坡地滴灌顺逆坡双向布置毛管出水规律研究

刘少东，汪 春,2，衣淑娟

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319; 2.中国热带农业科学院 南亚热带作物研究所循环农业研究中心，广东 湛江 524091)

滴灌是利用滴灌毛管(下文简称毛管)、滴头等设备，以滴水或细小水流的方式，湿润植物根区附近部分土壤的灌水方法[1]。由于具有较高的灌溉水利用系数，该项技术在西北和东北旱区应用面积较广，应用领域也从果蔬、经济作物和设施农业推广到大田作物，目前大田作物滴灌面积已达到整个滴灌面积的80%左右[2]。滴灌技术对我国农业生产中提高水资源利用效率作用显著。灌水均匀度是评价滴灌效果的重要指标，其受地面坡度、毛管长度等因素的影响[3,4]。 我国耕地中坡耕地占一定比例，以黑龙江省为例，省内丘陵漫岗地带占全省土地面积的35.8%，坡度可达到3°～5°[5]。平地条件下，毛管一般在支管两侧对称布设，通过合理设置毛管长度可获得较高的灌水均匀度。坡地地形条件下，毛管沿坡布置时各滴孔水压受其位置水头影响，滴孔流量分布规律不同于平地地形条件。全顺坡布置毛管可提高毛管灌水均匀度[6,7]。在生产实践中，毛管顺逆坡双向布置方式也较为常见，采用该布置方式，可降低水头要求、节约投资并提高灌水质量[8]。坡地滴灌毛管采用顺逆坡双向布置(非对称布置，顺坡毛管长度大于逆坡毛管长度)比全顺坡布置更有利于提高灌水均匀度[9]。因此，不同地面坡度时顺逆坡管长的布置须随坡度值做出对应调整。

本文设置不同坡度条件，试验分析滴灌毛管不同顺逆坡长度组合的灌水均匀度变化规律，可为确定不同坡度下的顺逆坡毛管合理布设长度，进一步提高坡地滴灌均匀度提供参考和借鉴。

1 材料和方法

1.1 试验材料

滴灌毛管选用内镶贴片式滴灌带，具体参数为：滴孔间距为20 cm、毛管内径16 mm，壁厚0.3 mm。测试水源为经200目过滤器过滤后的自来水。

灌水均匀度采用克里斯琴森(Christiansen)公式[1]计算，如式(1)所示。

(1)

1.2 双向有坡滴灌试验方案

试验装置如图1所示。试验装置由供水系统、坡度调节装置和毛管组成。供水系统包括水泵和压力调节装置，通过供水管向毛管提供稳定水流。供水管采用PE管，由三通管连接于毛管上，供水管临近三通管处装有流量调节阀和水压表。毛管固定于木方上，用钢丝将木方悬挂起来，通过调节钢丝长度调节木方倾斜角度，模拟地面坡度。以毛管入水口处为O点，向两侧每10 m选取一个测点。试验仪器主要有精密压力表、米尺、量杯和秒表。

图1 试验装置图Fig.1 Diagram of test device

试验采用全因子设计方法，选择坡度、顺坡管长和逆坡管长为试验因素，采用顺坡管长大于逆坡管长的非对称布管方式。根据预试验结果选定各因素水平值，试验参数如表1所示。

表1 试验参数表Tab.1 Test parameter table

试验过程：按试验方案调节钢丝和木方设定坡度，并布置顺逆坡管长，打开水泵并通过流量调节阀将水压调整至0.15 MPa(该壁厚毛管的正常工作压力)，待毛管各滴孔出水量稳定后，测取各测点流量。各组合分别重复试验3次，取平均值后用于分析。

2 试验结果分析

2.1 各试验因素对灌水均匀度的影响

此处分别分析讨论地面坡度、顺坡管长和逆坡管长对灌水均匀度的影响。地面坡度在生产实践中非人为可以调节，需要根据实际坡度值合理设置顺逆坡毛管长度获得最佳灌水均匀度。

采用SPSS软件分别绘制各试验因素的灌水均匀度估算边际均值曲线如图2～图4所示。

由图2可以看到，地面坡度由1%变为2%灌水均匀度由83.53%增至83.63%，增加幅度较小；而当坡度由2%变为3%时，灌水均匀度由83.63%增为86.42%，提高幅度较大。但就总体而言，灌水均匀度随地面坡度增加而提高，表明在有坡地形条件下非对称布管方式有利于提高灌水均匀度。

