旱塬區滴灌系統水力特性研究及系統優化設計

王劍鵬

（陜西省大荔縣水管水保站，陜西大荔715100）

旱塬區滴灌系統水力特性研究及系統優化設計

王劍鵬

（陜西省大荔縣水管水保站，陜西大荔715100）

為解決陜西省渭北旱塬區滴管系統灌水均勻度較低的問題，通過試驗與實際工程相結合的方法，研究不同進口工作水頭與毛管鋪設長度對系統單孔流量、灌溉均勻度和流量偏差率的影響，結果表明：系統單孔流量和灌水均勻度與毛管鋪設長度呈反比，與進口工作水頭呈正比，而流量偏差率與毛管鋪設長度呈正比，與進口工作水頭呈反比，工作水頭在9 m左右，毛管鋪設長度在30 m左右范圍內時，可在節約成本的情況下，使系統灌溉均勻度最高；進口工作水頭、毛管鋪設長度與灌水均勻度的關系呈良好的二次拋物線關系，并得出了滴灌系統灌溉均勻度與毛管鋪設長度、進口工作水頭之間的函數關系式，可為渭北旱塬區滴灌系統的設計與施工提供理論依據。

旱塬區；滴灌系統；水力特性；優化設計

隨著現代農業對灌溉水質與水量的要求，滴灌由于其灌水均勻度較高、耗能較低，已逐漸成為現代農業最重要的灌溉方式之一。滴灌系統包括首部樞紐、管道系統和灌水器3大部分，灌水器的目的是要將灌溉水流在流經小孔道時，壓力水頭逐漸降低，使得灌溉水流以水滴的方式進入土壤[1]。但目前滴灌系統在渭北旱塬區的應用存在灌溉均勻度較低、灌溉水量不穩定等較多問題，在旱塬區的應用受到了限制[2]。本文結合陜西省澄城縣實際滴灌工程，地塊種植蘋果，結合旱塬區滴灌工程實際應用，研究了不同進口工作水頭、不同毛管鋪設長度對陜西省旱塬區滴灌系統灌溉均勻度、流量偏差率等水力特性的影響，并得出了適用于陜西旱塬區滴灌的最佳系統設計方案。

1 水力特性實驗與參數計算

1.1 滴管工程總體規劃

在規劃整個工程時，要合理確定水源位置與高程，保證系統能在不同工作水頭下正常運行，綜合考慮地塊面積、位置與高程，管道布設遵循毛管平行等高線，支管垂直等高線的原則布置，在保證灌溉要求的情況下，選擇成本最低，施工難度最小的實施方案。

1.2 輪灌組劃分

灌溉方式采用輪灌方式進行，采用輪灌方式可最大限度提高水分利用效率，節約人力，利于工作人員之間的配合，提高灌溉效率[3]，因地塊主要種植蘋果，一個輪灌組工作天數為5～7天。

1.3 設計灌水定額的確定

滴灌系統設計灌水定額采用GB/T50485-2009《微灌工程技術規范》中的方法進行計算，設計滴灌灌水定額mmax采用以下公式計算:

式中mmax為最大凈灌水定額，mm；γ為土壤容重（g/cm3），壤土取1.265 g/cm3；z為土壤計劃濕潤土層深度，m，取0.35 m；p為微灌土壤濕潤比，取30%；θmax為適宜土壤最大含水率，%；θmin為適宜土壤最小含水率，%。

1.4 試驗方案設計

整個試驗布置主要包括變頻控制柜，灌溉水源、及測試段幾部分，通過調節控制柜與灌溉水源水位得到不同工作壓力，以研究不同工況下的滴管系統水力特性，具體試驗布置示意圖見圖1。

