低压对不同滴头水力技术指标的影响

2021-09-02郑国玉马军勇周建伟刘湘岩

节水灌溉 2021年8期

郑国玉，马军勇，何帅，周建伟，李彦，刘湘岩

（1.新疆农垦科学院农业农村部作物高效用水石河子科学观测实验站，新疆石河子832000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052；3.新疆惠利灌溉科技股份有限公司，新疆石河子832011）

0 引言

滴灌技术是高效的管道加压节水灌溉技术，一般的大田滴灌系统滴头的工作压力按照0.1 MPa 设计，到滴灌首部工作压力达0.25 MPa 以上，因此滴灌系统正常工作需要的能耗较高。随着滴灌技术的大面积应用，滴灌系统能耗高的问题得到了国内学者的关注，低能耗、高效成为滴灌技术发展的趋势。本研究成果将为低压滴灌系统设计及应用提供科学依据。王伟[1]提出了一种低压滴灌系统，牛文全[2]提出低压滴灌为工作水头低于5 m，系统成本及运行费用较传统滴灌降低25%。工作压力的降低会影响滴头性能指标及灌水均匀度的变化，国外学者针对低压滴灌系统[3-5]、水力性能[6-10]、灌水均匀度[11-14]等开展了相关研究，并对低压灌水器结构及配套设备[15-18]进行了研发，这些研究结果丰富了低压滴灌技术体系的内容，但是针对不同管径的滴头进行低压水力性能及应用条件相关研究较少。本试验选择2 种管径8 种滴灌管线的滴头进行研究，研究分析低压对不同管径不同滴头类型的制造偏差、流态指数、流量偏差的影响。解决目前低压滴灌系统中应用现有滴灌灌水器灌溉时技术参数不明确，造成灌溉均匀度低、灌水质量不高、水分利用率低的问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

滴灌管线选择8 种滴灌管线，其中A1～A4 为管径为16 mm 的滴灌管线，B1～B4 为管径为12 mm 的滴灌管线，其中A2、A4、B1、B4 为侧翼迷宫式滴头，A1、A3、B3 为内镶贴片滴头、B2为内镶柱状滴头，基本参数见表1。

表1 滴灌管技术参数Tab.1 Dripper-line technical parameter

1.2 试验方法

测定方法参照GB/T17187-2009 农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法，采用自制恒压滴头测试平台测定，测试平台包括水源、水泵、恒压罐、压力表、试验台等组成，试验每次测3条滴灌管，共30个滴头，分别测试10、20、30、40、60、80、100、120、140 kPa 工作压力下的滴头流量，测定时间6 min，采用精度为2.5级的压力表测定压力，滴头流量采用称重法测定，试验重复3次，取平均值计算流量。

1.3 滴头变异系数计算公式

式中：Cv为滴头的变异系数，%；Sq为试样流量标准偏差，L/h；为试样流量平均值，L/h。

1.4 流量偏差计算公式

式中：qv为滴头的偏差率，%；qmax为最大滴头流量，L/h；qmin为最小滴头流量，L/h；qd为设计滴头流量，L/h。

2 结果与分析

2.1 不同压力对滴头变异系数的影响

滴头变异系数是衡量滴头性能的重要参数之一，相同工作压力下滴头变异系数越小，说明滴头流量的离散程度越小，滴头性能越好。根据测定10～140 kPa 压力下的滴头流量，利用公式（1）计算不同压力下的各试样的滴头变异系数，结果见图1。由图1可知，在额定工作压力（100 kPa）下仅试样B4的变异系数Cv大于5%。在低压（10～60 kPa）情况下试样A2、A4、B1、B4 滴头的变异系数随着工作压力的降低而增大，当工作压力小于40 kPa 后变异系数Cv大于5%，而试样A1、A3、B2、B3滴头的变异系数变化趋势不明显，且Cv均小于5%，因此从滴头的变异系数方面看，在低压工作情况下A1、A3、B2、B3四种试样的滴头的性能优于A2、A4、B1、B4。

图1 不同类型滴头的变异系数Fig.1 Coefficient deviation of different types of emitter

2.2 低压条件下滴头流态指数的特性

滴头工作压力与流量关系如下：

式中：q为灌水器的流量，L/h；k为系数；H为工作压力，kPa；x为流态指数。

灌水器的流态指数x是衡量灌水器性能重要指标，流态指数值越小，工作压力变化对灌水器流量的影响越小。滴头的流态指数是通过实测不同压力下的滴头流量，利用软件拟合计算得出。分别对每个试样按低压（10～60 kPa）和常压（10～140 kPa）两个工作压力范围进行流量和压力关系拟合，计算出两种压力范围下滴头的k值和x值，并绘制8 个试样的流量压力关系曲线，见图2。

图2 不同工作压力下滴头流量压力曲线Fig.2 Curve of flow rate and pressure of emitter under different working pressure

