低压地下与地表滴灌滴灌带水力性能对比试验

刘 杨，黄修桥※，李金山，孙秀路，于红斌

（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 453003；2. 河南师范大学计算机与信息技术学院，新乡 453007）

0 引 言

滴灌技术的主要特点是节水高效，但较高的造价和运行费用制约了该项技术的发展。低压地下滴灌与常规滴灌相比具有使用成本低、水肥利用率高的特点，能够最大限度地挖掘滴灌技术节水、增效的潜力。目前，针对低压滴灌和地下滴灌这两种单一技术措施的研究较多，将二者结合应用大田的研究较少。低压滴灌是指灌水器的设计工作压力小于5 m并能满足系统要求[1]，常压滴灌是指灌水器的设计工作压力在10 m左右。降低运行压力可以降低系统的成本和运行费用[2]，为降低系统的工作压力，以色列的Gideon G G1985年提出重力滴灌的概念[3]，受重力滴灌启发，中国学者提出低压滴灌系统[4-6]，针对该技术的技术要素[4]、典型设计方案[5]、研究重点内容[2]及滴头、系统设计水头的取值依据[7-8]进行了相关研究，研究表明低压滴灌技术可行，并在棚室生产中取得较好效果，但在大田中应用的研究较少。国内学者还针对低压条件下毛管的水头损失规律[9-10]与均匀度的影响因素[11-13]进行研究，但低压条件下毛管埋入土壤后水力性能变化规律并不明确。众多学者从不同方向对灌水器埋入地下后的出流规律进行了研究，Warrick A W，Shani U等发现地下灌水器出口的正压导致其流量比地表灌水器减少10%～50%[14-15]。Gil等[16]、王晓愚等[17]通过称重法研究表明地下灌水器流量在稳定时比地表灌水器流量减少5%～20%。仵峰等[18]，范王涛等[19]研究了初始流量和土壤特性对地下灌水器出流规律的影响，国外学者从土壤导水率角度研究土壤对地下灌水器出流量的影响规律[20-21]，还有从使用年限对毛管流量的影响[22]，土壤压力对管网水力性能的影响[23]进行研究，这些地下灌水器和毛管流量的变化规律是在实验室内或常规压力条件下得出的，是否适用于大田中的低压地下滴灌还有待证实。现有资料不能明确大田中低压地下滴灌毛管的流量、压力、水头损失与管网均匀度的变化规律，基础研究的欠缺制约了该技术的发展。

为了明确在大田中，降低系统工作压力和埋入地下后对毛管水力特性的影响，选择参照常压滴灌系统设计的新疆地下滴灌系统作为研究对象，对比测试地表毛管和地下毛管的流量、压力和水头损失等参数，推求毛管考虑局部损失的加大系数、支管单元内的压力偏差率和流量偏差率。目的是以常规滴灌系统为参照，比较系统工作压力降低和毛管埋入地下对毛管水力特性、管网均匀度的影响，为低压地下滴灌系统的设计、管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2005年在新疆生产建设兵团农七师130团16连开展（84°36′～85°03′E，44°29′～44°52′N），位于准噶尔盆地西南缘，奎屯河冲积平原上。农七师属北温带大陆性干旱气候区，年均日照时数近3 000 h，年均降水量不足185 mm，年蒸发量是降水量的12.9～31.5倍，地表水和地下水资源都十分缺乏，制约当地农业的发展，属于灌溉农业区。

试验地种植品种为新陆早13号，膜宽1.2 m，膜间距0.6 m，1膜4行，宽行间距40 cm，窄行间距20 cm，株距10 cm，收获株数246 000株/hm2。田间持水量：0～40 cm为16.44%（质量含水量），40～80 cm为19.86%（质量含水量）。容重：0～20 cm为1.63 g/cm3，20～40 cm为1.47 g/cm3。

试验的地下滴灌系统是2002年建成，试验时是第4年，毛管的设计工作压力为10 m。支管为外径Φ75 mm的PVC管、壁厚6 mm、压力等级为0.6 MPa。毛管为内镶贴片式滴灌带，滴头间距 0.4 m，埋深 40 mm，间距1.5 m。灌溉水是冰雪融水，由渠道流入沉淀池，经泵站加压后进入地下滴灌系统。

