专业应用对滴灌设备的技术指标和功能的要求分析

李淑珍，李明思

(1.新疆水利厅水利水电设计规划管理局，乌鲁木齐 830000；2.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

自2000年以来，随着膜下滴灌技术在新疆兵团的大面积应用，滴灌技术也在我国快速推广，目前已有新疆、辽宁、内蒙古、甘肃、宁夏等省区大力推广该技术，仅新疆的滴灌技术应用面积就已达到3.5×106hm2，占全国滴灌面积的60%以上，成为全国乃至世界最大的滴灌技术应用区。

伴随着滴灌技术的广泛应用，各种规模的滴灌设备生产企业应运而生。由于各生产企业的技术力量、生产经验、管理水平等方面参差不齐，不仅生产出的滴灌设备质量良莠不齐，影响了农民的使用[1]，而且对其产品的技术指标提供的也很少，不方便工程设计人员和管理人员的应用。尽管国家相关部门制定了滴灌设备质量标准[2，3]，对滴灌设备的质量水平起到约束作用、对滴灌设备市场的发展有积极作用，但是对设备的专业性或专业特征(如适用范围、专业指标类型等)并没有过多要求。大部分企业只是给出其产品的主要性能指标，如滴头流量、工作压力、滴头间距等(有的企业还给出了滴灌管100 m均匀度等指标)，而对于其他与滴灌工程设计和管理有关的技术指标则没有给出，或只在产品检测报告中出现。但是，世界知名滴灌设备生产企业都会给出较全面的产品类型和技术指标，以便于滴灌工程设计人员选用。例如，NETAFIM公司[4-6]的滴灌产品中，滴灌管不仅给出其壁厚、内径、额定流量、滴头间距、UV阻力、推荐相应的过滤器目数和滴灌管工作压力，还给出滴头流量、滴头流态指数、滴头流量系数以及流量和压力对应曲线；有些内镶式滴头还给出了流道的长度、宽度、深度，便于工程设计人员评估该滴头的抗堵性能；对于压力补偿式滴头还给出了最高压力、最小压力、压力补偿范围、滴头流量系数等指标。对于盘式过滤器给出了工作压力、反冲洗压力、过滤面积、冲洗流量、冲洗周期以及允许的水质；网式过滤器还给出了压力与流量对应曲线、过滤网目数和允许通过的泥沙粒径对照表、水质类型、水质范围等指标。AMIAD公司[7,8]的产品指标也比较全面，与NETAFIM的类似；即便是RAIN BIRD公司[9,10]的滴灌产品也会给出压力和流量对应曲线。有了这些专业性的技术参数，滴灌工程设计人员和管理人员才能够科学地设计和管理滴灌系统。

另外，灌溉技术不仅要解决作物对水分的需求，也要满足作物对田间环境和生态的需求，因此需要滴灌系统能够根据不同作物的生理生态特点提供不同的土壤水分环境。然而，目前许多滴灌设备生产企业的产品种类单一，往往是一种滴灌带(管)灌溉多种作物，或应用在多种土壤上[11，12]，既不能很好满足作物根系对土壤水盐空间分布的要求，也不能满足作物冠层对空气温、湿度的要求。然而，国外滴灌设备产品的类型对作物的需水特征有所考虑(NETAFIM，RAIN BIRD)，有针对不同作物的微灌产品，尽量做到给作物提供合理的小气候环境。这些问题都反映出我国滴灌产品对专业化应用考虑不够，从而造成产品的专业化程度低、技术含量低；这不仅影响产品本身的市场竞争力，也难以保证田间的灌溉质量。

本文从专业应用角度分析滴灌设备生产企业所应提供的产品技术指标和应当发展的产品功能，希望能为正确认识滴灌设备的专业化含义提供帮助，为滴灌设备的专业化发展提供思路。

1 滴灌系统设计(管理)中对滴灌设备技术参数的要求分析

由于目前滴灌设备还做不到统一的系列化和专业化，我国灌溉工程设计人员在进行滴灌系统设计时，首先要确定滴灌设备生产厂家的产品类型，然后才进行工程设计。在设计中主要是依据厂家提供的产品技术指标来划分灌水小区、计算管道水头损失、选配过滤设备和确定配套方案。如果厂家提供的设备技术指标比较全面、合理，则工程设计人员可以比较科学合理地设计滴灌系统，否则，设计人员只能对某些问题进行估测或则干脆忽略掉，这样就影响了工程设计质量。

