果树灌水器关键参数对灌水均匀度影响的研究

王金振，马伟荣，孙致远，李远航，李 茂，彭 磊，李 琦

（1.云南农业大学机电工程学院，昆明650201；2.红河哈尼族彝族自治州经济作物技术推广站，云南红河661199；3.云南农业大学园林园艺学院，昆明650201）

0 引言

我国水资源较为丰富，但分布不均，北方地区降水少，干旱缺水；南方地区降水多，但季节性干旱突出[1]，且人均占有量处于世界末位，目前已被联合国列为13 个贫水国家之一[2]。农业灌溉水有效利用系数是指在一段时间内灌溉且被作物吸收利用的水量与水源地总引水量的比值[3]，而我国农田灌溉水有效利用系数仅为0.559[4]。水资源浪费现象严重，有效利用系数与发达国家有较大差距[5]。节水灌溉项目是我国现阶段农业发展的重要环节[6]，为了有效利用水资源，我国应发展现代农业灌溉技术，做好节水工作[7]。

在目前众多灌溉方式下，其中根域灌溉小管出流的方式可以实现快速灌溉，没有水沿土壤表面的流失和蒸发，也避免了无效灌溉层的水分损失[8,9]。

孙梦莹[10]等研究了2种管径毛管的布设方式与进口压力对灌水均匀度的影响，得到布设方式、管径及压力对灌水均匀度影响均呈显著水平；付旭辉[11]等针对滴管管网设计参数包括管长滴头间距坡比等对出流均匀度的影响指出在一定的坡比管长等边界条件下适当的初始水头滴头间距参数组合可满足滴灌系统的出流均匀度要求；由于前人研究都是基于滴灌针对均匀度问题，本研究将基于根域灌溉研究灌水器参数对灌水均匀度的影响作用。

在灌溉中，影响灌水均匀度的因素有很多，例如灌水器的压力变化、制造误差、堵塞情况、地形坡度等都会影响灌溉系统的均匀性[12-18]。灌水器参数是多方面因素中最容易改变且影响最大的因素之一，它一旦影响了出水量，就会降低了滴灌均匀度，直接影响了灌溉系统的使用寿命和经济效益[19]。本文研究灌水器参数对灌水均匀性的影响，涉及的参数主要为根灌管的铺设长度、出水孔间距、首端进水压力。本文采用模拟试验和数据分析的方法，确定试验因素及水平，建立正交试验，找出最优的试验因素组合。

作者研究团队承担了华宁县新村柑桔有限责任公司柑桔园水肥一体化灌溉系统设计工作，灌溉总面积20 hm2，其中：3 号地块为根域灌溉区域，面积4 hm2，其余为地块为微喷灌灌溉区域面积16 hm2，为解决3号地根域灌溉系统中出水毛管首端进水压力、管道铺设长度和出流孔间距对灌水均匀度的影响问题，在云南农业大学灌溉工程实验中心搭建模拟实验平台，研究灌水器参数对灌水均匀性的影响，为项目建设地水肥一体化灌溉系统设计提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验地基本概况

本试验地点为云南农业大学灌溉工程研究中心，地势较平坦，坡度0°～3°与拟建设水肥一体化灌溉系统的华宁县新村柑桔有限责任公司柑桔园3号地地势情况相同。

1.2 试验材料

试验材料为PE 材质软管，规格为外径8 mm，内径6 mm；试验用到的设备有量程为1 MPa，精度为0.3%的压力表；试验称重设备电子秤量程为30 kg，分度值为10 g；试验测量设备还有量筒、秒表等。

1.3 试验方法与设计

1.3.1 试验方法

由于项目建设地为7年生柑桔树，株距为2 m，灌溉所用管道为内径6 mm，壁厚1 mm 的PE 管，因此，搭建的模拟实验平台使用相同材质和规格的PE 管进行管道铺设，铺设方式见图1。模拟试验地柑桔滴水线和株距，将其绕成一个个直径为79.6 cm 的环形状圆圈，每个环形状圆圈相隔2 m，管道末端封起。每个环形状圆圈管道上使用专用钻套精细打孔，小孔直径为1 mm，保证孔径误差不小于0.1 mm。

