滴灌雙向有坡毛管出水規律試驗研究

張凱文，劉少東，郭 巍

(黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319)

我國人均水資源匱乏，而農業用水量在全國水資源消耗中約占70%[1]。國家十三五規劃指出：“實行最嚴格的水資源管理制度，以水定產、以水定城，建設節水型社會”。滴灌是可以提高灌水利用率的節水灌溉技術之一，自引入我國后，在新疆等西部干旱地區得到了廣泛應用。滴灌系統的灌水均勻度是衡量滴灌系統灌水質量的重要指標[2]。黑龍江省丘陵漫崗地帶占全省土地面積的35.8%，坡度以3°～5°居多[3,4]。坡地條件下，滴灌管內水壓力受地面坡度影響，灌水均勻度無法保證。采用壓力補償式滴頭可提高灌水均勻度，但成本較高，目前在農業生產中仍廣泛采用較常見的內鑲貼片式或迷宮式滴灌帶。如何進行管線布置及安排毛管順逆坡長度成為生產實踐中存在的問題。文獻[5-7]分析了單向有坡情形下，較小坡度(小于1%)范圍內坡度變化對滴灌均勻度的影響。在坡地滴灌的實際應用中，支管兩側布置滴灌管的情形十分常見。張國祥[8]指出：雙向有坡情況下，微灌支管兩側布置毛管可降低水頭要求，節約投資并提高灌水質量。本研究通過試驗討論了0%～3%坡度毛管雙向布置情形下毛管出水量及均勻度變化規律，為坡地滴灌雙向布管情況下，毛管最優布置方案的確定提供依據，并為丘陵漫崗地帶農業生產中合理布置滴灌管道提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗在黑龍江八一農墾大學水科學與水應用實驗大廳進行。選用萊蕪市沐源節水設備有限公司生產的內鑲貼片式滴灌帶，主要技術參數為:滴孔間距為20 cm、滴灌管內徑d=16 mm，壁厚0.2 mm。

測試水源為200目過濾器過濾后的自來水。試驗裝置如圖1 所示。該裝置主要由水泵、壓力調節裝置及滴管懸掛裝置等組成。加壓泵、壓力調節裝置確保水壓穩定。懸掛裝置由鋼絲與木方連接而成, 滴灌管固定在木方上。通過鋼絲改變木方與地面夾角的方式進行坡度調節。試驗時在PE管出口與毛管帶進口旁通處連接流量調節閥與壓力表，通過流量調節閥獲得試驗所需的工作壓力，同時在滴灌帶末端連接壓力表，讀取末端壓力。試驗所用儀器包括：精密壓力表(0.25級)、米尺、量筒(100 mL)、秒表等。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Test equipment

圖2 平地不同長度毛管均勻度Fig.2 Flat capillary different length uniformity

進水口壓力為管道正常工作壓力0.1MPa。布置不同的毛管長度進行預試驗，分別測取其灌水均勻度，得到均勻度隨毛管長度的變化規律，如圖2所示。規范[9]規定滴灌灌水均勻度應達到85%，本實驗中，毛管長為75m時灌水均勻度約為85%，為便于比較，確定本實驗順坡段毛管長度75m。根據黑龍江省丘陵漫崗地帶耕地的實際坡度情況，選擇1%、2%、3%三個坡度狀態開展滴灌出水量測定試驗。針對每個坡度水平，分別設置逆坡段毛管長度為0～70 m，以10 m為級差共計7個水平，共計21個試驗組合。

為獲得不同參數狀態下毛管出水規律，以毛管入水口處為O點分別向順坡及逆坡方向，每10 m取一個測點(當毛管長度小于10 m時，每5 m取一個測點，增加測點數量)編號如圖3所示。試驗實施過程中，打開水泵并調節壓力至0.1 MPa，待出流量穩定后，同時測取各測點流量。為消除隨機誤差，每種組合測3次，取其平均值作為最終結果。

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

1.2 灌水均勻度計算公式

滴灌灌水均勻度采用美國克里斯琴森(Christiansen)均勻系數[9]來表示：

(1)

2 試驗結果分析

上述試驗獲得的管道出流數據，按照克里斯琴森公式即可算得管道出水均勻度。

2.1 毛管均勻度變化規律

分別針對3個坡度狀態，繪制其灌水均勻度隨逆坡長度變化的曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著逆坡段毛管長度的增加，三者的變化規律是相似的:均勻度隨逆坡管長先增大后減小，均勻度曲線均存在峰值。具體來看，逆坡段長度為0時，即毛管完全順坡布置，其均勻度并非最高，布置一定長度的逆坡管道，毛管均勻度明顯提高。逆坡段毛管長度超過某一定值后，均勻度又開始下降。因此，坡地滴灌中，采用雙向布管方式更有利于提高灌水均勻度，且逆坡毛管長度存在最優值，在該長度下毛管出水均勻度最高。從3條曲線的比較來看，不同地面坡度下毛管均勻度峰值的位置是不一致的。隨著地面坡度的增加，峰值點對應的逆坡毛管長度數值變小。可以得出結論，平緩地面可布置較長逆坡管，陡峭地面則只能布置較短逆坡管。由此可以推斷，隨著坡度增大，逆坡毛管布置長度可逐步減短，當地面達到特定坡度(本試驗證實，該坡度大于3%)時，取逆坡管長度為0 m可獲得最佳灌水均勻度，此時毛管宜采用全順坡布置。

