铺设长度及入口压力交互作用对小流量滴灌带灌水均匀度的影响
2023-09-11阿垦里白木赛李丰琇艾鹏睿马英杰付秋萍阿布都卡依木阿布力米提
阿垦里白·木赛, 李丰琇, 艾鹏睿, 马英杰, 付秋萍 田 敏, 阿布都卡依木·阿布力米提
(1. 新疆农业大学 水利与土木工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052; 2.新疆水利工程安全与水灾害防治自治区重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052; 3.新疆中农智水科技有限公司, 新疆 昌吉 831100 )
1 研究背景
滴灌是一种局部灌水方式,具有节水、节肥、省工、总投资少、高效等明显优点[1-3],在新疆的玉米[4-5]、小麦[6-7]、棉花[8-9]等多种作物种植中得到应用。但由于滴灌带铺设长度短、出地桩和阀门数量多、安装工作量大、一次性投资高、机械化作业不方便等原因,制约了当地滴灌技术的推广。随着土地运营规模不断扩大以及高标准农田建设和自动化滴灌技术的发展,长距离滴灌带铺设成为发展趋势,但灌水质量是否满足作物需水要求,是亟待验证的关键问题。
2022年4—10月在新疆维吾尔自治区昌吉市昌吉国家农业科技园区京新园农场实施了一项滴灌工程项目,滴灌带单侧铺设长度达到295 m,滴灌带采用进口和国产两种类型,其大田布置如图1所示。但该项目没有系统测试和分析灌水质量情况。已有研究表明,灌水均匀度是对滴灌系统灌水质量进行评估的核心指标,因此,开展不同铺设长度及入口压力的交互作用对小流量滴灌带灌水均匀度的影响研究,对于科学评价滴灌带灌水质量,指导滴灌工程实施等生产实践活动意义重大。
图1 进口滴灌带与国产滴灌带大田布置示意图(单位:m)
在设计滴灌系统并进行运行管理时,灌水均匀度是一个关键指标,采用较高的灌水均匀度能够达到作物增产、提质的目的,但会导致滴灌系统运营成本增加[10];而在灌水均匀度较低的情况下,不仅会造成作物减产还会出现水分渗漏以及养分流失的情况,进而引发面源污染。张国祥等[11]认为,为了提升滴灌系统的灌水均匀度、控制系统运行成本,滴头设计水头应小于5 m。因而系统铺设长度、入口压力与灌水均匀度的关系一直备受关注。李文等[12]、刘焕芳等[13]认为入口压力对灌水均匀度的影响较小,而铺设长度对灌水均匀度影响显著。席奇亮等[14]认为内嵌式滴灌带的灌水均匀度优于薄壁式滴灌带,更适合用于长距离铺设。郑国玉等[15]研究发现,低压系统中滴头流态系数不大于0.5的滴灌带可以改善低压系统的灌水均匀度,确保灌水质量要求。以上研究结果丰富了滴灌系统灌水均匀度的内容,但是,关于大田中常使用的滴灌带的最佳铺设长度、不同铺设长度和入口压力的交互作用对灌水均匀度的影响、铺设长距离滴灌带是否满足灌水质量要求等问题的研究较少。因此,本文以3种以色列产小流量滴灌带与1种国产当地常用的滴灌带为研究对象,开展不同毛管入口压力和铺设长度下灌水均匀度测试试验,对低压系统中4种滴灌带质量等级进行评价,分析不同铺设长度及入口压力条件下灌水均匀度的差异及交互效应影响,根据最大灌水均匀度要求,对低压条件下铺设长度与入口压力组合进行寻优,并建立灌水均匀度与变差系数的相关关系,以期为长毛管铺设的滴灌系统优化布置提供理论依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
本试验于2022年9月在新疆维吾尔自治区昌吉国家农业科技园区开展,园区位于天山北缘、准噶尔盆地南缘(87°06′13.08″E,44°11′09.59″N,海拔578 m),属于温带大陆性气候,大于10 ℃积温度为3 183.1 ℃,年均降水量为242 mm、蒸发量为1 566 mm、风速为1.7 m/s、日照时间为2 867 h,6—9月日均太阳总辐射为19.5 MJ/(m2·d),日均相对湿度为55%。
2.2 试验材料
本试验选用以色列耐特菲姆(Netafim)农业科技有限公司生产的3种Stream line X进口内镶式小流量滴灌带(以下简称J1型、J2型、J3型)和昌吉市昌吉国家农业科技园区常用的一种国产内镶式滴灌带(以下简称G型)进行对比试验,各型滴灌带基本参数见表1。
表1 试验用滴灌带参数
2.3 试验装置与方法