试验开始先在入水口装设误差精度为0.3%的压力表，然后通水疏通管道，打开溢流阀一分钟稳定并逐步调节水压，将压力表指数稳固在定值。再用防水胶带把容量瓶固定在每个出水孔下面，测定孔口流量。

测量时先用量筒测量容量瓶内水的体积，再用电子秤称量每个环形管道下的所有容量瓶内水的重量。

1.3.2 单因素试验

选取管道铺设长度（展开值）为A、开孔间距为B、首端进水压力为C 共3个影响因素，分别记作A、B、C，选取各因素不同水平进行单因素试验，考察不同灌水器参数对灌水均匀度的影响。

1.3.3 单因素试验设计

单因素试验分为3 组，编号为试验1、2、3，分别以A、B、C 作为变量，其余两个因素控制不变，进行灌水试验。由于L1为进水管道且装有压力表，L3为出水管道且末端封起，两者都为定值，不属于有效灌溉管道铺设长度，因此不计入因素A中。

式中：n为绕圈个数；2.5 为绕圈周长，m；L2=2 （同株距），m。

试验1选取因素A为20.5、25.0、29.5、34.0、38.5、43.0、47.5 m，用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7 表示，分别可绕5、6、7、8、9、10、11 个圈，其中38.5 m 对应的铺设图见图1，因素B 为41.7 cm，C 为0.1 MPa。每组试验重复3 次，共进行21次试验，试验设计见表1。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

图1 管道铺设示意图Fig.1 Schematic diagram of laying pipes

试验2选取因素A为47.5 m，B为62.5、50.0、41.7、35.7、31.3 cm（分别对应每个环形圈4、5、6、7、8 个孔），用B1、B2、B3、B4、B5 表示，C 为0.1 MPa。每组试验重复3 次，共进行15次试验，试验设计见表2。

表2 试验设计Tab.2 Experimental design

试验3 选取因素A 为47.5 m，B 为41.7 cm，C 为0.050、0.075、0.100、0.125、0.150 MPa，用C1、C2、C3、C4、C5表示。每组试验重复3次，共进行15次试验，试验设计见表3。

表3 试验设计Tab.3 Experimental design

1.3.4 正交试验设计

试验3 个影响因素A、B、C，根据单因素试验结果各取3个水平，进行三因素三水平正交试验，通过试验结果计算出每组试验组合的均匀度。

设计本研究正交试验数据表见表4。

表4 因素水平表Tab.4 Factor level table

根据极差大小，判断因素的主次影响顺序。R越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要。

1.4 测定项目

每组试验重复3次，测量每次试验绕成环形的管道各小孔出流量，测得的出流量之差小于2%，最后取平均值作为各小孔实际的出流量，计算各圈上小孔出流量总和。

均匀度计算以克里斯琴森均匀系数表示：

式中：Cu为灌水均匀系数；为各滴头的平均流量，L/h;qi为各滴头流量，L/h；N为测试的滴水孔数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

各因素对灌水均匀度的影响。由图2可知，随着管道铺设长度的增加，灌水均匀度呈减小趋势，但全部处于80%以上，均匀度直观差异并不明显。由图3可知，随着出流孔间距的增加，灌水均匀度呈逐渐增加趋势，但均匀度极差小于10%。由图4可知，随着首端进水压力的增加，灌水均匀度明显逐渐增加，均匀度极差较大，达到30%以上。

图2 管道铺设长度对灌水均匀度的影响Fig.2 Influence of pipe laying length on irrigation uniformity

图3 孔间距对灌水均匀度的影响Fig.3 Influence of hole spacing on irrigation uniformity

图4 首端进水压力对灌水均匀度的影响Fig.4 Influence of inlet water pressure on irrigation uniformity

