坡地滴灌順逆坡雙向布置毛管出水規律研究

劉少東，汪 春,2，衣淑娟

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319; 2.中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所循環農業研究中心，廣東 湛江 524091)

滴灌是利用滴灌毛管(下文簡稱毛管)、滴頭等設備，以滴水或細小水流的方式，濕潤植物根區附近部分土壤的灌水方法[1]。由于具有較高的灌溉水利用系數，該項技術在西北和東北旱區應用面積較廣，應用領域也從果蔬、經濟作物和設施農業推廣到大田作物，目前大田作物滴灌面積已達到整個滴灌面積的80%左右[2]。滴灌技術對我國農業生產中提高水資源利用效率作用顯著。灌水均勻度是評價滴灌效果的重要指標，其受地面坡度、毛管長度等因素的影響[3,4]。 我國耕地中坡耕地占一定比例，以黑龍江省為例，省內丘陵漫崗地帶占全省土地面積的35.8%，坡度可達到3°～5°[5]。平地條件下，毛管一般在支管兩側對稱布設，通過合理設置毛管長度可獲得較高的灌水均勻度。坡地地形條件下，毛管沿坡布置時各滴孔水壓受其位置水頭影響，滴孔流量分布規律不同于平地地形條件。全順坡布置毛管可提高毛管灌水均勻度[6,7]。在生產實踐中，毛管順逆坡雙向布置方式也較為常見，采用該布置方式，可降低水頭要求、節約投資并提高灌水質量[8]。坡地滴灌毛管采用順逆坡雙向布置(非對稱布置，順坡毛管長度大于逆坡毛管長度)比全順坡布置更有利于提高灌水均勻度[9]。因此，不同地面坡度時順逆坡管長的布置須隨坡度值做出對應調整。

本文設置不同坡度條件，試驗分析滴灌毛管不同順逆坡長度組合的灌水均勻度變化規律，可為確定不同坡度下的順逆坡毛管合理布設長度，進一步提高坡地滴灌均勻度提供參考和借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

滴灌毛管選用內鑲貼片式滴灌帶，具體參數為：滴孔間距為20 cm、毛管內徑16 mm，壁厚0.3 mm。測試水源為經200目過濾器過濾后的自來水。

灌水均勻度采用克里斯琴森(Christiansen)公式[1]計算，如式(1)所示。

(1)

1.2 雙向有坡滴灌試驗方案

試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由供水系統、坡度調節裝置和毛管組成。供水系統包括水泵和壓力調節裝置，通過供水管向毛管提供穩定水流。供水管采用PE管，由三通管連接于毛管上，供水管臨近三通管處裝有流量調節閥和水壓表。毛管固定于木方上，用鋼絲將木方懸掛起來，通過調節鋼絲長度調節木方傾斜角度，模擬地面坡度。以毛管入水口處為O點，向兩側每10 m選取一個測點。試驗儀器主要有精密壓力表、米尺、量杯和秒表。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of test device

試驗采用全因子設計方法，選擇坡度、順坡管長和逆坡管長為試驗因素，采用順坡管長大于逆坡管長的非對稱布管方式。根據預試驗結果選定各因素水平值，試驗參數如表1所示。

表1 試驗參數表Tab.1 Test parameter table

試驗過程：按試驗方案調節鋼絲和木方設定坡度，并布置順逆坡管長，打開水泵并通過流量調節閥將水壓調整至0.15 MPa(該壁厚毛管的正常工作壓力)，待毛管各滴孔出水量穩定后，測取各測點流量。各組合分別重復試驗3次，取平均值后用于分析。

2 試驗結果分析

2.1 各試驗因素對灌水均勻度的影響

此處分別分析討論地面坡度、順坡管長和逆坡管長對灌水均勻度的影響。地面坡度在生產實踐中非人為可以調節，需要根據實際坡度值合理設置順逆坡毛管長度獲得最佳灌水均勻度。

采用SPSS軟件分別繪制各試驗因素的灌水均勻度估算邊際均值曲線如圖2～圖4所示。

由圖2可以看到，地面坡度由1%變為2%灌水均勻度由83.53%增至83.63%，增加幅度較??；而當坡度由2%變為3%時，灌水均勻度由83.63%增為86.42%，提高幅度較大。但就總體而言，灌水均勻度隨地面坡度增加而提高，表明在有坡地形條件下非對稱布管方式有利于提高灌水均勻度。

圖2 地面坡度的灌水均勻度估算邊際均值Fig.2 Estimation of marginal mean of irrigation uniformity of surface slope