滴灌系统试验装置如图2所示。将地表水水源引入储水池(体积为45 m3),采用智能永磁变频水泵(型号为XL25GZHB 2-20)进行增压,运用压力调节阀对滴灌带进口压力进行调节(压力表精准度为0.025 MPa),使用水杯、量筒、秒表等对滴头流量进行观测,待滴灌带入口压力稳定后开始记录滴水时间(测试时长为6 min)。本试验设置铺设长度和入口压力2个因素,滴灌带铺设长度分别为100 m(L1处理)、200 m(L2处理)、300 m(L3处理),入口压力分别为1 m(Y1处理)、3 m(Y3处理)、5 m(Y5处理)、7 m(Y7处理)、9 m(Y9处理)、11 m(Y11处理),分别测量了不同铺设长度和入口压力条件下滴头的流量,测量时分别从滴灌带首端第4个滴头和末端第4个滴头起沿滴灌带共选取32个测量点(首端16个,末端16个),并计算出灌水均匀度,每组试验重复3次。
图2 滴灌系统试验装置示意图
2.4 灌水均匀度的计算
灌水均匀度是评价滴灌系统灌水质量优劣的主要技术指标之一[16]。本研究采用变差系数(Cv)、Christiansen均匀系数(Cu)和Keller均匀系数(Eu)作为评价指标对所选不同类型滴灌带的灌水均匀度进行评价,各指标计算方法见公式(1)～(5),评价等级划分见表2。
表2 Eu、Cv和Cu指标评价等级划分
Cu计算公式:
(1)
(2)
(3)
Cv计算公式:
(4)
式中:Cv为滴水孔流量的变差系数;σ为滴水孔流量的标准差,L/h。
Eu计算公式:
(5)
2.5 数据处理
利用Excel 2013对全部测试资料进行了整理和计算,并利用SPSS 22.0对其进行统计和分析。
3 结果与分析
3.1 滴灌带不同铺设长度和入口压力下滴水孔流量的变差系数
试验观测了滴灌带不同铺设长度和入口压力下所选滴水孔的流量,并计算出各试验型号滴灌带在不同铺设长度时滴水孔流量的变差系数Cv随入口压力的变化规律,如图3所示。
图3 各类型滴灌带在不同铺设长度时滴水孔流量的Cv值随入口压力的变化规律
由图3可知,当滴灌带铺设长度为100 m时(图3(a)),J型滴灌带在多数入口压力值下满足Cv<0.05,等级属于A(优);G型滴灌带入口压力在1～3 m范围内满足0.10
从上述滴水孔流量的变差系数Cv值分析可知,当滴灌带铺设长度为300 m时,除J1型滴灌带在个别入口压力下质量达到等级B(良)之外,其余均为一般或不合格,试验所测试的3种滴灌带的制造工艺不适宜铺设300 m。
3.2 滴灌带不同铺设长度和入口压力下灌水均匀度的变化
用Christiansen均匀系数(Cu)和Keller均匀系数(Eu)表征灌水均匀度,各类型滴灌带不同铺设长度和入口压力下Cu和Eu的变化分别见图4、5,图中不同小写字母表示处理间存在显著性差异(P<0.05),下同。
图4 各类型滴灌带不同铺设长度下Cu和Eu值的变化
用Christiansen均匀系数(Cu)表征灌水均匀度时,由于J型滴灌带的灌水均匀度随铺设长度和进口压力的变化趋势类似,因此以J1型滴灌带为例进行分析。由图4(a)可知,J1型滴灌带在不同铺设长度条件下,L3处理的Cu值最低(0.886 5),显著低于L1、L2处理(P<0.05),而L1、L2处理的Cu差异不显著;由图5(a)可知,J1型滴灌带在不同入口压力条件下,Y9处理的Cu值最高(0.970 1),显著高于Y1处理,而与其他处理的Cu值差异不显著,说明Cu值随着铺设长度和入口压力的变化而变化,但长度对其变化影响显著,入口压力对其变化影响不显著。对于G型滴灌带,以L1处理的Cu值最高(0.847 9),显著高于L2、L3处理,G型滴灌带3种铺设长度之间的差异均达到了显著水平(P<0.05),在6种入口压力的灌水均匀度中,Y11处理的Cu值最高,与Y9和Y7差异不显著(P>0.05),与其他各处理之间的差异达到了显著水平(P<0.05)。
图5 各类型滴灌带不同入口压力下Cu和Eu值的变化
用Keller均匀系数(Eu)表征灌水均匀度时,由图4(b)、5(b)可以看出,J型滴灌带的Eu值变化趋势也类似。以J1型滴灌带为例,不同铺设长度条件下,L3处理的Eu值最低(0.811 4),显著低于L1、L2处理(P<0.05),而L1、L2处理的Eu差异不显著;不同滴灌带入口压力条件下,Y9处理的Eu值最高(0.958 2),显著高于Y1处理,而与其他处理差异不显著。对于G型滴灌带,3种铺设长度中,以L1处理的Eu值最高(0.824 3),显著高于L2、L3处理,G型滴灌带3种铺设长度Eu值之间的差异均达到了显著水平(P<0.05);6种入口压力中,Y11处理的Eu值最高,与Y1、Y3、Y5之间的差异达到了显著水平(P<0.05)。
