HASSANN Butera，何家俊，劉艷偉，楊啟良，苗為偉

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

高效的節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)提高水資源利用效率具有重要意義，不僅能為灌溉工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，還可有效推動(dòng)涉農(nóng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。常見(jiàn)的節(jié)水灌溉技術(shù)包括滲灌技術(shù)、滴灌技術(shù)、痕灌技術(shù)以及微潤(rùn)灌技術(shù)等[1-4]。其中滲灌技術(shù)是根據(jù)作物需水量通過(guò)埋入地下的滲灌管或微孔滴頭，以定點(diǎn)定量的方式濕潤(rùn)作物根系層，具有控制雜草生長(zhǎng)、提高灌溉水利用效率以及增加作物產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

目前，常見(jiàn)的滲灌材料主要包括橡塑滲灌管[8-10]、微孔陶瓷[11-13]以及半透膜滲灌管[14-15]等。微孔陶瓷應(yīng)用于節(jié)水灌溉已有兩千年歷史，近20 a來(lái)，為提高陶瓷孔隙率和力學(xué)性能，在滲灌設(shè)備上通常選用Si3N4、Al2O3等高性能陶瓷，其制造工藝復(fù)雜、成本較高，微孔直徑為微米級(jí)[16-17]。半透膜滲灌管通常在低壓狀態(tài)下運(yùn)行，管內(nèi)水流在水勢(shì)梯度差驅(qū)動(dòng)下向功能性半透膜外遷移，從而使土壤濕潤(rùn)，流量為50～200 mL·m-1·h-1。這兩種滲灌管流量小，難以滿足高需水量植株生長(zhǎng)需求。與之相比，橡塑滲灌管主要由膠粉和聚乙烯在高溫下粘合而成，價(jià)格低廉、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，在2 m水頭下流量可達(dá)到6～15 L·m-1·h-1，發(fā)生堵塞時(shí)，管上微孔在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的擴(kuò)張，有利于排出管壁中的雜質(zhì)，恢復(fù)滲灌管流量。

在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，眾多學(xué)者通過(guò)充氣、二次攪拌等加工工藝，大大提升了橡塑滲灌管孔隙的均勻性系數(shù)和抗老化能力[9]。但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于橡塑滲灌管流量較大，內(nèi)壁相對(duì)粗糙，在線源式灌溉過(guò)程中依然存在較大的水頭損失[10,18]。同時(shí)受到材料以及制作工藝影響，導(dǎo)致橡塑滲灌管具有一定的塑性，性能較為不穩(wěn)定。例如，Vilela等[19]對(duì)橡塑滲灌管在不同工作壓力下的直徑變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于內(nèi)徑為12 mm和20 mm的滲灌管，當(dāng)工作壓力由50 kPa上升到400 kPa時(shí)，管道內(nèi)徑分別增加了3.9%和7.3%。國(guó)內(nèi)學(xué)者高西寧等[20]在對(duì)橡塑滲灌管的水力性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在滲灌管長(zhǎng)距離灌溉過(guò)程中有著較大的水頭損失，且主要發(fā)生在靠近進(jìn)水口一端的前半段。張書(shū)函等[21]在研究橡塑滲灌管滲水速率的變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，滲灌管每一次的滲水速率相對(duì)于上一次滲水速率有不同程度的恢復(fù)，并且隨著灌水次數(shù)的增加，恢復(fù)程度逐漸減小。綜上所述，橡塑滲灌管雖然存在價(jià)格低廉、流量大以及可自動(dòng)恢復(fù)流量等優(yōu)點(diǎn)，但由于其材料性質(zhì)及使用方法所限，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中容易出現(xiàn)水頭損失大、灌水不均勻，工作壓力范圍小等問(wèn)題。

因此，基于節(jié)水滲灌研究技術(shù)現(xiàn)狀，本文提出了以橡塑滲灌管點(diǎn)源式灌溉取代傳統(tǒng)線源式灌溉的方法來(lái)增加系統(tǒng)灌水均勻度，并設(shè)計(jì)了以迷宮流道和橡塑滲灌管為主體的地埋式橡塑滲灌滴頭，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)滴頭水力性能、抗堵塞性能以及土壤濕潤(rùn)體特征進(jìn)行研究，分析了橡塑滲灌管在地埋點(diǎn)源式灌溉應(yīng)用中的可行性，以期為橡塑滲灌管在地下點(diǎn)源式灌溉方法上的使用提供參考依據(jù)。

