APP下载

地下滴灌毛管水头偏差率特性及与土壤水分均匀度的关系

2017-11-24黄修桥冯俊杰翟国亮于红斌孙秀路

农业工程学报 2017年14期
关键词:毛管支管均匀度

刘 杨,黄修桥※,冯俊杰,翟国亮,于红斌,孙秀路

(1. 中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室,新乡 453002;2. 河南师范大学计算机与信息技术学院,新乡 453007)

地下滴灌毛管水头偏差率特性及与土壤水分均匀度的关系

刘 杨1,黄修桥1※,冯俊杰1,翟国亮1,于红斌2,孙秀路1

(1. 中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室,新乡 453002;2. 河南师范大学计算机与信息技术学院,新乡 453007)

毛管水头偏差率是确定毛管长度的主要技术指标。以正在运行的新疆棉田地下滴灌系统为试验对象,选取代表性毛管,实测正常灌溉过程中毛管首尾压力、流量和沿程土壤水分,研究地下滴灌毛管水头偏差率特性及其与土壤水分均匀度的关系。结果表明:在毛管设计工作水头为10 m条件下,测试毛管水头偏差率在0.58%~12.80%之间。同一管网中,不同毛管的水头偏差率各不相同且具有波动性,但同一支管位置处树状毛管与环状毛管之间的相对趋势稳定;在毛管设计工作水头为10 m条件下,支管入口压力对毛管水头偏差率的影响不显著(P>0.05);毛管水头偏差率和毛管埋深层土壤水分均匀系数之间有强的负相关关系(P<0.001),建立了水头偏差率和土壤水分均匀度之间的数学模型,经验证,85%毛管的绝对误差小于5%。研究可以为地下滴灌毛管长度设计与毛管工作状况评价提供参考。

土壤水分;均匀度;模型;地下滴灌;毛管;水头偏差

0 引 言

地下滴灌比地表滴灌更加节水,其使用周期长,是极具潜力的一种节水灌溉技术[1-2]。该技术在中国新疆生产建设兵团的棉花生产中有较大规模的应用[3-4]。目前地下滴灌系统的设计和性能评测主要是参考地表滴灌系统[5-8],未能充分考虑地下滴灌技术的优势。由于毛管被埋在地下后,灌水器容易发生堵塞[9]和淹没出流,经机械碾压毛管容易发生渗漏和过流不畅[10]等现象。这些现象会使毛管水头偏差率偏离设计工况,对灌水均匀度产生影响。水头偏差是灌水器出流量差异的主要原因,是确定毛管长度的主要指标[11]。对于已建成投入运行的地下滴灌系统,可通过监测毛管水头偏差率来评估毛管流量均匀性和系统运行情况。因此,研究地下滴灌系统毛管水头偏差率的变化特征,对于科学设计和监测评估地下滴灌系统的运行具有重要意义。

目前对地下滴灌的研究主要集中在灌水器的水力性能[12-13]与堵塞问题[14-15]、水分运动与溶质运移规律[16-19]、管网计算与优化[20]、水肥均匀度评价[21-22]以及针对具体作物的应用效果,针对大田中地下毛管水头偏差率的试验资料较少。Hills等[23-24]通过试验,模拟土壤压实使毛管截面从圆形变形为椭圆形后毛管流量减少,水头损失增加,建议宜缩短毛管长度适应毛管管径的变形程度;丛佩娟等[25]建议适当延长灌水时间;仵锋等[26]通过田间定位观测发现,大田中地下滴灌毛管因处在支管的不同位置和使用年限的不同而流量会出现不同程度的减少;白丹等[27]研究了地下滴灌毛管流量和压力的变化规律。这些研究从不同角度揭示了地下滴灌管网均匀度的变化规律,但针对毛管水头偏差率这一直接指标的研究较少,使得对管网的设计效果和运行状况的评判缺少直接依据。因此,有必要对已建成管网中毛管水头偏差率的变化规律与影响因素进行研究。

本文以生产中棉田地下滴灌管网为研究对象,通过田间试验和数理统计方法,对已建成管网在运行时毛管水头偏差率的变化规律、影响因素及与土壤水分均匀度的关系等展开研究,以期为毛管水头偏差率指标的设计、毛管工况的评测提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验数据是2006年在新疆博乐农五师九十团九连测得的(82°60′ E,44°82′ N),该地区年平均气温 5.8 ℃,平均降水量187.4 mm,平均蒸发量1 558.5 mm,积温3116 ℃,无霜期170 d,全年日照时数2 515.8 h,平均风速1.9 m/s,风向多为西北风,旱少雨,属于典型的干旱荒漠气候,属纯灌溉农业区,抽取地下水灌溉。在距地表50 cm深度以内为砂壤土,50 cm以下为砂土。试验地种植棉花已有5 a,1膜6行,膜宽220 cm,株数2.28×105株/hm2。

