石羊河流域水肥一体滴灌系统滴灌带堵塞影响因素研究

吴婉莹，王文娥，胡笑涛，王 睿，吴锡凯

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

水肥一体化具有节水、提高肥料利用率、提高作物产量与品质等优点，在国内大面积应用。为了更加节能和经济，目前提出的低压滴灌，即通过降低滴灌系统首部压力的方式，可以大幅减少系统投资，但其中最大的问题是，低压情况下灌水器灌水均匀度的降低和抗堵塞性能能否满足灌溉要求，和高压相较下，能否既体现其降耗的特点又满足灌溉质量的要求。基于对目前在新疆和甘肃等地区大面积应用的适用于低压的侧翼迷宫滴灌带和适用于高压的内镶贴片式滴灌带水力性能的研究，急需将其投入田间运行，对其抗堵塞性能、灌溉均匀度以及各自适用范围进行研究，分析影响因素，为微灌系统推广应用提供参考。

目前对低压滴灌、迷宫滴灌带的水力性能和抗堵塞性能的研究已有许多成果：牛文全[1]等定义了滴灌系统的概念和原理；刘燕芳[2]等通过研究温室水肥滴灌系统灌水器堵塞状况，得出灌水器平均流量随着灌水量和施肥量的增加呈下降趋势；刘璐等[3]研究在冬、夏两个季节研究了3种不同泥沙级配浑水与3个不同施肥质量浓度组合对滴头堵塞的影响和堵塞变化过程，发现夏季施肥和未施肥灌溉滴头的抗堵塞性能均高于冬季，夏季有效灌水次数是冬季的1.26～1.43倍；马晓鹏[4]得出了内镶片式滴灌带灌水器的水力性能优于单翼迷宫薄壁滴灌带；罗春艳等[5]研究发现随着滴灌带进水口的压力增加，滴头灌水均匀度呈上升趋势；仵峰[6]等通过内镶式、微管和补偿式3种灌水器自由出流试验，得到内镶式滴头和微管的流量随着压力的升高而增大，补偿式滴头流量相对稳定，但低压时流量相对较大；穆乃君[7]等对内镶片式齿型迷宫滴头的抗堵塞性能进行了测试，认为抗堵塞性能随结构特征参数(段面最小尺寸，水力半径和齿间距)、额定流量和迷宫滴头径粒比的增大而明显提高；刘璐[8]提出了采用灌水器平均相对流量和灌水均匀度指标，综合分析灌水器的堵塞状况的方法，并给出了评价堵塞程度的概化模型；牛文全[9]分析了转角对水力性能和抗堵塞性能的影响，提出迷宫流道结构灌水器的合理转角为60°。本文采用国内市场普遍应用的侧翼迷宫和内镶贴片式滴灌带，通过水力性能和大田水肥一体抗堵塞性能测试，分析首压、过滤设施、铺设长度等对滴灌带性能的影响，为推广应用水肥一体低压灌溉提供参考。

1 试验内容及方法

1.1 试验材料与装置

本试验在甘肃省武威市中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站内进行。站内水源来自石羊河水系，水中主要含有钙离子、钾离子及镁离子等阳离子；阴离子主要含有碳酸氢根离子、硫酸氢根离子及氯离子。pH值在7.3～9.5之间属中性偏弱碱性，总硬度在200～350 mg/L之间属微硬水，矿化度在400～600之间，属淡水。

试验地长104 m，宽22 m，共1 560 m2，玉米种植品种(先玉335)及种植方法与当地相同，采用膜下滴灌一膜一带两行种植，膜宽40 cm，株距25 cm，行距40 cm。肥料选用氮肥[CO(NH2)2，总氮≥46.4%，宁夏石化生产]、钾肥(K2SO4，总钾≥50%，上海汉合生产)、磷肥(NH4H2PO4，总磷≥46%，安宁云科生产)。滴灌系统包括水源、干管、水力驱动式比例施肥泵、过滤器、支管、毛管及压力表、阀门、水表、便携式超声波流量计等，滴灌带采用当地常用的内镶贴片式和抗堵塞性能较强的新型迷宫流道侧翼迷宫式滴灌带[10]两种，滴灌带流道结构参数如表1所示。

