不同滴头流量、管径和压力对滴灌均匀度的影响

林子秋，刘东昀，白铭熙，李富昌，余柚朴，邓兰生，徐焕彬

(1.华南农业大学农学院，广州 510642；2.华南农业大学资源环境学院，广州 510642； 3.广州一翔农业技术有限公司，广州 510520)

滴灌是一种局部灌溉方式，具有显著的节水、节肥、节工、高效等特点和优点，配合地膜覆盖和大棚等设施效果更佳[1-3]。随着生产发展和对技术的普及推广，滴灌技术越来越被广大种植业者所认识和应用，灌水均匀度的问题也就被更多的用户所重视。前人对于影响灌溉均匀度的因素做了许多研究，如进水口压力、灌水器制造偏差、田间微地形、滴灌管铺设长度、滴头工作压力和滴头流量等[4-8]。席奇亮等对两种滴灌带的铺设长度、压力及两者相互影响研究表明，内嵌式滴灌带的灌水均匀度较薄壁式滴灌带表现更好，且更适合较长距离铺设使用；在系统规划设计时，两种滴灌带均有其合适的工作压力范围[9]。滴灌均匀度直接影响着滴灌技术优势的发挥，在水肥耦合条件下，灌溉均匀度还会直接影响到施肥的均匀性，进而影响作物生长、产量和品质。本试验在此基础上，研究不同滴头流量、管径大小和压力这3个因素及其交互作用对滴灌均匀度的影响，寻求各条件下获得较高均匀度的组合，以期为滴灌系统的合理规划设计与推广应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年10-12月在华南农业大学校内试验基地进行。

供试材料包括：3种不同管径大小的PE管，规格分别为φ16 mm、φ20 mm、φ25 mm；3种不同流量的压力补偿式滴头，流量分别为1.2、2.0、4.0 L/h；水泵(额定流量3.5 m3/h，额定扬程28 m，额定功率1 100 W)，主要为系统提供压力。为保障试验顺利进行，在系统首部安装时加装回流调压装置。此外，还有满足试验所需的过滤器、压力表、量筒、量杯、计时器等。

1.2 试验设计与实施

试验按照滴头流量、管径大小、压力的不同设置不同处理组合(见表1)。其中，管径大小(简称A)有：φ16 mm(A1)、φ20 mm(A2)、φ25 mm(A3)；滴头流量(简称B)有：1.2 L/h(B1)、2.0 L/h(B2)、4.0 L/h(B3)；水泵能提供给系统的压力值(简称C)有：0.05 MPa(C1)、0.10 MPa(C2)、0.15 MPa(C3)、0.20 MPa(C4)、0.25 MPa(C5)、0.30 MPa(C6)、0.35 MPa(C7)、0.40 MPa(C8)，共形成72个组合。

试验中滴灌用PE管按直线方向摆放，根据李文[5]等的研究设计每条滴灌管长度100 m，安装滴头间距为50 cm，共200个滴头。为保证试验结果的可靠性，在200个滴头中系统抽样测量20个滴头，并测量记录其出流量，取平均值，用作最后的均匀度计算。根据试验量测结果计算出各个处理或组合的均匀度。根据滴灌均匀度的采用公式(克里斯琴森公式[10])来看，计算均匀度的数据与时间无关，所以试验过程中，为了方便测量和高效率利用时间，每个滴头出水量的测量时间设定为200 s。

1.3 数据处理

灌水均匀度是衡量灌溉技术的重要标准[11]，灌水均匀度用灌水均匀系数来体现。计算灌水均匀系数公式为克里斯琴森公式[10]。

(1)

本试验使用Excel进行数据整理，采用SAS软件进行显著性分析(p=0.05)。

2 结果及分析

2.1 不同压力对管径大小和滴头流量组合滴灌均匀度的影响

各个组合内流量因压力变化而受的影响程度有所差异。随着滴头流量的增大，各组合内的流量变化程度受压力影响越大。图1显示，前3个组合A1+B1、A2+B1、A3+B1中，只有两个组合内有显著性差异，并且组合内有显著性差异的压力处理较少；中间3个组合A1+B2、A2+B2、A3+B2中，有显著性差异的压力处理较多；最后3个组合A1+B3、A2+B3、A3+B3中，各个组合内受压力影响的流量差异最大。把前中后每3组分成1个大组，可以看出，前中后3个大组中，只有滴头流量大小不同，由此得出在滴灌过程中，滴头流量越大，其流量变化程度受压力影响越大。

图1 压力变化对各个处理组合下流量变化的影响的显著性分析

另外，随着管径增大，流量因压力的变化而受的影响有减小的趋势。在前1个大组中，A1+B1组合中其他压力处理的结果显著低于C8压力处理，A2+B1中有一个压力处理的结果显著低于C8压力处理，直到A3+B1中的各处理间都没有显著差异；在中间1大组中，其趋势和前一大组的趋势类似；在后1大组中，没有符合前面推断的趋势，可能是滴头流量大小是流量受压力影响程度的决定因素，而管径大小是次要因数。所以，在最后1大组中，管径大小对缓解压力影响的作用很小，不足以影响滴头流量的作用，可以忽略，导致A3+B3组合的滴灌均匀性比A1+B3和A2+B3组合处理差异显著。