滴灌带(毛管)是由大马力拖拉机牵引铺管机埋入地下,埋深控制在28~33 cm之间,长度100 m,2002年(A5)铺设的间距是0.9 m,2003(B4)年和2006(B1)年铺设的间距是1 m。支管为外径110 mm的PVC管,长200 m,控制范围200 m×200 m,毛管沿支管对称铺设。有2种管网形式,毛管末端接入排沙管的构成环状管网,排沙管为外径75 mm的PVC管,毛管末端直接封堵的构成树状管网。试验地中有2种型号毛管,分别记作A和B,3个使用年限的管网,分别是第1年、第4年和第5年,毛管水力性能参数见表1。

表1 试验地管网参数Table 1 Parameters of pipe network in experimental field

1.2 试验设计

在3处管网中各选1条支管作为观测区域(200 m ×200 m),为能够同时对2种管网形式进行观测,要求所选观测支管的一侧为环状管网,另一侧为树状管网。沿支管水流方向,分别在支管的首部、中部和尾部等间距、左右对称选取毛管进行观测。在管网B1和B4的首、中和尾部各选1对,共测试6条毛管;管网A5的首、尾各1对,中部2对,共观测8条毛管。奇数编号毛管为环状管网形式,偶数编号毛管为树状管网形式,观测区管网形式、毛管编号及仪器布置情况见图1。在观测毛管的首端串联安装水表、精密压力表(压力表在水表下游),尾端安装压力表。仪表位置固定后,对观测段毛管的长度、坡度以及与支管进口的距离进行测量,毛管长度和坡度详情见表2。

系统中毛管的设计工作压力水头为10 m,在正常灌水时,待系统工作压力稳定后,测量毛管首端和尾端的压力、毛管入口流量以及灌水2 d后沿毛管方向的土壤含水率。每个观测区设3次重复即测量3次灌水,每次观测时压力值取 3次读数的平均值,用秒表记录水表通过2 L水所用的时间[26],计算流量。本试验中用支管首部毛管的最大入口压力值近似代替支管入口压力值。

考虑作物根系吸水区域主要在毛管埋设层,灌水量变化对该层土壤水分影响显著[21]。因此,选取毛管埋设层土壤水分为研究对象。为了不破坏毛管,取样点深30 cm,与毛管的垂直距离为5~7 cm,每条毛管等距选取10个点取样点,间距约10 m。

3处观测区域的管网形式和埋深均相同,土壤结构、棉花品种、种植密度和管理方法也基本相同。不同的是:各毛管的观测段长度不同,管网A5的毛管间距是0.9 m,B1和B4的间距是1 m。试验设备是在用滴灌系统灌溉第一水前安装好,试验数据是在棉花开花期前测得。

图1 试验管网布置示意图Fig.1 Sketch map of pipe network layout in experiment

表2 试验区毛管长度和坡度Table 2 Length and slope of laterals pipes in study area

1.3 试验仪器、设备

压力表采用上海自动化仪表厂生产的 0.4级精密压力表,量程0~16 m,最小刻度0.1 m。水表为外径16 mm的自来水表,最小刻度 0.1 L。土壤水分含量采用 TSC-Ⅰ土壤水分快速测定仪测量。

2 数据分析方法

2.1 毛管水头偏差率和流量偏差率

选用参考文献[6]中公式,用实测的毛管最大、最小压力计算水头偏差率Hv:

式中hmax为实测毛管的最大工作水头,m;hmin为实测毛管的最小工作水头,m;ha为毛管的平均工作水头,m。

计算灌水器对应压力下的流量,公式为

式中q为灌水器的流量,L/h;h为工作水头,m;k为流量系数;x′为流态指数。

灌水器流量偏差率qv的计算,公式为:

式中qmax为相应于hmax时的灌水器的流量,L/h;qmin为相应于hmin时的灌水器的流量,L/h;qa为灌水器的平均流量,L/h。

2.2 均匀度分析

土壤水分均匀度采用克里斯琴森均匀系数Cu:

式中Cu为均匀系数,%;为平均土壤含水率,%;Δθ为每个取样点的实际土壤含水率与平均值之差的绝对值的平均值,即平均差,%;θi为每个取样点的实际土壤含水率,%;N为取样点个数。

3 结果与分析

3.1 毛管水头偏差率的变化规律

经式(1)计算,发现实测毛管水头偏差率Hv的变化特点是整体上有稳定趋势具体数值有波动性,具体如图2所示。稳定趋势表现在:A5管网中沿支管方向同种布置形式毛管的Hv有减小趋势,相同支管位置处,环状形式毛管的Hv比树状形式毛管的Hv要大;B4和B1中同侧毛管的Hv变化趋势不明显,但相同支管位置处环状形式毛管的Hv比树状形式毛管的Hv要小,这与A5管网正相反。波动性表现在:同一毛管在支管入口压力接近时Hv值并不接近,如B4中1、2、4、5号毛管的Hv在支管入口压力水头8.27 m和8.22 m的2次测量中并不接近;当同一毛管测得的Hv值接近时,支管入口压力并不接近,如A5中2、6号在入口压力水头9.65 m和8.67 m的2次测量时Hv值较接近。这种变化特点的原因是地下滴灌毛管的水头偏差率是由多种因素共同作用的结果。

正常工作状态下,影响地下滴灌毛管水头偏差率的主要因素有毛管的管径、长度、铺设坡度和管网形式及周边土壤的紧实度,滴头的形状、大小、流量、间距、堵塞状况和出流状态[28-29]。对于已建成的地下滴灌系统,除滴头的堵塞状况、出流状态和毛管周边土壤的紧实度具有随机性外,其余影响因素具有确定性。确定的影响因素是不变的,使毛管产生的水头偏差率趋于固定值;随机影响因素使毛管的水头偏差率产生偏离具有波动性。当滴头的流道堵塞或处于淹没出流时,滴头的出流量会偏离正常的压力流量关系,这种偏离使滴头流速水头与压力水头的转换发生变化,结果影响毛管的水头偏差率;毛管周边土壤紧实度的变化会使毛管过水断面发生改变[23-24],进而影响毛管水头偏差率的变化。随机因素对毛管水头偏差率的影响机理和变化范围还需要深入研究。

图2 不同管网水头偏差率Fig.2 Head deviation ratio of laterals for different pipe networks

对试验中水头偏差率明显异常的毛管进行分析,如管网B4中的6号毛管,在支管入口压力为7.32 m时的测量值明显大于其他毛管的测量值,分析原因可能是该毛管为树状形式,毛管漏水使得尾端压力较低,经检查找到毛管破损处,修复后水头偏差率值和同侧编号毛管接近。管网B1中的3号、5号毛管水头偏差率始终较小,分析数据发现,两毛管的尾端压力与同侧毛管接近,首部压力明显低于同侧毛管,经实地观察,排除了毛管漏水和堵塞两因素,在与管理人员交流后认为是B1管网为薄壁滴灌带,毛管入口和首端测压点间的毛管在受到较大土块的挤压后过流面积变小,过水不畅,正常供水时也无法恢复,导致毛管首端压力较低,现场将该段毛管上部的土壤挖去后,两毛管首部压力与同侧毛管接近。管网B1中的3号、5毛管为环状管网形式,当毛管首部供水受影响时,尾部能够起到良好的补偿效应。

用式(2)和(3)计算毛管的流量偏差率,A5的范围是 1.29%~7.15%,B4的范围是 2.49%~11.47%,B1的范围是0.58%~12.80%,三试验管网在设计工况下都满足目前《微灌工程技术规范》[5](GB/T50485-2009)规定,即灌水单元内灌水器设计允许流量偏差率应小于或等于20%的要求。

3.2 支管入口压力对毛管水头偏差率的影响

测量时发现,即使系统处于稳定工作状态下,支管入口、毛管首端和尾端的工作压力,总是在一定的范围内波动,并非固定不变。经分析产生波动的原因主要是水泵工况、过滤器与施肥器水头损失和滴头出流状态在工作时都是变化的,这些变化随机组合的结果导致很难在相同的支管入口压力下测量毛管的水头偏差率,只能是在同一时刻测得各节点的压力值。用Excel2010对支管入口压力和毛管水头偏差率进行方差分析(单向分类),结果见表3。结果显示:在本文试验条件下,即毛管的设计工作压力水头10 m,实测支管入口压力水头变化范围在7.32~11.75 m之间时,三管网中支管入口压力对毛管水头偏差率的影响没有显著效应(P>0.05)。

