景少波 王成福

（新疆水利水電科技信息中心 烏魯木齊 830000）

0 引言

新疆地方政府歷年來高度重視農(nóng)業(yè)節(jié)水建設，“十一五”時期，一方面各級財政加大了對農(nóng)業(yè)節(jié)水建設補助力度，一方面高效節(jié)水產(chǎn)生的效益有力地提高了農(nóng)民的積極性，同時隨著膜下滴灌技術的日臻成熟和滴灌設備在新疆國產(chǎn)化水平的提高，滴灌系統(tǒng)的投資逐漸降低，促使新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭［1］。然而常規(guī)滴灌器需要較高的水頭來保證其灌水均勻度，運行費用較高，為了讓經(jīng)濟實力弱的農(nóng)戶都應用滴灌技術，以運行成本較低為優(yōu)勢的低壓滴灌將成為未來發(fā)展的主要趨勢之一［1］。研究表明，微壓滴灌成本為目前滴灌成本的30%～70%，年運行費約為目前的30%～50%，因此，降低滴灌工作壓力能有效降低運行成本，但工作壓力降低后是否會對灌水均勻度造成影響呢？針對該問題，筆者在新疆呼圖壁縣聯(lián)豐村、紅山村灌區(qū)以不同坡度下不同低壓毛管為研究對象，分別從鋪設坡度、鋪設長度、入口壓力等方面對毛管灌水均勻度的影響進行了研究和分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

分別選用2種不同類型的滴灌帶進行試驗。一種為A公司生產(chǎn)的邊縫式滴灌帶（以下簡稱A型），管徑為16 mm，滴頭間距為40 cm，設計流量1.8 L/h；另一種為B公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶（以下簡稱B型），管徑為16 mm，滴頭間距為30 cm，設計流量1.38 L/h.

1.2 試驗方法

試驗分2部分進行：①在試驗室對2種滴灌帶灌水器制造偏差進行測試，由公式（3）計算得出制造偏差系數(shù)；②在呼圖壁縣紅山村、聯(lián)豐村灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用條件下，分別對已鋪設的2種滴灌帶進行均勻度測試，重點研究毛管進口壓力、鋪設長度、坡度等參數(shù)對灌水均勻度的影響。鋪設方式均為膜下鋪設，種植作物為棉花。

1.3 試驗裝置

試驗室中試驗裝置與大田中測試裝置除供水系統(tǒng)略有不同外，其余均相同。試驗室中供水系統(tǒng)由水箱、加壓泵和壓力調(diào)節(jié)裝置組成，而大田供水系統(tǒng)由首部提供，首部采用了全自動變頻供水控制系統(tǒng)，保證了供水壓力的穩(wěn)定。試驗開始時，通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥獲得系統(tǒng)需要的設計工作壓力，保持壓力穩(wěn)定，壓力通過精度為0.002 MPa級的精密壓力表讀取，毛管進口和末端各安裝一個。毛管鋪設坡度采用水準儀測量得出。試驗中通過在毛管上安裝流量調(diào)節(jié)閥控制毛管測試長度；試驗時按每條毛管測試長短分別等距選取6～10個滴頭，同一時刻觀測并記錄滴水量及相應的出流時間，然后通過量筒測量其出流量。

2 滴灌系統(tǒng)水力計算方法［2］

2.1 灌水均勻度計算方法

滴灌灌水均勻度是評價灌水質(zhì)量優(yōu)劣的一個主要技術指標，按微灌工程技術規(guī)范（GB/T 50485-2009）要求，對已建成的微灌系統(tǒng)宜采用灌水均勻系數(shù)Cu進行灌水均勻性評價，灌水均勻系數(shù)按以下公式進行計算：