如圖3曲線所示，逆坡管長度對灌水均勻度的影響較為復雜。從邊際均值變化規律來看，與不設置逆坡毛管相比，逆坡管長較短時，灌水均勻度略有所下降，隨逆坡管長的增加，灌水均勻度開始明顯增加，在達到峰值后又出現下降。表明在有坡地形下順逆坡雙向設置毛管時，逆坡管長存在最佳長度，高于此值或低于此值時，灌水均勻度均會下降，甚至可能會低于不設置逆坡管情形。逆坡毛管的最佳長度需根據地面坡度和順坡管長分別確定。圖3灌水均勻度邊際均值最小值為83.61%，最大值為85.65%，總體變幅較小。

圖3 逆坡管長的灌水均勻度估算邊際均值Fig.3 Estimation of marginal mean of irrigation uniformity of pipe length on the reverse slope

圖4為順坡管長的灌水均勻度邊際均值曲線。如圖中曲線所示，隨順坡管長由50 m增加到90 m，灌水均勻度由94.29%減為69.11%，下降幅度很大。與坡度及逆坡管長度等因素相比，順坡管長變化引起灌水均勻度變幅最大，可知，在本文選定的因素中，順坡管長對灌水均勻度影響最為顯著。因此，調節順坡管長是控制坡地滴灌灌水均勻度的最有效手段。

圖4 順坡管長的灌水均勻度估算邊際均值Fig.4 Estimation of marginal mean of irrigation uniformity along slope pipe length

2.2 最佳順逆坡管長的確定

前文已述及，通過合理設置順逆坡毛管長度可實現對灌水均勻度的調整。分別繪制各順坡管長下灌水均勻度的影響如圖5～圖9所示。

圖5所示為順坡管長90 m時，灌水均勻度隨逆坡管長的變化曲線。從曲線中可以看出，1%和2%坡度下，灌水均勻度隨逆坡管長先降低后逐步上升，上升幅度較為平緩。逆坡管長達40 m時灌水均勻度才超出全順坡(逆坡管長0 m)布置方式。受限于本試驗逆坡長度水平，無法獲得繼續增加逆坡管長后的灌水均勻度值，推測其會隨逆坡長度增加繼續提高。從總體來看，在這兩個坡度水平下各逆坡管長灌水均勻度均較低，低于80%的國家標準。地面坡度3%時，隨逆坡管長增加，灌水均勻度先下降后上升，逆坡管長30 m時均勻度達到峰值80.46%后再次下降，但總體看3%水平下灌水均勻度較高，遠高于1%和2%坡度的灌水均勻度值。

圖5 90 m順坡管灌水均勻度Fig.5 Irrigation uniformity of 90 m downhill pipe

由圖6可知，順坡管長80 m的灌水均勻度與順坡管長90 m情況相類似。1%、2%坡度下灌水均勻度隨逆坡管長增加亦呈先下降后上升的態勢。相比較而言，順坡管長80 m灌水均勻度隨逆坡管長上升幅度較大，逆坡管長30 m時均勻度即已高于全順坡情形。3%坡度下，灌水均勻度隨逆坡管長略微下降后上升，逆坡管長30 m時，均勻度達到峰值后迅速下降。總體而言，順坡管長80 m灌水均勻度普遍高于順坡管長90 m情形。

圖6 80 m順坡管灌水均勻度Fig.6 Irrigation uniformity of 80 m downhill pipe

對圖7曲線分析可知，1%坡度下灌水均勻度隨逆坡管長增加微幅下降后即開始上升，逆坡管長40 m時仍處于上升態勢。地面坡度2%和3%條件下，灌水均勻度先下降后上升，達到峰值后再次下降。從圖7曲線可以看出，2%坡度條件下逆坡管長在30～40 m間灌水均勻度達到最大值；3%坡度條件下逆坡管長20～30 m間灌水均勻度達到極限值。在該順坡管長條件下，各組合灌水均勻度均高于85%，處于較高水平。

圖7 70 m順坡管灌水均勻度Fig.7 Irrigation uniformity of 70 m downhill pipe

順坡管長60 m條件下，灌水均勻度隨逆坡管長變化規律如圖8所示。 1%坡度下灌水均勻度隨逆坡管長增加而提高，與順坡管長70～90 m間情形相比，隨逆坡管長的增加，沒有出現先下降后上升的變化規律，逆坡管長30 m達到峰值后開始下降；2%、3%坡度下，灌水均勻度隨逆坡管長度增加仍然先下降后上升，并均在逆坡毛管長20～30 m間達到峰值后，其后均勻度開始下降。