表3 支管入口压力对毛管偏差率影响的方差分析Table 3 Variance analysis on effect of entrance pressure from branch pipe on head deviation ratio in lateral pipe

3.3 毛管水头偏差率的统计参数

本试验条件下,经方差分析可知,支管入口压力水头在7.32~11.75 m之间变化时,支管入口压力对毛管水头偏差率没有显著影响,所以可将不同支管入口压力下的毛管水头偏差率共同分析。对非压力补偿灌水器来说,在不考虑灌水器制造偏差和堵塞影响时,影响均匀度的根本原因就是水头偏差的存在而导致出水量的不同。研究表明,当毛管进口压力水头为 10 m时,铺设坡度在-5‰~5‰范围内,毛管铺设坡度对灌水均匀度的影响不显著[30]。本试验毛管入口压力水头10 m,同时地形较平整,所以可以忽略毛管坡度的影响,主要考虑毛管铺设长度的影响。将实测毛管水头偏差率进行统计,并将水头偏差率的平均数按百分比关系换算成100 m长的平均数,结果见表4。从表4可知,管网中毛管水头偏差率的标准差值A5<B1<B4,变异系数是A5﹦B4<B1,100 m长毛管的水头偏差率值A5<B1<B4,说明A比B毛管的Hv变化范围要小且比较集中。原因是土壤压力变化使毛管的过水断面变小(毛管被压扁),毛管的水头损失、水头偏差率均变大,厚壁毛管抵抗和恢复土壤压力的能力比薄壁毛管要强,所以A毛管相对于B毛管的水头变化范围更小且比较集中。B1管网中毛管的标准差、100 m毛管的水头偏差率值都要小于B4管网中的,说明使用年限会导致毛管水头偏差率变大。原因可能是B1管网为新建管网,在农事管理过程中,机械碾压相对较少,土壤压力对毛管过水断面的影响较小。以上分析表明,在地下滴灌应用中,厚壁毛管比薄壁毛管的水力性能要稳定,更有利于提高沿毛管方向土壤水分的均匀度。

表4 毛管水头偏差率统计Table 4 Statistics of head deviation ratio in laterals pipes

3.4 水头偏差率与埋设层土壤水分均匀度的关系

3.4.1 埋深层土壤水分均匀系数统计参数

用式(4)、(5)计算 30 cm深土层含水率的克里斯琴森均匀系数Cu,分析Cu的统计参数及Cu和Hv的相关系数,相关系数用Excel2010中的CORREL函数,结果见表5。可以看出A5管网中毛管埋深层土层含水率的均匀度要高于B4和B1,同时Hv与Cu具有极强的负相关关系(P<0.001),可以对Hv和Cu的关系进行建模。

表5 土壤水分均匀系数统计及与水头偏差率的相关系数Table 5 Statistics of soil moisture uniformity coefficient and its correlation coefficient with head deviation ratio

3.4.2 机理分析和模型假设

试验中 2种型号毛管的滴头都是非压力补偿式灌水器,水头偏差导致滴头流量不等,使滴头周边土壤水分的分布产生差异,最终影响埋设层土壤水分均匀度的变化。同理,滴头流量对压力的敏感程度决定了埋设层土壤水分均匀度的高低。因此,可以建立起水头偏差率、灌水器流量对压力的敏感程度与沿毛管方向埋设层土壤水分均匀度的关系。

假设试验地中的砂壤土在毛管埋设层上无空间变异性,不考虑作物吸水的影响,灌水2 d后湿润锋充分搭接,埋设层土壤水分运动处于相对稳定状态,在同一条毛管上水头偏差率和灌水器流量对压力的敏感程度是影响滴头流量差异的主要因素。

3.4.3 模型建立

1)模型形式建立

用实测的Hv当自变量,灌水2 d后毛管埋设层土壤含水率的Cu当因变量,灌水器的k和x′为参数建立Cu=f(Hv)的数学模型。

在假设条件下,Cu=f(Hv)是Hv的减函数,Hv≥0。变化趋势是:当Hv→0时,f(Hv)→1;当Hv→+∞时,f(Hv)→C,C为常数接近初始土壤水分均匀度。x′反映灌水器的流量对压力的敏感程度,k则反映流道水头损失对流量变化的敏感程度,在相同的压力变化区间,x′和k均和灌水器流量变化值成正比[6],与再分布后土壤水分均匀度成反比。当毛管型号确定时,x′、k为已知参数。经推断,符合模型变化趋势的模型结构有2种形式:

式中Cu为灌水2 d后沿毛管方向埋设层土壤含水率的克里斯琴森均匀系数,%;Hv为稳定工作状态下毛管水头偏差率,%;k为毛管灌水器流量系数,k>0;x′为毛管灌水器流态指数,0≤x≤1。k、x′值由毛管型号确定。2)模型选择

将管网中各毛管的k、x′值和实测Hv值代入式(6)和式(7)得Cu估算值,分别与基于土壤含水率(式(4))的计算值(简称实测值)进行对比,结果表明:式(7)计算值绝对误差为-9.7%~3.7%,65%毛管(13条)绝对误差在[-5%,+5%]内;式(6)计算值与实测值绝对误差(表6)在-6%~5.3%之间,除B1管网的1、2、3号共3支毛管外,其他毛管的绝对误差均在[-5%, +5%]内,占测试毛管总数的85%。可见,式(6)优于式(7)。进一步地,基于式(6)得到沿毛管方向30 cm深土壤水分均匀度的模型计算值,如图3所示。图3表明,基于式(6)的Cu模型计算值和实测值变化趋势一致:在本试验条件下,Hv在1.23%~36.77%之间变化时,沿毛管方向埋设层土壤水分均匀度Cu随着Hv的增大而逐渐减小。模型的决定系数R2=0.64(P<0.01)。这表明,在本试验条件下,可用式(6)基于实测Hv值预测Cu,为试验区域内地下滴灌毛管工作状况的评价提供参考依据。然而,由于模型精度R2只有0.64,仍有很大的提升空间,有待于进一步研究。

图3 计算及实测的土壤水分均匀系数随水头偏差率的变化Fig.3 Change in calculated and measured soil water uniformity coefficient with head deviation ratio

表6 土壤水分均匀系数误差分析Table 6 Absolute error (AE) analysis of soil water uniformity Coefficient %

4 结论与讨论

本文以新疆棉田地下滴灌系统为研究对象,在系统正常供水时,通过对支管首部、中部和尾部毛管的田间实测,研究毛管水头偏差率的变化规律与影响因素,得出以下结论:

1)在本试验中,毛管的设计工作压力为10 m,正常灌水时,各毛管的水头偏差率并非是一个预先设计好的定值,而是在一定范围内变动(0.58%~12.80%)。同一管网中毛管水头偏差率的变化特点是:整体上有稳定趋势,具体数值有波动性。稳定趋势是由影响水头偏差率的确定因素所决定的,具体数值的波动性是随机因素作用的结果。确定因素的影响在设计时是可控的,随机因素(堵塞状况、出流状态和毛管周边土壤挤压)的作用机理、影响程度以及交互作用还不明确,有待于进一步研究。水头偏差率能反映出毛管工作的工作状况,同一管网中,当某一毛管的水头偏差率明显偏离其附近毛管的水头偏差率时,应当及时对其进行检修。

2)对水头偏差率明显异常毛管分析发现,地下滴灌中,厚壁毛管比薄壁毛管的水力性能要稳定,更有利于提高系统的均匀性。管壁厚度还决定着地下管网的建设成本,有必要研究毛管壁厚与埋深、挤压程度对毛管过流能力的影响,这样既可控制成本又能保证管网的均匀性。

3)在本试验条件下,支管入口压力水头在 7.32~11.75 m之间时,支管入口压力对毛管水头偏差率没有显著影响(P>0.05),毛管水头偏差率与沿毛管方向埋设层的土壤水分均匀度有极强的负相关关系(P<0.001),可以用毛管水头偏差率、灌水器的流量系数和流态指数为参数,通过模型预测沿毛管方向埋设层的土壤水分均匀度。该文建立的模型,预测精度为0.64,85%毛管的绝对误差小于5%,可为试验区毛管工作状况的评价提供参考。

系统处于稳定工作状态下,地下管网各节点的压力总是在一定的范围内波动,主要是水泵工况、过滤器和施肥器的水头损失在工作中都是处于波动状态,因此在设计和管理系统时应明确这些设备在正常工况下水力性能的变化范围,防止最不利组合状态下毛管的工作压力较设计压力发生较大偏离。

[1] 黄兴法,李光永. 地下滴灌技术的研究现状与发展[J]. 农业工程学报,2002,18(2):176-181.Huang Xingfa, Li Guangyong. Present situation and development of subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2002, 18(2): 176-181. (in Chinese with English abstract)

[2] 李光永. 世界微灌发展态势:第六次国际微灌大会综述与体会[J]. 节水灌溉,2001(2):24-27.

