滴灌带在低压模式下水力性能变异特征研究

赵青青，冯俊杰，黄修桥，韩启彪，邓 忠

(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，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院研究生院，北京100081)

滴灌灌水器如同滴灌系统的“心脏”，也是灌溉系统中用量最多、投资稍大的组成部分，其额定工作压力、滴头流量和出流偏差率等性能指标直接影响着整个滴灌系统的灌水均匀性、灌溉质量、运行成本和单位投资等技术应用水平和用户的实际接受能力。滴头设计水头采用习惯取值，常使滴灌系统对地形的适应能力过高，造成投资和运行费用的浪费[1,2]。目前，可适当降低滴灌系统运行压力来减少滴灌系统中能源的浪费以及设备的闲置问题，同时又能够满足灌溉要求[3]。

不少学者对低压模式下滴头水力性能进行了相关研究。顾涛等[4]提出了低压(4～8 m)、小流量的滴灌灌水技术，具有工作压力小、运行能耗低、工程投资少、灌溉均匀度好的特点。仵峰等[5]对内镶式、微管和补偿式在低压条件(<10 m)下自由出流的试验结果表明，内镶式滴头在运行中实际流量与计算值偏差较小、流量与压力呈正相关关系；较低的工作压力时，升、降压过程对内镶式滴头的流量影响较大，升压过程的流量大于对应的降压过程。梁华锋等[6]研究表明，低压条件下需考虑流量偏差对滴头流量的影响。马晓鹏[7]等对国产常见的常压滴灌系统内镶片式滴灌带进行了研究，结果表明，低压条件下滴灌带铺设长度较短时，制造偏差Cv是影响滴灌带均匀系数的主要原因，而随着滴灌带长度的增大，流量则成为主要影响均匀度的因素；在低压条件下滴灌带铺设长度较长时，滴灌带的Cv对灌水均匀系数存在显著影响。李云开[8]等对迷宫式流道滴头水力性能的研究表明，制造偏差属于滴头本身的特性，不随进口压力的变化而改变，采用该系数完全可以反映滴头特性。杜少卿[9]等研究表明，迷宫式灌水器低压条件下运行对其流量系数和流态指数均具有一定影响。席奇亮[10]等研究表明，内镶式滴灌带的灌水均匀度优于薄壁式滴灌带，且适合较长距离铺设使用，铺设长度为60～110 m时，进水压力为90～200 kPa时，内镶式滴灌带均匀度达到95%以上。李岚斌[11]等对不同滴灌带类型的滴头水力性能指标的研究表明，内镶式滴灌带在整个压力区间流态指数稳定，流量偏差系数较小，均匀度较高。Ozekici[12]等研究表明，内镶式滴灌带滴头由于其制造工艺简单，制造偏差系数较压力补偿式滴头小，流量稳定。

随着我国节能社会的建设，滴灌技术也逐步朝着投资少、运行成本低和管理方便、性能可靠等新型节能式滴灌技术的方向发展，研究低压模式下滴灌系统中滴头的出流特性及水力特性将有利于进一步降低滴灌系统的运行能耗并提高灌水质量。为此，本研究以常规内镶贴片式滴灌带为研究对象，分别对不同供水压力模式下灌水器的流量偏差系数Cv、流态指数x等水力性能指标进行研究，对比分析其压力～流量关系的差异特征，为寻找低压模式的滴头最优水力性能、进一步降低滴灌系统能耗、提高灌水质量和普及滴灌技术应用水平等提供技术参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

试验于2017年9-11月在中国农业科学院农田灌溉研究所节水灌溉技术中心进行。选取国内不同生产厂家的4种内镶贴片式滴灌带产品进行试验，内镶贴片式滴灌带相关技术参数见表1。

表1 滴灌带规格

滴头流量与压力的水力性能测试试验装置按照农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法(GB/T17187-2009)进行[13]。试验相关测量仪器还包括250 mL量筒、精密压力表和秒表。水源为自来水，水温20 ℃，水箱内置水泵和过滤器等。试验时进水口压力由调节精密压力表来控制。4种滴灌带铺设长度一致，铺设坡度为0°。试验示意图如图1所示。