图2 地面坡度的灌水均匀度估算边际均值Fig.2 Estimation of marginal mean of irrigation uniformity of surface slope

如图3曲线所示，逆坡管长度对灌水均匀度的影响较为复杂。从边际均值变化规律来看，与不设置逆坡毛管相比，逆坡管长较短时，灌水均匀度略有所下降，随逆坡管长的增加，灌水均匀度开始明显增加，在达到峰值后又出现下降。表明在有坡地形下顺逆坡双向设置毛管时，逆坡管长存在最佳长度，高于此值或低于此值时，灌水均匀度均会下降，甚至可能会低于不设置逆坡管情形。逆坡毛管的最佳长度需根据地面坡度和顺坡管长分别确定。图3灌水均匀度边际均值最小值为83.61%，最大值为85.65%，总体变幅较小。

图3 逆坡管长的灌水均匀度估算边际均值Fig.3 Estimation of marginal mean of irrigation uniformity of pipe length on the reverse slope

图4为顺坡管长的灌水均匀度边际均值曲线。如图中曲线所示，随顺坡管长由50 m增加到90 m，灌水均匀度由94.29%减为69.11%，下降幅度很大。与坡度及逆坡管长度等因素相比，顺坡管长变化引起灌水均匀度变幅最大，可知，在本文选定的因素中，顺坡管长对灌水均匀度影响最为显著。因此，调节顺坡管长是控制坡地滴灌灌水均匀度的最有效手段。

图4 顺坡管长的灌水均匀度估算边际均值Fig.4 Estimation of marginal mean of irrigation uniformity along slope pipe length

2.2 最佳顺逆坡管长的确定

前文已述及，通过合理设置顺逆坡毛管长度可实现对灌水均匀度的调整。分别绘制各顺坡管长下灌水均匀度的影响如图5～图9所示。

图5所示为顺坡管长90 m时，灌水均匀度随逆坡管长的变化曲线。从曲线中可以看出，1%和2%坡度下，灌水均匀度随逆坡管长先降低后逐步上升，上升幅度较为平缓。逆坡管长达40 m时灌水均匀度才超出全顺坡(逆坡管长0 m)布置方式。受限于本试验逆坡长度水平，无法获得继续增加逆坡管长后的灌水均匀度值，推测其会随逆坡长度增加继续提高。从总体来看，在这两个坡度水平下各逆坡管长灌水均匀度均较低，低于80%的国家标准。地面坡度3%时，随逆坡管长增加，灌水均匀度先下降后上升，逆坡管长30 m时均匀度达到峰值80.46%后再次下降，但总体看3%水平下灌水均匀度较高，远高于1%和2%坡度的灌水均匀度值。

图5 90 m顺坡管灌水均匀度Fig.5 Irrigation uniformity of 90 m downhill pipe

由图6可知，顺坡管长80 m的灌水均匀度与顺坡管长90 m情况相类似。1%、2%坡度下灌水均匀度随逆坡管长增加亦呈先下降后上升的态势。相比较而言，顺坡管长80 m灌水均匀度随逆坡管长上升幅度较大，逆坡管长30 m时均匀度即已高于全顺坡情形。3%坡度下，灌水均匀度随逆坡管长略微下降后上升，逆坡管长30 m时，均匀度达到峰值后迅速下降。总体而言，顺坡管长80 m灌水均匀度普遍高于顺坡管长90 m情形。

图6 80 m顺坡管灌水均匀度Fig.6 Irrigation uniformity of 80 m downhill pipe

对图7曲线分析可知，1%坡度下灌水均匀度随逆坡管长增加微幅下降后即开始上升，逆坡管长40 m时仍处于上升态势。地面坡度2%和3%条件下，灌水均匀度先下降后上升，达到峰值后再次下降。从图7曲线可以看出，2%坡度条件下逆坡管长在30～40 m间灌水均匀度达到最大值；3%坡度条件下逆坡管长20～30 m间灌水均匀度达到极限值。在该顺坡管长条件下，各组合灌水均匀度均高于85%，处于较高水平。

图7 70 m顺坡管灌水均匀度Fig.7 Irrigation uniformity of 70 m downhill pipe

顺坡管长60 m条件下，灌水均匀度随逆坡管长变化规律如图8所示。 1%坡度下灌水均匀度随逆坡管长增加而提高，与顺坡管长70～90 m间情形相比，随逆坡管长的增加，没有出现先下降后上升的变化规律，逆坡管长30 m达到峰值后开始下降；2%、3%坡度下，灌水均匀度随逆坡管长度增加仍然先下降后上升，并均在逆坡毛管长20～30 m间达到峰值后，其后均匀度开始下降。