1.2 试验设计

选择2干3支作为观测区域（213 m ×55 m），毛管沿支管两侧对称、等长布置，两侧毛管尾部接入排水管，构成环状管网。在支管的首部、中部和尾部各选 1对毛管进行测试，地下毛管与地表毛管测试位置相同。在测试毛管的首端串联安装水表（最小刻度0.1 L）、精密压力表（最小刻度 0.1 m），压力表在水表下游，尾端安装同型号压力表。仪表安装后，测量毛管的长度、坡度以及与支管进口的距离，详细参数见图1a。

2005年9月1—3日测量，先测地下毛管水力性能，测试压力变化过程是由低压到高压。测完地下毛管后，在测试位置铺设地表毛管接入系统进行测试，系统中其余毛管还在地下，测试压力变化过程是由高压到低压。通过控制开启支管数量来调节测试支管的入口压力，相同支管入口压力下，开启的支管编号相同。地表毛管与地下毛管型号相同，长度相同，观测方法相同，相同位置处的观测装置相同，观测仪器布置请见图1b和图1c。调压后，系统工作压力稳定30 min后开始读数，压力值取3次读数的平均值，同时用秒表记录水表通过2 L水所用的时间，计算流量。用支管首部地表毛管的最大首端压力值近似代替支管入口压力值。

图1 试验管网，地表、地下毛管观测装置示意图Fig.1 Sketch map of pipe network and observation device for surface and subsurface lateral pipes

2 结果与分析

2.1 毛管工作状态甄别

地下滴灌系统在使用过程中，如果管理、维护不当，毛管易发生灌水器堵塞、受压变形和破损等现象，影响毛管的工作压力和流量。通过比较测试毛管的工作压力和流量偏差情况来甄别地下毛管的工作状态，排除异常毛管，选择正常工作的地下毛管进行数据分析。

用地表毛管的平均工作压力与流量进行回归分析，计算灌水器自由出流状态下的压力与流量关系参数，公式为

式中q为灌水器流量，L/h；h为平均工作压力，m，文中取毛管首端和尾端实测压力的平均值；k为流量系数；x为流态指数。

计算结果如图 2所示，其中地表毛管 k=0.260 4、x=0.879 1，将k、x值与地下毛管的平均工作压力代入公式（1）计算地下毛管的理论流量，用地下毛管实测流量与理论流量计算地下毛管的流量偏差系数 δ，计算公式如下

式中δ为流量偏差系数；q实测为实测毛管流量，L/h；q理论为毛管理论流量，L/h。

图2 毛管压力与流量关系图Fig.2 Relation graph of pressure and flow rate in lateral pipes

比较地下毛管的首端、尾端工作压力及流量偏差系数δ，分析毛管的工作状态，具体数值详见表1。支管入口压力在1.4～6.55 m之间时：1号地下毛管的首、尾端工作压力与相邻毛管接近，流量是理论流量的 2.4～4.7倍，原因是 1号毛管中部破损，导致流量较大，因环状管网的补偿效应对毛管首、尾端压力影响较小；5号毛管首、尾端工作压力正常，但流量仅为理论流量的0.5～0.9倍，明显低于相邻毛管，原因是堵塞或土壤挤压导致过流不畅；6号毛管尾端压力正常，首端压力仅在0～0.2 m之间，明显低于相邻毛管，流量是理论流量的 2.5～6.2倍，原因是靠近毛管首端测压点附近有破损导致流量变大，同时支管与首端测压点之间毛管受挤压导致首端压力变低。综合以上分析1号、5号和6号为异常地下毛管，2号、3号和4号为正常地下毛管。

用相同方法，对地表毛管进行工作压力与流量偏差分析，具体数值详见下表2。支管入口压力在1.4 m时，6号毛管首、尾端压力与流量偏差系数与相邻毛管接近，在1.7～6.55 m时，6号毛管首端压力与流量偏差系数均比相邻毛管略低，经检测该毛管无破损，原因是支管与首端测压点之间毛管受挤压影响过流（如图1c所示该段埋在地下），6号地表毛管工作异常，其余毛管工作正常，正常地表毛管的实际过流量是理论流量的0.9～1.2倍。