得出结论：单因素试验中，铺设长度和出流孔间距对均匀度影响较小，首端进水压力对均匀度影响最大。

2.2 正交试验结果

由表5可知，影响灌水均匀度的因素主次顺序是：首端进水压力>管道铺设长度>出流孔间距，即首端进水压力影响最大，管道铺设长度和出流孔间距其次。由正交试验得出小孔出流最优组合是A1B3C3，即铺设长度为38.5 m，出流孔间距为62.5 cm，首端进水压力为0.15 MPa。

表5 正交试验结果Tab.5 Orthogonal test results

2.3 正交试验数据分析结果

通过SPSS 软件进行方差分析，得到主体间效应检验结果见表6。该结果同单因素试验结果相似，根据软件计算出的方差分析表，分析A、B、C 因素的显著性水平，因素主次顺序C-A-B。可知，因素C(首端进水压力)显著性水平小于0.05，影响最显著，因素B(孔间距)和因素A（铺设长度）的显著性水平的大于0.05，影响不显著。

表6 主体间效应检验Tab.6 Inter-subject effect test

表7 和表8 分别为因素A（铺设长度）作均值比较，从均值报告来看，均匀度随着铺设长度增加而减小，从组间方差显著性来看铺设长度对均匀度的影响为不显著，即sig=0.630>0.05，表示各组间不存在明显差异，即不同铺设长度下的灌水均匀度不存在明显差异。

表7 铺设长度均值报告Tab.7 Average laying length report

表8 铺设长度ANOVA表Tab.8 Laying length ANOVA table

表9和表10分别为因素B（出流孔间距）作均值比较，从均值报告来看，均匀度随着出流孔间距增加而增大，从组间方差显著性来看出流孔间距对均匀度的影响不显著，sig=0.969>0.05，而且大于因素A的0.630，表示各组间不存在明显差异，比因素A 差异性更大，即不同出流孔间距下的灌水均匀度不存在明显差异。

表9 出流孔间距均值报告Tab.9 Average outlet hole spacing report

表10 出流孔间距ANOVA表Tab.10 Distance between outlet holes ANOVA table

表11和表12分别为因素C（首端进水压力）作均值比较，从均值报告来看，均匀度随着首端进水压力增加而增大，从组间方差显著性来看首端进水压力对均匀度影响为显著，sig=0.005<0.05，表示各组间存在明显差异，即不同首端进水压力下的灌水均匀度存在明显差异。

表11 首端进水压力均值报告Tab.11 Average inlet water pressure at the front end

表12 首端进水压力ANOVA表Tab.12 Inlet water pressure at the front end ANOVA table

3 讨论与结论

采用小孔出流试验的方法，与张慧等[20]研究的灌水器参数对均匀度的影响大致相同，都是进水压力大于铺设长度。徐茹等[21]研究则发现为保证较好的灌溉均匀度,一定作用压力条件下微喷带存在极限铺设长度;在实际使用中,应根据微喷带的具体结构形式设定铺设长度与首部工作压力。本试验对影响小孔出流的均匀度的主要因素进行分析，以管道铺设长度、出流孔间距和首端进水压力为影响因素，以出水均匀度为评价标准，设计L9(33)正交试验，得出小孔出流均匀性最优的组合是首端进水压力为0.15 MPa，出流孔间距为62.5 cm，铺设长度为38.5 m 的组合，影响灌水均匀度的主要因素为首端进水压力，而铺设长度和出流孔间距并无显著性影响作用。

该实验结果较好地支持了项目建设地-华宁县新村柑桔有限责任公司柑桔园3号地块的水肥一体化根域灌溉系统设计工作，2021年3月1日，项目建设地的水肥一体化根域灌溉系统完成安装调试工作，经过灌水均匀性检测，3号地块的水肥一体化根域灌溉系统灌水均匀度到达92%，一次通过验收。