低压滴灌灌水均匀性研究

白雨薇，罗　坤，周小波，阮红丽，崔宁博,4，龚　雪，徐书哲

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室，成都 610065；2.四川大学水利水电学院，成都 610065；3.农业部丘陵山地农业装备技术重点实验室，成都 610066；4.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室，成都 610066)

0　引　言

滴灌是目前各种灌水方法中灌水效率最高、用水量最小的一种灌水技术。它具有节水增产、提质高效等优点，在苹果、樱桃、马铃薯及玉米等多种粮经作物中得到了大面积的应用，但目前投资相对较高，制约了滴灌技术的应用和推广，降低系统工作压力可以有效降低滴灌工程造价，因此低压滴灌是今后灌溉技术发展的重要方向[1,2]。

灌水均匀度是衡量滴灌系统灌水质量和水力设计的重要指标[3]，其影响因素较多，如滴灌毛管入口压力，敷设长度，地形坡度，堵塞情况，水温变化，灌水器类型、间距、制造偏差等。王建众等[4]分析了毛管入口压力对灌水质量的影响，得出毛管入口压力可降到4 m左右。孙亚兴等[5]通过测定不同滴灌带入口压力、敷设长度下的滴头的流量分布及设计参数，指出滴灌带入口压力为4～5 m时，最佳敷设长度为100 m，灌水器流量为1.2 ～1.4 L/h。李文等[6]分析了低压条件下滴灌带不同均匀度计算指标的影响因素及变化规律，发现灌水均匀度随滴灌带入口压力和敷设长度变化而变化，但滴灌带入口压力对其变化影响较小。刘焕芳等[7]分析了自压软管的水力特性，指出软管滴头平均流量随敷设长度的增大而降低，亦随管径的减小而降低，在满足流量偏差率要求的前提下，优先采用较长的敷设长度及较小的软管管径。马晓鹏等[8]研究了低压条件下滴灌带入口压力、敷设长度、地形坡度3个因素对灌水均匀系数的影响，得出在低压条件下灌水均匀系数随滴灌带入口压力的增大而提高，不同类型滴灌带灌水均匀度存在显著差别，当滴灌带敷设坡度从逆坡-1 %到顺坡 1%变化时，灌水均匀度逐渐增大。

张天举等[9]通过测定不同毛管入口压力和敷设坡度下滴头流量分布、水力损失和灌水均匀度，得出增大毛管入口压力或合理敷设坡度均可提高灌水均匀度。王霞等[10]以边缝式滴灌带和内镶贴片式滴灌带作为研究对象，分析了不同滴灌带入口压力、敷设长度、敷设坡度等对灌水均匀度的影响，得出在低压条件下边缝式滴灌带更能满足灌水要求。仵峰等[11]在2～10 m压力范围内，对内镶式、微管和补偿式3种灌水器进行了自由出流试验，试验发现内镶式滴头和微管的流量均随着压力的增大而提高，补偿式滴头流量相对稳定，但低压时流量相对较大。曹建东等[12]通过研究不同管口压力、灌水器间距和管壁厚度对滴灌带灌水均匀度影响，指出滴灌带管末压力损失和单孔滴水量随管口压力的增大而提高，灌水均匀度随灌水器间距的增大先提高后降低，随滴灌带管壁厚度的增大而提高。范兴科等[1]和张林等[13]提出可通过适当降低灌水器设计流量、提高毛管管径及对地形适当分区来提高低压滴灌灌水均匀度。

低压滴灌是一种高效节能灌水技术，降低毛管入口压力可以有效降低滴灌工程造价，但同时也降低了滴灌灌水均匀度和灌水质量，且目前对毛管入口压力小于5m情况下的低压滴灌灌水均匀性研究较少。本研究通过测定不同敷设长度下毛管入口压力变化、不同灌水器间距的滴头流量分布等对滴灌灌水均匀度相关指标的影响，分析各因素对灌水均匀度的影响规律，寻求低压滴灌条件下提高灌水均匀度的方法，为低压滴灌系统的应用和发展提供理论依据和科学指导。

1　材料与方法

1.1　试验材料与装置

试验于2017年5月在四川省农业机械研究院进行，试验用滴灌带为以色列Netafim公司生产的压力补偿内镶式滴灌带，滴头间距为40与50 cm，滴头流量1.6 L/h，管径16 mm；滴灌管为压力补偿圆柱式滴灌管，滴头间距为50 cm，滴头流量1.0 L/h，管径16 mm。试验装置主要由移动水源、水箱、压力调节装置、过滤器和试验材料组成。水箱体积为1 m×1 m×0.9 m，水箱上方设有进水口，水箱下方设有排水阀，水箱内设有监测水量的浮球开关，水泵出水口末端接压力传感器，整个系统和控制柜连接。试验中通过改变水泵的频率调节扬程来满足试验所需水头。控制柜后接过滤器，降低堵塞情况对滴头出流的影响。过滤器后连接干支管，干管和支管采用球阀连接。每个球阀的布设间距为20 cm。并制作φ20转化为φ16的宝塔头来连接球阀和支管。为防止漏水，接口处采用生料带缠绕，且宝塔头和毛管连接处使用铁丝拧紧固定。为了方便试验，毛管将水流引至靠近地面处，与称量容器同高。