表1 地下毛管工作压力及流量偏差系数Table 1 Deviation coefficient of flow rate and working pressure in subsurface lateral pipe

表2 地表毛管工作压力及流量偏差系数Table 2 Deviation coefficient of flow rate and working pressure in surface lateral pipe

2.2 地下与地表毛管流量对比

比较地下毛管与地表毛管的流量关系，用地下毛管相对地表毛管的流量变化系数Kq表示

式中Kq为地下毛管相对地表毛管的流量变化系数；q地下为实测地下毛管的流量，L/h；q地表为实测地表毛管的流量，L/h。

计算结果详见表3，分析2、3和4号正常地下毛管的流量变化系数 Kq可知：支管入口压力6.55 m时，Kq在-0.08～-0.01之间，说明地下毛管流量小于地表毛管；支管入口压力1.4～3.8 m时，Kq在0.09～1.03之间，Kq值随压力降低而增大，说明地下毛管流量相对地表毛管流量增加比例变大，支管入口压力1.4 m时，增加比例最大。破损的1、6号地下毛管流量始终大于地表毛管流量，随着支管入口压力降低增加比例加大。过流不畅但未破损的 5号地下毛管流量始终小于地表毛管的流量，随支管入口压力降低，Kq值由-0.44变到-0.15，说明流量减少比例变小。将地下毛管按正常工作（2、3、4号），破损（1、6号）进行分类，支管入口压力由 3.8 m 降到1.4 m时，2、3、4号正常毛管的Kq均值由0.12增加到0.9，随压力降低流量增加比例在变大；1、6号破损毛管的Kq均值由1.44增加到2.66，随压力降低流量增加比例在变大。

表3 地下毛管相对地表毛管的流量变化系数Table 3 Variation coefficient of flow rate of subsurface lateral pipes compared to surface lateral pipes

由流量变化系数Kq的变化规律可知，在支管入口压力由6.55 m降到1.4 m的过程中，正常地下毛管与地表毛管的压力流量关系有个交叉点，用毛管的平均工作压力、灌水器实测平均流量分别拟合地下毛管、地表毛管的压力流量关系，具体详见图2，通过计算求得交叉点处毛管平均工作压力为4.6 m。

2.3 地下与地表毛管工作压力对比

比较地下毛管与地表毛管的首端、尾端和平均工作压力（首、尾端压力均值），用地下毛管相对地表毛管的压力变化系数Kh表示

式中Kh为地下毛管相对地表毛管的压力变化系数；h地下为实测地下毛管的工作压力，m；h地表为实测地表毛管的工作压力，m。

Kh计算值详见表4，支管入口压力在1.4～6.55 m之间时，60个首、尾端计算值中，有56个是Kh＜0，说明地下毛管比相应地表毛管的工作压力低，毛管埋入地下后工作压力发生不同程度的折减，1个是地下毛管比相应地表毛管压力高即Kh＞0，3个相等即Kh=0。

将地下毛管按正常工作（2、3、4号），破损（1、6号），过流不畅（5号）进行分类，与对应的地表毛管比较，统计各工作压力变化区间内出现的概率，具体数值详见表5，相同支管入口压力下，正常地下毛管有90%的概率发生工作压力降低，降低范围在(-10%，0)的概率是70%。

表4 地下毛管相对地表毛管压力变化系数Table 4 Variation coefficient of pressure of subsurface lateral pipes compared to surface lateral pipes

表5 地下毛管工作压力降低概率Table 5 Reduction probability of working pressure in subsurface lateral pipes

2.4 考虑局部水头损失的加大系数对比

用测试毛管的首端、末端压力，毛管长度与铺设坡度计算毛管的实测总水头损失，用实测总水头损失推求考虑局部损失的加大系数[24]。实测毛管的总水头损失计算公式为

式中hi为毛管末端的压力水头，m；H为毛管首端的压力水头，m；ΔH为首端至末端的摩阻损失，m；ΔH′为首端与末端地形高差，m，顺坡为“+”，逆坡为“-”。

毛管沿程水头损失用勃拉休斯（Blasius）公式[24]计算，试验水温为10 ℃，在考虑温度、局部水头损失和多口出流的影响后，考虑局部损失的加大系数K的计算公式为