[3] 宁松瑞,左强,石建初,等. 新疆典型膜下滴灌棉花种植模式的用水效率与效益[J]. 农业工程学报,2013,29(22):90-99.Ning Songrui, Zuo Qiang, Shi Jianchu, et al. Water use efficiency and benefit for typical planting modes of drip-irrigated cotton under film in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 90-99. (in Chinese with English abstract)

[4] 徐飞鹏,李云开,任树梅. 新疆棉花膜下滴灌技术的应用与发展的思考[J]. 农业工程学报,2003,19(1):25-27.Xu Feipeng, Li Yunkai, Ren Shumei. Investigation and discussion of drip irrigation under mulch in Xinjiang Uygur Autonomous Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2003, 19(1): 25-27. (in Chinese with English abstract)

[5] 微灌工程技术规范:GB/T 50485-2009[S].

[6] 傅琳,董文楚,郑耀泉,等. 微灌工程技术指南[M]. 北京:水利电力出版社,1988:149-152.

[7] 张国祥. 考虑三偏差因素的滴灌系统流量总偏差率[J]. 农业工程学报,2006,22(11):27-29.Zhang Guoxiang. Calculating the total flow deviation rate of drip-irrigation system based on three deviation rates[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(11): 27-29. (in Chinese with English abstract)

[8] 朱德兰,吴普特,张青峰,等. 微地形影响下滴灌均匀度设计指标研究[J]. 排灌机械,2006,24(1):22-26.Zhu Delan, Wu Pute, Zhang Qingfeng, et al. Study on the emission uniformity for the emitter under the condition of farmland micro-terrain action[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering. 2006, 24(1): 22-26. (in Chinese with English abstract)

[9] Camp C R, Bauer P J, Hunt P G. subsurface dripirrigation lateral spacing and management for cottonin the southeastern Coastal Plain[J]. Trans of the ASAE, 1997, 40(4): 993-999.[10] Chase R G. Phosphorus application through a subsurface trickle system[C]//Proc 3rd Int Drip Trickle Irrigation Congress. 1985: 393-400.

[11] 张林,吴普特,牛文全,等. 均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法[J]. 农业工程学报, 2007,23(8):40-44.Zhang Lin, Wu Pute, Niu Wenquan, et al. Method for calculating flow deviation in drip irrigation system under uniform slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007,23(8): 40-44. (in Chinese with English abstract)

[12] 白丹,宋立勋,王晓愚,等. 地下滴灌灌水器流量和压力关系的试验[J]. 农业机械学报,2008,39(8):189-191.

[13] 仵峰,李王成,李金山,等. 地下滴灌灌水器水力性能试验研究[J]. 农业工程学报,2003,19(2):85-88.Wu Feng, Li Wangcheng, Li Jinshan, et al. Hydraulic characteristics of emitter in soil of subsurface drip irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003,19(2): 85-88. (in Chinese with English abstract)

[14] 宋鹏,李云开,李久生,等. 加氯及毛管冲洗控制再生水滴灌系统灌水器堵塞[J]. 农业工程学报,2017,33(2):80-86.Song Peng, Li Yunkai, Li Jiusheng, et al. Chlorination with lateral flushing controlling drip irrigation emitter clogging using reclaimed water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2017, 33(2): 80-86. (in Chinese with English abstract)

[15] 刘璐,牛文全,Bob Zhou. 细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器堵塞的影响[J]. 农业工程学报,2012,28(1):87-93.Liu Lu, Niu Wenquan, Bob Zhou. Influence of sediment particle size on clogging performance of labyrinth path emitters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012,28(1): 87-93. (in Chinese with English abstract)

[16] 许迪,程先军. 地下滴灌土壤水运动和溶质运移数学模型的应用[J]. 农业工程学报,2002,18(1):27-30.Xu Di, Cheng Xianjun. Model application of water flow and solute transport during non-steady diffusion from subsurface emitter source[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002,18(1): 27-30. (in Chinese with English abstract)

[17] 李刚,王晓愚,白丹. 地下滴灌中毛管水力计算的数学模型与试验[J]. 排灌机械工程学报,2011,29(1):87-92.Li Gang, Wang Xiaoyu, Bai Dan. Experiment and mathematical model on hydraulic calculation of laterals in subsurface drip irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2011, 29(1): 87-92. (in Chinese with English abstract)

[18] 吕谋超,仵峰,彭贵芳,等. 地下和地表滴灌土壤水分运动的室内试验研究[J]. 灌溉排水,1996,15(1):42-44.

