低壓滴灌灌水均勻性研究

白雨薇，羅　坤，周小波，阮紅麗，崔寧博,4，龔　雪，徐書哲

(1.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點試驗室，成都 610065；2.四川大學水利水電學院，成都 610065；3.農業部丘陵山地農業裝備技術重點實驗室，成都 610066；4.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，成都 610066)

0　引　言

滴灌是目前各種灌水方法中灌水效率最高、用水量最小的一種灌水技術。它具有節水增產、提質高效等優點，在蘋果、櫻桃、馬鈴薯及玉米等多種糧經作物中得到了大面積的應用，但目前投資相對較高，制約了滴灌技術的應用和推廣，降低系統工作壓力可以有效降低滴灌工程造價，因此低壓滴灌是今后灌溉技術發展的重要方向[1,2]。

灌水均勻度是衡量滴灌系統灌水質量和水力設計的重要指標[3]，其影響因素較多，如滴灌毛管入口壓力，敷設長度，地形坡度，堵塞情況，水溫變化，灌水器類型、間距、制造偏差等。王建眾等[4]分析了毛管入口壓力對灌水質量的影響，得出毛管入口壓力可降到4 m左右。孫亞興等[5]通過測定不同滴灌帶入口壓力、敷設長度下的滴頭的流量分布及設計參數，指出滴灌帶入口壓力為4～5 m時，最佳敷設長度為100 m，灌水器流量為1.2 ～1.4 L/h。李文等[6]分析了低壓條件下滴灌帶不同均勻度計算指標的影響因素及變化規律，發現灌水均勻度隨滴灌帶入口壓力和敷設長度變化而變化，但滴灌帶入口壓力對其變化影響較小。劉煥芳等[7]分析了自壓軟管的水力特性，指出軟管滴頭平均流量隨敷設長度的增大而降低，亦隨管徑的減小而降低，在滿足流量偏差率要求的前提下，優先采用較長的敷設長度及較小的軟管管徑。馬曉鵬等[8]研究了低壓條件下滴灌帶入口壓力、敷設長度、地形坡度3個因素對灌水均勻系數的影響，得出在低壓條件下灌水均勻系數隨滴灌帶入口壓力的增大而提高，不同類型滴灌帶灌水均勻度存在顯著差別，當滴灌帶敷設坡度從逆坡-1 %到順坡 1%變化時，灌水均勻度逐漸增大。

張天舉等[9]通過測定不同毛管入口壓力和敷設坡度下滴頭流量分布、水力損失和灌水均勻度，得出增大毛管入口壓力或合理敷設坡度均可提高灌水均勻度。王霞等[10]以邊縫式滴灌帶和內鑲貼片式滴灌帶作為研究對象，分析了不同滴灌帶入口壓力、敷設長度、敷設坡度等對灌水均勻度的影響，得出在低壓條件下邊縫式滴灌帶更能滿足灌水要求。仵峰等[11]在2～10 m壓力范圍內，對內鑲式、微管和補償式3種灌水器進行了自由出流試驗，試驗發現內鑲式滴頭和微管的流量均隨著壓力的增大而提高，補償式滴頭流量相對穩定，但低壓時流量相對較大。曹建東等[12]通過研究不同管口壓力、灌水器間距和管壁厚度對滴灌帶灌水均勻度影響，指出滴灌帶管末壓力損失和單孔滴水量隨管口壓力的增大而提高，灌水均勻度隨灌水器間距的增大先提高后降低，隨滴灌帶管壁厚度的增大而提高。范興科等[1]和張林等[13]提出可通過適當降低灌水器設計流量、提高毛管管徑及對地形適當分區來提高低壓滴灌灌水均勻度。