式中 K为考虑局部损失的加大系数。hf为沿程摩阻损失水头，m；Q为流量，m3/s；D为管道内径，mm；L为管道长度，m。α为温度修正系数，tν为水温为任意温度时的运动黏滞系数，m2/s；20ν为水温为20 ℃时的运动黏滞系数，m2/s；采用勃拉休斯公式计算时，z=0.25。F为多口系数；N为出口数目；m为流量指数；X为进口端至第一个出水口的距离与孔口间距之比，计算时取X=1。

计算 2、3、4号地下毛管、地表毛管考虑局部损失的加大系数K，结果如图3所示。将相同支管入口压力下的K值取平均值，支管入口压力由6.55 m降到1.4 m之间时，地下与地表毛管的K值都是随压力降低而增大，地表毛管的增加幅度大于地下毛管，地表毛管的K平均值由1.32增加到5.94，地下毛管的K平均值由1.37增加到2.18，地表毛管在支管入口压力由1.7 m降到1.4 m时，K均值由2.71增到5.94。

K值减去 1即为毛管局部水头损失占沿程水头损失比值，试验压力下，地下与地表毛管的 K值都大于 1.3即局部水头损失比例大于0.3，该值大于微灌工程技术规范（GB/T 50485-2009）中的建议值0.1～0.2[25]；扩大系数大于《微灌工程技术指南》中建议值 1.05～1.3的上限[24]。地下与地表毛管的K值与上述文献中建议值有较大偏离，并且压力越低偏离越大。

图3 毛管考虑局部损失的加大系数图Fig.3 Diagram of increasing coefficient considering local loss of lateral pipes

2.5 地下毛管与地表毛管均匀度对比

在相同支管入口压力下，用测试毛管的最大、最小工作压力计算试验支管单元内灌水器的水头偏差率与流量偏差率，比较地下和地表两种铺设方式对管网均匀度的影响。目前管网设计只考虑水力学（压力）变化对均匀度的影响，忽略灌水器的制造偏差，堵塞情况与毛管破损的实际影响，所以可以将首端、尾端压力正常的毛管都用于计算，6号地表和地下毛管首端压力偏低没有被选用。计算灌水器的工作水头偏差率

式中 Hv为灌水器工作水头偏差率；hmax为灌水器的最大工作水头，m；hmin为灌水器的最小工作水头，m；ha为灌水器的平均工作水头，m。

用hmax、hmin值与回归分析得到的k、x值（图2所示）代入公式（1）计算各毛管的最大、最小流量，求灌水器的流量偏差率

式中 qv为灌水器的流量偏差率；qmax为相应 hmax时灌水器流量，L/h；qmin为相应hmin时灌水器流量，L/h；qa为灌水器平均流量，L/h。

将地下毛管分为正常毛管（2、3、4号）与正常毛管加破损加过流不畅毛管（1、2、3、4、5号），2种情况分别计算，地表毛管只选正常状态的毛管（1、2、3、4、5号），计算结果见表6。正常地下毛管组成的管网（2、3、4号）均匀度要好于地表毛管（1、2、3、4、5号），压力偏差率比地表毛管低（支管入口压力3.8 m时除外）0.62%～3.44%，流量偏差率比地表毛管低 8.15%～22.4%。

正常地下毛管支管入口压力在1.7～6.55 m之间时，流量偏差率qv＜20%，符合规范要求[25]，支管入口压力在1.4 m时，qv＞20%不符合规范要求。相同支管入口压力下，破损和过流不畅现象导致地下管网的压力偏差率、流量偏差率变大，使地下管网的均匀度降低。支管入口压力在1.4～6.55 m区间内，地表管网的流量偏差率qv＞20%，不符合规范要求[25]，说明常规压力滴灌系统低压下运行会使均匀度降低。