圖8 60 m順坡管灌水均勻度Fig.8 Irrigation uniformity of 60 m downhill pipe

如圖9所示，當順坡管長50 m時，1%～3%坡度下灌水均勻度均未出現均勻度先下降后上升的變化規律，而是隨逆坡管長增加而直接提高，達到峰值后下降。但不同坡度的灌水均勻度峰值對應的逆坡管長不同。此外，各坡度達到峰值后灌水均勻度下降幅度也不相同，地面坡度越大，曲線達到峰值后下降幅度也越大。

圖9 50 m順坡管灌水均勻度Fig.9 Irrigation uniformity of 50 m downhill pipe

綜合分析圖5～圖9，在一定坡度條件下，順坡管長和逆坡管長存在最優組合，使得灌水均勻度最大。現將本試驗中坡度和順坡管長組合的最大灌水均勻度對應的最佳逆坡管長度列入表2。

表2 最佳逆坡管長度Tab.2 Optimum length of adverse slope

由于本試驗逆坡管長度水平以10 m為水平差，最長至40 m，表2數據以實際測得數據列入。實際上最大灌水均勻度和最優逆坡管長度可能超出40 m或在整數值之間。但從表2數據仍可看出：順坡管長越短，灌水均勻度越高；有坡地形條件下存在最佳順逆坡長度值，較長的順坡管長應設置較長的逆坡毛管，才能獲得較高的灌水均勻度；最佳逆坡管長同時也受地形坡度影響，在順坡管長相同的情況下，地形坡度越大，最佳逆坡管長越短。文獻[1]要求，滴灌灌水均勻度不宜低于80%。由表2中數據，建議：水壓與本文相近條件下，地面坡度1%和2%時順坡管長不宜長于80 m；地面坡度3%時順坡管長不宜長于90 m。在此基礎上，還應輔以適當長度的逆坡管。

需注意的是，表2列出的各組合，如其對應的灌水均勻度曲線出現“先增大后減小”規律，則表2峰值數據可作為實踐中順、逆坡管長度設置參考。其余數據，由于逆坡管長度試驗水平限制，最佳逆坡管長可能未在圖中得以體現。

2.3 毛管順逆坡出水量規律

毛管灌水均勻度由各測點的出水量計算得出，因此灌水均勻度變化可從順逆坡各測點出水量規律中找到原因。本試驗中每10 m設置一個測點，以毛管入水口處為0點，順坡各測點位置分別為10 m、20 m、…，逆坡各測點位置分別為-10 m、-20 m、…。繪制各坡度下不同順坡管長的出水量曲線如圖10～圖12所示。

圖10為隨逆坡管從0 m增至40 m，各測點出水量變化形態走向規律較為類似。

逆坡管長度為0時，毛管入水口處測點出水量最大，隨測點距入水口距離的增加，滴孔出水量逐步減少。但從具體變幅來看，順坡管長度越長，下降幅度越大。列出逆坡管長0 m，順坡管長50、60、70、80、90 m時，毛管入水口近遠端出水量數據如表3所示。

從表3數據可以看出：隨著順坡管長度減小，入水口處出水量小幅增加，但末端滴孔出水量大幅增加，首末端出水量差減小。前文2.2小節提到，毛管灌水均勻度隨順坡管長度減小而逐步增加，其原因就是：順坡管長減小，首末端出水量差減小，均勻度得以提高。

圖10 坡度1%時各管長組合出水量Fig.10 Output of each group at 1% slope

表3 毛管近遠端出水量值Tab.3 Proximal and distal capillary effluent values

相較于全順坡布置，逆坡管長不為0 m時，毛管各滴孔出水量均有下降，總體而言入水口近端下降較多，遠端下降較少。入水口處滴孔出水量最大，但與全順坡布置(逆坡管長為0 m)相比，該處峰值隨逆坡管長的增加逐漸減小。文獻[9]指出正是這一“削峰”作用提高了毛管灌水均勻度。

綜合比較圖10，可以看到，圖10逆坡滴孔出水量均高于順坡等距點出水量。以順坡毛管10 m處和逆坡毛管10 m處測點為例，分析其原因：順坡毛管較長，通過順坡10 m處的水流流量及流速均較大，水流流速快引起壓力降低；而逆坡方向毛管較短，逆坡10 m處流量和流速均較低，水流流速低而水壓高。雖然順坡10 m處比逆坡10 m處高程降低， 但1%坡度下該兩點間高差形成的壓力增量，不足以抵償本試驗各順坡管長條件下流速差異造成的壓力下降量。在坡度一定的情況下，順坡管與逆坡管長度差值越大，則逆坡管與順坡管之間的流量及流速差越大，逆坡管滴孔流量會越明顯地高于順坡管等距點流量。