1.1 灌水器(滴头)的技术指标

1.1.1 灌水器流态指数x和流量系数k

根据《微灌工程技术规范》(GB/T 17187-2009)[13]，进行滴灌工程设计时首先要知道灌水器的额定流量qd和额定水头hd以及流态指数x。除了压力补偿式滴头以外，大部分灌水器的出流量与工作压力之间都呈幂函数关系[14，15]：

q=khx

(1)

式中：q为灌水器流量，L/h；h为灌水器工作压力，mH2O；x为流态指数；k为流量系数。

滴灌过程中，滴灌带(管)中的压力会由于各种原因而出现频繁波动。灌水器工作敏感性(工作稳定性)是评价其抗干扰能力的指标，是灌水器流量对其工作压力的导数。

(2)

额定工况下的稳定性为：

(3)

式中：hd为灌水器额定工作压力水头，mH2O。

由于x<1，所以∂q/∂h将随着hd的增大而减小；∂q/∂h越小则表明滴头工作的稳定性越好；其中，x决定了导数的降低速度，kx决定了导数降低的幅度。显然，灌水器(滴头)的流态指数x和流量系数k是选择灌水器时应该考虑的指标。从式(3)可知，要使流量尽量稳定，流态指数x越小越好，一般x≤0.5即为紊流[14-16]。

大部分滴灌设备生产企业都只提供灌水器(滴头)的额定流量和额定工作压力，或者还提供灌水器间距，但是对其流态指数和流量系数都不提供，更不提供滴头的流量与压力之间的对应关系曲线，所以工程设计人员无法评估灌水器的工作稳定性，也就做不到合理地选择灌水器。

在滴灌工程管理中，需要通过灌水小区中的灌水器流量偏差来评估相应的水头偏差，以检验工程设计质量[13, 15]，此时也需要知道灌水器的流态指数x。

(4)

(5)

式中：Hv为灌水小区水头偏差率；qv为灌水小区流量偏差率；qa为灌水小区灌水器平均流量，L/h；qmax为灌水小区灌水器最大流量，L/h；qmin为灌水小区灌水器最小流量，L/h。

我国相应的标准中[2]要求企业对其滴灌灌水器进行流态指数x和流量系数k检测，但是多数企业在其产品说明中并不提供该参数，工程设计人员在设计滴灌系统时只能根据生产企业所提供的灌水器类型将流态指数取为0.5来进行设计。国外的试验资料表明[14, 16，17]，不同类型的紊流灌水器的流态指数可在0.3～0.7之间变化，并不一定都是0.5。所以，生产企业有必要在产品说明书里给出其灌水器具体的流态指数和流量系数，或者提供灌水器流量-工作压力关系曲线，这样才能使工程设计人员用起来更加直观方便。

1.1.2 灌水器制作偏差率

灌水器制作偏差率指标是企业产品的质量指标，行业部门有统一的规范要求[2, 15]。滴灌灌水器制作偏差率小于0.1时才被视为质量合格(滴灌带的合格标准为≤0.2)，而且根据数据级别将灌水器质量分成不同等级。我国多数滴灌设备生产企业在其产品说明中往往对这一指标说得较笼统，只给出合格标准。实际上滴灌灌水器制作偏差率指标也是工程设计人员在设计滴灌灌水小区均匀度时所必需引用的指标[15, 16]。

Christiansen法计算灌水均匀度以及流量偏差率qv时，只考虑了压力水头偏差对这些指标的影响，没有考虑灌水器制作偏差所造成的影响[13]。而Keller灌水均匀度的计算方法则考虑了灌水器制作偏差的影响[17]，国外多用该种方法设计滴灌灌水小区[15]。

(6)