2.2 不同管径大小或滴头流量对滴灌均匀度的影响

不同管径大小或滴头流量大小对滴灌均匀度影响不大。如表1所示，在单独考虑管径大小对滴灌均匀度的影响时，3种管径大小对滴灌均匀度的影响差异不显著，即可以认为3种管径大小对于本试验的滴灌均匀度没有影响；在单独考虑滴头流量对均匀度的影响时，单位时间流量最小的B1滴头的滴灌均匀度显著低于其他两种滴头，而 B3和B2两种流量滴头对滴灌均匀度的影响差异不显著。可能的原因是本试验所用滴头为压力补偿式滴头，在其压力补偿范围内，对于各处理导致的压力变化有一定的调节能力，所以单因素的变化对滴灌均匀度影响不大[12]。

表1 不同管径大小或滴头流量对滴灌均匀度影响的显著性分析

2.3 不同管径大小和压力或滴头流量大小和压力组合对滴灌均匀度的影响

表2给出了A+C或B+C组合间的显著性分析。经检验，可以知道本试验设计的3个因素中，每两因素间存在互作效应，且效应显著。从检验结果看：A+C组合对均滴灌匀度的影响不大，只出现了两个差异等级，只有A1+C2的均匀度是0.953 9，显著低于其他组合；B+C组合对滴灌均匀度的影响比较大，出现3个差异等级，最好的3个组合B3+C5、B3+C4和B3+C6显著优于B1+C7和B1+C2组合，出现一种B3的组合均匀度一般比B1的组合均匀度高的趋势。如本文2.1的结果，流量滴头是影响滴灌均匀度的决定因素，主导着滴灌均匀度的高低。试验结果表明，在A+C组合中，最好使用A3+C6，不推荐使用A2+C8、A1+C3、A2+C7和A1+C2组合。在B+C组合中，最好使用B3+C5、C3+C4和B3+C6组合, 不推荐使用B1+C2组合。

表2 不同A+C组合或B+C组合对滴灌均匀度影响的显著性分析

2.4 不同管径大小和滴头流量组合对滴灌均匀度的影响

如图2所示，滴灌均匀度最优的组合是A3+B3组合，其滴灌均匀度显著高于A1+B1、A2+B1和A3+B1这3个组合的均匀度。滴灌均匀度高于0.980 0的有5个组合，在这5个组合中发现A1、A2和A3的最优搭配都是B3和B2，有B1的组合滴灌均匀度都显著显著低于其他组合处理。在不考虑成本和压力的情况下，使用A3+B3组合能获得最高的均匀度，滴灌效果最佳。

图2 滴头流量和管径组合对滴灌均匀度影响的显著性分析

2.5 不同滴头流量、管径大小和压力组合对滴灌均匀度的影响分析

本试验中，各单个因素处理结果差异不大；考虑双因素或三因素的情况下，不同水平间的处理结果会有所差异。图3给出了A+B组合在C2～C8压力值间的滴灌均匀度变化，从图3可以看出在各个压力情况下滴灌均匀度最稳定且最高的A+B组合为A3+B3和A2+B3组合；随压力变化最大的组合为A1+B3，在压力值C6出现最高滴灌均匀度为0.993 4，在压力值C2出现最低滴灌均匀度为0.918 3，为本试验条件下最不稳定的组合。

图3 压力对各组合条件下滴灌均匀度的影响

3 讨 论

本试验在不考虑其他因素的情况下，寻找最优滴灌均匀度的管径大小、滴头流量和压力组合，以期为滴灌系统的合理规划设计与推广应用提供理论参考。

试验过程中，发现压力在0.05 MPa时，A1+B2、A1+B3和A2+B3这3种滴头管径与流量组合所表现出来的滴灌均匀度会变得异常的低，均匀度只有0.5左右，与张天举等人的研究结果存在较大差异[8]。试验过程中，压力在0.05 MPa时，100 m长的滴灌管中，靠近末端的滴头没有水滴出来，可能是末端压力不足所致。当水泵提供的压力大于0.30 MPa时，8个管径与滴头流量组合中，大部分处理的均匀度会随着压力的增大而下降，但仍然维持在较高的均匀度。

滴灌均匀度主要受滴头流量影响，滴头流量的精度又主要受滴头制造偏差影响[13]，本试验未考虑滴头制造偏差等因素对滴灌均匀度的影响。考虑到实际应用中滴头间距一般在40～50 cm左右，本试验设计的滴头间距为50 cm。试验设计的压力梯度为0.05 MPa，与白雨薇等人[6]试验相比，压力范围较大，梯度设计较大，也没有考虑高压情况下的经济成本，可能会对研究结果产生一定影响，有待进一步研究。

4 结 语

(1)在考虑管径大小或滴头流量或压力变化的单因素情况下，因为滴头为压力补偿式滴头，管径大小对滴灌均匀度的影响差异不显著；滴头流量B2和B3的滴灌均匀度显著高于B1处理，不建议使用B1。滴头流量越大，流量变化幅度受压力影响越大，管径的增大对流量变化幅度有减缓作用。

(2)在考虑管径大小、滴头流量或压力变化的任意两因素情况下，使用A3+B3组合能在A+B组合系列中获得最高的均匀度，滴灌效果最佳，不建议应用有B1的组合；在A+C组合中，最好使用A3+C6组合，不推荐使用A2+C8、A1+C3、A2+C7和A1+C2组合；在B+C组合中，最好使用B3+C5、C3+C4和B3+C6组合, 不推荐使用B1+C2组合。

(3)在考虑管径大小、滴头流量和压力变化的三因素情况下，各个压力情况下滴灌均匀度最稳定的A+B组合为A3+B3和A2+B3组合。三因素组合的均匀度最高是A1+B3+C6，该组合是本试验所有处理的最优组合。