石羊河流域水肥一體滴灌系統滴灌帶堵塞影響因素研究

吳婉瑩，王文娥，胡笑濤，王 睿，吳錫凱

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

水肥一體化具有節水、提高肥料利用率、提高作物產量與品質等優點，在國內大面積應用。為了更加節能和經濟，目前提出的低壓滴灌，即通過降低滴灌系統首部壓力的方式，可以大幅減少系統投資，但其中最大的問題是，低壓情況下灌水器灌水均勻度的降低和抗堵塞性能能否滿足灌溉要求，和高壓相較下，能否既體現其降耗的特點又滿足灌溉質量的要求?；趯δ壳霸谛陆透拭C等地區大面積應用的適用于低壓的側翼迷宮滴灌帶和適用于高壓的內鑲貼片式滴灌帶水力性能的研究，急需將其投入田間運行，對其抗堵塞性能、灌溉均勻度以及各自適用范圍進行研究，分析影響因素，為微灌系統推廣應用提供參考。

目前對低壓滴灌、迷宮滴灌帶的水力性能和抗堵塞性能的研究已有許多成果：牛文全[1]等定義了滴灌系統的概念和原理；劉燕芳[2]等通過研究溫室水肥滴灌系統灌水器堵塞狀況，得出灌水器平均流量隨著灌水量和施肥量的增加呈下降趨勢；劉璐等[3]研究在冬、夏兩個季節研究了3種不同泥沙級配渾水與3個不同施肥質量濃度組合對滴頭堵塞的影響和堵塞變化過程，發現夏季施肥和未施肥灌溉滴頭的抗堵塞性能均高于冬季，夏季有效灌水次數是冬季的1.26～1.43倍；馬曉鵬[4]得出了內鑲片式滴灌帶灌水器的水力性能優于單翼迷宮薄壁滴灌帶；羅春艷等[5]研究發現隨著滴灌帶進水口的壓力增加，滴頭灌水均勻度呈上升趨勢；仵峰[6]等通過內鑲式、微管和補償式3種灌水器自由出流試驗，得到內鑲式滴頭和微管的流量隨著壓力的升高而增大，補償式滴頭流量相對穩定，但低壓時流量相對較大；穆乃君[7]等對內鑲片式齒型迷宮滴頭的抗堵塞性能進行了測試，認為抗堵塞性能隨結構特征參數(段面最小尺寸，水力半徑和齒間距)、額定流量和迷宮滴頭徑粒比的增大而明顯提高；劉璐[8]提出了采用灌水器平均相對流量和灌水均勻度指標，綜合分析灌水器的堵塞狀況的方法，并給出了評價堵塞程度的概化模型；牛文全[9]分析了轉角對水力性能和抗堵塞性能的影響，提出迷宮流道結構灌水器的合理轉角為60°。本文采用國內市場普遍應用的側翼迷宮和內鑲貼片式滴灌帶，通過水力性能和大田水肥一體抗堵塞性能測試，分析首壓、過濾設施、鋪設長度等對滴灌帶性能的影響，為推廣應用水肥一體低壓灌溉提供參考。

1 試驗內容及方法

1.1 試驗材料與裝置

本試驗在甘肅省武威市中國農業大學石羊河流域農業與生態節水試驗站內進行。站內水源來自石羊河水系，水中主要含有鈣離子、鉀離子及鎂離子等陽離子；陰離子主要含有碳酸氫根離子、硫酸氫根離子及氯離子。pH值在7.3～9.5之間屬中性偏弱堿性，總硬度在200～350 mg/L之間屬微硬水，礦化度在400～600之間，屬淡水。