圖1 陜西旱塬區滴灌系統試驗布置示意圖

1.5 水力特性參數計算

1.5.1 系統單孔流量計算

滴灌系統出流特性常用單孔流量來表示，在灌水器正常工作的條件下，流量與工作壓力水頭存在以下關系：

式中，q為灌水器流量，L/h；h為系統工作壓力水頭，m；k為流量系數；x為流態系數，取值為0

1.5.2 灌水均勻度計算

滴管系統灌水均勻度常采用克里斯琴森均勻系數Cu表示，其具體計算過程如下：

式中，Cu為灌水均勻度，%；為灌水器平均流量，L/h；n為灌水器個數；qi為每個灌水器的流量。

1.5.3 流量偏差率計算

流量偏差率是衡量灌水均勻性的一個重要指標，其具體計算公式如下,

式中，qv為流量偏差率，%；qmax為灌水器最大流量，L/h；qmin為灌水器最小流量。

2 結果與分析

2.1 不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統單孔流量的影響

圖2為不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統單孔流量的影響。圖2顯示，在其余條件均一致，僅改變系統毛管鋪設長度時，系統單孔流量隨毛管鋪設長度的增加而減少。即管道鋪設的越長，管道能夠提供的平均單孔流量越小；毛管鋪設長度越短，管道能夠提供的平均單孔流量越大。這可能是由于管道長度越長，系統沿程水頭損失越大，在初始流量一定的情況下，出流量越低。在相同進口水頭下，隨著毛管鋪設長度的增加，平均流量變化差異明顯，在H=7m時，變化最為劇烈，平均流量分別為5.84L/h、4.16L/h、3.84L/h、2.40L/h。隨著進口工作水頭的提高，單孔流量隨不同毛管鋪設長度的變化逐漸趨于平穩，在H=10m時，系統單孔流量僅變化了20%。當其余條件相同時，系統單孔流量隨進口壓力的增大而增大，這可能是由于系統初始水頭較大，為水流帶來了較大的動能，流量增大，且相同鋪設長度、不同進口水頭時，系統單孔流量之間差異顯著，不同進口水頭單孔流量之間的差異基本在40%～60%之間，說明在毛管設計流量確定的情況下，鋪設長度和進口工作水頭均影響著孔口平均流量，所以為了保證灌水效果,對于確定滴灌管最佳鋪設長度和進口工作水頭是非常有必要的。

圖2 不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統單孔流量的影響

2.2 不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統灌溉均勻度的影響

圖3為不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統灌溉均勻度的影響。圖3顯示，在其他條件相同時，灌水均勻度隨毛管鋪設長度的增大而呈降低趨勢，鋪設長度越短，毛管灌水均勻性越好。毛管鋪設長度在30 m之內時，系統仍然能保持較高的灌溉均勻度，30 m時的灌溉均勻度僅比20 m降低了0.5%～1. 5%之間，但40 m時的灌溉均勻度較30 m降低了5.0%～8.0%，降低明顯，說明在低壓條件下，要保證灌水均勻度，毛管管長必須要選擇適宜，本試驗中最佳鋪設長度30 m左右為宜。在其余條件相同時，系統灌溉均勻度隨進口工作水頭的增加而增加，工作水頭越高，灌水均勻性越好，當工作水頭H<8 m時，系統灌水均勻性較差，基本均在92%以下，但當H=9 m時，系統灌水均勻度較H=8 m時提高顯著，基本提高了2.0%～5.0%，在H=10 m時，系統灌水均勻度較H=9 m時提高不明顯，因此為保證滴灌系統較高的均勻度，可將滴管系統進口工作水頭維持在9 m左右范圍內。

圖3 不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統灌溉均勻度的影響

2.3 不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統流量偏差率的影響

圖4為不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統流量偏差率的影響。圖4顯示，在其他條件相同時，流量偏差率隨毛管鋪設長度的增大而呈增大趨勢，這說明鋪設長度越短，系統流量偏差率越小，毛管灌水均勻性越好。毛管鋪設長度在30 m之內時，系統仍然能保持較低的流量偏差率，30 m時的灌溉均勻度僅比20 m升高了2.0%～3.5%之間，但40 m時的流量偏差率較30 m提高了6.0%～10.0%，提高明顯，說明在低壓條件下，要保證灌水均勻度，減低系統流量偏差率，必須毛管管長要選擇適宜，本試驗中最佳鋪設長度30 m左右為宜。在其余條件相同時，系統流量偏差率隨進口工作水頭的增加而降低，工作水頭越高，灌水均勻性越好，當工作水頭H<8 m時，系統灌水均勻性較差，流量偏差率均在30%以上，但當H=9 m時，系統流量偏差率較H=8 m時降低顯著，基本提高了17.2%～28.9%，在H=10 m時，系統灌水均勻度較H=9 m時提高不明顯，因此為保證滴灌系統較低的流量偏差率及較高的均勻度，可將滴管系統進口工作水頭維持在9 m左右范圍內。