低壓滴灌是一種高效節能灌水技術，降低毛管入口壓力可以有效降低滴灌工程造價，但同時也降低了滴灌灌水均勻度和灌水質量，且目前對毛管入口壓力小于5m情況下的低壓滴灌灌水均勻性研究較少。本研究通過測定不同敷設長度下毛管入口壓力變化、不同灌水器間距的滴頭流量分布等對滴灌灌水均勻度相關指標的影響，分析各因素對灌水均勻度的影響規律，尋求低壓滴灌條件下提高灌水均勻度的方法，為低壓滴灌系統的應用和發展提供理論依據和科學指導。

1　材料與方法

1.1　試驗材料與裝置

試驗于2017年5月在四川省農業機械研究院進行，試驗用滴灌帶為以色列Netafim公司生產的壓力補償內鑲式滴灌帶，滴頭間距為40與50 cm，滴頭流量1.6 L/h，管徑16 mm；滴灌管為壓力補償圓柱式滴灌管，滴頭間距為50 cm，滴頭流量1.0 L/h，管徑16 mm。試驗裝置主要由移動水源、水箱、壓力調節裝置、過濾器和試驗材料組成。水箱體積為1 m×1 m×0.9 m，水箱上方設有進水口，水箱下方設有排水閥，水箱內設有監測水量的浮球開關，水泵出水口末端接壓力傳感器，整個系統和控制柜連接。試驗中通過改變水泵的頻率調節揚程來滿足試驗所需水頭。控制柜后接過濾器，降低堵塞情況對滴頭出流的影響。過濾器后連接干支管，干管和支管采用球閥連接。每個球閥的布設間距為20 cm。并制作φ20轉化為φ16的寶塔頭來連接球閥和支管。為防止漏水，接口處采用生料帶纏繞，且寶塔頭和毛管連接處使用鐵絲擰緊固定。為了方便試驗，毛管將水流引至靠近地面處，與稱量容器同高。

1.2　試驗方案

試驗主要研究滴灌毛管入口壓力、敷設長度、灌水器間距對灌水均勻度的影響。試驗設計如表1所示。試驗按照每10 m選擇3個滴頭的原則設置塑料盒，每次試驗進行10 min，根據預試驗，當毛管入口壓力小于3 m時，敷設長度大于90 m時，灌水均勻度低于75%，因此設置最大敷設長度為90 m。試驗首先將3根滴灌毛管的長度同時設置為90 m，按照壓力水頭為0.5、1、2、3、4、5 m依次進行試驗。試驗結束后稱量每個塑料盒的重量，計算試驗時間內滴頭的出水量。每次截取一定長度的滴灌毛管，改變3根滴灌毛管長度重復上述試驗。

1.3　灌水均勻度計算方法

滴灌灌水均勻度是評價灌水質量優劣的一個主要技術指標，按微灌工程技術規范要求，對已建成的微灌系統宜采用灌水均勻度進行灌水均勻性評價，滴灌工程的灌水均勻度不得低于80%，灌水均勻度一般采用克里斯琴森公式計算：

表1低壓滴灌灌水均勻度試驗設計
Tab.1Experimentdesignoflow-pressuredripirrigation

處理編號毛管入口壓力h/m毛管敷設長度L/m灌水器間距S/cm滴灌管滴灌帶10．5405040/5021505040/5032605040/5043705040/5054805040/5065905040/50

(1)

2　結果與分析

2.1　毛管入口壓力對灌水均勻度的影響

圖1是毛管入口壓力對灌水均勻度的影響。圖1表明，滴灌管和滴灌帶灌水均勻度均隨毛管入口壓力的增大而提高。滴灌管入口壓力小于2 m時，灌水均勻度隨毛管入口壓力的減小呈明顯降低趨勢，但灌水均勻度仍高于80%，當h=0.5、1 m時，灌水均勻度分別為81%、84%；當毛管入口壓力在2～5 m時，灌水均勻度隨毛管入口壓力的減小而緩慢降低，灌水均勻度均高于90%，當h=2、5 m時，灌水均勻度分別為93%、95%。滴灌帶入口壓力小于2 m時，灌水均勻度均低于80%，且隨入口壓力的減小呈明顯降低趨勢，當h=0.5、1 m時，灌水均勻度分別為41%、61%，當毛管入口壓力在2～5 m時，灌水均勻度隨入口壓力的減小而緩慢降低，灌水均勻度均高于85%，當h=2、5 m時，灌水均勻度分別為88%、93%。當毛管入口壓力在0.5～5 m時，滴灌管、滴灌帶的灌水均勻度分別在81%～95%、41%～93%，滴灌管灌水均勻度始終高于滴灌帶，且兩者灌水均勻度差值在2%～40%。當入口壓力從0.5 m增大到5 m時，滴灌管、滴灌帶灌水均勻度的增幅分別為14%、52%，滴灌帶對入口壓力的變化更敏感。因此，為滿足設計規范要求，滴灌管入口壓力不應低于0.5 m，滴灌帶入口壓力不應低于2 m。