1 滴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 滴頭基本結(jié)構(gòu)

本滴頭主要由齒形迷宮流道、滴頭管體和橡塑滲灌管3個(gè)部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。滴頭主體和迷宮流道采用3d光固化打印技術(shù)(深圳市金石三維打印科技有限公司，JS-1700)塑造成形，材料為光敏樹(shù)脂(深圳市金石三維打印科技有限公司，JS-UV-HP-02A)，打印精度為0.1 mm。迷宮流道位于滴頭管體上方，與毛管相連接，結(jié)構(gòu)如圖2所示，齒形迷宮流道長(zhǎng)16.5 mm，其中齒寬度a為1.5 mm，齒間距離b為1.8 mm，齒高度h為1.2 mm，流道寬w為1.4 mm，齒角度θ為64°。滴頭管體下方有4個(gè)長(zhǎng)為24 mm、寬為3 mm的方形對(duì)稱出水口。

1.進(jìn)水口;2.迷宮流道;3.內(nèi)管道;4.出水口；5.橡塑滲灌管；6.破土錐1. Water inlet； 2. Labyrinth channel； 3. Internal piping;4. Water outlet;5. Rubber-plastic porous pipe； 6. Earth breaking cone

選用聚乙烯橡塑滲灌管(廣東順綠噴灌設(shè)備有限公司，內(nèi)徑12 mm，外徑16 mm)進(jìn)行試驗(yàn)，該滲灌管在100 kPa工作壓力下流量為25 L·m-1·h-1，其主要分為內(nèi)、中、外三層結(jié)構(gòu)，外層為光滑保護(hù)層，厚度0.1～0.2 mm，可有效減少負(fù)壓吸泥以及植物根系入侵；中間為多孔滲水層，具有大量不規(guī)則微孔，便于水分傳輸；內(nèi)層為粗糙顆粒層，可吸附水中雜質(zhì)[22]。制備滴頭時(shí)，從3個(gè)批次橡塑滲灌管中隨機(jī)截取5 cm進(jìn)行組裝，將橡塑滲灌管緊密包覆出水口，以3/5毛管(內(nèi)徑3 mm、外徑5 mm)連接滴頭與聚乙烯支管，使滴頭以點(diǎn)源式地下滲灌方式進(jìn)行灌溉。

1.2 工作原理

橡塑滲灌管由于流量大、內(nèi)壁粗糙，在鋪設(shè)相同管道長(zhǎng)度下，與點(diǎn)源式灌溉方式(管上滴頭，內(nèi)鑲貼片式滴頭)相比，水頭損失較大。對(duì)于流體在圓管中的沿程水頭損失，通常采用達(dá)西公式[23]計(jì)算：

(1)

式中，hf為沿程水頭損失,m；λ為沿程摩阻系數(shù)；l為毛管長(zhǎng)度，m；d為毛管直徑，m；V為管內(nèi)水流速度，m·s-1；g為重力加速度，m·s-2。

當(dāng)毛管滿流時(shí)，雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中,Re為雷諾數(shù)；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，m2·s-1。

本試驗(yàn)所使用的橡塑滲灌管，內(nèi)徑為12 mm，流量為25 L·m-1·h-1，當(dāng)管長(zhǎng)10 m,水溫為20℃時(shí)，Re=7324>3000，屬于紊流范圍。在紊流粗糙區(qū)內(nèi)λ=f(K/d)，取橡塑滲灌管當(dāng)量糙粒高度K=0.5 mm，根據(jù)莫迪圖[24]選定沿程摩阻損失系數(shù)為0.0692，通過(guò)公式(1)計(jì)算沿程水頭損失為1.087 m。采用點(diǎn)源式灌溉方法時(shí)，假設(shè)各滴頭出水均勻，滴頭流量為5 L·h-1,間距0.5 m，PE管內(nèi)徑14 mm,管長(zhǎng)10 m，計(jì)算得出Re=2510.54。在2000