試驗地長104 m，寬22 m，共1 560 m2，玉米種植品種(先玉335)及種植方法與當地相同，采用膜下滴灌一膜一帶兩行種植，膜寬40 cm，株距25 cm，行距40 cm。肥料選用氮肥[CO(NH2)2，總氮≥46.4%，寧夏石化生產]、鉀肥(K2SO4，總鉀≥50%，上海漢合生產)、磷肥(NH4H2PO4，總磷≥46%，安寧云科生產)。滴灌系統包括水源、干管、水力驅動式比例施肥泵、過濾器、支管、毛管及壓力表、閥門、水表、便攜式超聲波流量計等，滴灌帶采用當地常用的內鑲貼片式和抗堵塞性能較強的新型迷宮流道側翼迷宮式滴灌帶[10]兩種，滴灌帶流道結構參數如表1所示。

表1 兩種滴灌帶流道技術參數Tab.1 Technical parameters of 2 kinds of channels of drip-tape

1.2 試驗方案及方法

由于實際生產中出現滴灌帶首部達到一定壓力值后，部分滴頭出現噴水或出水孔口破裂的情況，需確定滴灌帶運行允許壓力范圍。取兩種滴灌帶各7.5 m(滴頭數量分別為25個和50個)，測定壓力流量關系。每次試驗時待壓力穩定后每10 min測定一次滴頭流量，每個滴頭出流量由量杯接取5 min出流量并用精度為0.01 g的電子天平稱量，試驗持續2 h。由于試驗使用的側翼迷宮式滴灌帶管壁厚為0.2 mm，較薄，壓力為0.02～0.1 MPa；內鑲貼片式滴灌帶管壁較厚，壓力為0.02～0.12 MPa；每0.01 MPa為一種工況。根據大田試驗田塊長度取兩種滴灌帶48 m，測試不同管首壓力下兩種滴灌帶沿程水頭損失，在滴灌帶平均選取8個點(6、12、18、24、30、36、42、48 m)，用精度等級為0.25級的精密壓力表量取各測點的壓力值。

大田試驗共8個小區，小區長度48 m，4個小區使用內鑲貼片式滴灌帶(A、B、C、D)，另外4個小區使用側翼迷宮式滴灌帶(E、F、G、H)，其中：A、E只灌清水(48 m×2 m)，各鋪設兩條滴灌帶；B、C、D、F、G、H 6個為滴灌施肥區(48 m×3.5 m)，各鋪設4條滴灌帶。滴灌帶前分別安裝疊片式120目(D120)、網式120目(W120)及網式80目(W80)過濾器和不設過濾器4種，試驗小區布置圖見圖1，試驗小區布置方式見表2。

根據兩種滴灌帶工作壓力范圍，內鑲貼片滴灌帶三個施肥區(B、C、D)管首壓力分別設置為0.08、0.09、0.10 MPa，內鑲貼片式滴灌帶三個施肥區(F、G、H)管首壓力分別設置為0.04、0.05、0.06 MPa，在施肥灌溉中，通過閥門控制首部壓力，當設備運行平穩后，調施肥泵施肥比例為2%，將施肥泵的吸肥管放入配好的肥水比1∶5的肥液(4.8 kg)中，開始施肥，期間測定滴灌帶首尾壓力，每分鐘讀取一次數據，經測試系統運行10 min后化肥可輸送完畢，每次試驗后如過濾器堵塞則進行清洗更換。全生育期內共進行9輪灌水施肥，根據當地灌溉施肥量設置玉米全生育期內灌水定額約230 mm，尿素在基肥施加30%，拔節期施加70%，鉀肥全部施加到基肥中，磷肥將其平均分配到9次灌水中，每次施用量相同，全生育期施肥總量為N元素280 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。在整個灌溉周期結束后，將所有滴灌帶取回，每條滴灌帶截取前、中、后各取6 m，再通過清水測定滴頭出流量。

1-水泵；2-閥門；3-精密壓力表；4-水表；5-水力驅動式比例施肥泵；6-肥液桶；7-取水口；8-過濾器；9-超聲波流量計圖1 試驗小區布置圖Fig.1 Layout of the test plot