[19] 李明思,康绍忠,孙海燕. 点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究[J]. 农业工程学报,2006,22(4):32-35.Li Mingsi, Kang Shaozhong, Sun Haiyan. Relationships between dripper discharge and soil wetting pattern for drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006,22(4): 32-35. (in Chinese with English abstract)

[20] 皮丽辉. 地下滴灌管网水力计算及优化设计研究[D]. 石河子:石河子大学,2008.Pi Lihui. Hydraulic Calculation and Optimal Design for Subsurface Drip Irrigation Network[D]. Shihezi: Shiheizi University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[21] 宰松梅,仵峰,温季,等. 大田地下滴灌土壤水分分布均匀度评价方法[J]. 农业工程学报,2009,25(12):51-57.Zai Songmei, Wu Feng, Wen Ji, et al. Evaluation method of soil water distribution uniformity under conditions of field subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(12): 51-57. (in Chinese with English abstract)

[22] 李久生,杜珍华,栗岩峰. 地下滴灌系统施肥灌溉均匀性的田间试验评估[J]. 农业工程学报,2008,24(4):83-87.Li Jiusheng, Du Zhenhua, Li Yanfeng. Field evaluation of fertigation uniformity for subsurface drip irrigation systems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008,24(4): 83-87.(in Chinese with English abstract)

[23] Hills D J, Nawar F M, Waller P M. Effects of chemical clogging on drip-tape uniformity[J]. Trans of the ASAE,1989, 32(4): 1202-1206.

[24] Steele D D, Greenland R G, Gregor B L. Subsurface drip irrigation systems for specialty crop production in North Dakota[J]. Applied Engineering in Agriculture, 1996, 12(6):671-679.

[25] 丛佩娟. 地下滴灌管网水力特性研究[D]. 北京:中国农业科学院,2004.Cong Peijuan. Study on the Hydraulic of Pipe Networks in Subsurface Drip Irrigation[D]. Beijing: Chinese Academic of Agriculture and Sciences, 2004. (in Chinese with English abstract)

[26] 仵峰,吴普特,宰松梅,等. 基于田间定位观测的地下滴灌毛管性能评价[J]. 水利学报,2009,40(5):556-563.Wu Feng, Wu Pute, Zai Songmei, et al. Modification of wetted perimeter method for determining the ecological flow requirement[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009,40(5): 556-563. (in Chinese with English abstract)

[27] 白丹,王晓愚,宋立勋,等. 地下滴灌毛管水力要素试验[J]. 农业工程学报,2009,25(11):19-22.Bai Dan, Wang Xiaoyu, Song Lixun, et al. Hydraulic factors of laterals in subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(11): 19-22. (in Chinese with English abstract)

[28] Thompson E J, Merkley G P, Keller A A, et al. Experimental determination of the hydraulic properties of low-pressure,lay-flat drip irrigation systems[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2011, 137(1): 37-48.

[29] Provenzano G, Pumo D, Pietro D D, Simplified procedure to evaluate head losses in drip irrigation laterals[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2005, 131(6): 525-532.

[30] 张林,吴普特,范兴科,等. 低压滴灌灌水均匀度试验研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版),2009,37(12):207-212.Zhang Lin, Wu Pute, Fan Xingke, et al. Experimental research on drip irrigation uniformity at low-pressure[J].Journal of Northwest A&F University: Nat Sci Ed, 2009,37(12): 207-212. (in Chinese with English abstract)

Head deviation property and its relationship with soil moisture uniformity of subsurface drip irrigation laterals

Liu Yang1, Huang Xiuqiao1※, Feng Junjie1, Zhai Guoliang1, Yu Hongbin2, Sun Xiulu1
(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water-saving Agriculture of Henan Province, Xinxiang453002,China; 2.College of Computer and Information Engineering,
Henan Normal University,Xinxiang453007,China)