圖1　毛管入口壓力對灌水均勻度的影響Fig.1 The influence of lateral inlet pressure on irrigation uniformity

2.2　毛管敷設長度對灌水均勻度的影響

圖2是毛管敷設長度對灌水均勻度的影響。圖2表明，滴灌管和滴灌帶灌水均勻度均隨敷設長度的增大而降低。滴灌管敷設長度在40～70 m時，灌水均勻度均高于90%，且隨敷設長度的增大呈緩慢降低趨勢，當L=40、70 m時，灌水均勻度分別為96%、92%；當敷設長度在80～90 m，灌水均勻度分別為85%、77%。滴灌帶敷設長度在40～70 m時，灌水均勻度均高于85%，且隨敷設長度的增大呈緩慢降低趨勢，當L=40、70 m時，灌水均勻度分別為91%、87%；敷設長度在80～90 m時，灌水均勻度均低于80%，當L=80、90 m時，灌水均勻度分別為71%、56%。當毛管敷設長度在40～90 m時，滴灌管、滴灌帶的灌水均勻度分別在77%～96%、59%～91%，滴灌管灌水均勻度始終高于滴灌帶，且兩者灌水均勻度差值在4%～18%。當敷設長度從40 m增大到90 m時，滴灌管、滴灌帶灌水均勻度的差值分別為19%、32%，滴灌帶對敷設長度的變化更敏感。當滴灌管L=80、90 m時，灌水均勻度分別為85%、77%，滴灌帶L=70、80 m時，灌水均勻度分別為87%、71%，因此，當滴灌管敷設長度延長至85 m，滴灌帶敷設長度延長至75 m時，灌水均勻度仍高于80%。

圖2　毛管敷設長度對灌水均勻度的影響Fig.2 The influence of lateral length on irrigation uniformity

2.3　灌水器間距對灌水均勻度的影響

圖3是滴灌帶入口壓力對灌水均勻度的影響。圖3表明，當灌水器間距S=40、50 cm時，灌水均勻度均隨滴灌帶入口壓力的減小而降低。當滴灌帶入口壓力小于2 m時，S=40、50 cm的灌水均勻度均低于80%，且隨入口壓力的減小呈明顯降低趨勢；當h=0.5 m時，灌水均勻度分別為58%、50%；當h=1 m時，灌水均勻度分別為76%、65%；當滴灌帶入口壓力在2～5 m時，S=40、50 cm的灌水均勻度均高于90%，且隨入口壓力的減小而緩慢降低，當h=2 m時，灌水均勻度分別為95%、90%，當h=5 m時，灌水均勻度分別為97%、92%。當滴灌帶入口壓力在0.5～5 m時，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度分別在58%～97%、50%～92%，S=40 cm的灌水均勻度始終高于S=50 cm，且兩者灌水均勻度的差值在4%～11%。當滴灌帶入口壓力從0.5 m增大到5 m時，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度增幅分別為39%、42%，灌水器間距S=50 cm對毛管入口壓力的變化更敏感。灌水器間距S=40 cm在h=2、1 m時，灌水均勻度分別為95%、76%，灌水器間距S=50 cm在h=2、1 m時，灌水均勻度分別為90%、65%，因此當滴灌帶灌水器間距S=40、50 cm的入口壓力分別降至1.3、1.6 m時，灌水均勻度仍高于80%。