通过上述分析认为,虽然J型滴灌带铺设长度为300 m时可满足《微灌工程技术标准》[18]要求,但按照《美国国家灌溉工程手册》[17]评价,灌水质量仅为良或一般,而铺设长度≤200 m时,Eu和Cu值均大于0.9,评价等级为A(优)。因此,建议J型滴灌带铺设长度小于200 m。G型滴灌带的铺设长度为100 m时,Eu和Cu值均大于0.8,评价等级为B(良),也仅能满足《微灌工程技术标准》要求,而铺设长度为200和300 m时,Eu值为0.018 4～0.289 9,评价等级为D(不合格)。
3.3 铺设长度和入口压力交互作用对灌水均匀度的影响分析
根据上文分析,选取100 m(L1处理)和200 m(L2处理)两种滴灌带铺设长度,研究J1型、J2型、J3型和G型4种型号滴灌带在该两种铺设长度和6种入口压力(Y1、Y3、Y5、Y7、Y9、Y11处理)交互作用对灌水均匀度的影响,结果见图6。由图6中灌水均匀度最优的角度来看,当铺设长度为100 m时,J1型滴灌带的最优组合为L1×Y11,其灌水均匀度为0.980 7,J2型滴灌带的最优组合为L1×Y11,其灌水均匀度为0.981 9,J3型滴灌带的最优组合为L1×Y9,其灌水均匀度为0.982 5,G型滴灌带的最优组合为L1×Y7,其灌水均匀度为0.861 0;当铺设长度为200 m时,J1型滴灌带的最优组合为L2×Y9,其灌水均匀度为0.970 0,J2型滴灌带的最优组合为L2×Y11,其灌水均匀度为0.976 6,J3型滴灌带的最优组合为L2×Y11,其灌水均匀度为0.936 8,而G型滴灌带无最优组合。
由图6可知,对于J1型滴灌带,L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11、L2×Y5、L2×Y7、L2×Y9组合的灌水均匀度分别为0.960 0、0.950 6、0.971 8、0.980 7、0.958 3、0.958 8、0.970 0,显著优于其他组合,其中最佳搭配为L1×Y11和L2×Y9;对于J2型滴灌带,L1×Y3、L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11、L2×Y5、L2×Y7、L2×Y9、L2×Y11组合的灌水均匀度分别为0.970 7、0.980 5、0.970 4、0.978 3、0.981 9、0.976 0、0.968 7、0.966 9、0.976 6,显著优于其他组合,其中最佳搭配为L1×Y11和L2×Y11;对于J3型滴灌带,L1×Y1、L1×Y3、L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11、L2×Y11组合的灌水均匀度分别为0.954 6、0.963 8、0.964 4、0.976 5、0.982 5、0.974 7、0.936 8,显著优于其他组合,其中最佳搭配为L1×Y9和L2×Y11;对于G型滴灌带,L1×Y1、L1×Y3、L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11组合的灌水均匀度分别为0.838 6、0.860 1、0.845 4、0.860 9、0.842 0、0.839 2,显著优于其他组合,其中最佳搭配为L1×Y7。
3.4 不同入口压力条件下灌水均匀度各指标间相关关系分析
图7给出了灌水均匀度指标Christiansen均匀系数(Cu)与Keller均匀系数(Eu)、变差系数(Cv)在滴灌带入口压力为低压(1～8 m)及常压(8～11 m)下的线性相关关系。
图7 Cu与Eu、Cv的线性相关关系
由图7可知,无论在低压(1～8 m)条件下还是常压(8～11 m)条件下,Cu均随Eu的增加而增加,呈正相关线性关系,随Cv的增加而减小,呈负相关线性关系,而且Eu值均小于Cu值,这与《微灌工程技术标准》[18]相一致。此外,在不考虑压力的影响时,J1、J2、J3型滴灌带Eu值在0.8～1.0范围内,并且大多数集中在0.96左右,灌水均匀度较高,仅有极少数值小于0.8。Cu与Eu的线性关系为Cu=0.980 9Eu+0.004 8(R2=0.9971);Cu与Cv的线性关系为Cu=-1.009 6Cv+1.006 1 (R2=0.995 7)。表明3个指标的相关性较好,R2均大于0.99,灌水均匀度各指标之间可通过换算进行推求。