2 結果與分析

2.1 水力特性曲線和灌水均勻度

根據對兩種滴灌帶滴頭進行的水力特性試驗結果，分析在一定壓力范圍內滴頭流量-壓力關系，繪制滴灌帶水力特性曲線如圖2，通過回歸分析可得兩種滴灌帶壓力流量關系式為：

表2 試驗小區布置方式Tab.2 Layout of the test plot

注：過濾器一列中D表示疊片式過濾器，W表示網式過濾器，120和80表示過濾器目數，WU表示不安裝過濾器，下同。

內鑲貼片式q=0.901 4H0.365 2R2=0.993

(1)

側翼迷宮式q=0.788 1H0.475 9R2=0.995 9

(2)

由上式可以看出，內鑲貼片式滴頭的流態指數x為0.365 2，具有一定的壓力補償性，側翼迷宮式滴頭的流態指數x為0.475 9，制紊效果較優，在管首壓力小于0.04 MPa時內鑲貼片式滴頭流量大于側翼迷宮式，在0.04 MPa下兩種滴頭流量一致，隨著壓力增大側翼迷宮式滴頭流量大于內鑲貼片式且兩者差距有增大趨勢。

圖2 兩種滴頭的水力特性曲線Fig.2 Hydraulic characteristic curve4 of 2 kinds of emitters

根據測試不同管首壓力下兩種滴灌帶沿程水頭損失結果，分析在一定管首壓力范圍內，水頭損失隨滴灌帶長度的變化過程如圖3所示。由圖3可以看出，在管首壓力為0.08 MPa下，內鑲貼片式滴灌帶沿程損失受滴灌帶鋪設長度影響不明顯，隨長度增加略微有上升，當管首壓力增大，上升趨勢更加顯著，但增大幅度最大為0.002 MPa，灌水均勻度較高；而側翼迷宮式滴灌帶沿程損失隨滴灌帶鋪設長度的增大而增大，在管首壓力增大時增幅也略有加強，灌水均勻度比前者次之，但在短距離鋪設長度下，側翼迷宮滴灌帶的水頭損失小于內鑲貼片，能量耗損更低。

圖3 滴灌帶首尾壓差沿程變化曲線Fig.3 Changes curve of pressure of the head and tail of drip tape with different positions

2.2 抗堵塞性能

2.2.1 肥水灌溉次數對滴灌帶堵塞程度的影響

在整個灌溉施肥期間，在管首壓力一定的情況下，采取觀測滴灌帶首尾壓力差值的方式，來監測總水頭損失的大小，即整條滴灌帶出流量的變化，也可以體現堵塞程度的變化，其中壓差越小則代表水頭損失減小即出流量減小、堵塞程度增大，因此壓差和流量呈正相關，和堵塞程度呈負相關。

圖4給出了2種滴灌帶在9次間歇性肥水灌溉過程中滴灌帶首尾壓力差的變化過程，由圖4可以看出，首先，對于內鑲貼片式滴灌帶來說，在管首壓力為0.08 MPa下，4條滴灌帶壓差均有下降且下降趨勢比較均勻，其中B1壓差在前期略有波動后，中期持續平穩，到周期結束時再次降低，B2壓差在前期持續降低，直至第5次施肥壓差顯著提升，維持到結束時又略有降低，B3壓差除了在中后期略有波動隨灌溉次數降幅均勻，B4壓差總體呈下降趨勢，分別在第4、6和第8次發生回升，其后均再次下降，到灌溉結束后相較前三條降幅最大為0.005 MPa，其次為B3為0.004 MPa，均可以為發生部分堵塞，而B1和B2降幅較低，堵塞程度小于前兩者；在管首壓力為0.09 MPa時，壓差在第2次施肥時均有降低，之后先后均有回升，又于第6、7次施肥時再次降低，其中最低值發生在C3和C4兩種情況下，在9次灌溉結束后，C1和C2壓差略有降低，而C3和C4的壓差降幅較大為0.003 MPa，因此在首壓為0.09 MPa下，C3和C4滴灌帶產生一定堵塞；在管首壓力為0.1 MPa下，壓差沒有出現較大波動，其中D3和D4滴灌帶分別在第3次和第6次施肥時壓差降到最低為0.015 MPa，且在9次灌水施肥結束后只有這兩種壓差略有降低相較最初降幅為0.001 MPa，可以推測此壓力下D小區均沒有發生堵塞。 其次，對于側翼迷宮滴灌帶，在管首壓力為0.04 MPa下，相較于B小區，F小區壓差前期均未發生明顯變化，在中期顯著降低，隨后在小范圍內略有波動，其中F1和F2雖然灌溉期間壓差發生變化，但在灌溉結束時壓差均回升至初始值，可見堵塞物并未頑固長存，F3和F4壓差在中期降低后直至灌溉結束無明顯增長或繼續降低趨勢，降幅為0.003和0.004 MPa，認為發生一定程度堵塞；在管首壓力為0.05和0.06 MPa下，其變化類似于D小區情況，在灌溉期間壓差均上下小幅度波動，其中G3和G4壓差在最后一次施肥降幅稍大為0.002 MPa，可認為發生輕微堵塞，其余壓差未有明顯降低認為沒有發生堵塞。