式中：Cu—灌水均勻系數(shù)；

Δq平—灌水器流量的平均偏差，L/h；

qi—田間實測的各灌水器流量，L/h；

q平—灌水器平均流量，L/h；

n—所測灌水器個數(shù)。

2.2 灌水器制造偏差

灌水器制造偏差與灌水器設計、所用結構材料以及制造工藝有關，其流道尺寸、形狀和表面光潔度的微小差異都會引起滴頭流量的較大誤差。制造偏差采用Cv表示，本文通過測試樣品求得，計算公式如下：

式中：Cv—制造偏差系數(shù)；

S—樣品的流量標準偏差；

q平—樣品平均流量，L/h；

n—樣本數(shù)量。

2.3 滴灌帶上水壓變化曲線

根據(jù)毛管水力學特性，在一條毛管上，僅僅在末端很小部分出現(xiàn)層流，在入口附近可能出現(xiàn)紊流，其絕大部分屬于水力學光滑紊流，其毛管長度、毛管內(nèi)徑、毛管入口壓力水頭、毛管末端壓力水頭、沿毛管的坡度和滴頭流量之間的關系可由下式表示：

式中：Hin—毛管入口壓力水頭，m；

Hend—毛管末端壓力水頭，m；

J—毛管坡度；

L—毛管長度；

K—系數(shù)，K=1.47V0.25；

V—水運動黏滯系數(shù)，20°時V=0.0101cm2/s，

S—滴頭間距，m；

d—毛管直徑；

q—滴頭流量。

3 試驗結果與分析

3.1 灌水器制造偏差測試結果

在試驗室對樣品的灌水器制造偏差進行了測試，得出A型和B型滴灌帶灌水器制造偏差Cv分別為0.06和0.03，根據(jù)國際通用滴灌產(chǎn)品標準，A型灌水器質(zhì)量等級為一般品，B型灌水器質(zhì)量等級為優(yōu)等品。

3.2 逆坡條件下降低毛管進口壓力對灌水均勻度的影響

逆坡下不同鋪設長度對2種滴灌帶灌水均勻度的影響見圖 1、圖2.

圖1 鋪設長度50 m逆坡10.8‰時灌水均勻度

圖2 鋪設長度65 m逆坡7.6‰灌水均勻度

由圖1可以看出，L=50 m，逆坡10.8‰情況下，當5 m≤Hin≤10 m時，A型和B型毛管Cu均保持在95%以上，降低入口壓力水頭對Cu影響不大；當2m≤Hin＜5 m時，A型和B型毛管Cu均隨著入口壓力的降低而降低，A型降低的趨勢更加明顯，但Cu均保持在85%以上。

由圖2可以看出，L=65 m，逆坡7.6‰情況下，當6 m≤Hin≤10 m時，A型和B型毛管Cu均保持在95%左右，降低入口壓力水頭對Cu影響不大；當2 m≤Hin＜6 m時，A型和B型毛管Cu均隨著入口壓力的降低而降低，A型降低的趨勢更加明顯，但Cu均保持在80%以上。

由圖1和圖2可以看出，A型滴灌帶由于其灌水器制造偏差過大，鋪設長度和水頭的變化對其滴水均勻度的影響較B型滴灌帶更為明顯。

3.3 順坡條件下降低毛管進口壓力對灌水均勻度的影響

3.3.1 順坡15‰時不同長度下2種滴灌帶滴水均勻度對比，對比情況見圖3、圖4、圖5.

圖3 鋪設長度65 m時的均勻度

圖4 鋪設長度100 m時的均勻度

圖5 鋪設長度120 m時的均勻度

由圖3至圖5可以看出，在順坡15‰情況下，在進口壓力水頭測試范圍內(nèi)，對于不同鋪設長度，A型和B型毛管Cu隨壓力的降低均呈下降趨勢，而B型滴灌帶Cu下降的趨勢更為明顯。在三種鋪設長度下，A型滴灌帶Cu始終大于B型滴灌帶，隨著鋪設長度的增加，Cu的差值逐漸加大，當鋪設長度達到120 m時，Cu平均差值達到5%.