表1 两种滴灌带流道技术参数Tab.1 Technical parameters of 2 kinds of channels of drip-tape

1.2 试验方案及方法

由于实际生产中出现滴灌带首部达到一定压力值后，部分滴头出现喷水或出水孔口破裂的情况，需确定滴灌带运行允许压力范围。取两种滴灌带各7.5 m(滴头数量分别为25个和50个)，测定压力流量关系。每次试验时待压力稳定后每10 min测定一次滴头流量，每个滴头出流量由量杯接取5 min出流量并用精度为0.01 g的电子天平称量，试验持续2 h。由于试验使用的侧翼迷宫式滴灌带管壁厚为0.2 mm，较薄，压力为0.02～0.1 MPa；内镶贴片式滴灌带管壁较厚，压力为0.02～0.12 MPa；每0.01 MPa为一种工况。根据大田试验田块长度取两种滴灌带48 m，测试不同管首压力下两种滴灌带沿程水头损失，在滴灌带平均选取8个点(6、12、18、24、30、36、42、48 m)，用精度等级为0.25级的精密压力表量取各测点的压力值。

大田试验共8个小区，小区长度48 m，4个小区使用内镶贴片式滴灌带(A、B、C、D)，另外4个小区使用侧翼迷宫式滴灌带(E、F、G、H)，其中：A、E只灌清水(48 m×2 m)，各铺设两条滴灌带；B、C、D、F、G、H 6个为滴灌施肥区(48 m×3.5 m)，各铺设4条滴灌带。滴灌带前分别安装叠片式120目(D120)、网式120目(W120)及网式80目(W80)过滤器和不设过滤器4种，试验小区布置图见图1，试验小区布置方式见表2。

根据两种滴灌带工作压力范围，内镶贴片滴灌带三个施肥区(B、C、D)管首压力分别设置为0.08、0.09、0.10 MPa，内镶贴片式滴灌带三个施肥区(F、G、H)管首压力分别设置为0.04、0.05、0.06 MPa，在施肥灌溉中，通过阀门控制首部压力，当设备运行平稳后，调施肥泵施肥比例为2%，将施肥泵的吸肥管放入配好的肥水比1∶5的肥液(4.8 kg)中，开始施肥，期间测定滴灌带首尾压力，每分钟读取一次数据，经测试系统运行10 min后化肥可输送完毕，每次试验后如过滤器堵塞则进行清洗更换。全生育期内共进行9轮灌水施肥，根据当地灌溉施肥量设置玉米全生育期内灌水定额约230 mm，尿素在基肥施加30%，拔节期施加70%，钾肥全部施加到基肥中，磷肥将其平均分配到9次灌水中，每次施用量相同，全生育期施肥总量为N元素280 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。在整个灌溉周期结束后，将所有滴灌带取回，每条滴灌带截取前、中、后各取6 m，再通过清水测定滴头出流量。

1-水泵；2-阀门；3-精密压力表；4-水表；5-水力驱动式比例施肥泵；6-肥液桶；7-取水口；8-过滤器；9-超声波流量计图1 试验小区布置图Fig.1 Layout of the test plot

2 结果与分析

2.1 水力特性曲线和灌水均匀度

根据对两种滴灌带滴头进行的水力特性试验结果，分析在一定压力范围内滴头流量-压力关系，绘制滴灌带水力特性曲线如图2，通过回归分析可得两种滴灌带压力流量关系式为：

表2 试验小区布置方式Tab.2 Layout of the test plot

注：过滤器一列中D表示叠片式过滤器，W表示网式过滤器，120和80表示过滤器目数，WU表示不安装过滤器，下同。

内镶贴片式q=0.901 4H0.365 2R2=0.993

(1)

侧翼迷宫式q=0.788 1H0.475 9R2=0.995 9

(2)

由上式可以看出，内镶贴片式滴头的流态指数x为0.365 2，具有一定的压力补偿性，侧翼迷宫式滴头的流态指数x为0.475 9，制紊效果较优，在管首压力小于0.04 MPa时内镶贴片式滴头流量大于侧翼迷宫式，在0.04 MPa下两种滴头流量一致，随着压力增大侧翼迷宫式滴头流量大于内镶贴片式且两者差距有增大趋势。

图2 两种滴头的水力特性曲线Fig.2 Hydraulic characteristic curve4 of 2 kinds of emitters

根据测试不同管首压力下两种滴灌带沿程水头损失结果，分析在一定管首压力范围内，水头损失随滴灌带长度的变化过程如图3所示。由图3可以看出，在管首压力为0.08 MPa下，内镶贴片式滴灌带沿程损失受滴灌带铺设长度影响不明显，随长度增加略微有上升，当管首压力增大，上升趋势更加显著，但增大幅度最大为0.002 MPa，灌水均匀度较高；而侧翼迷宫式滴灌带沿程损失随滴灌带铺设长度的增大而增大，在管首压力增大时增幅也略有加强，灌水均匀度比前者次之，但在短距离铺设长度下，侧翼迷宫滴灌带的水头损失小于内镶贴片，能量耗损更低。