Head deviation ratio is a key technical indicator for length optimization in drip irrigation laterals. The deviation ratio in sub-surface drip irrigation is different from that in surface drip irrigation because the laterals are embedded and compressed in soil, and influenced by the submerged discharging. This study aimed to investigate head deviation property of subsurface drip irrigation laterals and its relationship with soil moisture uniformity. This experiment including 3 large pipe networks of subsurface drip irrigation in cotton field was carried out in Xinjiang. The drip irrigation pipe was buried in 28-33 cm below the soil surface. The length was 100 m. The spacing of pipes was 0.5 m in 2002, and 1 m after tye year of 2004. A total of 3 pairs of laterals were chosen out of upstream, medium-stream and downstream of the branch pipe. For each pipe network, more than 6 laterals were selected for the experiment. Among the laterals, some were ring network and some were tree network. The precision pressure gauge was used to measure the water pressure in the head and tail of laterals, and water meter to measure water volume at the beginning of laterals. During the experiment, the designed working pressure was 10 m. The soil moisture at depths of 30 cm along the laterals was determined by a soil moisture measuring instrument. The head deviation ratio and soil moisture uniformity was calculated based on soil moisture. The relationship between the laterals’ head deviation ratio and soil moisture uniformity coefficient in 30 cm depths along the laterals was analyzed. The results showed that the head deviation ratio of the laterals were from 0.58% to 12.80%, meeting the requirement of Chinese microirrigation standard (smaller than or equal to 20%). Overall, the head deviation ratio in each lateral were different in a same pipe network with the value fluctuated in a certain range, whereas the changing trend was stable between tree-like laterals and ring-like laterals in a same branch pipe.The analysis on outliers of measured head deviation ratio showed that the deviation ratio may be affected by thickness of lateral wall. The lateral with thick wall had more stable hydraulic performance than that of the thin wall. During the entrance pressure of 7.32-11.75 m, the entrance pressure had no significant influence on head deviation ratio (P>0.05). The head deviation ratio was extremely negatively correlated with soil moisture uniformity coefficient (P<0.001). According to theoretical analysis, a model was established with soil moisture uniformity coefficient as response variable and head deviation ratio as independent variable. By comparing the calculated values and model-established values of soil moisture uniformity coefficient, we found the model was reliable in predicting oil moisture uniformity coefficient with the absolute error from-6.0% to 5.3% and 85% of laterals had the absolute error smaller than 5%. This study can provide valuable information for the length optimization of laterals, evaluation of working conditions, and management of operation in subsurface drip irrigation system.

soil moisture; uniformity; models; subsurface drip irrigation; laterals; head deviation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015

S275.4

A

1002-6819(2017)-14-0108-07

刘 杨,黄修桥,冯俊杰,翟国亮,于红斌,孙秀路. 地下滴灌毛管水头偏差率特性及与土壤水分均匀度的关系[J]. 农业工程学报,2017,33(14):108-114.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015 http://www.tcsae.org

Liu Yang, Huang Xiuqiao, Feng Junjie, Zhai Guoliang, Yu Hongbin, Sun Xiulu. Head deviation property and its relationship with soil moisture uniformity of subsurface drip irrigation laterals[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 108-114. (in Chinese with English abstract)

doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015 http://www.tcsae.org

2017-01-03

2017-06-10

“十三五”国家重点研发计划(2016YFC0400202);河南省高等学校重点科研项目(14A520005)。

刘 杨,男,黑龙江齐齐哈尔人,博士生,助理研究员,主要从事节水灌溉理论与技术研究。新乡 中国农业科学院农田灌溉研究所,453002。Email:ngsliuyang@163.com

※通信作者:黄修桥,男,湖北汉川人,博士,研究员,博士生导师,主要从事节水灌溉理论与技术研究。新乡 中国农业科学院农田灌溉研究所,453002。Email:huangxq626@126.com

猜你喜欢

毛管支管均匀度
圆柱式滴头内镶及外包对滴灌毛管水力特性影响的模拟研究
高阶煤煤岩毛管压力曲线新数学模型及关键参数
某型铁路货车120-1阀连接支管失效及改进方案研究
汤峪二原子自压喷灌工程支管破裂原因探索与对策
昆钢6#高炉热风炉支管波纹补偿器技术改造
均匀度控制不佳可致肉种鸡晚产
毛管入口流量估算方法与验证
洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析
Φ55mm系列毛管工艺优化研究
The Power of Integration