(3)

式中，hj為局部水頭損失，m；N為灌水器個(gè)數(shù)；i為灌水器編號(hào)；ξ為局部水頭損失系數(shù)；Vi為第i段毛管內(nèi)水流速度，m·s-1。

其中對(duì)于局部水頭損失系數(shù)ξ的計(jì)算還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)以往研究的計(jì)算方法[27-30]，當(dāng)毛管連接件斷面面積為33.6 mm2時(shí)，紊流狀態(tài)下毛管的局部水頭損失為0.06～0.12 m，即總水頭損失范圍在0.107～0.167 m之間，與橡塑滲灌管的線源式灌溉方式相比，水頭損失大大減少。因此以點(diǎn)源式灌溉方式取代橡塑滲灌管傳統(tǒng)線源式灌溉方式，在節(jié)約水資源的同時(shí)，還有利于減少水頭損失，提高灌溉系統(tǒng)灌水均勻度。

橡塑滲灌管主要由橡膠粉和聚乙烯顆粒高溫粘合而成，無(wú)法精確控制孔隙均勻度，導(dǎo)致流量變異系數(shù)較高，CV值在10%～50%之間。此外由于橡塑滲灌管具有一定塑性，對(duì)工作壓力變化較為敏感，當(dāng)工作壓力過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管體永久變形以及出現(xiàn)管壁滋水等現(xiàn)象。當(dāng)以橡塑滲灌管作為滲灌材料進(jìn)行點(diǎn)源式灌溉時(shí)，在橡塑滲灌管滴頭進(jìn)水口增加迷宮流道可有效擴(kuò)大滴頭工作范圍，降低滴頭對(duì)工作壓力的敏感度。

迷宮流道作為目前灌水器流道形式中性能最優(yōu)越的流道形式之一，通過(guò)復(fù)雜的邊界條件引起紊流，從而形成局部壓力損失，達(dá)到消能效果[31-33]。通過(guò)Workbench軟件中的Fluent模塊對(duì)該迷宮流道進(jìn)行模擬分析，采用sweep方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸0.005 mm，網(wǎng)格總數(shù)48萬(wàn)。流道進(jìn)口設(shè)定為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為100 kPa，出口設(shè)定為壓力出口，出口壓力0 kPa，運(yùn)用Transition k-kl-omega湍流模型和Simple壓力速度耦合算法進(jìn)行模擬解析[34-36]，得出流道速度矢量圖和總壓云圖如圖3所示。通過(guò)圖3a可以看出，迷宮流道內(nèi)主要分為主流區(qū)和渦流區(qū)，主流區(qū)矢量箭頭密集，其水流流速較快，以貼近出水口方向內(nèi)壁的形式流動(dòng)。渦流區(qū)為橢圓形，其矢量箭頭由外向內(nèi)逐漸稀疏，在渦流中心位置水流速度趨向于零。結(jié)合圖3b可以發(fā)現(xiàn)，各流道單元渦流區(qū)對(duì)應(yīng)壓力云圖呈現(xiàn)階梯型下降，達(dá)到了消能效果，擴(kuò)大了滴頭的工作壓力范圍，并有利于提高灌溉系統(tǒng)灌水均勻度。

a：齒寬度;b：齒間距離;h：齒高度;w：流道寬度;θ：齒角度a：Tooth width; b:Tooth spacing; h:Tooth height;w:Runner width; θ:Tooth angle

圖3 迷宮流道速度矢量圖以及總壓分布云圖(局部)Fig.3 Velocity vector diagram and total pressure distribution cloud diagram of labyrinth channel (local)