表6 管网压力、流量偏差率Table 6 Deviation ratio of pressure and flow rate in pipe network

3 讨 论

3.1 地下毛管与地表毛管流量对比

毛管平均工作压力小于4.6 m后，相同工作压力下，地下毛管流量大于地表毛管自由出流时流量。然而，已有研究表明相同工作压力下地下灌水器流量比地表灌水器流量有一定比例的减少[14-16,18]，或者是初期略大但1～2 min后减小并趋于恒定[17]。原因是：1）参考文献中试验是将灌水器埋入土槽或桶中，与埋入大田相比，土壤水分运动空间较小，并且常压下灌水器流量很快、大于土壤扩散能力，灌水器出口处于淹没出流状态，使灌水器流量小于自由出流时流量；2）土壤水力特性的差异影响灌水器与周围土壤之间的相互作用，本试验土壤透水性较强，试验时土壤含水率较低，土壤负压与毛管内正压共同驱动灌水器出流，导致流量增大。

地下毛管工作压力小于4.6 m时，土壤较干燥，与负压或无压灌溉原理相同[26-27]，试验土壤基质势较小吸力较大，土壤基质势产生的吸力与毛管中的工作压力共同作用于滴头，使滴头流量大于地表毛管流量。此时，地下毛管灌水器的平均流量计算公式为q地下=k（h压+h吸）x（12）式中q地下为地下毛管灌水器的平均流量，L/h；h压为毛管内工作压力平均值，m；h吸为土壤基质势产生吸力平均值，m；k为流量系数；x为流态指数。

经计算作用在地下毛管上的土壤基质势产生的吸力均值如表 7所示。试验中，基质势产生吸力能够使滴头出流量增加，基质势吸力均值在0.55～1.64 m之间，随工作压力降低而增大，基质势与毛管中工作压力的比值在0.17～1.73之间。

表7 地下毛管土壤基质势Table 7 Soil matrix potential around subsurface lateral pipes

地下毛管与地表毛管流量相对趋势的成因是：试验初始土壤含水率较低，土壤基质对水的吸持作用较强，在土壤吸力和毛管内压力共同作用下，地下毛管流量明显高于相同支管入口压力下的地表毛管；随着滴头累计出流量的增加，出水口周围土壤含水率增大，土壤基质势增大，土壤吸力减小直到消失，地下毛管流量等于地表毛管流量；当滴头周围土壤含水率继续增大，滴头处于淹没出流，出水口周围变为正压，此时滴头出流的驱动力是毛管内工作压力减去出水口处压力，地下毛管流量小于地表毛管流量。

3.2 地下毛管与地表毛管平均工作压力对比

当支管入口压力相同时，相同位置地下毛管的工作压力要比地表毛管低，因为水流经过地下毛管要消耗更多的能量。灌溉时水泵工况、过滤器与施肥器水头损失和滴头出流状态都是变化的，这些变化使毛管内的工作压力总是在一定的范围内波动，并非固定不变[28]。毛管埋深一定时，受到的外部土壤压力一定，波动的内压在抵抗管壁四周土壤压力时会使管壁发生位移做功而消耗能量。地下毛管受土壤挤压后，与地表毛管相比，流线较曲折且断面形状变化增多，使局部水头损失增大，导致地下毛管总水头损失增加。地表毛管在空气中不受土壤挤压，不需要做功抵抗土壤压力，与地下毛管相比流线更加平直且断面形状变化很小，局部水头损失比地下毛管小。土壤挤压使水流经过地下毛管时消耗了更多的机械能，与地表毛管相比工作压力有所降低。

3.3 考虑局部水头损失的加大系数对比

支管入口压力在1.4～6.55 m范围内，地表毛管的局部水头损失所占沿程水头损失的比值随压力降低而增大，这与文献[29]中结论二者比值并非常数的结论一致，与目前规范建议值有较大偏差。原因主要有：1）规范建议值是在常规压力下（10 m）地表滴灌设计中使用，低压和地下滴灌条件下不适用；2）毛管局部水头损失实质是由滴头接入处过流断面的收缩引起的，主要与毛管长度、内径以及滴头的类型、规格和间距有关，不同种类毛管的这些参数均有可能不同，所以局部水头损失也会有差异[30]；3）毛管是沿程多口出流管道，沿程水头损失计算是用有压管道沿程摩阻损失乘以多口系数进行修正，应用中已证实勃拉休斯公式计算沿程水头损失具有足够的精度，但孔口系数的推导前提是沿程流量逐渐减小至末端流量等于零，是指树状管网形式，对于末端有泄流的环状管网形式是否适用还需证实。