式中：Eu为灌水均匀度，%；Cv为灌水器制作偏差率；n为每株作物所用的灌水器数，n≥1。

由于滴灌是小流量灌溉，而且灌水量少、水分入渗深度浅，所以，灌水小区内最小的灌水器流量qmin是控制灌水质量的关键因素。最小灌水器流量不仅与工作水头压力有关，还与灌水器制作偏差率有关。虽然Keller灌水均匀度计算方法被认为计算结果有时不合理[18]，但是它从理论上揭示出灌水小区的灌水均匀度受灌水器制作偏差的影响这一事实。即便是在计算灌水小区中灌水器流量允许总偏差率时也需要考虑这一指标[19]。

(7)

(8)

式中：[qv]为灌水小区允许流量总偏差率；[qhv]为因灌水小区压力水头偏差而引起的灌水器流量偏差率；Δz为地面高差，m；qmv为在同一水头压力下因灌水器制作偏差而造成的流量偏差率；kmax、kmin、ka分别为按灌水器流量-压力关系[式(1)]根据实验资料推算出的最大、最小和平均流量系数。

同一灌水小区中一般采用同一规格的灌水器，理论上灌水器的流量-压力关系[式(1)]是不变的，即流量系数k应为常数。但是，由于各灌水器之间存在制作偏差，导致灌水器的流量-压力关系并不稳定，k值是变的，其变化幅度是制作偏差率Cv的函数[20]，这就需要灌水器生产企业在产品说明书中给出灌水器制作偏差率的具体数值，而且应该提供灌水器的流量-压力关系曲线的包络线，这样才能方便工程设计人员合理地评估所设计出的滴灌系统的可靠性。

1.1.3 灌水器流道孔径和抗堵塞性能

滴灌技术的最大弊端是灌水器容易被堵塞，决定其抗堵性能的因素主要是灌水器流道孔径和流速[14, 21]。一般认为，孔径小于0.7 mm的灌水器对堵塞十分敏感；孔径大于1.5 mm的灌水器对堵塞较为敏感。进入流道中的颗粒直径小于流道孔径1/6时才不易造成流道堵塞[14, 22]。流道内流速较小时，可使细小颗粒滞留在流道拐角处，最后引起流道阻塞[22, 23]。灌水器流速与其工作压力呈幂函数关系[类似式(1)]，灌水小区内压力最低点可能就是最易产生灌水器阻塞的地方；排除同一粒径的颗粒时，灌水器流道孔径越大，所需要的工作压力会越小。所以，要解决滴灌系统抗堵塞问题，不仅要设计灌水小区的压力分布形式，还要了解灌水器流道孔径大小。但是，国内部分滴灌设备生产企业在灌水器产品说明书中没有给出流道孔径值，也不推荐其适宜的过滤器目数，给工程设计人员的工作造成不便。而NETAFIM公司[4-6]针对各种类型的灌水器(滴头)都会推荐网式过滤器的目数，便于工程设计人员选用。

1.2 过滤器的技术指标

滴灌系统的最末一级过滤设备一般是网式过滤器，其目数是根据灌水器流道孔径而定的，是防止灌水器堵塞的最后一道屏障。然而，网式过滤器需要一定的工作环境。泥沙粒径越大，过滤器越容易被堵塞；而过滤器一旦出现小面积堵塞现象，就会加快堵塞速度，造成大面积堵塞[24，25]，使过滤器阻力急剧增大，最后必须对过滤器进行冲洗，影响田间正常灌溉。即便是在泥沙粒径较小的条件下，如果含沙量较大，同样会造成过滤器很快堵塞[26]。文献[25]的试验结果表明，网式过滤器的堵塞频率与泥沙的级配有关；在相同含沙量下，小于0.03 mm粒径的泥沙含量越多，过滤器堵塞的概率越低；而在相同级配条件下，含沙量越大，过滤器越容易堵塞。因此，要使网式过滤器有效工作，必须控制进入过滤器中的泥沙粒径和含沙量，那么生产企业应该在其产品说明书中提供含沙量-泥沙粒径-清洗效率-水头损失-过流量之间的关系曲线图，该图类似于水泵的全性能曲线图。

徐茂云的试验结果[24]表明，网式过滤器的水头损失Δh随堵塞面积的增大而近似呈指数函数急剧增大；滴灌系统中的有效压力将大幅度降低，必须经过清洗以后才能继续使用。而泥沙颗粒卡入网孔使得清洗困难，或者清洗时间延长，清洗效率η下降，延误农工的正常滴灌。现实生产中，农工通常选用80目的网式过滤器代替100目的过滤器使用，甚至在泥沙含量较高时，将网式过滤器取出不用[2]，其原因就是过滤器频繁堵塞，清洗过滤器占用时间太长。