前文2.3小節已提及，在本試驗多種組合下出現隨逆坡管長度的增加，灌水均勻度“先降低后上升”的現象。其原因是：當順坡管較長而逆坡管較短時，入水口逆坡方向近端滴孔出水量較大，該出水量值無法明顯提高出水量均值，但卻在測點出水量數據上出現除入水口峰值外的另一個較高值。而在逆坡管長為0 m時(全順坡布置狀態)，曲線中只有峰值處一個較高出水量值。這就會使在均值接近的情況下，逆坡管較短時的灌水均勻度低于全順坡布置，出現圖5～圖7中，隨逆坡管長增加1%坡度灌水均勻度曲線出現“先降低”的現象。其后，隨逆坡管長的增加，入水口處流量峰值及逆坡管各滴孔出水量均會發生明顯降低，趨向出水量均值，從而使得灌水均勻度不斷提高，灌水均勻度曲線出現“后上升”現象。

如果逆坡管長進一步增加，逆坡管末端會進一步下降至等于甚至低于毛管平均出水量，使得灌水均勻度達到峰值并開始下降。此時，便會出現圖8和圖9中1%坡度灌水均勻度達到峰值后再次出現下降的變化規律。圖5～圖7曲線未出現峰值，是由于試驗逆坡管長較短所致。該現象表明，一定坡度下不同順坡管長對應著最佳逆坡管長，使得該順坡管長度下灌水均勻度最高。

圖11為各圖分別是2%坡度下，順坡管長分別為50～90 m與逆坡管長分別是0～40 m各試驗組合毛管出水量規律。

綜合圖11各圖可以看到，與1%坡度地形的出水量規律相似：入水口處滴孔出水量最大。隨著順坡管長減短，滴孔出水量峰值降低、低值提高，毛管出水量最大值和最小值差值減小，毛管灌水均勻度提高。由于2%坡度下順逆坡等距測點高差形成水壓增加量，相對于順逆坡管長不同而形成流速差產生的水壓減小量仍較小，多數測點仍然存在逆坡滴孔出水量均高于順坡等距點出水量。相應地，在2%坡度下也存在著順坡管較長時，隨逆坡管長增加灌水均勻度先降后升、達到峰值后下降的規律(圖6～圖9中2%坡度曲線所示)；當順坡管較短時，灌水均勻度隨逆坡管的增長，直接增加至峰值(圖10中2%坡度曲線所示)。但對于順逆坡管長度差不大的情況，高差形成的水壓增加已經超越流速差異形成的水壓降幅，出現逆坡管末端測點出流量小于順坡等距點出流量的情況，如圖11(d)～圖11(e)中逆坡管長40 m曲線所示。

圖11 坡度2%時各管長組合出水量Fig.11 Output of each group at 2% slope

在圖11(a)～圖11(c)中，毛管入水口處滴孔出水量最大，順坡方向滴孔出水量先下降后增加，出水量最低點出現在距入水口約50～60 m處；而在圖11(d)和圖11(e)中，順坡管長度分別為60和50 m時，其出水量最低點出現在順坡毛管末段。該現象表明：順坡管長較長時，順坡管出水量最低點不在毛管末端，而在管中位置，表現為出水量曲線在后端上翹。順坡管長90 m時出水量最低點在距入水口50 m處，順坡管長80和70 m時出水量最低點在距入水口60 m處。分析其原因：由水流的能量方程可知，順坡方向各滴孔高程漸次降低，會對各孔壓力水頭產生補償，使得滴孔壓力水頭增加。同時，由于管內水頭損失與水流流速的平方成正比，在入水口至出水量最低點之間的管段，由于管內水流速度較快，2%坡降形成的位置水頭補償不足以抵消水頭損失。因此，該段毛管向末端方向各滴孔水壓及出水量仍然逐漸下降。而在出水量最低點至毛管末端管段，由于前段滴孔的分流作用，使得該管段過流量與流速降至較低值，此處2%坡降形成的位置水頭補償大于水頭損失，使得該段毛管滴孔出水量開始增加。越靠近毛管末端，水流速度越慢，出水量越大，即出現了前述出水量曲線“翹尾”現象。當管長越長，毛管首末端流速差越大，該現象越明顯。反之，則該現象不明顯，如圖11(d)和圖11(e)所示。