綜上，兩種滴灌帶在各自管首最低壓力時均發生一定堵塞，其中側翼在設置疊120目和網120目過濾器的情況下未出現堵塞，而對于內鑲只是減輕了堵塞情況，在設置網80目過濾器的條件下亦均發生堵塞，相較未設過濾器堵的堵塞情況要相對輕微；兩種滴灌帶發生堵塞規律隨灌溉周期變化不同，內鑲式滴灌帶的堵塞程度隨時間呈現持續增長趨勢，而側翼迷宮式滴灌帶在第四次施肥后發生一定堵塞后，其后并未發生明顯變化。

圖4 2種滴灌帶滴頭首尾壓差隨灌水次數變化曲線Fig.4 Changes curve of pressure of the head and tail of two kinds of drip tape with irrigation times

2.2.2 滴灌帶不同位置滴頭堵塞程度

表3給出了各滴灌帶不同位置滴頭平均相對流量，對比壓差曲線，只有B3、B4和F3、F4發生了不同程度的堵塞，其中前兩者前中后均有堵塞，相對流量介于73%～80%間，前中段堵塞情況要略優于后段，其中B4前段和后段相對流量為73%小于75%發生嚴重堵塞；F3和F4前段相對流量均大于90%，基本沒有發生堵塞，中后段介于80%～85%之間，中段要略優于后段；在設置疊120目和網120目過濾器下滴灌帶均未發生堵塞，前者效果更優于后者，在設置網80目過濾器時堵塞情況相對未設過濾器較輕，但是相差較小，過濾效果甚微；同種滴灌帶，在壓力較大時更不易發生堵塞，兩種滴灌帶相較下，側翼迷宮滴灌帶抗堵塞性要優于內鑲貼片式滴灌帶，前者在首壓為0.04～0.06 MPa下工作均未發生嚴重堵塞，滿足灌溉要求，后者在首壓為0.08 MPa，設網80目和未設過濾器下發生嚴重堵塞，其他情況未發生堵塞。

由于內鑲貼片式滴灌帶沿程損失受滴灌帶鋪設長度影響不明顯，因此堵塞情況受滴頭位置(即滴頭距管首距離)影響不明顯，因此B3和B4前中后堵塞情況比較接近；而側翼迷宮滴灌帶沿程損失較大，因此堵塞情況隨管長增大而加重。