由公式（7）可知，沿程水头损失与流量的1.75次乘方成正比，当支管入口压力在1.4～3.8 m时，土壤基质势对水的吸持作用使地下毛管流量大于地表毛管，流量增大使得计算的沿程水头损失偏大，将沿程损失带入公式（6）计算后，导致地下毛管考虑局部水头损失的加大系数比地表毛管小，随压力降低，土壤基质势吸力产生流量比重增加，地下毛管与地表毛管的加大系数差别增大。

3.4 地下毛管与地表毛管均匀度对比

灌水均匀度是指灌水器出流量的差异，灌水器流量与工作压力的变化、制造偏差、堵塞情况、出流状况，水温与微地形变化等因素有关[24]，本试验中主要是工作压力变化导致管网均匀度的变化。图3中的K值减去1为局部水头损失比例，如图 3所示地表毛管加大系数曲线的斜率随压力降低而增大，即局部水头损失比例是加速增加，导致压力偏差率与流量偏差率加速增加，因此，地表管网均匀度随工作压力降低而降低。

灌水器流量与对工作水头的敏感程度有关[1]，灌水器在不同工作压力区间内流态指数不同，即流量对压力的敏感程度不同。对本试验灌水器自由出流时，在试验压力区间和常规压力区间内分别进行压力与流量关系分析，计算公式（1）中的流态指数x，压力在7～12 m内x=0.445 5＜0.5（R2=0.984 6），具有压力补偿功能，流量受压力影响较弱；压力在 1.3～7 m 内 x=0.842＞0.5（R2=0.918 7），不具有压力补偿功能，灌水器流量受压力影响较大，导致管网均匀度下降。

低压地下管网的均匀度除受以上2个因素的影响外，还受到灌水器出流状态的影响，出流状态是由出流能力与周围土壤水分扩散能力之间的相对关系决定的[31]。本试验中地下与地表毛管压力偏差率相差较小，流量偏差率相差较大，主要是土壤基质势（吸力）作用随毛管工作压力降低而增大，降低了地下灌水器流量对毛管内工作压力的敏感程度，提高了地下滴灌管网的均匀性。灌水器发生淹没出流时，对毛管水力性能及管网均匀性的影响还有待进一步研究。

4 结 论

在常规大田地下滴灌系统中，支管入口压力在1.4～6.55 m范围内，对地下与地表毛管的水力性能与管网均匀度进行对比试验，可以得出以下结论：

1）同一支管中，可以比较毛管间的工作压力和实测流量相对理论流量的偏差情况来判断毛管工作是否正常。地下毛管在破损时流量是理论流量的 2.4～6.2倍；过流不畅时流量是理论流量的 0.5～0.9倍。正常地表毛管的流量是理论流量的0.9～1.2倍。

2）相同工作压力下，管内工作压力与土壤基质势共同驱动滴头出流时，地下毛管流量大于地表毛管流量，流量变化系数在0.12～0.9之间并且随压力降低而增大。

3）相同支管入口压力下，90%正常地下毛管的工作压力要小于地表毛管，压力变化系数在(-10%，0）的概率是 70%。工作压力降低的原因是水流经过地下毛管时抵抗土壤压力做功以及局部水头损失增加导致总机械能减少。

4）用总水头损失、勃拉休斯公式及多口系数推求毛管考虑局部水头损失的加大系数，地表毛管均值在1.32～5.94之间，地下毛管均值在 1.37～2.18之间，并随压力降低而增大，加大系数比现有资料建议值都大。土壤基质势作用使地下毛管流量增大，使得地下毛管的加大系数比地表毛管小。

5）试验压力范围内地表管网的灌水均匀度随压力降低而降低，并且不符合规范要求。土壤基质势的作用提高了地下管网的均匀度，压力偏差率比地表管网低0.62%～3.44%，流量偏差率比地表管网低 8.15%～22.4%。支管入口压力在1.7～6.55 m时，地下管网均匀度符合规范要求。

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