农业滴灌设备流量一致性测试方法探讨

2020-06-13

中国奶牛 2020年5期

（农业农村部农业机械试验鉴定总站，北京 100122）

随着我国奶牛养殖规模化程度越来越高，对优质牧草的需求量逐年增加。但当前我国牧草产业存在数量少、产量低、质量较差等问题，已成为制约我国畜牧业发展的重要因素之一。新疆、内蒙古是我国主要的牧业省份，地处干旱和半干旱地区，大多地区自然条件恶劣，生态环境脆弱，由于气候的变化和过度放牧，近年来许多天然草原都出现了不同程度的退化，部分地区生态环境日益恶化。为解决水资源短缺、畜草矛盾，促进草地生态恢复，提高牧草产量和品质，各牧区按照中央一号文件提出的“稳步发展牧区水利，建设节水高效灌溉饲草料地”要求，大力在牧区发展节水滴灌技术，推广农业滴灌设备，“十三五”期间新增高效节水灌溉面积达1亿亩以上。目前，滴灌技术已广泛应用于苜蓿、玉米等饲料作物种植，相较于传统大范围灌溉，该技术不受地形影响，可地边、地角同时均匀进水，并且可适时、适量控制灌水时间和数量，能更好地满足作物供水需求。

目前，评价滴灌设备作业质量的重要指标之一是流量一致性，其性能好坏直接影响到整个滴灌设备的节水性能和灌溉效果。滴灌装置是滴灌设备的核心部分，是指从滴灌系统支管开始到滴灌管（带）的组合，由支管、过滤器（如有）、三通、滴灌管（带）组成。其工作原理是将具有一定压力的水，过滤后经管网和出水管道（滴灌带）或滴头以水滴的形式缓慢而均匀地滴入植物根部附近土壤，达到高效灌水。做好机具的技术评价，尤其是作业质量的评价，有利于促进产品质量的提高，也有助于增加牧草产量。根据多次试验验证和试验方法分析，笔者发现现行标准GB/T 17187-2009《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》[1]（以下简称为GB/T 17187-2009）中“流量一致性”的测试方法存在缺陷，有必要深入研究并加以改进。

1 现行滴灌设备流量一致性测试情况介绍

1.1 现行测试方法

目前，滴灌设备试验样品制备及性能测定按照GB/T 17187-2009第9.1规定，具体方法如下：

该方法适用于恒流式和非恒流式滴头/滴灌管。试验应包含25个GB/T 17187-2009第8.1规定要求抽取的滴头/滴水元件。对于多出水口滴头，应将每个出水口视为一个滴头。

对于非恒流式滴头/滴灌管，在滴头/滴水元件进水口处的压力等于额定试验压力下，测量滴头/滴水元件的流量，分别记录每个滴头/滴水元件的流量测定值。按式（1）计算变异系数。

式中：Cν为流量变异系数（%）；Sq为试验流量标准偏差（L/h）；为试样的平均流量（L/h）。

对于恒流式滴头/滴灌管，调节试验中滴头/滴水元件的运行状态，使其共运行1h，调节过程完成后在进水口压力保持调节范围中间值的调节下进行试验，测量滴头/滴水元件的流量并按式（1）计算变异系数。

1.2 现行方法存在的问题

现行方法是属于简单的对单支滴灌管构件的流量一致性进行试验，试样不是一个农业实际的施水单元，试验受过程因素影响较大，试验结果不能完全反映实际情况。此外，试样要求应包含25个滴头/滴水元件，试样制作繁琐，试验工作量大。

2 滴灌设备流量一致性测试方法的改进

2.1 试样制备

将待测滴灌设备制成灌水装置试验单元，即为两条各有7个滴头的滴灌管（带）与支管连接而成，成“F”状。滴灌管（带）在支管上的安装间距为1m，一端装有快换接头，一端用堵头堵死。两头距离滴灌管（带）600 mm（图1）。

图1 8G-32×0.30型滴灌装置

2.2 试验仪器

本试验采用自制的DG-14型滴灌装置性能试验台，试验台由供水系统、水源前部和挡水装置三部分组成。其中，供水系统由高压泵、截止阀、减压阀、安全阀、压力表、进水与出水回路组成，实现向试验样品稳定地供水；水源前部由过滤器、微小流量计、贮水罐、进排气阀、压力表、快换接头及球阀组成，保证进入试验样品的水质、流量、流速和压力满足试验条件；挡水装置由挡水板、双摇杆平行摆动机构、可调支架、量杯承接台、量杯、悬挂杆及挂钩、集水槽与回水软管、灌管固定机构等组成，可满足滴水性能试验要求。试验台见图2。

图2 DG-14型滴灌装置性能试验台

2.3 测试方法

本测试方法适用于非恒流滴灌管（带）和恒流式滴灌管（带）[2]。对于非恒流滴灌管（带），抽取1个试验单元，将试验单元样品支管进水口与水源相连，堵上除滴头/滴水元件以外的出水口，向内充水，排尽空气后逐渐（20～40s）加压至额定工作压力，稳定滴水至少3min后，用集水容器收集每个滴头/滴水元件的滴水量，滴水时间应不少于3min。用量筒测量集水容器中的滴水量并计算成流量。按式（2）和式（3）计算流量变异系数。

对于恒流式滴灌管（带），抽取1个试验单元，将试验单元样品支管进水口与水源相连，堵上除滴头/滴水元件以外的出水口，向内充水，排尽空气后，调节试样中滴头/滴水元件的运行状态，使其共运行1h。调节步骤如下：设置为最小工作压力，保压3min；设置为最大工作压力，保压3min。反复3次。

设置为压力调节范围的中间值，并保持到整个调节过程（1h）结束。在进水口压力保持调节范围中间值的条件下，稳定滴水至少3min后，用集水容器收集每个滴头/滴水元件的滴水量，滴水时间应不少于3min。用量筒测量集水容器中的滴水量并计算成流量。按式（2）和式（3）计算流量变异系数。

2.4 方法特点

（1）试验方法科学准确。本试验所采用的滴灌装置单元是由支管、滴灌管（带）、管件、过滤器等组合连接而成，试样构成了实际应用的基本施水单元，因而试验更接近实际，结果更能准确反映滴灌设备灌水性能。

（2）优化试验过程，易于操作。与GB/T 17187—2009相比，滴头/滴水元件数量由25个减至14个，减轻了试验工作量。采用DG-14型滴灌装置性能试验台，确保了试验条件稳定，并且能瞬时同步启闭接取滴灌管（带）的滴水，试样与试验台拆卸方便易行，很好地满足了试验要求。

3 方法验证

3.1 试验方法

对非恒流式8G-32×0.30型滴灌装置进行试验。该滴灌装置工作压力范围为0.08～0.12MPa，额定流量4L/h，额定工作压力0.1MPa，滴灌带采用内镶迷宫式。按两种方法制备试验样品，试验条件满足标准要求，并分别进行流量一致性试验。试验重复5次[3]。

3.2 试验结果

两种方法的试验结果见表1。采用极差分析法对两组试验结果进行分析[4,5]。经计算，现行方法重复5次试验的极差R1=0.38，改进方法重复5次试验的极差R2=0.04，R1＞R2。由此说明在试验条件一致的情况下，采用现行方法试验所得结果稳定性较差、单次试验结果波动性较大。而采用改进方法试验由于受试验过程因素影响较小，因此所测定的结果稳定性好、单次试验结果基本接近，试验结果更具有可比性和复现性。