圖4 毛管均勻度分布圖Fig.4 Capillary distribution uniformity

就本試驗而言，當順坡毛管為75 m時，坡度1%、2%、3%分別采用對應的最佳逆坡長度為50、40、20 m。

2.2 毛管出水量分布規律

在一定坡度范圍內，逆坡毛管的存在可以提高毛管灌水均勻度。毛管出流量變化規律可解釋該現象的內在機理。以入水口處為0點，繪制1%坡度順坡段及逆坡段各測點流量變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，逆坡毛管長度為0 m時(即全順坡狀態)，入水口處出水量最大，順坡段毛管出水量向遠端逐漸減小，由于毛管高度降低，管中水壓增大補償了末端水頭損失，使得毛管末端滴頭出水量趨于穩定。文獻[10]指出當坡度較大時，地形坡度引起的水頭高差是影響毛管灌水均勻度的主要因素。在1%坡度時，毛管高度降低未能完全補償水頭損失，具體見后文分析。逆坡毛管長度為20 m時，可以看到入水口處滴孔出水量出現峰值，向兩側出水量開始減小。與全順坡情形相比，逆坡毛管產生的分流作用，降低了入水口處的水壓力，盡管毛管所有滴孔出水量均有下降，但出水口處出水量峰值下降較為明顯，順坡遠端出水量下降較少。逆坡毛管長度為40 m時，毛管出水規律與此類似，只是毛管各滴頭出水量下降幅度略大。可見，逆坡毛管的設置較大幅度地降低了入水口附近滴頭的出水量，順坡遠端滴頭出水量略減，這一“削峰”作用，提高了毛管出水均勻度。2%坡度、3%坡度各測點流量曲線(圖6，圖7所示)也體現了該變化規律。

圖5 1%坡度毛管出水量分布圖Fig.5 1% capillary water distribution map of slope

圖6 2%坡度毛管出水量分布圖Fig.6 2% capillary water distribution map of slope

圖7 3%坡度毛管出水量分布圖Fig.7 3% capillary water distribution map of slope

2.3 順坡段毛管出水量變化規律

通過比較圖5、圖6及圖7中的順坡段毛管出流量曲線可以看到，圖5所示1%坡度條件下，毛管上各測點出水量規律為：入水口處滴孔出現出水量峰值，順坡方向滴孔出水量逐漸減小。圖6所示2%坡度條件下，入水口處滴孔出水量最大，向順坡方向滴孔出水量逐漸減小，到毛管末端滴孔出水量開始增加。在圖7所示地面坡度3%情形下，毛管末端出水量增加更加明顯。以逆坡毛管長20 m為例，不同坡度下的出水量曲線如圖8所示。在圖8中可以看到，逆坡毛管長度相同時，毛管末段滴孔出水量隨坡度增大而增加，出水量最小滴孔出現在坡中部而非坡底。事實上，這一規律在逆坡毛管長度0 m及逆坡毛管長度為30 m情形下同樣存在。在滴灌系統中，滴孔出水量與水壓力正相關，水壓力大則毛管出水量大，反之亦然。因此，上述現象可用能量方程進行分析：

水頭損失計算公式：

圖8 不同坡度毛管出水量曲線Fig.8 Different gradient capillary water curve

(2)

式中：Z1、Z2為1、2斷面的位置水頭，m；P1/γ、P2/γ為1、2斷面的位置水頭，m；α1v21/(2g)、α2v22/(2g)為1、2斷面的位置水頭，m；hw1-2為1、2斷面的位置水頭，m；hf為沿程水頭損失；λ為沿程阻力系數；l為管長，m；d為管徑，m；hm為局部水頭損失；ξ為局部阻力系數；v為水流速度，m3/s。

在無坡狀態下，隨著水流流動距離的增加，水頭損失開始增大，毛管內水壓力相應減小，由此導致毛管末端滴孔出流量小于入水口處滴孔出流量。在順坡布管且入水口水壓力恒定條件下，毛管滴孔高程降低會增加其水壓力，可對水頭損失進行補償。在坡度較小的情況下，這種補償作用小于水頭損失值，此時毛管遠端滴孔水壓力始終小于其相鄰上坡段滴孔水壓力，毛管出流量表現為從入水口處向順坡遠端遞減變化。當地面坡度較大時，該補償作用將大于水頭損失值，這就會使得毛管遠端滴水孔水壓力大于其相鄰上坡段水壓力，由此出現毛管遠端出流量大于相鄰上坡段滴孔出流量的情況。由于高程降低的補償作用與坡度密切相關，恒定坡度下，補償水頭隨高程降低線性增加。而毛管內水流水頭損失受流態、流速及流量變化影響，表現為非線性變化。水頭損失與v2呈正比，如公式(2)所示，在入水口附近水流速度較快，水頭損失較大；在毛管末端水流速度較慢，水頭損失較小。高程降低形成的補償作用，會首先在水頭損失小的區域(即毛管末端)引起滴孔出流量增加。地形坡度越大，出流量增加的滴孔越靠近入水口。

3 結 論

(1)坡地滴灌采用雙向布置，有利于提高毛管出水均勻度。存在使得毛管出水均勻度最高的最優逆坡毛管長度，不同地形坡度下該最優長度隨坡度增加而減少。在本試驗中，坡度為1%時，最優逆坡毛管長度為50 m；坡度為2%時，最優逆坡毛管長度為40 m；坡度為3%時，最優逆坡毛管長度為20 m。

(2)順坡段毛管高程下降補償了管道內水流的水頭損失，在一定的坡度下，會使毛管滴孔從入水口到末端呈現出流量先減小后增大變化趨勢。出流量最小的位置不一定在坡底，可能在坡地中部的某個位置。坡度越大，該位置越靠近毛管入水口。

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