滴灌工程设计人员在选用网式过滤器时，不仅要以灌水器流道孔径为依据，还要以上一级过滤设备允许通过的泥沙粒径和含沙量为依据，才能选定合理的网式过滤器。这就要求过滤器生产企业提供较为全面的技术参数，不仅要包含过滤器的流量、工作压力，还要包含过滤器所允许的水体含沙量、泥沙粒径范围以及对应的冲洗频率等。实际上，除了网式过滤器以外，沙石过滤器也应该具有全面的技术参数，以方便工程设计人员应用，这样才能使设计方案更加科学。国外知名企业的网式过滤器产品不仅给出了压力与流量关系曲线，还给出目数和允许通过的泥沙粒径对照表、水质类型、水质范围等[6]，方便滴灌系统设计人员选用。

2 作物生长环境对滴灌灌水器功能的要求分析

目前生产滴灌灌水器的企业很多，但是产品都比较单一，以生产滴灌带(包括单翼迷宫式和锯齿式流道)和滴灌管(包括管上式、管间式和压力补偿式滴头)居多，特殊类型的灌水器生产量很少[27]；即便是具有特殊用途的灌水器，企业在设计和生产它们时也只考虑了生产成本、灌水量、土壤湿润区、抗堵塞能力以及耗能等问题，而对作物的生态环境因素考虑不多。

灌溉的目的不仅是为了给作物提供其生长所需要的水量，也是为了给其提供良好的生态环境状况，而作物对生态环境的要求取决于其生理特征的要求。所以，灌溉技术的设计除了以工程科学为基础以外，还应当以植物的生物学理论(包括生理学和生态学)为基础。

果树的根系分布都较宽，下扎也较深，这样才能有较大的锚固强度以承受由冠层传下来的重量和风荷载。然而，有些果树滴灌系统采用普通的滴管带(管)铺设在果树根区两侧，或采用地埋式滴灌管进行灌溉[11，12]，这样往往造成土壤湿润区小，果树根系分布窄而浅[28]；尽管通过制定合适的灌溉制度可以使果树获得其生长所需要的水量，但是不能保证其长大后的动力稳定性。这种情况下，应采用果树专用的盘旋式滴灌灌水器[9]，根据果树根系铺展范围布置灌水器，使土壤湿润区能很好覆盖根系范围，这种滴灌产品在国外很普遍；或者还可以采用插入式滴头[29]，即可增大土壤湿润的深度，也可根据根系铺展范围布置滴头，保证土壤湿润面积和湿润深度。

国内也有个别地方对果树滴灌采用了盘旋式灌水器，但是，对这种灌水器的理解仅仅是将内镶式滴灌管剪成小段后再连接在供水管上围着树下盘旋使用，看起来很像盘旋式滴灌，实际上它们的设计理念完全不同。盘旋式滴灌灌水器要在整个覆盖面积上滴灌均匀，其滴灌管的长度是根据盘旋覆盖面积的半径、管间距、滴头间距和滴头流量而设计出来的；但是在国内的小范围应用中，滴灌管的长度基本上是随意确定的，灌水均匀度难以保证。

插入式滴灌灌水器是在盘旋式灌水器的基础上的改进，目的是增加土壤湿润深度。插入式滴头为杆状，一端是进水口，与滴灌供水管相连；另一端是出水口，杆内是具有特殊形式的消能流道[29]。使用时可以根据设计湿润深度选择不同长度的滴头，将出水口插入土壤设计深度。如果滴头被堵塞，可以很方便地将滴头拔出进行清理，然后再插入土壤内。

多数蔬菜类作物喜欢湿润环境，并对强光辐射较为敏感，灌溉时应为其提供较高冠层湿度。这种情况下最好采用微喷灌，既可提高冠层湿度，又可削弱光照辐射[30]。而微喷灌技术在干旱地区易产生明显的蒸发(飘移)损失，其节水效果不及滴灌技术。因此，可研发喷-滴两用灌水器；低压时处在滴灌状态，用于灌水；高压时处在微喷灌状态，用于增加冠层湿度和削弱强光。这一类的灌水器就是根据作物生理生态特点而研发的，更具有专业性。