由图2 可知，低压对不同类型滴头的流态指数的影响不同，试样A1、A2、B1、B2、B4 的流态指数x比常压分别大0.024、0.006、0.062、0.039、0.003，试样A3、A4、B3 在低压情况下较常压分别小0.015、0.013、0.032。低压工作时滴头的流态指数变化趋势与常压时的流态指数有关，当滴头的常压流态指数>0.5 时，低压工作时流指数变大，常压流态指数<0.5 时，低压工作时流指数变小。两种管径比较，低压情况下管径为12 mm滴灌管的滴头流态指数变化幅度较大。

2.3 低压工作下的滴灌流量偏差率比较

滴头流量偏差率是滴灌系统设计的约束性指标，规范要求滴头流量偏差率qv≤20%，通过分析常压压力流量公式计算流量偏差率达到设计要求时，低压压力流量公式计算出的流量偏差情况，判断常压压力流量公式是否能够用于滴灌系统低压设计。当设计压力hd为60 kPa 和qv为20 %时，利用常压压力流量关系式计算出8 个试样滴头的最小工作压力hmin，然后利用低压流量关系式计算出hd、hmin两个压力下的流量，按照流量偏差率计算公式（2）计算流量偏差，比较低压和常压时流量偏差率差异，结果见表2。

表2 两种压力流量公式计算的滴头流量偏差率比较Tab.2 Comparison of emitter flow deviation calculated by two pressure-flow formulas

由表2 可知，按照常压压力流量公式计算，管径为16 mm的试样中A4 允许压力变化范围最大，最低压力为36.81 kPa，A2 允许压力变化范围最小，最低压力为43.01 kPa。管径为12 mm 试样中B3 允许压力变化范围最大，最低压力为34.17 kPa，B1允许压力变化范围最小，最低压力为43.22 kPa。

管径为16 mm 的4个试样，在常压、低压两种公式计算出的流量偏差的偏差率在-4.06%～5.15%，管径为12 mm 的4 个试样的偏差率在-8.03%～10.74%，说明低工作压力对管径12 mm 的滴灌管影响大于管径16 mm 滴灌管。试样A3、A4、B3利用低压公式计算出的流量偏差均小于允许流量偏差20%，分别为19.38%、19.19%和18.39%，其他5 个试样计算值大于允许偏差，其中B1 的流量偏差最大为22.15%。结果表明，试样A3、A4、B3的滴头，利用常压压力流量关系公式计算低压情况下的流量偏差小于规范规定的限值，可以满足设计要求。

3 讨论

（1）不同压力对滴头变异系数的影响。计算结果表明低压情况下不同类型的滴头变异系数变化不同，这与梁华峰等[19]研究得出的在低压情况下滴头的制造变异系数随着压力降低有增大趋势结论不同，可以发现在低压情况下变异系数变大的滴头均为侧翼迷宫式滴头，内镶贴片式或内镶柱状滴头的变异系数变化不明显。原因是侧翼迷宫式滴头是加热挤压而成，滴头尺寸精度低，而内镶式滴头是由模具注塑制成，制造精度高，因此在低压对侧翼迷宫式滴头的变异系数影响较大，对内镶贴片或内镶柱状滴头影响小。

（2）低压条件下滴头流态指数的特性。压力流量公式中流态指数x是滴头性能重要指标，试样A3、A4、B3 的流态指数x在低压情况下变小，而另外5 个试样滴头的流态指数x在低压情况下变大，表明在常压下流态指数x＜0.5 的滴头低压工作下x变小，在常压下x＞0.5 的滴头在低压下x变大，这与马晓鹏等[20]研究得出的流态指数随压力的降低而增大结论不同，产量结论不同的原因可能是测试滴头类型的差异。通过不同压力下滴头流态指数变化比较，表明管径对滴头流态指数有一定的影响，管径越小影响越大，原因是相同情况下管径12 mm的滴头较管径16 mm的滴头体积小，因此对压力变化的反应较敏感。

（3）低压工作下滴灌流量偏差率比较。滴头的流量偏差率在滴灌系统设计中具有重要意义，是评价滴灌系统是否合理的重要指标，其取值直接影响滴灌系统布置方式、灌溉质量及工程造价。在实际应用中，常压条件下的压力流量公式中系数k和流态指数x能够得到，但是低压情况下需要进行测试后才能得到，因此需要找出一种途径简化实际设计中缺少技术参数问题。通过两种压力流量公式计算流量偏差率的比较，结果表明当常压公式试算出qv=20%，滴头流态指数x＜0.5 时，低压公式试算出的qv＜20%，滴头流态指数x＞0.5 时，低压公式试算出的qv＞20%，因此当滴头流态指数x＜0.5 时，可以用常压压力流量公式进行低压滴灌设计。