圖12為地面坡度3%時不同管長組合下毛管各測點出水量變化規律。

與圖10、圖11較為相似，圖12表明隨順坡管減短，毛管各測點灌水均勻度趨向均勻，因此灌水均勻度可得以提高。逆坡管的設置降低了毛管各滴孔出水量，但入水口近端下降明顯，末端出水量降幅較小。從順逆坡各測點出水量對比來看，仍較多地存在逆坡管滴孔出水量大于順坡等距滴孔的情況。

圖12 坡度3%時各管長組合出水量Fig.12 Output of each group at 3% slope

同時還可以看到圖12毛管出水量沿順坡方向先減小后增大，“翹尾”現象明顯，順坡管出水量最低點均在毛管中部，原因前文中已做解釋。出現該情況后，順坡毛管末端出水量出現上升，避免了首尾滴孔出水量差的進一步擴大，有利于提高灌水均勻度。由于3%坡度地形高程下降引起的水壓增加相比2%坡度更大，因此出水量最低點距入水口的距離較2%坡度地形更近一些。同時也可看到，順坡管長不同，出水量最低點距入水口的距離隨之發生變化。順坡管長由90 m減為50 m時，出水量最低點從距入水口50 m前移至距入水口30 m?？梢姡樒鹿荛L越短，最低點越靠近入水口。

值得注意的是，圖12(a)中順坡管較長時(長90 m)，逆坡40 m出水量曲線在逆坡管末端出現出水量陡降現象。這是由于地形坡度較大，隨著逆坡方向管距和高程增加、水頭損失與流量減少會使得毛管內水壓力迅速下降，在逆坡40 m處壓力已不足以維持毛管正常出水。在試驗過程中可明顯觀察到，逆坡毛管距入水口一定距離的毛管管壁松弛，滴孔出水已非管內水壓主導，近似無壓流自然滲漏狀態，其出水量遠小于相鄰近入水口端受一定水壓的管段。該現象表明確保滴孔正常出水逆坡管長存在極限值，超出該長度后，出水量將顯著降低，灌水均勻度也相應明顯下降。因此，在有坡地形的灌水實踐中，逆坡管長應取合理值以維持管內水壓，過長的逆坡毛管會使滴孔出水量陡降甚至出現不出流現象。本試驗中，3%坡度下不同順坡管長下逆坡毛管不宜超過30 m。1%和2%坡度下均未出現這一現象。由此可知，逆坡管長的合理長度主要由坡度決定，但同時受順坡管長影響。

3 結 語

(1)方差分析結果表明，本文選定的因素地面坡度、順坡管長和逆坡管長均對毛管灌水均勻度有明顯影響。從各因素的影響程度來看，順坡管長對灌水均勻度的影響最為顯著，地面坡度與逆坡管長影響較小。由于地面坡度為人為不可控因素，在滴灌布管實踐中可通過合理設置順、逆坡管長，獲得最佳灌水均勻度。

(2)各因素的影響規律是：順坡管長越短，灌水均勻度越高；對不同長度順坡毛管，逆坡毛管存在最佳長度使得毛管灌水均勻度最高，高于或低于此值，灌水均勻度均會有所下降；灌水均勻度隨地面坡度增加而提高，逆坡毛管較短的雙向非對稱布管方式對有坡地形適應性較好，有利于提高毛管灌水均勻度。

(3)最佳逆坡管長度受順坡管長和地面坡度影響。坡度相同條件下，最佳逆坡管長隨順坡管長的增加而增加；在順坡管長相同的條件下，最佳逆坡管長隨坡度增加而減小。文中已給出順逆坡毛管設置建議。

(4)毛管出水量總體分布規律是入水口處出水量為峰值，兩側出水量開始減小。各因素對毛管出水量分布規律有不同影響：順坡管長減小可使滴孔出水量趨于均勻，提高了灌水均勻度；地面坡度足夠大時，會使順坡毛管出水量出現“翹尾”現象，坡度增加使得順坡管滴孔出水量最低點向入水口靠近；逆坡管的設置使得毛管各滴孔出水量均有所下降，近入水口處滴孔出水量下降較多，遠端滴孔出水量下降較少，這一“削峰”作用有利于提高灌水均勻度。在一定長度范圍內，隨逆坡管長度增加，該作用不斷增強，但超出一定范圍后，逆坡毛管末端出水量陡降，會引起灌水均勻度下降。