图3 滴灌带首尾压差沿程变化曲线Fig.3 Changes curve of pressure of the head and tail of drip tape with different positions

2.2 抗堵塞性能

2.2.1 肥水灌溉次数对滴灌带堵塞程度的影响

在整个灌溉施肥期间，在管首压力一定的情况下，采取观测滴灌带首尾压力差值的方式，来监测总水头损失的大小，即整条滴灌带出流量的变化，也可以体现堵塞程度的变化，其中压差越小则代表水头损失减小即出流量减小、堵塞程度增大，因此压差和流量呈正相关，和堵塞程度呈负相关。

图4给出了2种滴灌带在9次间歇性肥水灌溉过程中滴灌带首尾压力差的变化过程，由图4可以看出，首先，对于内镶贴片式滴灌带来说，在管首压力为0.08 MPa下，4条滴灌带压差均有下降且下降趋势比较均匀，其中B1压差在前期略有波动后，中期持续平稳，到周期结束时再次降低，B2压差在前期持续降低，直至第5次施肥压差显著提升，维持到结束时又略有降低，B3压差除了在中后期略有波动随灌溉次数降幅均匀，B4压差总体呈下降趋势，分别在第4、6和第8次发生回升，其后均再次下降，到灌溉结束后相较前三条降幅最大为0.005 MPa，其次为B3为0.004 MPa，均可以为发生部分堵塞，而B1和B2降幅较低，堵塞程度小于前两者；在管首压力为0.09 MPa时，压差在第2次施肥时均有降低，之后先后均有回升，又于第6、7次施肥时再次降低，其中最低值发生在C3和C4两种情况下，在9次灌溉结束后，C1和C2压差略有降低，而C3和C4的压差降幅较大为0.003 MPa，因此在首压为0.09 MPa下，C3和C4滴灌带产生一定堵塞；在管首压力为0.1 MPa下，压差没有出现较大波动，其中D3和D4滴灌带分别在第3次和第6次施肥时压差降到最低为0.015 MPa，且在9次灌水施肥结束后只有这两种压差略有降低相较最初降幅为0.001 MPa，可以推测此压力下D小区均没有发生堵塞。 其次，对于侧翼迷宫滴灌带，在管首压力为0.04 MPa下，相较于B小区，F小区压差前期均未发生明显变化，在中期显著降低，随后在小范围内略有波动，其中F1和F2虽然灌溉期间压差发生变化，但在灌溉结束时压差均回升至初始值，可见堵塞物并未顽固长存，F3和F4压差在中期降低后直至灌溉结束无明显增长或继续降低趋势，降幅为0.003和0.004 MPa，认为发生一定程度堵塞；在管首压力为0.05和0.06 MPa下，其变化类似于D小区情况，在灌溉期间压差均上下小幅度波动，其中G3和G4压差在最后一次施肥降幅稍大为0.002 MPa，可认为发生轻微堵塞，其余压差未有明显降低认为没有发生堵塞。

综上，两种滴灌带在各自管首最低压力时均发生一定堵塞，其中侧翼在设置叠120目和网120目过滤器的情况下未出现堵塞，而对于内镶只是减轻了堵塞情况，在设置网80目过滤器的条件下亦均发生堵塞，相较未设过滤器堵的堵塞情况要相对轻微；两种滴灌带发生堵塞规律随灌溉周期变化不同，内镶式滴灌带的堵塞程度随时间呈现持续增长趋势，而侧翼迷宫式滴灌带在第四次施肥后发生一定堵塞后，其后并未发生明显变化。

图4 2种滴灌带滴头首尾压差随灌水次数变化曲线Fig.4 Changes curve of pressure of the head and tail of two kinds of drip tape with irrigation times

2.2.2 滴灌带不同位置滴头堵塞程度

表3给出了各滴灌带不同位置滴头平均相对流量，对比压差曲线，只有B3、B4和F3、F4发生了不同程度的堵塞，其中前两者前中后均有堵塞，相对流量介于73%～80%间，前中段堵塞情况要略优于后段，其中B4前段和后段相对流量为73%小于75%发生严重堵塞；F3和F4前段相对流量均大于90%，基本没有发生堵塞，中后段介于80%～85%之间，中段要略优于后段；在设置叠120目和网120目过滤器下滴灌带均未发生堵塞，前者效果更优于后者，在设置网80目过滤器时堵塞情况相对未设过滤器较轻，但是相差较小，过滤效果甚微；同种滴灌带，在压力较大时更不易发生堵塞，两种滴灌带相较下，侧翼迷宫滴灌带抗堵塞性要优于内镶贴片式滴灌带，前者在首压为0.04～0.06 MPa下工作均未发生严重堵塞，满足灌溉要求，后者在首压为0.08 MPa，设网80目和未设过滤器下发生严重堵塞，其他情况未发生堵塞。