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

水力性能測(cè)試和滴頭抗堵塞試驗(yàn)裝置如圖4a所示,主要由恒壓水箱、水沙攪拌機(jī)、PE管(廣州順綠噴灌設(shè)備有限公司)、閥門(mén)、減壓閥(上海天川儀表廠，精密度1.6級(jí))、花盆(直徑30 cm，深度35 cm)等組成。如圖4b所示，將滴頭埋入花盆10 cm，選用電子秤(深圳市帝衡電子有限公司，量程15 kg，精度1 g)測(cè)量花盆灌溉前后質(zhì)量差值，作為灌水量。選用昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)農(nóng)業(yè)水土試驗(yàn)大棚紅壤土填入花盆，土壤自然風(fēng)干后，過(guò)2 mm篩網(wǎng)，其黏粒、粉粒、砂粒數(shù)分別為39.64%、33.48%、26.88%，田間持水率為34.9%，土壤容重為1.35 g·cm-3。每個(gè)花盆以5 cm土層分次裝入，壓實(shí)并保持表面粗糙，避免土壤分層。

1.攪拌機(jī);2.水箱;3.止水閥;4.水泵;5.壓力表;6.調(diào)壓閥;7.支管;8.毛管;9.滴頭;10.試驗(yàn)花盆1. Blender; 2. Water tank; 3. Water stop valve; 4. Water pump;5. Pressure gauge; 6. Pressure regulating valve; 7. Branch pipe；8. Capillary; 9. Dripper; 10. Flowerpot

土壤入滲試驗(yàn)在自制土箱(長(zhǎng)×寬×高，60 cm×60 cm×70 cm)中進(jìn)行，以恒壓水箱供水，土箱側(cè)壁每隔5 cm開(kāi)直徑2.5 cm的取土孔，底部設(shè)若干通氣孔，試驗(yàn)土壤以容重1.35 g·cm-3分層(5 cm)填入土箱。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》(GB/T 17187-2009/ISO 9261：2004)[37]測(cè)試滴頭水力性能。試驗(yàn)前將出水口水壓分別調(diào)整至最小、最大壓強(qiáng)并保壓3 min，重復(fù)3次，然后將壓力調(diào)節(jié)到100 kPa，保持到調(diào)試過(guò)程(1 h)結(jié)束。調(diào)試結(jié)束后進(jìn)行流量測(cè)量，每次待壓力穩(wěn)定3 min后進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)2次，2次誤差小于2%并取平均值作為滴頭的流量。

采用間歇性渾水滴灌測(cè)試方法進(jìn)行短周期抗堵塞試驗(yàn)，以農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[38]為基礎(chǔ)，選取灌溉水中懸浮物(質(zhì)量濃度≤0.1 g·L-1)5倍濃度以上進(jìn)行灌水試驗(yàn)，配置4種泥沙質(zhì)量濃度分別為W1(0.5 g·L-1)、W2(0.1 g·L-1)、W3(1.5 g·L-1)的水源作為灌溉水，工作壓力為100 kPa，灌溉時(shí)長(zhǎng)30 min。試驗(yàn)中通過(guò)水沙攪拌機(jī)保證水沙混合均勻，每組試驗(yàn)完成后更換滴頭，并對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，保證無(wú)泥沙殘留。試驗(yàn)?zāi)嗌尺x自昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)農(nóng)業(yè)水土試驗(yàn)大棚，將粗篩后的泥沙風(fēng)干、碾磨后過(guò)200目篩網(wǎng)(孔徑0.075 mm)，取直徑小于0.075 mm的泥沙顆粒作為試驗(yàn)材料，泥沙級(jí)配區(qū)間為：(0,0.038](4.72%)、(0.038,0.045](8.68%)、(0.045,0.053](15.37%)、(0.53，0.63](22.56%)、(0.063,0.075] mm(48.67%)。試驗(yàn)水為昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)自來(lái)水，pH值為7.28，細(xì)菌總數(shù)為零，硬度為310 mg·L-1,懸浮顆粒為零，電導(dǎo)率為670 μS·cm-1，試驗(yàn)時(shí)平均水溫為22℃。

通過(guò)土壤入滲試驗(yàn)確定土壤濕潤(rùn)體特征，在100 kPa工作壓力下，將該滴頭貼近箱角深埋30 cm進(jìn)行持續(xù)灌水試驗(yàn)，定時(shí)記錄濕潤(rùn)體輪廓線。通過(guò)烘干法測(cè)定土壤含水率，通過(guò)Surfer軟件以最小曲率法繪制濕潤(rùn)鋒輪廓和含水率等值線圖。