2.4 陜西旱塬區滴管系統優化設計

本研究以灌溉均勻度為例，得出灌溉均勻度最高時的最優進口工作壓力與最優毛管鋪設長度，對陜西旱塬區滴灌系統設計提高最優化理論基礎。

圖4 不同進口壓力水頭和毛管鋪設長度對系統流量偏差率的影響

圖5 進口工作水頭一定條件下，灌溉均勻度與毛管鋪設長度的關系（H=6 m、7 m、8 m、9 m、10 m）

表1 灌溉均勻度與毛管鋪設長度關系式參數計算表

2.4.1 系統最優毛管鋪設長度確定

當工作水頭等其余因素都一致時，灌溉均勻度與毛管鋪設長度的關系如圖5所示，其關系式可用下式表明：

由圖5和表1可知，系統灌溉均勻度與毛管鋪設長度的關系滿足2次拋物線關系，且5條擬合曲線的決定系數R2分別為0.9209、0.9240、0.9720、0.9075、0.801，均大于0.90，且均通過了極顯著水平（P<0.01），說明擬合關系較好。在實際工程與試驗中，具體的A、B、C值可根據實際情況測定,對于與本試驗相似的情況，也可根據本研究的關系式進行直接計算，得出某種工作水頭下，使得灌溉均勻度最高的最優毛管鋪設長度。

2.4.2 系統最優進口工作水頭確定

由圖6和表2可知，系統灌溉均勻度與進口工作水頭的關系滿足2次拋物線關系，且5條擬合曲線的決定系數R2分別為0.9632、0.8622、0.9682、0.8994，均大于0.85，且均通過了極顯著水平（P<0.01），說明擬合關系較好。在實際工程與試驗中，具體的A、B、C值可根據實際情況測定，對于與本試驗相似的情況，也可根據本研究的關系式進行直接計算，得出某種毛管鋪設長度下，使得灌溉均勻度最高的最優進口工作水頭。

圖6 毛管鋪設長度一定條件下，灌溉均勻度與進口工作水頭的關系（H=6 m、7 m、8 m、9 m、10 m）

表2 灌溉均勻度與進口工作水頭關系式參數計算表

3 結論

為了解陜西省旱塬區滴灌系統水力特性，本文通過試驗研究不同進口工作水頭與毛管鋪設長度對系統單孔流量、灌溉均勻度和流量偏差率的影響，得出了使得系統灌溉均勻度最高的進口工作水頭與毛管鋪設長度的值，指出工作水頭在9 m左右，毛管鋪設長度在30 m左右范圍內時，可在節約成本的情況下，使系統灌溉均勻度最高，并得出了滴灌系統灌溉均勻度與毛管鋪設長度、進口工作水頭的關系，為陜西旱塬區滴灌系統的設計與施工提供了理論基礎。

[1]李援農,馬孝義.節水灌溉新技術—噴灌、微灌技術[J].節水農業,2002（12）：12-15.

[2]楊凱,續海紅,張鵬飛,等.山地果園滴灌工程參數設計[J].山西農業大學學報（自然科學版），2014,34（3）：281-283.

[3]汪志農.灌溉排水工程學[M].北京:中國農業出版社,2010:80-187.

Study on Hydraulic Characteristics and System Optimization Design of Drip Irrigation System in the Dryland Area

Wang Jianpeng
（Dali CountyWater Management and Water Conservation Station in Shaanxi Province Dali county715000,Shaanxi）

Tosolve the problemoflower evenness ofthe drip irrigation systemin Weibei dryland area ofShaanxi Province, through the test and the practical engineering combination method,the article is based on study different inlet working head and capillary tube laying length influence on the single hole flow,irrigation uniformity and flowrate deviation.The results show that the single hole flow rate and irrigation uniformity of the system are inverse proportional to the length of the laying of the capillary and proportional tothe working head,and the deviation rate of the flowis proportional to the length of the laying of the pipe and is inversely proportional to the working head.When the working head is about 9m and the length of the pipe laying in the range of about 30m,the irrigation uniformity can be the highest in the case of cost saving.It is a good quadratic parabolic relationship among the inlet working head,the length of the pipe laying and the irrigation uniformity.It also achieved the function relation among the irrigation uniformity of the drip irrigation system and the capillary laying length and the head of inlet work,which can provide the theoretical basis for the design and construction of the drip irrigation system in Weibei dry-land area.

The dry-land area,the drip irrigation system,the hydrological characteristics and optimization design

S161.4

A

1673-9000（2017）04-0113-04

2017-03-16

王峰（1964-），男，回族，新疆烏魯木齊市人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作。