坡地滴灌滴孔出水量均匀度模拟与试验研究

王美玉，郑 鑫，梁 超，扶 恒，王 侃，王凤吉，衣淑娟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

坡地滴灌滴孔出水量均匀度模拟与试验研究

王美玉，郑 鑫，梁 超，扶 恒，王 侃，王凤吉，衣淑娟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

滴灌系统滴孔出水量均匀度是影响作物产量的重要因素。为确定滴灌系统各参数及地表坡度对滴孔出水量均匀度的影响，在理论分析的基础上，采用Visual Basic 6.0编制了滴孔出水量均匀度计算程序，设计了坡度为3% 的支滴灌系统。在恒定水压下，进行滴孔出水量均匀度试验，验证程序的正确性。结果表明：所编制的程序能够很好地模拟坡地滴灌滴孔出水量均匀度，为丘陵漫岗地区滴灌系统设计提供了基础素材。

滴灌；出水量；均匀度；坡地

0 引言

当前，世界水资源日趋紧张，采用节水灌溉模式已成为农田灌溉技术的总趋势。滴灌是目前各种灌水方法中用水量最节省、灌水效率最高的一种，因此受到各国的重视[1]。

滴灌系统广泛用于各种树木(果树、乔木等)、棉花、蔬菜、葡萄、花卉、保护地和温室作物等[2]。国内众多学者对滴灌条件下的植物生长及土壤、盐分等研究较为深入[3-8]。滴灌系统设计的主要依据是《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)、新疆的《大田膜下嘀灌工程规划设计规范》(DB 65/T 3055-2010)、《灌溉用塑料管材和管件基本参数及技术条件》(GB/T 23241-2009)及水利部农村水利司编写的《节水灌溉工程实用手册》。文献[9]给出了具体的滴灌工程设计图集，文献[10]～[13]给出了过滤器的使用方法及具体的设计参数。

衡量滴灌系统的一个重要指标是滴灌系统滴孔出水量均匀度。在平原地带可以不用考虑滴灌系统滴孔出水量均匀度，但在丘陵漫岗地区滴灌系统滴孔出水量不均匀已成为制约滴灌模式发展的重要因素。1995年，陈渠昌[14]就对微灌工程设计灌水均匀度的选定进行研究。2003年，谭明[15]对滴灌系统设计灌水均匀度问题进行分析，其研究影响因素为设备材料特性与制造精度。2008年，王建众[16]通过试验研究微灌毛管灌水均匀度进行分析。2010年，陈佰鸿[17]对不同类型滴灌带灌水均匀度的田间测试进行分析，但只关注于管带压力对均匀度的影响，并没有对其他参数做进一步分析。2014年，罗春燕[18]研究了滴灌灌水均匀度影响因素及计算方法，主要侧重水力偏差及堵塞率研究。这些研究奠定了滴灌系统滴孔出水量均匀度的研究基础，但针对丘陵漫岗地区滴灌系统的出水量均匀度研究没有实质性的成果。

基于以上考虑，本文将结合理论基础分析，形成滴灌系统滴孔出水量计算程序，并设计不同坡度的支滴灌系统，使其处于恒定水压下，进行滴孔出水量观测，进而求出均匀度。同时，利用试验结果验证程序的正确性，为将来通过程序优化系统参数，大幅提高滴孔出水量均匀度提供基础素材。

1 计算原理及公式

针对目前广泛应用的固定地表式滴灌系统，选用目前常用的潜水泵供水方式，依据干管、支管、毛管依次布置的原则，设计了丘陵漫岗地区常用的旱作物滴灌系统；在查阅相关文献的基础上，给出依据不同设计方案的主干管进口工作水头、滴灌管进口工作水头，以及顺、逆坡各滴孔出水量和灌水均匀度的计算公式[19-20]。

1.1 主干管的进口工作水头计算

根据潜水泵水泵扬程与水泵水头损失求主干管的进口工作水头，即

H0主干=H泵-h1-h2-h3

(1)

式中H0主干—主干管进口工作水头(m)；

H泵—潜水泵扬程(m)；

h1—泵管水头损失(m)；

h2—动水位到地面高程差(m)；

h3—首部水头损失(m)。

1.2 支管进口工作水头计算

支管进口工作水头与滴灌系统坡度及主干管、分干管水头损失等参数直接相关，其计算公式为

H0支=H0主干-ΔH主干-ΔH分干+JL分干

(2)