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1 滴頭流量的變異系數(shù)CV滴頭流量的變異系數(shù)CV反映了同一批次不同滴頭之間的流量偏差，同時(shí)也反映了其制造偏差。根據(jù)《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》(GB/T17187-2009)[37]規(guī)定，在額定工作壓力下，式樣滴頭的變異系數(shù)應(yīng)不大于7%。變異系數(shù)CV計(jì)算公式為：

(4)

2.3.2 滴頭水力性能指標(biāo) 流態(tài)指數(shù)x是滴頭重要水力性能指標(biāo)之一，反映了滴頭的流量對(duì)壓力變化的敏感程度，x越趨向于0，滴頭壓力補(bǔ)償性能越優(yōu)秀，當(dāng)x等于1時(shí)，滴頭流量與工作壓力成正比。滴頭流量q與工作水頭h之間關(guān)于流態(tài)指數(shù)的關(guān)系為q=k·hx，式中k為常數(shù)。流態(tài)指數(shù)x計(jì)算公式為：

x=log(q1/q2)/log(p1/p2)

(5)

式中，p1、p2為滴頭工作壓力，kPa;q1、q2為與p1、p2相對(duì)應(yīng)的流量,L·h-1。

(6)

式中，n為滴頭總數(shù)；qi為第i個(gè)滴頭流量，L·h-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 滴頭變異系數(shù)及水力性能測(cè)試

滴頭滲水速率與變異系數(shù)CV隨壓力變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，變異系數(shù)隨著工作壓力的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，范圍在3.59%～10.96%之間，當(dāng)工作壓力為60 kPa時(shí)，CV取得最小值3.59%。根據(jù)美國(guó)工程師協(xié)會(huì)(ASAE)2010年發(fā)布的“微管系統(tǒng)田間評(píng)價(jià)方法”[43]，以100 kPa為額定工作壓力，該滴頭對(duì)應(yīng)CV值為4.17%(小于5%)，達(dá)到優(yōu)秀評(píng)價(jià)，ASAE滴頭評(píng)價(jià)表如表1所示。經(jīng)回歸計(jì)算，滴頭壓力-流量關(guān)系式為q=0.6435h0.4161，R2=0.996，該曲線擬合程度高，流態(tài)指數(shù)x為0.4161，表明滴頭具備一定的壓力補(bǔ)償性能。

表1 ASAE滴頭變異系數(shù)評(píng)價(jià)表

圖5 滴頭滲水速率和變異系數(shù)(CV)隨壓力變化曲線Fig.5 Seepage rate and coefficients of variation under different pressure

與傳統(tǒng)橡塑滲灌管相比，該滴頭CV值明顯降低，一方面是由于該滴頭屬于管上滴頭，其水頭損失與傳統(tǒng)橡塑滲灌管相比相對(duì)較?。涣硪环矫嬲J(rèn)為是在滴頭進(jìn)水口處迷宮流道消能作用下，滴頭上橡塑滲灌管各微孔所受壓力均勻，微孔擴(kuò)張程度更為接近，降低了滴頭CV值。

當(dāng)進(jìn)口壓力大于160 kPa時(shí)，滴頭變異系數(shù)突增，從花盆中取出滴頭進(jìn)行灌水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分滴頭的橡塑滲灌管外壁有小孔滋水現(xiàn)象，橫截面滲水嚴(yán)重。是因?yàn)楣ぷ鲏毫^(guò)大時(shí)，橡塑滲灌管直徑擴(kuò)大并產(chǎn)生了剛性形變，無(wú)法緊密包覆滴頭出水口，從而使不同滴頭之間產(chǎn)生形態(tài)變化差異，導(dǎo)致滴頭流量的變異系數(shù)增加。