1-试验台；2-水箱；3-水泵；4-网状过滤器；5-阀门；6-水表；7-控制阀；8-压力表；9-集水容器；10-测试滴头；11-滴灌带；12-堵头图1 水力性能试验装置示意图

1.2 试验设计

每种滴灌带分别测试低压模式(10～60 kPa)和常压模式(100～160 kPa)的流量，共计13个压力点。自滴灌带首端开始每隔0.6 m设固定灌水器样品流量收集点，测试时间为5 min，在测试时间完成后用量筒测水量并记录，每组试验重复3次，取平均值计算流量。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 滴灌带灌水器流量偏差系数Cv

由于制造工艺和材料收缩变形等因素的影响，滴灌带不可避免会产生制造偏差。流量均匀性采用滴灌灌水器均匀系数(流量偏差系数)Cv来衡量，采用以下公式计算：

(1)

(2)

(3)

1.3.2 灌水器压力与流量关系

在一定压力范围内，灌水器压力与流量关系可用下式进行描述：

q=kHx

(4)

式中：q为灌水器流量，L/h；H为工作压力，m；k为灌水器流量系数；x为灌水器流态指数。

流态指数x反映了灌水器的流量对压力变化的敏感程度，当滴头内水流为全层流时，流态指数x=1，即流量与工作水头成正比；当滴头内水流为全紊流时，流态指数x=0.5；全压力补偿器的流态指数x=0时，即出水流量不受压力变化的影响。其他各种形式的灌水器的流态指数在0～1.0之间变化。

2 结果与分析

2.1 不同类型滴灌带平均流量与压力的关系

根据农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法(GB/T17187-2009)[13]，分别在压力10～60 kPa(低压)和100～160 kPa(常压)范围内对上述4种规格内镶贴片式滴灌带进行了压力～流量关系拟合，得到各滴灌带的平均流量与压力的对应关系，如表2所示。

表2 4种滴灌带在不同压力范围流量与压力拟合关系式表

由表2可知，对4种规格滴灌带的平均流量和压力在低压(10～60 kPa)和常压(100～160 kPa)范围内分别采用幂函数进行拟合，拟合曲线与试验数据具有良好的相关性，相关系数达0.99以上。由表2还可知，低压模式的流态指数较常压模式有增大的趋势，在低压(10～60 kPa)条件下，A、C的流态指数随压力变化明显，与常压(100～160 kPa)下的流态指数相比，分别增大9.03%、17.70%，说明滴灌带A、C型在低压模式下的流量对压力的变化较敏感，滴头流量不稳定；对比B发现：其低压下的流态指数较常压仅增大了0.41%，说明B在低压和常压模式下运行时，滴头流量比较稳定，具有一定的补偿功能，而D的流态指数与常压下相比反而减小了13.48%，说明在低压模式下该滴灌带的流量对压力的变化较不敏感，滴头流量稳定。

表3为4种规格滴灌带在低压(10～60 kPa)与常压(100～160 kPa)下的压力与流量拟合关系式，由表3可知，A～D滴灌带在低压区间(10～60 kPa)较常压区间(100～160 kPa)，其流量差值百分比平均分别为0.04%、3.48%、11.37%、-7.80%。而C、D滴灌带在低压2和4 m压力点处，计算出的流量差值均比较大，分别为17.53%和13.73%、-15.79%和-10.62%，其中C滴灌带在工作压力为1 m时，两关系式计算出的流量结果差值百分比达17.53%，说明，常规滴灌带在常压条件下的压力与流量关系式应用于低压条件时，会产生一定的误差，因此，常规滴灌带在低压条件下工作时，采用本研究中的压力流量关系拟合曲线更为合理。