1.2　试验方案

试验主要研究滴灌毛管入口压力、敷设长度、灌水器间距对灌水均匀度的影响。试验设计如表1所示。试验按照每10 m选择3个滴头的原则设置塑料盒，每次试验进行10 min，根据预试验，当毛管入口压力小于3 m时，敷设长度大于90 m时，灌水均匀度低于75%，因此设置最大敷设长度为90 m。试验首先将3根滴灌毛管的长度同时设置为90 m，按照压力水头为0.5、1、2、3、4、5 m依次进行试验。试验结束后称量每个塑料盒的重量，计算试验时间内滴头的出水量。每次截取一定长度的滴灌毛管，改变3根滴灌毛管长度重复上述试验。

1.3　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要求，对已建成的微灌系统宜采用灌水均匀度进行灌水均匀性评价，滴灌工程的灌水均匀度不得低于80%，灌水均匀度一般采用克里斯琴森公式计算：

表1低压滴灌灌水均匀度试验设计
Tab.1Experimentdesignoflow-pressuredripirrigation

处理编号毛管入口压力h/m毛管敷设长度L/m灌水器间距S/cm滴灌管滴灌带10．5405040/5021505040/5032605040/5043705040/5054805040/5065905040/50

(1)

2　结果与分析

2.1　毛管入口压力对灌水均匀度的影响

图1是毛管入口压力对灌水均匀度的影响。图1表明，滴灌管和滴灌带灌水均匀度均随毛管入口压力的增大而提高。滴灌管入口压力小于2 m时，灌水均匀度随毛管入口压力的减小呈明显降低趋势，但灌水均匀度仍高于80%，当h=0.5、1 m时，灌水均匀度分别为81%、84%；当毛管入口压力在2～5 m时，灌水均匀度随毛管入口压力的减小而缓慢降低，灌水均匀度均高于90%，当h=2、5 m时，灌水均匀度分别为93%、95%。滴灌带入口压力小于2 m时，灌水均匀度均低于80%，且随入口压力的减小呈明显降低趋势，当h=0.5、1 m时，灌水均匀度分别为41%、61%，当毛管入口压力在2～5 m时，灌水均匀度随入口压力的减小而缓慢降低，灌水均匀度均高于85%，当h=2、5 m时，灌水均匀度分别为88%、93%。当毛管入口压力在0.5～5 m时，滴灌管、滴灌带的灌水均匀度分别在81%～95%、41%～93%，滴灌管灌水均匀度始终高于滴灌带，且两者灌水均匀度差值在2%～40%。当入口压力从0.5 m增大到5 m时，滴灌管、滴灌带灌水均匀度的增幅分别为14%、52%，滴灌带对入口压力的变化更敏感。因此，为满足设计规范要求，滴灌管入口压力不应低于0.5 m，滴灌带入口压力不应低于2 m。

图1　毛管入口压力对灌水均匀度的影响Fig.1 The influence of lateral inlet pressure on irrigation uniformity

2.2　毛管敷设长度对灌水均匀度的影响

图2是毛管敷设长度对灌水均匀度的影响。图2表明，滴灌管和滴灌带灌水均匀度均随敷设长度的增大而降低。滴灌管敷设长度在40～70 m时，灌水均匀度均高于90%，且随敷设长度的增大呈缓慢降低趋势，当L=40、70 m时，灌水均匀度分别为96%、92%；当敷设长度在80～90 m，灌水均匀度分别为85%、77%。滴灌带敷设长度在40～70 m时，灌水均匀度均高于85%，且随敷设长度的增大呈缓慢降低趋势，当L=40、70 m时，灌水均匀度分别为91%、87%；敷设长度在80～90 m时，灌水均匀度均低于80%，当L=80、90 m时，灌水均匀度分别为71%、56%。当毛管敷设长度在40～90 m时，滴灌管、滴灌带的灌水均匀度分别在77%～96%、59%～91%，滴灌管灌水均匀度始终高于滴灌带，且两者灌水均匀度差值在4%～18%。当敷设长度从40 m增大到90 m时，滴灌管、滴灌带灌水均匀度的差值分别为19%、32%，滴灌带对敷设长度的变化更敏感。当滴灌管L=80、90 m时，灌水均匀度分别为85%、77%，滴灌带L=70、80 m时，灌水均匀度分别为87%、71%，因此，当滴灌管敷设长度延长至85 m，滴灌带敷设长度延长至75 m时，灌水均匀度仍高于80%。