式中H0支—支管进口工作水头(m)；

ΔH主干—主干管水头损失(m)；

ΔH分干—分干管水头损失(m)；

J—坡度(当潜水泵在坡上时为负值，反之为正值)；

L分干—分干管长度(m)。

1.3 滴灌带进口工作水头计算

滴灌带进口工作水头与支管进口工作水头及滴灌系统材料选择及布设方案关系密切，其具体计算公式为

(3)

式中H毛—滴灌带进口工作水头(m)；

S毛—滴灌孔间距(m)；

S支—滴管带间距(m)；

D毛—滴灌带内径(mm)；

D支—支管内径(mm)；

n4—每个支管运行的滴灌带数；

Q—支管供水量(L/h)；

H0支—支管进口工作水头(m)；

K—局部水头加大系数；

f—与管材有关系数。

1.4 滴头最大工作水头计算

距离滴灌带进口最近滴头的工作水头最大，在计算其他滴头的工作水头之前，必须首先确定这一滴头的工作水头。滴头最大工作水头主要取决于滴灌带进口工作水头，此外还与滴灌带材料及滴头布设方案关系密切，其具体计算公式为

(4)

式中h—滴头最大工作水头(m)。

1.5 顺、逆坡各滴孔出水量计算

以滴头最大工作水头为基准，可以依次递推出顺、逆坡各滴孔工作水头，进而求出顺、逆坡各滴孔出水量。各滴孔出水量主要取决于滴头最大工作水头，此外还与滴灌带材料及滴头布设方案关系密切，其具体计算公式如式(5)～式(10)所示。

(5)

(6)

Qi=Qi+1-qi

(7)

(8)

(9)

hi=hi+1-ΔHi

(10)

式中qi—滴孔出水量(L/h)；

k—滴孔流量系数；

X—滴孔流态指数；

Qi—滴灌带各管段流量(L/h)；

hi—各滴孔处压力水头(m)；

ΔHi—相邻滴孔压力差(m)。

1.6 滴孔出水量均匀度计算

滴灌的滴孔出水量均匀度一般以克里斯琴森(Christiansen)均匀度系数(Cu)[1]表示，其计算公式如式(11)、式(12)所示。

(11)

(12)

式中Cu—滴孔出水量均匀系数；

qi—各滴孔出水量(L/h)；

n—滴孔数目。

2 程序编制

通过理论公式可以计算出丘陵漫岗地区滴灌系统滴孔的出水流量，运用Visual Basic 6.0编制了滴孔出水量计算程序，可以计算出每个小孔出水流量，进而可以求出滴灌系统滴孔出水量均匀度系数。程序界面如图1所示。界面1中有影响小孔流量的滴灌系统各个设计参数输入窗口；界面2中主要有与支管、毛管材料相关的输入参数和与坡度相关的输入参数，通过输入参数组合可以计算出该参数组合下各小孔流量和均匀度系数，计算得到的各小孔出水量计算结果体现在界面2右侧的两个空白框中。根据各小孔出水量计算结果计算得到的有关其均匀度的统计参数结果体现在左下侧的相应位置。

图1 程序界面

3 坡地滴灌系统小孔出水量模型试验

为验证本文编制程序的正确性，进一步探讨坡地滴灌系统小孔出水量的分布规律，在搭建试验台的基础上，设置不同的毛管坡度，在保持恒定水压的前提下对小孔出水量进行实际测量，积累第一手资料与素材。试验在八一农大农学院试验田进行，模拟旱稻播种的垄距及播深，试验结果具有一定的代表性。

3.1 试验材料

为方便运输及现场安装，共制作4块试验台承重骨架，每块由2根5.0m长、50×5的角钢及若干0.6m长扁钢焊接形成5.0m×0.6m的宽钢架。整个试验台由4个宽钢架纵向拼接而成，长度20m，宽度0.6m。组合宽钢架试验台铺装12mm厚木板与钢架形成0.6m×0.04m槽，槽内填土并布设侧翼迷宫式滴灌带，形成整体试验系统，如图2所示。整体试验系统利用千斤顶实现试验台坡度可调节，利用水准仪控制试验台坡度调节精度。为尽量减小由于有坡度产生的滴孔出水量不均匀，本方案采用工程中常用的非均匀布管方式，其顺坡方向毛管长度为14m，逆坡方向毛管长度为6m。系统水源采用市政给水管网，利用阀门与水压表调节水压，整体布管方案如图3所示。