2.2 不同类型滴灌带流量偏差系数与压力的关系

制造偏差是评价滴头制造精度的一项重要指标，滴头流道尺寸的微小差异将会引起流量的较大偏差，通常把滴头在相同工作压力下测定滴头的流量偏差系数作为其制造偏差系数，我国也是采用流量偏差系数作为制造偏差衡量滴头的制造精度[14]。图2为4种规格滴灌带在低压(10～60 kPa)与常压(100～160 kPa)下的压力与流量偏差系数关系图，由图2可知，4种滴灌带的Cv均小于0.05，参照ASAE标准，A、B、C、D型滴灌带的质量为优等。Cv随压力的变化而变化，A、B、C、D型4种规格滴灌带Cv分别介于0.02～0.04、0.03～0.05、0.02～0.04、0.01～0.02之间，D型滴灌带的流量偏差系数略小于A、B、C型，说明D型滴灌带的制造工艺较好于A、B、C型滴灌带。低压范围内，随滴灌带工作压力的逐渐增大，Cv呈波浪式逐渐减小；常压范围内，Cv随滴灌带工作压力的变化不大。低压(10～60 kPa)条件下Cv明显高于常压(100～160 kPa)条件下Cv。说明，低压模式下滴灌带的流量均匀性明显低于常压模式下滴灌带的流量均匀性，可能在工作压力较低时灌水器制造工艺和材料配方等引起的制造偏差对流量的影响较为明显。常规滴灌带在低压模式下运行时，应充分考虑Cv对滴头流量的影响。

表3 滴灌带在不同压力下拟合关系式的计算流量比较表

2.3 低压模式滴头的压力与流量函数模型

上述分析可以看出，低压模式下滴头流量受工作压力和制造偏差的影响，随着工作压力的改变而改变。而常压模式下的压力与流量关系式应用于低压条件时，会产生一定的误差，因此需要建立适合低压模式运行的压力～流量关系式。在这里用了两种方法进行模拟。

图2 4种滴灌带(A～D型)压力与流量偏差系数的关系

(1)直接法：对4种规格滴灌带在低压模式(10～60 kPa)下的压力流量数据分析，拟合出常规滴灌带在低压模式下的压力～流量关系式，其中k为1.038、x为0.475、R2为0.917 1，拟合效果较好。因此，低压模式下滴头的压力与流量关系式可表示为：

q=1.038H0.475

(5)

(2)间接法：在已知滴灌带常压模式的流量系数、流态指数基础前提条件时，计算指定低压模式时的流量计算关系。对4种规格滴灌带在低压(10～60 kPa)和常压(100～160 kPa)下的压力流量关系式分析，可以建立低压条件下流量系数kl、流态指数xl与常压条件下流量系数k、流态指数x之间的kl=f(k)、xl=f(x)函数模型，利用1stOpt公式自动搜索匹配发现Z=P1cos (P2k+P3)+P4有较好的拟合效果，进而使用 spss 的非线性回归分析进行计算，计算结果见表4。

表4 低压模式流量系数和流态指数数学回归模型参数

从表 4可以看出，低压条件下流量系数kl、流态指数xl与常压条件下流量系数k、流态指数x拟合函数模型的相关系数分别为0.996和0.997，说明函数模型的拟合效果较好。因此，低压模式滴头流量与压力的关系式可表示为：

q=klHxl

(6)

kl=0.64 cos (-2.22k+2.43)+0.33

(7)

xl=17.23 cos (-4.98x+2.32)-16.61

(8)

3 结 语

本研究对低压模式下滴灌带流量与压力的关系式进行了探讨，分析出4种规格的内镶式滴灌带在不同压力模式下的水力性能均存在一定差别。

(1)压力降低对不同灌水器的流态均有较大影响，不同压力条件下对滴灌带滴头的流态指数变化不确定。在本研究中，4种不同类型的滴灌带其流态指数低压较常压模式下呈现A、C、B增大和D减小的趋势，这与徐明金等[15]、Chao Zhang等[16]、Li等[17]的研究结果相似，说明常规滴灌带在低压模式下运行时，滴头流量对压力的变化比较敏感。

(2)对4种不同规格的内镶式滴灌带的Cv在低压模式下研究表明，Cv随着工作压力降低而增大，滴灌带的流量不均匀，这与梁华锋等[5]、白雨薇等[18]研究结论相似。在试验过程中发现，在低压模式升压的过程中，滴头有气体排出，可能导致压力不稳定，滴灌带的流量均匀性受到影响，在常压模式下，没有这种现象，建议在低压模式下运行性时，首部安装稳压设备或者低压模式的工作压力即不应低于1 m。

(3)运用直接和间接两种方法模拟了常规内镶贴片式滴灌带在低压模式下的压力～流量关系式，R2均大于0.9，拟合效果较好。为滴灌带在低压模式下水力性能研究提供一定的理论技术参考。