圖4是滴灌帶敷設長度對灌水均勻度的影響。圖4表明，當灌水器間距S=40、50 cm時，灌水均勻度均隨滴灌帶敷設長度的增大而降低。當敷設長度在40～70 m時，S=40、50 cm的灌水均勻度均高于90%，當L=40 m時，灌水均勻度分別為98%、94%，當L=70 m時，灌水均勻度分別為93%、90%；當敷設長度在80～90 m時，S=40、50 cm的灌水均勻度均高于85%，當L=80 m時，灌水均勻度分別為89%、87%；當L=90 m時，灌水均勻度分別為87%、85%。當滴灌帶敷設長度在40～90 m時，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度在87%～98%、85%～94%，S=40 cm的灌水均勻度始終高于S=50 cm，且兩者灌水均勻度差值在2%～4%。當敷設長度從40 m增大到90 m時，灌水器間距S=40、50 cm的灌水均勻度差值為11%、9%，灌水器間距S=40 cm對敷設長度的變化更敏感。灌水器間距S=40、50 cm在L=90 m時，灌水均勻度均高于85%，因此，當滴灌帶灌水器間距S=40、50 cm的敷設長度延長至110 m，灌水均勻度仍高于80%。

圖3　滴灌帶入口壓力對灌水均勻度的影響Fig.3 The influence of drip irrigation tape inlet pressure on irrigation uniformity

圖4　滴灌帶敷設長度對灌水均勻度的影響Fig.4 The influence of drip irrigation tape laying length on irrigation uniformity

3　結　論

(1)低壓滴灌條件下，灌水均勻度隨毛管入口壓力的增大而提高，滴灌管灌水均勻度均高于滴灌帶，且滴灌帶對入口壓力的變化更敏感。滴灌管入口壓力在0.5～5 m時，減小毛管入口壓力對灌水均勻度的影響較小，故毛管入口壓力不應低于0.5 m，灌水均勻度均高于80%，滿足設計規范要求；滴灌帶入口壓力在2～5 m時，灌水均勻度高于80%，當入口壓力在0.5～1 m時，灌水均勻度顯著降低，均低于80%，故毛管入口壓力不應低于2 m。

(2)低壓滴灌條件下，灌水均勻度隨毛管敷設長度的減小而提高，滴灌管灌水均勻度均高于滴灌帶，且滴灌帶對敷設長度的變化更敏感。滴灌管在L=80、90 m時，灌水均勻度分別為85%、77%，當L=85 m時，灌水均勻度仍高于80%，滿足設計規范要求，故滴灌管敷設長度可以延長至85 m；滴灌帶在L=70、80 m時，灌水均勻度分別為87%、71%，當L=75 m時，灌水均勻度仍高于80%，滿足設計規范要求，故滴灌帶敷設長度可延長至75 m。

(3)低壓滴灌條件下，灌水均勻度隨滴灌帶灌水器間距的減小而提高。灌水器間距S=40 cm在h=2、1 m時，灌水均勻度分別為95%、76%，當h=1.6 m時，灌水均勻度仍高于80%，灌水器間距S=50 cm在h=2、1 m時，灌水均勻度分別為90%、65%，當h=1.3 m時，灌水均勻度仍高于80%，因此滴灌帶灌水器間距S=40、50 cm的入口壓力可分別降至1.6、1.3 m。灌水器間距S=40 cm、S=50 cm在L=90 m時，灌水均勻度均高于85%，因此，當滴灌帶灌水器間距S=40 cm、S=50 cm的敷設長度延長至110 m時，灌水均勻度仍高于80%。

(4)本文僅研究了平坡條件下不同毛管入口壓力、敷設長度、灌水器間距對灌水均勻度的影響，且試驗采用的滴灌毛管種類和灌水器間距有限，其相關關系有待于進一步研究。

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