3.2 滴頭的抗堵塞性能測(cè)試

3.2.1 滴頭抗負(fù)壓吸泥能力 在3.1小節(jié)試驗(yàn)完成后，將滴頭進(jìn)行常溫風(fēng)干處理，部分滴頭上的橡塑滲灌管如圖6(見(jiàn)112頁(yè))所示?？梢钥闯觯S著工作壓力的提升，滲灌管外表壁泥沙附著情況逐漸加重，且滲灌管兩端面處出現(xiàn)明顯泥沙累積現(xiàn)象。工作壓力為40 kPa時(shí)，兩端面上泥沙入侵范圍最小，在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)；工作壓力為160 kPa時(shí)，泥沙入侵范圍最大，在0.5～0.7 mm范圍內(nèi)。這是由于灌溉水在管壁內(nèi)橫向運(yùn)輸，使?jié)B灌管兩端成為出水口，當(dāng)工作壓力增加時(shí)，出水口負(fù)壓吸泥情況加重所導(dǎo)致。

將橡塑滲灌管豎直剖開(kāi)，從圖6豎直剖面圖可以看出，與滲灌管兩端泥沙入侵情況對(duì)比，泥沙對(duì)滲灌管壁入侵程度較淺，在各壓力下泥沙入侵厚度均保持在0.2 mm以內(nèi)，說(shuō)明該橡塑滲灌管的三層結(jié)構(gòu)可有效阻止泥沙入侵，通過(guò)觀察，滲灌管內(nèi)壁及迷宮流道處均無(wú)泥沙痕跡，表明該滴頭抗負(fù)壓吸泥能力良好。

注：左、右兩圖為隨機(jī)抽取的重復(fù)樣本。Note: Left and right figures are randomly selected doplicate samples.

圖7 不同泥沙濃度下滴頭抗堵塞性能Fig.7 Anti-clogging performance of emitter under different sediment concentrations

由于受到負(fù)壓吸泥影響，地下灌水器的抗堵塞性能與地上灌水器相比要求更高。余楊等[44]通過(guò)采用3個(gè)紅壤粒徑段和2種灌溉方式進(jìn)行短周期抗堵塞試驗(yàn)，結(jié)果表明同種條件下，根區(qū)滲灌方式的有效灌水次數(shù)低于地上滴灌2～3次，在根區(qū)滲灌、2 m水頭工作、1 g·L-1泥沙濃度條件下，當(dāng)紅壤粒徑分別為D1(0～0.0385 mm)、D2(0.0385～0.074 mm)、D3(0.074～0.1 mm)時(shí)，內(nèi)鑲貼片式滴灌帶有效灌溉次數(shù)分別為15、9、10次；8孔流量可調(diào)灌水器有效灌溉次數(shù)分別為8、6、3次。王新坤等[40]采用3種泥沙粒徑配比對(duì)滴灌帶進(jìn)行地上短周期抗堵塞試驗(yàn)，在100 kPa工作壓力條件下，當(dāng)泥沙濃度分別為0.5、1.0、1.5 g·L-1時(shí)，有效灌溉次數(shù)分別為9～14、6～12、3～7次。吳澤廣等[45]將泥沙(粒徑小于0.01 mm)按粒徑段分成6組，對(duì)迷宮流道滴灌帶進(jìn)行地上短周期抗堵塞試驗(yàn)，當(dāng)工作壓力為100 kPa，泥沙濃度分別為0.5、1.0、1.5 g·L-1時(shí)，有效灌溉次數(shù)分別為4～18、3～15、3～5次。通過(guò)對(duì)比可以看出，本滴頭在100 kPa工作壓力條件下，泥沙濃度分別為0.5、1.0、1.5 g·L-1時(shí)，有效灌溉次數(shù)分別為15、11、5次，達(dá)到同類迷宮流道灌水器抗堵塞性能平均程度。滴頭實(shí)際使用壽命還需綜合灌水周期、灌水量以及水質(zhì)等因素進(jìn)行長(zhǎng)期灌水試驗(yàn)探究。

將3.2.2小節(jié)試驗(yàn)后的滴頭室溫風(fēng)干后拆除觀察，發(fā)現(xiàn)迷宮流量齒角處以及橡膠滲灌管內(nèi)部均存在不同程度的泥沙堵塞，表明滴頭內(nèi)部堵塞程度受到迷宮流道和橡塑滲灌管的共同影響，其堵塞機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