图8 60 m顺坡管灌水均匀度Fig.8 Irrigation uniformity of 60 m downhill pipe

如图9所示，当顺坡管长50 m时，1%～3%坡度下灌水均匀度均未出现均匀度先下降后上升的变化规律，而是随逆坡管长增加而直接提高，达到峰值后下降。但不同坡度的灌水均匀度峰值对应的逆坡管长不同。此外，各坡度达到峰值后灌水均匀度下降幅度也不相同，地面坡度越大，曲线达到峰值后下降幅度也越大。

图9 50 m顺坡管灌水均匀度Fig.9 Irrigation uniformity of 50 m downhill pipe

综合分析图5～图9，在一定坡度条件下，顺坡管长和逆坡管长存在最优组合，使得灌水均匀度最大。现将本试验中坡度和顺坡管长组合的最大灌水均匀度对应的最佳逆坡管长度列入表2。

表2 最佳逆坡管长度Tab.2 Optimum length of adverse slope

由于本试验逆坡管长度水平以10 m为水平差，最长至40 m，表2数据以实际测得数据列入。实际上最大灌水均匀度和最优逆坡管长度可能超出40 m或在整数值之间。但从表2数据仍可看出：顺坡管长越短，灌水均匀度越高；有坡地形条件下存在最佳顺逆坡长度值，较长的顺坡管长应设置较长的逆坡毛管，才能获得较高的灌水均匀度；最佳逆坡管长同时也受地形坡度影响，在顺坡管长相同的情况下，地形坡度越大，最佳逆坡管长越短。文献[1]要求，滴灌灌水均匀度不宜低于80%。由表2中数据，建议：水压与本文相近条件下，地面坡度1%和2%时顺坡管长不宜长于80 m；地面坡度3%时顺坡管长不宜长于90 m。在此基础上，还应辅以适当长度的逆坡管。

需注意的是，表2列出的各组合，如其对应的灌水均匀度曲线出现“先增大后减小”规律，则表2峰值数据可作为实践中顺、逆坡管长度设置参考。其余数据，由于逆坡管长度试验水平限制，最佳逆坡管长可能未在图中得以体现。

2.3 毛管顺逆坡出水量规律

毛管灌水均匀度由各测点的出水量计算得出，因此灌水均匀度变化可从顺逆坡各测点出水量规律中找到原因。本试验中每10 m设置一个测点，以毛管入水口处为0点，顺坡各测点位置分别为10 m、20 m、…，逆坡各测点位置分别为-10 m、-20 m、…。绘制各坡度下不同顺坡管长的出水量曲线如图10～图12所示。

图10为随逆坡管从0 m增至40 m，各测点出水量变化形态走向规律较为类似。

逆坡管长度为0时，毛管入水口处测点出水量最大，随测点距入水口距离的增加，滴孔出水量逐步减少。但从具体变幅来看，顺坡管长度越长，下降幅度越大。列出逆坡管长0 m，顺坡管长50、60、70、80、90 m时，毛管入水口近远端出水量数据如表3所示。

从表3数据可以看出：随着顺坡管长度减小，入水口处出水量小幅增加，但末端滴孔出水量大幅增加，首末端出水量差减小。前文2.2小节提到，毛管灌水均匀度随顺坡管长度减小而逐步增加，其原因就是：顺坡管长减小，首末端出水量差减小，均匀度得以提高。

图10 坡度1%时各管长组合出水量Fig.10 Output of each group at 1% slope

表3 毛管近远端出水量值Tab.3 Proximal and distal capillary effluent values

相较于全顺坡布置，逆坡管长不为0 m时，毛管各滴孔出水量均有下降，总体而言入水口近端下降较多，远端下降较少。入水口处滴孔出水量最大，但与全顺坡布置(逆坡管长为0 m)相比，该处峰值随逆坡管长的增加逐渐减小。文献[9]指出正是这一“削峰”作用提高了毛管灌水均匀度。