3 滴灌帶鋪設長度對灌溉均勻度的影響

表3 滴灌帶不同位置滴頭平均相對流量 %

圖5給出了滴灌帶不同位置的灌溉均勻系數變化情況，可以看出內鑲貼片式滴灌帶灌溉均勻系數隨鋪設距離變化并不明顯，總體均勻性要優于側翼迷宮滴灌帶，適合長距離鋪設；對于內鑲來講，B3和B4因發生堵塞，整體均勻系數都在70%～80%之間，灌水質量較差，其余工況下均勻系數均大于90%，在0.09 MPa下設疊120過濾器的滴灌帶均勻度最高，整體呈現前中段均勻度略高于后段的規律；而側翼因其滴頭間距較小為15 cm(內鑲為30 cm)，水頭損失較大，隨鋪設長度的增加滴頭流量呈遞減狀態，因此灌溉均勻度也隨之降低，在0.04 MPa下最低在F3、F4的后段為83%和82.6%，當管首壓力提高均勻度降幅也相對減小，在0.05 MPa時最低在G4后段為90.9%，0.06 MPa最低在H4后段為90.6%，均滿足灌溉要求。

在設計微灌工程中，一般不直接應用Cu來進行設計，而是通過控制微灌系統的流量偏差來控制系統的灌水均勻度[5]。對灌水器設計流量偏差率qv進行討論和修正，按下式計算：

qd=(qmax-qmin)/qd×100%

(3)

灌水器設計允許流量偏差率應滿足qd≤20%。其中qv為灌水器設計流量偏差率，%；qmax為灌水器最大流量，L/h；qmin為灌水器最小流量，L/h；qd為灌水器設計流量，L/h。考慮到側翼迷宮滴灌帶壓降較大的問題，計算流量偏差率來確定其適用性如表4所示。其中，F小區qd均低于20%，不滿足要求，H小區流量偏差率略低于G小區，灌溉質量最優。通過計算和對比查找圖2和圖3，對于0.04 MPa為管首壓力下，建議鋪設長度小于等于30 m。

圖5 滴灌帶不同位置灌溉均勻系數變化圖Fig.5 Changes curve of the Cu of drip tape with different positions

表4 滴灌帶設計流量偏差率 %

4 結 語

通過對兩種滴灌帶水力特性和抗堵塞性研究，內鑲貼片式滴灌帶試用于長距離鋪設(≥50 m)，整體灌水均勻度較高，但抗堵塞性能低于側翼迷宮滴灌帶，而且對工作壓力要求較高，在低于0.09 MPa壓力下易發生堵塞，需設置疊片式或網式120目過濾器；經測試，側翼迷宮滴灌帶可以在長距離(48 m)低壓情況下(≥0.05 MPa)進行水肥一體化高質量灌溉，由于研究表明側翼迷宮滴灌帶堵塞情況隨管長增大而加重，且在短距離鋪設長度下，側翼迷宮滴灌帶的水頭損失小于內鑲貼片，能量耗損更低，當首壓設置為0.04 MPa時建議鋪設距離≤30 m可以保證其抗堵塞性及灌溉均勻度都較優。除此之外，從兩種滴灌帶本身的造價來講，側翼迷宮式滴灌帶價格僅為內鑲貼片式滴灌帶的一半，并且因其材料單一可回收再利用的特點，更加提升了其經濟性以及環保性。

(1)內鑲貼片式滴灌帶沿程損失受滴灌帶鋪設長度影響不明顯，隨長度增加略微有上升，當管首壓力增大，上升趨勢更加顯著，但增大幅度最大為0.002 MPa，灌水均勻度較高；側翼迷宮式滴灌帶沿程損失隨鋪設長度的增大而增大，在管首壓力增大時增幅也略有加強，灌水均勻度比前者次之，但在鋪設長度低于30 m時，側翼迷宮式滴灌帶的水頭損失小于內鑲貼片式滴灌帶，能量耗損更低。

(2)內鑲貼片式滴灌帶抗堵塞性能低于側翼迷宮滴灌帶，在低于0.09 MPa壓力下易發生堵塞，需設置疊片式或網式120目過濾器；側翼迷宮滴灌帶堵塞情況隨管長增大而加重。

(3)側翼迷宮滴灌帶鋪設48 m時，水肥一體化灌溉管首壓力0.05 MPa效果最優，當首壓設置為0.04 MPa時建議鋪設距離不超過30 m。