4 讨 论
灌水均匀度是评价滴灌系统灌水质量的主要指标之一[17],滴灌带的制造偏差[19]、入口压力[20-21]、铺设长度[22]、地形坡度[23-24]、堵塞[25-30]等都会影响灌水均匀度。由于滴灌带厂家制造技术和材料热胀冷缩变形的影响,制造偏差难以避免[31]。灌水均匀度还与滴头运行压力有关,而滴头运行压力又受到入口压力和铺设长度两个因素的影响[32]。因此,本试验考虑了滴灌带铺设长度和入口压力及其之间的交互作用对灌水均匀度的影响。
在不同入口压力情况下,滴水孔流量的变差系数均随着压力的降低而增大,这与梁华锋等[33]研究结果相同。本研究表明,不同入口压力下滴水孔流量变差系数大的滴灌带均为G型滴灌带,且远大于J型滴灌带。当滴灌带铺设长度不超过200 m时,J型滴灌带滴水孔流量的变差系数变化不明显。其原因是G型滴灌带制造精度低,而J型滴灌带制造精度高,这与张慧等[34]的研究结果一致。在相同入口压力下,不同管径滴水孔流量的变差系数也有所不同,管径大,则变差系数小,如J2型滴灌带(管径为22 mm,滴头间距为30 cm)滴水孔流量的变差系数一般小于J3型滴灌带(管径为16 mm,滴头间距为40 cm)。
计算结果表明,滴灌带灌水均匀度受到4种滴灌带类型及其铺设长度和入口压力两种因素的显著影响,但两种因素的影响程度有所不同,相较于入口压力,铺设长度的影响更为显著,这与王建众等[35]的研究结果相一致。当滴灌带入口压力在1～11 m范围内变化时,4种不同类型的滴灌带滴头平均流量与入口压力呈正相关,与滴灌带铺设长度呈负相关,这与李文等[12]的研究结果一致。
滴灌带的铺设长度与入口压力之间存在显著的交互作用效应,J1型滴灌带的最佳搭配为L1×Y11、L2×Y9;J2型滴灌带的最佳搭配为L1×Y11、L2×Y11;J3型滴灌带的最佳搭配为L1×Y9、L2×Y11;G型滴灌带的最佳搭配为L1×Y7。这与席奇亮等[14]的研究结果存在一定的差异,可能是本试验采用的滴灌带铺设长度较长,导致滴灌带所需要的入口压力较高所致。
当滴灌带入口压力在1～11 m范围内、铺设长度在100～300 m范围内变化时,4种不同类型滴灌带的Cu值均随Eu值的增加而增加,呈正相关关系,随Cv值的增加而减小,呈负相关关系,而且Eu值均小于Cu值,这与李久生等[36]的研究结果一致。
本研究中未考虑滴灌带铺设地形、管带堵塞以及入口高压条件等因素对灌水均匀度的影响,因而研究成果还有待于进一步完善。
5 结 论
(1)滴灌带灌水均匀度指标Cv、Cu、Eu均随着铺设长度和入口压力的变化而变化,铺设长度对其影响显著,入口压力对其影响不显著;Cu和Eu均可以定量评价滴灌带不同铺设长度和入口压力交互作用的组合关系,从而确定滴灌带铺设长度和入口压力的最优组合。该3个指标的相关性较强,Cu与Eu呈正相关,与Cv呈负相关。
(2)从滴水孔流量变差系数Cv值分析,滴灌带铺设长度为200 m时,J1型入口压力在5～11 m、J2型入口压力在3～11 m范围内的滴灌带质量等级为A(优);入口压力在1～11 m范围时,J3型滴灌带质量等级均为B(良)、G型滴灌带质量等级均为D(不合格)。滴灌带铺设长度为100 m时,J型滴灌带入口压力在1～11 m范围的质量等级均为A(优),G型滴灌带入口压力在1～3 m范围的滴灌带质量等级均为C(一般)。因此,为保证滴灌带灌水质量达到良及以上的水平,建议J型滴灌带铺设长度小于200 m,G型滴灌带铺设的长度远小于100 m。
(3)我国《微灌工程技术标准》要求低于《美国国家灌溉工程手册》的要求,虽然J型滴灌带铺设长度为300 m时满足《微灌工程技术标准》要求,但按照《美国国家灌溉工程手册》评价,灌水质量等级仅为良或一般。G型滴灌带的铺设长度为100 m时,能满足《微灌工程技术标准》要求,但按照《美国国家灌溉工程手册》评价,灌水质量等级仅为良。
(4)本试验所选各类型滴灌带铺设长度和入口压力的最佳搭配为:J1型滴灌带铺设长度200 m、入口压力9 m;J2型滴灌带铺设长度200 m、入口压力11 m;J3型滴灌带铺设长度200 m、入口压力11 m;G型滴灌带铺设长度100 m、入口压力7 m。