综合比较图10，可以看到，图10逆坡滴孔出水量均高于顺坡等距点出水量。以顺坡毛管10 m处和逆坡毛管10 m处测点为例，分析其原因：顺坡毛管较长，通过顺坡10 m处的水流流量及流速均较大，水流流速快引起压力降低；而逆坡方向毛管较短，逆坡10 m处流量和流速均较低，水流流速低而水压高。虽然顺坡10 m处比逆坡10 m处高程降低， 但1%坡度下该两点间高差形成的压力增量，不足以抵偿本试验各顺坡管长条件下流速差异造成的压力下降量。在坡度一定的情况下，顺坡管与逆坡管长度差值越大，则逆坡管与顺坡管之间的流量及流速差越大，逆坡管滴孔流量会越明显地高于顺坡管等距点流量。

前文2.3小节已提及，在本试验多种组合下出现随逆坡管长度的增加，灌水均匀度“先降低后上升”的现象。其原因是：当顺坡管较长而逆坡管较短时，入水口逆坡方向近端滴孔出水量较大，该出水量值无法明显提高出水量均值，但却在测点出水量数据上出现除入水口峰值外的另一个较高值。而在逆坡管长为0 m时(全顺坡布置状态)，曲线中只有峰值处一个较高出水量值。这就会使在均值接近的情况下，逆坡管较短时的灌水均匀度低于全顺坡布置，出现图5～图7中，随逆坡管长增加1%坡度灌水均匀度曲线出现“先降低”的现象。其后，随逆坡管长的增加，入水口处流量峰值及逆坡管各滴孔出水量均会发生明显降低，趋向出水量均值，从而使得灌水均匀度不断提高，灌水均匀度曲线出现“后上升”现象。

如果逆坡管长进一步增加，逆坡管末端会进一步下降至等于甚至低于毛管平均出水量，使得灌水均匀度达到峰值并开始下降。此时，便会出现图8和图9中1%坡度灌水均匀度达到峰值后再次出现下降的变化规律。图5～图7曲线未出现峰值，是由于试验逆坡管长较短所致。该现象表明，一定坡度下不同顺坡管长对应着最佳逆坡管长，使得该顺坡管长度下灌水均匀度最高。

图11为各图分别是2%坡度下，顺坡管长分别为50～90 m与逆坡管长分别是0～40 m各试验组合毛管出水量规律。

综合图11各图可以看到，与1%坡度地形的出水量规律相似：入水口处滴孔出水量最大。随着顺坡管长减短，滴孔出水量峰值降低、低值提高，毛管出水量最大值和最小值差值减小，毛管灌水均匀度提高。由于2%坡度下顺逆坡等距测点高差形成水压增加量，相对于顺逆坡管长不同而形成流速差产生的水压减小量仍较小，多数测点仍然存在逆坡滴孔出水量均高于顺坡等距点出水量。相应地，在2%坡度下也存在着顺坡管较长时，随逆坡管长增加灌水均匀度先降后升、达到峰值后下降的规律(图6～图9中2%坡度曲线所示)；当顺坡管较短时，灌水均匀度随逆坡管的增长，直接增加至峰值(图10中2%坡度曲线所示)。但对于顺逆坡管长度差不大的情况，高差形成的水压增加已经超越流速差异形成的水压降幅，出现逆坡管末端测点出流量小于顺坡等距点出流量的情况，如图11(d)～图11(e)中逆坡管长40 m曲线所示。

图11 坡度2%时各管长组合出水量Fig.11 Output of each group at 2% slope

在图11(a)～图11(c)中，毛管入水口处滴孔出水量最大，顺坡方向滴孔出水量先下降后增加，出水量最低点出现在距入水口约50～60 m处；而在图11(d)和图11(e)中，顺坡管长度分别为60和50 m时，其出水量最低点出现在顺坡毛管末段。该现象表明：顺坡管长较长时，顺坡管出水量最低点不在毛管末端，而在管中位置，表现为出水量曲线在后端上翘。顺坡管长90 m时出水量最低点在距入水口50 m处，顺坡管长80和70 m时出水量最低点在距入水口60 m处。分析其原因：由水流的能量方程可知，顺坡方向各滴孔高程渐次降低，会对各孔压力水头产生补偿，使得滴孔压力水头增加。同时，由于管内水头损失与水流流速的平方成正比，在入水口至出水量最低点之间的管段，由于管内水流速度较快，2%坡降形成的位置水头补偿不足以抵消水头损失。因此，该段毛管向末端方向各滴孔水压及出水量仍然逐渐下降。而在出水量最低点至毛管末端管段，由于前段滴孔的分流作用，使得该管段过流量与流速降至较低值，此处2%坡降形成的位置水头补偿大于水头损失，使得该段毛管滴孔出水量开始增加。越靠近毛管末端，水流速度越慢，出水量越大，即出现了前述出水量曲线“翘尾”现象。当管长越长，毛管首末端流速差越大，该现象越明显。反之，则该现象不明显，如图11(d)和图11(e)所示。