图2　毛管敷设长度对灌水均匀度的影响Fig.2 The influence of lateral length on irrigation uniformity

2.3　灌水器间距对灌水均匀度的影响

图3是滴灌带入口压力对灌水均匀度的影响。图3表明，当灌水器间距S=40、50 cm时，灌水均匀度均随滴灌带入口压力的减小而降低。当滴灌带入口压力小于2 m时，S=40、50 cm的灌水均匀度均低于80%，且随入口压力的减小呈明显降低趋势；当h=0.5 m时，灌水均匀度分别为58%、50%；当h=1 m时，灌水均匀度分别为76%、65%；当滴灌带入口压力在2～5 m时，S=40、50 cm的灌水均匀度均高于90%，且随入口压力的减小而缓慢降低，当h=2 m时，灌水均匀度分别为95%、90%，当h=5 m时，灌水均匀度分别为97%、92%。当滴灌带入口压力在0.5～5 m时，灌水器间距S=40、50 cm的灌水均匀度分别在58%～97%、50%～92%，S=40 cm的灌水均匀度始终高于S=50 cm，且两者灌水均匀度的差值在4%～11%。当滴灌带入口压力从0.5 m增大到5 m时，灌水器间距S=40、50 cm的灌水均匀度增幅分别为39%、42%，灌水器间距S=50 cm对毛管入口压力的变化更敏感。灌水器间距S=40 cm在h=2、1 m时，灌水均匀度分别为95%、76%，灌水器间距S=50 cm在h=2、1 m时，灌水均匀度分别为90%、65%，因此当滴灌带灌水器间距S=40、50 cm的入口压力分别降至1.3、1.6 m时，灌水均匀度仍高于80%。

图4是滴灌带敷设长度对灌水均匀度的影响。图4表明，当灌水器间距S=40、50 cm时，灌水均匀度均随滴灌带敷设长度的增大而降低。当敷设长度在40～70 m时，S=40、50 cm的灌水均匀度均高于90%，当L=40 m时，灌水均匀度分别为98%、94%，当L=70 m时，灌水均匀度分别为93%、90%；当敷设长度在80～90 m时，S=40、50 cm的灌水均匀度均高于85%，当L=80 m时，灌水均匀度分别为89%、87%；当L=90 m时，灌水均匀度分别为87%、85%。当滴灌带敷设长度在40～90 m时，灌水器间距S=40、50 cm的灌水均匀度在87%～98%、85%～94%，S=40 cm的灌水均匀度始终高于S=50 cm，且两者灌水均匀度差值在2%～4%。当敷设长度从40 m增大到90 m时，灌水器间距S=40、50 cm的灌水均匀度差值为11%、9%，灌水器间距S=40 cm对敷设长度的变化更敏感。灌水器间距S=40、50 cm在L=90 m时，灌水均匀度均高于85%，因此，当滴灌带灌水器间距S=40、50 cm的敷设长度延长至110 m，灌水均匀度仍高于80%。

图3　滴灌带入口压力对灌水均匀度的影响Fig.3 The influence of drip irrigation tape inlet pressure on irrigation uniformity

图4　滴灌带敷设长度对灌水均匀度的影响Fig.4 The influence of drip irrigation tape laying length on irrigation uniformity

3　结　论

(1)低压滴灌条件下，灌水均匀度随毛管入口压力的增大而提高，滴灌管灌水均匀度均高于滴灌带，且滴灌带对入口压力的变化更敏感。滴灌管入口压力在0.5～5 m时，减小毛管入口压力对灌水均匀度的影响较小，故毛管入口压力不应低于0.5 m，灌水均匀度均高于80%，满足设计规范要求；滴灌带入口压力在2～5 m时，灌水均匀度高于80%，当入口压力在0.5～1 m时，灌水均匀度显著降低，均低于80%，故毛管入口压力不应低于2 m。

(2)低压滴灌条件下，灌水均匀度随毛管敷设长度的减小而提高，滴灌管灌水均匀度均高于滴灌带，且滴灌带对敷设长度的变化更敏感。滴灌管在L=80、90 m时，灌水均匀度分别为85%、77%，当L=85 m时，灌水均匀度仍高于80%，满足设计规范要求，故滴灌管敷设长度可以延长至85 m；滴灌带在L=70、80 m时，灌水均匀度分别为87%、71%，当L=75 m时，灌水均匀度仍高于80%，满足设计规范要求，故滴灌带敷设长度可延长至75 m。

(3)低压滴灌条件下，灌水均匀度随滴灌带灌水器间距的减小而提高。灌水器间距S=40 cm在h=2、1 m时，灌水均匀度分别为95%、76%，当h=1.6 m时，灌水均匀度仍高于80%，灌水器间距S=50 cm在h=2、1 m时，灌水均匀度分别为90%、65%，当h=1.3 m时，灌水均匀度仍高于80%，因此滴灌带灌水器间距S=40、50 cm的入口压力可分别降至1.6、1.3 m。灌水器间距S=40 cm、S=50 cm在L=90 m时，灌水均匀度均高于85%，因此，当滴灌带灌水器间距S=40 cm、S=50 cm的敷设长度延长至110 m时，灌水均匀度仍高于80%。

(4)本文仅研究了平坡条件下不同毛管入口压力、敷设长度、灌水器间距对灌水均匀度的影响，且试验采用的滴灌毛管种类和灌水器间距有限，其相关关系有待于进一步研究。

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