由于内镶贴片式滴灌带沿程损失受滴灌带铺设长度影响不明显，因此堵塞情况受滴头位置(即滴头距管首距离)影响不明显，因此B3和B4前中后堵塞情况比较接近；而侧翼迷宫滴灌带沿程损失较大，因此堵塞情况随管长增大而加重。

3 滴灌带铺设长度对灌溉均匀度的影响

表3 滴灌带不同位置滴头平均相对流量 %

图5给出了滴灌带不同位置的灌溉均匀系数变化情况，可以看出内镶贴片式滴灌带灌溉均匀系数随铺设距离变化并不明显，总体均匀性要优于侧翼迷宫滴灌带，适合长距离铺设；对于内镶来讲，B3和B4因发生堵塞，整体均匀系数都在70%～80%之间，灌水质量较差，其余工况下均匀系数均大于90%，在0.09 MPa下设叠120过滤器的滴灌带均匀度最高，整体呈现前中段均匀度略高于后段的规律；而侧翼因其滴头间距较小为15 cm(内镶为30 cm)，水头损失较大，随铺设长度的增加滴头流量呈递减状态，因此灌溉均匀度也随之降低，在0.04 MPa下最低在F3、F4的后段为83%和82.6%，当管首压力提高均匀度降幅也相对减小，在0.05 MPa时最低在G4后段为90.9%，0.06 MPa最低在H4后段为90.6%，均满足灌溉要求。

在设计微灌工程中，一般不直接应用Cu来进行设计，而是通过控制微灌系统的流量偏差来控制系统的灌水均匀度[5]。对灌水器设计流量偏差率qv进行讨论和修正，按下式计算：

qd=(qmax-qmin)/qd×100%

(3)

灌水器设计允许流量偏差率应满足qd≤20%。其中qv为灌水器设计流量偏差率，%；qmax为灌水器最大流量，L/h；qmin为灌水器最小流量，L/h；qd为灌水器设计流量，L/h。考虑到侧翼迷宫滴灌带压降较大的问题，计算流量偏差率来确定其适用性如表4所示。其中，F小区qd均低于20%，不满足要求，H小区流量偏差率略低于G小区，灌溉质量最优。通过计算和对比查找图2和图3，对于0.04 MPa为管首压力下，建议铺设长度小于等于30 m。

图5 滴灌带不同位置灌溉均匀系数变化图Fig.5 Changes curve of the Cu of drip tape with different positions

表4 滴灌带设计流量偏差率 %

4 结 语

通过对两种滴灌带水力特性和抗堵塞性研究，内镶贴片式滴灌带试用于长距离铺设(≥50 m)，整体灌水均匀度较高，但抗堵塞性能低于侧翼迷宫滴灌带，而且对工作压力要求较高，在低于0.09 MPa压力下易发生堵塞，需设置叠片式或网式120目过滤器；经测试，侧翼迷宫滴灌带可以在长距离(48 m)低压情况下(≥0.05 MPa)进行水肥一体化高质量灌溉，由于研究表明侧翼迷宫滴灌带堵塞情况随管长增大而加重，且在短距离铺设长度下，侧翼迷宫滴灌带的水头损失小于内镶贴片，能量耗损更低，当首压设置为0.04 MPa时建议铺设距离≤30 m可以保证其抗堵塞性及灌溉均匀度都较优。除此之外，从两种滴灌带本身的造价来讲，侧翼迷宫式滴灌带价格仅为内镶贴片式滴灌带的一半，并且因其材料单一可回收再利用的特点，更加提升了其经济性以及环保性。

(1)内镶贴片式滴灌带沿程损失受滴灌带铺设长度影响不明显，随长度增加略微有上升，当管首压力增大，上升趋势更加显著，但增大幅度最大为0.002 MPa，灌水均匀度较高；侧翼迷宫式滴灌带沿程损失随铺设长度的增大而增大，在管首压力增大时增幅也略有加强，灌水均匀度比前者次之，但在铺设长度低于30 m时，侧翼迷宫式滴灌带的水头损失小于内镶贴片式滴灌带，能量耗损更低。

(2)内镶贴片式滴灌带抗堵塞性能低于侧翼迷宫滴灌带，在低于0.09 MPa压力下易发生堵塞，需设置叠片式或网式120目过滤器；侧翼迷宫滴灌带堵塞情况随管长增大而加重。

(3)侧翼迷宫滴灌带铺设48 m时，水肥一体化灌溉管首压力0.05 MPa效果最优，当首压设置为0.04 MPa时建议铺设距离不超过30 m。