图12为地面坡度3%时不同管长组合下毛管各测点出水量变化规律。

与图10、图11较为相似，图12表明随顺坡管减短，毛管各测点灌水均匀度趋向均匀，因此灌水均匀度可得以提高。逆坡管的设置降低了毛管各滴孔出水量，但入水口近端下降明显，末端出水量降幅较小。从顺逆坡各测点出水量对比来看，仍较多地存在逆坡管滴孔出水量大于顺坡等距滴孔的情况。

图12 坡度3%时各管长组合出水量Fig.12 Output of each group at 3% slope

同时还可以看到图12毛管出水量沿顺坡方向先减小后增大，“翘尾”现象明显，顺坡管出水量最低点均在毛管中部，原因前文中已做解释。出现该情况后，顺坡毛管末端出水量出现上升，避免了首尾滴孔出水量差的进一步扩大，有利于提高灌水均匀度。由于3%坡度地形高程下降引起的水压增加相比2%坡度更大，因此出水量最低点距入水口的距离较2%坡度地形更近一些。同时也可看到，顺坡管长不同，出水量最低点距入水口的距离随之发生变化。顺坡管长由90 m减为50 m时，出水量最低点从距入水口50 m前移至距入水口30 m。可见，顺坡管长越短，最低点越靠近入水口。

值得注意的是，图12(a)中顺坡管较长时(长90 m)，逆坡40 m出水量曲线在逆坡管末端出现出水量陡降现象。这是由于地形坡度较大，随着逆坡方向管距和高程增加、水头损失与流量减少会使得毛管内水压力迅速下降，在逆坡40 m处压力已不足以维持毛管正常出水。在试验过程中可明显观察到，逆坡毛管距入水口一定距离的毛管管壁松弛，滴孔出水已非管内水压主导，近似无压流自然渗漏状态，其出水量远小于相邻近入水口端受一定水压的管段。该现象表明确保滴孔正常出水逆坡管长存在极限值，超出该长度后，出水量将显著降低，灌水均匀度也相应明显下降。因此，在有坡地形的灌水实践中，逆坡管长应取合理值以维持管内水压，过长的逆坡毛管会使滴孔出水量陡降甚至出现不出流现象。本试验中，3%坡度下不同顺坡管长下逆坡毛管不宜超过30 m。1%和2%坡度下均未出现这一现象。由此可知，逆坡管长的合理长度主要由坡度决定，但同时受顺坡管长影响。

3 结 语

(1)方差分析结果表明，本文选定的因素地面坡度、顺坡管长和逆坡管长均对毛管灌水均匀度有明显影响。从各因素的影响程度来看，顺坡管长对灌水均匀度的影响最为显著，地面坡度与逆坡管长影响较小。由于地面坡度为人为不可控因素，在滴灌布管实践中可通过合理设置顺、逆坡管长，获得最佳灌水均匀度。

(2)各因素的影响规律是：顺坡管长越短，灌水均匀度越高；对不同长度顺坡毛管，逆坡毛管存在最佳长度使得毛管灌水均匀度最高，高于或低于此值，灌水均匀度均会有所下降；灌水均匀度随地面坡度增加而提高，逆坡毛管较短的双向非对称布管方式对有坡地形适应性较好，有利于提高毛管灌水均匀度。

(3)最佳逆坡管长度受顺坡管长和地面坡度影响。坡度相同条件下，最佳逆坡管长随顺坡管长的增加而增加；在顺坡管长相同的条件下，最佳逆坡管长随坡度增加而减小。文中已给出顺逆坡毛管设置建议。

(4)毛管出水量总体分布规律是入水口处出水量为峰值，两侧出水量开始减小。各因素对毛管出水量分布规律有不同影响：顺坡管长减小可使滴孔出水量趋于均匀，提高了灌水均匀度；地面坡度足够大时，会使顺坡毛管出水量出现“翘尾”现象，坡度增加使得顺坡管滴孔出水量最低点向入水口靠近；逆坡管的设置使得毛管各滴孔出水量均有所下降，近入水口处滴孔出水量下降较多，远端滴孔出水量下降较少，这一“削峰”作用有利于提高灌水均匀度。在一定长度范围内，随逆坡管长度增加，该作用不断增强，但超出一定范围后，逆坡毛管末端出水量陡降，会引起灌水均匀度下降。