3 讨 论

目前我国滴灌设备生产企业在增多，但是生产出的产品大都技术含量较低，没有体现产品的专业性应用，或者对滴灌设备的所谓专业性的含义还认识不清，这不利于滴灌技术的可持续发展和产业化发展。

所谓的产品的专业性主要指产品对专业应用的满足性；而应用该产品的用户不仅仅是它的直接用户，还包括一切为直接用户服务的、并且与产品有关的间接用户。理论上来说，滴灌设备的直接服务对象是作物，然后是直接使用它的用户——农民。作物对滴灌设备要求主要表现在功能上的需求，而且这些要求取决于作物的生理生态特征和土壤特点，并由农艺专家向企业提出产品性能要求。农民关心的也是滴灌设备的功能，主要是操作和使用上的功能，例如滴头的出流量、出流均匀度、耐久性；过滤器的工作稳定性、抗堵塞能力等。然而，农民所用的滴灌系统是由工程设计人员为他们选择和设计的，而设计人员需要对滴灌设备的各项技术指标了解得更为全面才能设计出可靠的系统交付给农民使用；同样，滴灌系统维护和管理人员也是要比农民对滴灌设备的性能了解得更多，才能对滴灌系统进行更好的维护，保证农民正常使用滴灌技术。由此可见，直接用户主要关注的是滴灌产品的功能；而间接用户(工程设计人员和管理人员)还关注滴灌产品的技术参数。所以，对于滴灌设备生产企业来说，产品的专业化发展不能只考虑农民的使用要求，还要考虑作物、工程设计人员和管理人员的要求。然而，我国大多数滴灌设备生产企业在产品开发时只关注农民对产品的功能要求，而对设备的技术指标提供的很少，对作物的生态需求考虑的更少。

滴灌设备生产企业在发展其产品的专业性时应做系统的思考，不仅要系统地认清产品的用户群体，还要系统地认清每个设备之间的工作联系，这样才可以得出产品专业性发展的结构。首先，在系统认清用户群体方面以农民群体为中心用户(在考虑作物对田间小气候要求的基础上)，向上游延伸到工程设计群体、向下游延伸到工程维护和管理群体，系统分析各用户的需求。作为中心用户的农民群体决定着产品的功能需求，例如产品的种类、产品所能完成的工作内容、产品的质量及耐久性、产品的可操作性和产品的成本等；而作为工程设计人员和管理维护人员，除了关注以上产品功能以外，还关心产品的技术指标，而这些技术指标正是衡量产品专业性的标准；技术指标越全面，产品的专业属性则越强。其次，滴灌系统的各种设备之间都是配合工作的，其工作性能之间存在相互联系；所以，在滴灌工程设计中，各设备的技术指标之间也相互制约。如果企业只给出具体设备的技术参数，而不推荐(或考虑)与其联合工作的其他设备的相关技术参数，也不利于工程设计人员或管理人员对设备的设计选型和更换维护。

企业要提供完备而详细的设备技术指标，就必须搭建具有一定技术层次的产品检测平台；组建有一定规模和有一定专业水平的技术团队，从整个用户链的角度出发研究所生产的设备应该具有的功能和技术指标以及这些指标的科学性、测定方法和表达形式；还要定期对所生产的设备进行抽样检测，保证设备各项性能的稳定性、技术指标的可靠性，这样才能确保产品的技术含量。

4 结 语

本文从滴灌设备的应用群体对设备性能的不同要求出发，分析了国内滴灌设备生产企业应该向工程设计群体和管理维护群体提供的产品技术参数种类以及灌溉设备应该向作物提供的专业服务内容，认为与国外知名企业的滴灌设备的专业属性相比，我国滴灌设备生产企业对其设备的技术参数提供的较少，产品种类也相对单一，不便于各个用户群体的合理应用，使滴灌设备的专业属性体现得不够；其原因在于企业在开发自己的产品时缺乏系统性思维。滴灌设备生产企业应该从用户群体链以及各个设备之间的工作关系链等方面来设计其产品的服务功能，才能使其产品更加专业化。