图2 试验台设计方案

图3 布管方案

整个试验系统用到的其他试验仪器及耗材还有水压表、塔尺、塑料量筒、集水瓶、米尺、直通接头及三通接头等。

为了还原丘陵漫岗地带滴灌系统实际布置情况，模拟不同坡度下，毛管各滴孔单位时间实际出水量，设计了1%、2%、3% 坡度的试验台滴灌系统，图4展示了试验现场的情况。通水调压后，利用图5所示的方式收集测量各滴孔单位时间实际出水量，并据此分析数据，将实际测量出水量与软件计算结果对比，验证软件的正确性和可行性。

图4 试验现场

图5 集水方式

3.2 试验步骤

1)铺设垫块、试验台，通过水准仪观测结果调节垫块以局部调节试验台坡度，保证试验的精确性及严谨性；

2)按照图3所示布管方式布置管路，调节各部分至系统稳定，记录水压表示数；

3)收集小孔单位时间出水量，记录数据，分析出水量均匀度；

4)根据试验需要的坡度，人为利用千斤顶及垫块修改坡度，观测水准仪确定试验台坡度，达到试验所需要求；

5)多次修改试验台坡度，重复上述试验步骤，避免试验偶然性；

6)分析试验数据，并与软件计算结果进行对比，验证软件的正确性和可行性。

4 程序验证

本文设计了1%、2%、3%等3个坡度的试验台滴灌系统滴孔出水量均匀度试验，取得了第一手试验数据。为反映坡度对滴孔出水量均匀度的影响，此处列出试验采用的最大坡度(3%坡度)顺坡和逆坡的两根管滴孔出水量的实测值与程序的计算值，并进行对比分析。其中，顺坡方向毛管长度为14m，每根毛管共计46个滴孔，顺坡情况程序计算值与实测值对比结果如图6所示；逆坡方向毛管长度为6m，每根毛管共计19个滴孔，逆坡情况程序计算值与实测值对比结果如图7所示。由图6～图7可知：实测结果的实测值在计算值附近上下波动，且波动范围很小。经测算，顺坡情况下计算的最大相对误差为7.1%，逆坡情况下计算的最大相对误差为4.8%，除去试验误差的因素，试验得到的实测值与程序计算的计算值基本相符，从而验证了本文算法和所编制程序的正确性。

图6 3%顺坡情况下程序计算值与实测值比较

5 结论

在理论分析的基础上，采用Visual Basic 6.0编制了滴孔出水量均匀度计算程序，设计了坡度为1%、2%、3% 的支滴灌系统；在恒定水压下，进行了滴孔出水量均匀度试验，取得了实测的具体坡度情况下滴灌系统毛管滴孔出水量数据。利用坡度为3%情况下的实测结果与程序计算结果比较，验证了程序的正确性。对比分析结果表明：本文编制的程序能够比较准确模拟坡地滴灌滴孔出水量及其出水量均匀度。

在此基础上，可以采用已有的优化方法，以滴灌系统滴孔出水量均匀度最大为目标，通过本文编制的程序优化给定坡度坡地滴灌系统的设计参数及材料性能参数，优化结果必定能大幅提高滴孔出水量均匀度，为解决丘陵漫岗地区滴灌系统灌溉不均匀的问题提供设计依据。

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Simulation and Experimental Study on Water Content Uniformity of Drip Irrigation System on Slope

Wang Meiyu, Zheng Xin, Liang Chao, Fu Heng, Wang Kan, Wang Fengji, Yi Shujuan

(College of Engineering, Heilojiang Bayi Agricultural Univerisity, Daqing 163319, China)

Water content uniformity of drip irrigation system is a very important factor affecting crop yield. In order to study the influence of the parameters of drip irrigation system and slope on water content uniformity, on the basis of theoretical analysis，the calculation program for water content uniformity was compiled by using Visual Basic. The branch drip irrigation system with slope of 3% was designed. Under the constant water pressure, the drip irrigation was test for water content uniformity, and the calculation program was verified by the test. It shows in the test that this calculation program can simulate the water content uniformity of the drip irrigation system on slope, which provides basis for design of drip irrigation system in hill field.

drip irrigation; water content; uniformity; slop

2017-02-19

国家级大学生创新创业训练计划项目(201610223006)；黑龙江八一农垦大学学成、引进人才科研启动计划项目(XDB2013-44)

王美玉(1996-),女，黑龙江绥化人，本科学生，(E-mail)577531142@qq.com。

郑 鑫(1974-)，男，黑龙江汤原人，教授，博士，(E-mail)zhxin@aliyun.com。

S275.6

A

1003-188X(2018)02-0165-05