3.2.3 不同壓力下滴頭的抗堵塞性能 選取3個(gè)工作壓力，即H1=60 kPa、H2=100 kPa、H3=140 kPa對(duì)滴頭進(jìn)行短周期抗堵塞試驗(yàn)，泥沙濃度為0.5 g·L-1。如圖8所示，滴頭在各工作壓力下均表現(xiàn)出隨著灌溉次數(shù)增加堵塞程度逐漸加重的趨勢(shì)，當(dāng)工作壓力為140 kPa時(shí)，滴頭測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，平均相對(duì)流量存在先增加后減小的現(xiàn)象。這可能是在高工作壓力下，橡塑滲灌管微孔直徑擴(kuò)大，微孔中雜質(zhì)反復(fù)經(jīng)歷排出堵塞過(guò)程所導(dǎo)致。

圖8 不同壓力下滴頭抗堵塞性能Fig.8 Anti-clogging performance of emitter under different pressures

3.3 滴頭濕潤(rùn)鋒分布

滴頭在土壤中的出流受橡塑滲灌管出流面的影響，可以認(rèn)為是柱狀面源出流，其濕潤(rùn)體的形狀等特征與普通點(diǎn)源式灌溉存在一定的差異，圖9a顯示了滴頭在100 kPa下不同時(shí)刻的濕潤(rùn)鋒輪廓。由圖9可見(jiàn)，在滴頭灌溉初期，濕潤(rùn)體1/2截面濕潤(rùn)鋒形狀接近以橡塑滲灌管右邊為圓心的優(yōu)弧，隨著灌溉時(shí)間的增長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移距離逐漸大于水平距離和豎直向上距離；灌水結(jié)束后，入滲的濕潤(rùn)體輪廓為濕潤(rùn)體變成重心靠下的橢圓形。

濕潤(rùn)鋒在不同方向上的運(yùn)移距離隨時(shí)間變化過(guò)程如圖10所示，用冪函數(shù)(R=atb，式中，R為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，m;t為時(shí)間,h)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果列于表2?？梢钥闯鲈诠嗨捌?，水平方向濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離大于豎直向下方向，160 min后，濕潤(rùn)鋒豎直向下運(yùn)移距離開(kāi)始大于水平距離，灌水330 min后，滴頭上方濕潤(rùn)鋒位置為22.4 cm，水平方向濕潤(rùn)鋒位置為34.6 cm，灌水器下方的運(yùn)移位置38.2 cm。這主要是由于在灌水前期，滴頭周?chē)寥篮瘦^低，水分運(yùn)移趨向于非飽和入滲，在土壤基質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)以及重力勢(shì)的共同作下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移較快，受到滴頭出流面的影響，水平方向運(yùn)移速度稍大于豎直向下方向；灌水后期，隨著濕潤(rùn)體體積的增加，土壤含水率趨向飽和，土壤基質(zhì)勢(shì)作用不斷減小，在壓力勢(shì)和重力勢(shì)的作用下，使得土壤含水率飽和區(qū)濕潤(rùn)鋒更易向垂直向下方向運(yùn)移。通過(guò)濕潤(rùn)鋒在豎直向上方向運(yùn)移的距離-時(shí)間擬合方程可以得出，濕潤(rùn)鋒在580 min左右到達(dá)土壤表層，可有效減少水分蒸發(fā)，達(dá)到節(jié)約水資源目的。

表2 各方向上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移(Y)與時(shí)間(t)的擬合關(guān)系

3.4 土壤濕潤(rùn)體水分分布

將100 kPa供水壓力條件下土壤豎直剖面上的含水率等值線繪出(見(jiàn)圖9b)。由圖9b可知，灌水結(jié)束后，土壤剖面含水率均表現(xiàn)為離滴頭距離越遠(yuǎn)含水率越低，在半徑30 cm之內(nèi)濕潤(rùn)體土壤含水率為27%，達(dá)到近80%的田間持水率，濕潤(rùn)體體積大，滿足植物根系生長(zhǎng)需求。

圖9 濕潤(rùn)鋒輪廓以及含水率分布圖Fig.9 Profile of wetting front and water content distribution map

圖10 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.10 Relation curve between wetting front migration distance and time