3.3.2 順坡15‰時不同鋪設長度對A型和B型滴灌帶灌水均勻度的影響

圖6 不同長度下A型滴灌帶灌水均勻度

圖7 不同長度下B型滴灌帶灌水均勻度

由圖6和圖7可以看出，順坡15‰情況下，當2 m≤Hin≤10 m時，A型和B型毛管Cu隨著壓力的降低均呈下降趨勢。對于A型滴灌帶，鋪設長度在65 m和100 m情況下Cu均保持在90%以上，當鋪設長度增加到120 m，2 m≤Hin≤5 m時，Cu隨壓力降低的趨勢更加明顯，但Cu仍保持在85%以上。對于B型滴灌帶，三種鋪設長度下Cu均保持在90%以上，當2 m≤Hin≤4 m時，Cu隨壓力降低的趨勢較為顯示，但Cu仍保持在90%以上。

3.4 壓力與毛管出水量關系

圖8 鋪設長度100m順坡15‰時壓力與出水量關系（B型）

圖9 鋪設長度65m逆坡7.6‰時壓力與出水量關系（A型）

限于篇幅限制，本文選取A型和B型滴灌帶具有代表性的測試結果進行分析，分別見圖8和圖9.圖8為B型滴灌帶鋪設長度100 m順坡15‰時壓力與出水量關系，圖9為A型滴灌帶鋪設長度65 m逆坡7.6‰時壓力與出水量關系。由圖8和圖9計算得出，A型和B型滴灌帶在設計水頭下出水量均未達到設計要求，由公式（6）可以得到印證。

試驗中發(fā)現(xiàn)，圖8情況下，進水口壓力始終與出水口壓力相等（Hin=Hend），說明地形坡降的壓力補償剛好與毛管水頭損失相等，因此該情況下毛管灌水均勻度受壓力變化影響較小。雖然地形坡降引起的壓力增加補償了毛管水頭損失，但其出水量仍然未達到設計要求，較設計偏小0.02 L/h.

4 結論

（1）對于本文研究的毛管順坡和逆坡鋪設情況，在不影響灌水均勻度的情況下，A型和B型滴灌帶進水口設計壓力可進一步降低。在逆坡10‰，鋪設長度60 m情況下，當4 m≤Hin≤10 m時，Hin的降低對Cu影響不大，對于A型滴灌帶，Hin可以降到3 m，對于B型滴灌帶，Hin則可以降到2 m.

（2）順坡條件下，A型和B型毛管灌水均勻度均隨鋪設長度的增加而降低，當Hin≤4 m時，A型降低的速率更為明顯。當L≤100 m時，降低入口壓力和增加毛管鋪設長度對毛管灌水均勻度影響均不大，Hin=2 m情況下，仍可以保證在90%以上。當L=120 m時，A型滴灌帶Hin可以降到3 m，B型滴灌帶Hin則可以降到2 m.

（3）B型滴灌帶由于其灌水器制造偏差小，在各種條件下灌水均勻度均優(yōu)于A型滴灌帶，但其價格高，一般農(nóng)戶很難承受。在不影響灌水均勻度的情況下，為了使更多的農(nóng)戶應用運行成本低的低壓滴灌技術，設計時采用A型滴灌帶在低壓條件下進行灌水是一個很好的選擇，其優(yōu)點在于低壓條件運行，可大大增加一次輪灌面積，這不僅減少了田間支管控制球閥的使用數(shù)量，同時也大大降低了泵站管理人員的工作強度和工作量。雖然該方式單位時間內(nèi)滴水量較小，但該缺點可以通過增加灌水時間得到很好解決。

［1］馬英杰，何繼武，洪 明，等.新疆膜下滴灌技術發(fā)展過程及趨勢分析［J］.節(jié)水灌溉，2010（12）：87～89

［2］張志新.滴灌工程規(guī)劃設計原理與應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007：39-104