌水均匀度随毛管铺设长度的增大而呈降低趋势，铺设长度越短，毛管灌水均匀性越好。毛管铺设长度在30 m之内时，系统仍然能保持较高的灌溉均匀度，30 m时的灌溉均匀度仅比20 m降低了0.5%～1. 5%之间，但40 m时的灌溉均匀度较30 m降低了5.0%～8.0%，降低明显，说明在低压条件下，要保证灌水均匀度，毛管管长必须要选择适宜，本试验中最佳铺设长度30 m左右为宜。在其余条件相同时，系统灌溉均匀度随进口工作水头的增加而增加，工作水头越高，灌水均匀性越好，当工作水头H<8 m时，系统灌水均匀性较差，基本均在92%以下，但当H=9 m时，系统灌水均匀度较H=8 m时提高显著，基本提高了2.0%～5.0%，在H=10 m时，系统灌水均匀度较H=9 m时提高不明显，因此为保证滴灌系统较高的均匀度，可将滴管系统进口工作水头维持在9 m左右范围内。

图3 不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统灌溉均匀度的影响

2.3 不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统流量偏差率的影响

图4为不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统流量偏差率的影响。图4显示，在其他条件相同时，流量偏差率随毛管铺设长度的增大而呈增大趋势，这说明铺设长度越短，系统流量偏差率越小，毛管灌水均匀性越好。毛管铺设长度在30 m之内时，系统仍然能保持较低的流量偏差率，30 m时的灌溉均匀度仅比20 m升高了2.0%～3.5%之间，但40 m时的流量偏差率较30 m提高了6.0%～10.0%，提高明显，说明在低压条件下，要保证灌水均匀度，减低系统流量偏差率，必须毛管管长要选择适宜，本试验中最佳铺设长度30 m左右为宜。在其余条件相同时，系统流量偏差率随进口工作水头的增加而降低，工作水头越高，灌水均匀性越好，当工作水头H<8 m时，系统灌水均匀性较差，流量偏差率均在30%以上，但当H=9 m时，系统流量偏差率较H=8 m时降低显著，基本提高了17.2%～28.9%，在H=10 m时，系统灌水均匀度较H=9 m时提高不明显，因此为保证滴灌系统较低的流量偏差率及较高的均匀度，可将滴管系统进口工作水头维持在9 m左右范围内。

2.4 陕西旱塬区滴管系统优化设计

本研究以灌溉均匀度为例，得出灌溉均匀度最高时的最优进口工作压力与最优毛管铺设长度，对陕西旱塬区滴灌系统设计提高最优化理论基础。

图4 不同进口压力水头和毛管铺设长度对系统流量偏差率的影响

图5 进口工作水头一定条件下，灌溉均匀度与毛管铺设长度的关系（H=6 m、7 m、8 m、9 m、10 m）

表1 灌溉均匀度与毛管铺设长度关系式参数计算表

2.4.1 系统最优毛管铺设长度确定

当工作水头等其余因素都一致时，灌溉均匀度与毛管铺设长度的关系如图5所示，其关系式可用下式表明：

由图5和表1可知，系统灌溉均匀度与毛管铺设长度的关系满足2次抛物线关系，且5条拟合曲线的决定系数R2分别为0.9209、0.9240、0.9720、0.9075、0.801，均大于0.90，且均通过了极显著水平（P<0.01），说明拟合关系较好。在实际工程与试验中，具体的A、B、C值可根据实际情况测定,对于与本试验相似的情况，也可根据本研究的关系式进行直接计算，得出某种工作水头下，使得灌溉均匀度最高的最优毛管铺设长度。

2.4.2 系统最优进口工作水头确定

由图6和表2可知，系统灌溉均匀度与进口工作水头的关系满足2次抛物线关系，且5条拟合曲线的决定系数R2分别为0.9632、0.8622、0.9682、0.8994，均大于0.85，且均通过了极显著水平（P<0.01），说明拟合关系较好。在实际工程与试验中，具体的A、B、C值可根据实际情况测定，对于与本试验相似的情况，也可根据本研究的关系式进行直接计算，得出某种毛管铺设长度下，使得灌溉均匀度最高的最优进口工作水头。

图6 毛管铺设长度一定条件下，灌溉均匀度与进口工作水头的关系（H=6 m、7 m、8 m、9 m、10 m）

表2 灌溉均匀度与进口工作水头关系式参数计算表

3 结论

为了解陕西省旱塬区滴灌系统水力特性，本文通过试验研究不同进口工作水头与毛管铺设长度对系统单孔流量、灌溉均匀度和流量偏差率的影响，得出了使得系统灌溉均匀度最高的进口工作水头与毛管铺设长度的值，指出工作水头在9 m左右，毛管铺设长度在30 m左右范围内时，可在节约成本的情况下，使系统灌溉均匀度最高，并得出了滴灌系统灌溉均匀度与毛管铺设长度、进口工作水头的关系，为陕西旱塬区滴灌系统的设计与施工提供了理论基础。

[1]李援农,马孝义.节水灌溉新技术—喷灌、微灌技术[J].节水农业,2002（12）：12-15.

[2]杨凯,续海红,张鹏飞,等.山地果园滴灌工程参数设计[J].山西农业大学学报（自然科学版），2014,34（3）：281-283.

[3]汪志农.灌溉排水工程学[M].北京:中国农业出版社,2010:80-187.

Study on Hydraulic Characteristics and System Optimization Design of Drip Irrigation System in the Dryland Area

Wang Jianpeng
（Dali CountyWater Management and Water Conservation Station in Shaanxi Province Dali county715000,Shaanxi）

Tosolve the problemoflower evenness ofthe drip irrigation systemin Weibei dryland area ofShaanxi Province, through the test and the practical engineering combination method,the article is based on study different inlet working head and capillary tube laying length influence on the single hole flow,irrigation uniformity and flowrate deviation.The results show that the single hole flow rate and irrigation uniformity of the system are inverse proportional to the length of the laying of the capillary and proportional tothe working head,and the deviation rate of the flowis proportional to the length of the laying of the pipe and is inversely proportional to the working head.When the working head is about 9m and the length of the pipe laying in the range of about 30m,the irrigation uniformity can be the highest in the case of cost saving.It is a good quadratic parabolic relationship among the inlet working head,the length of the pipe laying and the irrigation uniformity.It also achieved the function relation among the irrigation uniformity of the drip irrigation system and the capillary laying length and the head of inlet work,which can provide the theoretical basis for the design and construction of the drip irrigation system in Weibei dry-land area.

The dry-land area,the drip irrigation system,the hydrological characteristics and optimization design

S161.4

A

1673-9000（2017）04-0113-04

2017-03-16

王峰（1964-），男，回族，新疆乌鲁木齐市人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。