由圖9b可看出，飽和含水率區(qū)域等值線偏向滴頭下方，其中28%含水率等值線水平方向位移為19 cm，垂直向下方向位移為23 cm，垂直向上位移15 cm，飽和含水率區(qū)域各方向上水分運(yùn)移速度表現(xiàn)為垂直向下>水平方向>垂直向上，這與濕潤(rùn)鋒在各方向上運(yùn)移速度相同，土壤水分高的區(qū)域在灌水器下方分布更廣。這是由于水分在土壤豎直剖面內(nèi)受到重力作用，更容易向下運(yùn)動(dòng)，因此造成灌水器下方滲水量大于上方，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)較遠(yuǎn)，高含水率區(qū)域較大。濕潤(rùn)體下端輪廓清晰，未產(chǎn)生深層滲漏，有利于節(jié)水以及植物生長(zhǎng)。

土壤水分分布的均勻度是評(píng)價(jià)滴頭滲水性能的重要指標(biāo)，可以通過(guò)克里斯琴森均勻度系數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算方法與公式(6)相同。

在30 cm水平距離內(nèi)，土壤含水率分布特征及克里斯琴森均勻度系數(shù)如表3所示，可以看出滴頭滲灌區(qū)域內(nèi)土壤含水率的克里斯琴森均勻度系數(shù)區(qū)間為80～90%>70%，表明在該滴頭地下滲灌條件下，土壤水分分布均勻，能較好地滿足植物需水要求。

表3 含水率分布特征及灌水均勻性

3.5 管道鋪設(shè)投資

假設(shè)本滴頭和橡塑滲灌管單側(cè)濕潤(rùn)距離均為0.5 m,在地下點(diǎn)源式滲灌系統(tǒng)中，設(shè)置100根長(zhǎng)10 m的支管,各支管間距為1 m，每根支管上布置10個(gè)滴頭，滴頭間距1 m。在線源式灌溉系統(tǒng)中，設(shè)置100根長(zhǎng)10 m橡塑滲灌管進(jìn)行灌水，管間間距為1 m。以2021年市場(chǎng)價(jià)格為參照，在采用相同的動(dòng)力設(shè)備以及灌溉水處理設(shè)備情況下，兩種灌溉系統(tǒng)管道鋪設(shè)投資概算如表4所示。

表4 灌溉系統(tǒng)管道鋪設(shè)投資概算

由表4可知，與線源式灌溉方式相比，單位面積內(nèi)點(diǎn)源式地下滲灌系統(tǒng)管道鋪設(shè)投資增加了23.8%。其中點(diǎn)源式地下滲灌系統(tǒng)中投資較大的項(xiàng)目是滴頭費(fèi)用，占管道鋪設(shè)耗材總投資的42.6%。因此，為推廣橡塑滲灌管在點(diǎn)源式灌溉方式上的應(yīng)用，需對(duì)滴頭結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)一步優(yōu)化，減小滴頭制造成本。

4 結(jié) 論

以橡塑滲灌管作為包覆材料，在滴頭進(jìn)水口處增加迷宮流道，制備了一種地埋式橡塑滴頭。結(jié)果表明:

(1)在橡塑滲灌管滴頭進(jìn)水口增加迷宮流道，可有效提高系統(tǒng)灌水均勻度，擴(kuò)大滴頭工作壓力范圍。

(2)滴頭變異系數(shù)為4.62%，壓力-流量關(guān)系式為q=0.6435h0.4161，達(dá)到國(guó)家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并具備一定的壓力補(bǔ)償性能和抗堵塞能力。在地下滲灌條件下，滴頭濕潤(rùn)體體積大，土壤水分分布均勻。

(3)滴頭的抗堵塞性能受到迷宮流道和橡塑滲灌管的共同影響，其中迷宮流道各參數(shù)以及橡塑滲灌管尺寸是否對(duì)滴頭堵塞起到相互作用，還需進(jìn)一步研究。

(4)該滴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)土壤擾動(dòng)小，發(fā)生堵塞時(shí)容易沖洗、更換滴頭，有助于地下滲灌節(jié)水技術(shù)推廣。