張澤中, 王盈盈, 王國輝

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

多孔膜袋灌水均勻度變化規(guī)律研究

張澤中, 王盈盈, 王國輝

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

膜袋灌是一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù),能夠提高灌溉水的利用率,從而達(dá)到節(jié)水的目的。結(jié)合膜袋出流孔的制造偏差應(yīng)滿足灌水器的精度要求,考慮不同的入口水頭、鋪設(shè)坡度、孔距和孔徑，通過測量多孔膜袋沿鋪設(shè)長度的流量分布情況,計算出不同條件下膜袋的灌水均勻度。結(jié)果表明:①多孔膜袋的灌水均勻度與膜袋長度呈負(fù)相關(guān),與孔距和孔徑呈正相關(guān);②入口水頭增加,灌水均勻度提高;③當(dāng)多孔膜袋鋪設(shè)于0.3%以上的坡度時,灌水均勻度呈降低趨勢;當(dāng)其鋪設(shè)于0.3%以下的坡度時,灌水均勻度呈上升趨勢。

節(jié)水灌溉;灌水均勻度;膜袋;工作水頭

灌溉的目的是為作物的生長發(fā)育提供必需的水分和養(yǎng)分。多孔膜袋[1-2]是一種新型的節(jié)水灌溉設(shè)備,靠膜袋兩端的沿程小孔出流進(jìn)行灌水。其在田間使用時,由于入口水頭、孔口制作偏差、抗堵塞性能、鋪設(shè)坡度等因素的共同作用,所有膜孔的出流量不可能一模一樣,降低了灌溉水的利用率,也大大折減了膜袋灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量。針對這種情況,筆者以單條膜袋為研究對象,分析和研究多孔膜袋的入口水頭、鋪設(shè)坡度、膜袋長度、孔距和孔徑等因素對膜袋灌水均勻度的影響,驗證膜袋灌技術(shù)的可行性,以期能夠補(bǔ)充膜袋灌理論的薄弱環(huán)節(jié),為更加科學(xué)合理地設(shè)計膜袋灌系統(tǒng)提供有力的依據(jù)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

本試驗中多孔膜袋的基礎(chǔ)原料選用河南省新鄉(xiāng)市科強(qiáng)塑膠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的PE塑料薄膜管帶,并在管帶上按照一定的間距和方式布置圓形出水孔。該薄膜管帶展開后周長為0.62 m,膜孔間距分別為30、40 cm,膜孔直徑分別為0.5、0.6 mm,膜孔距離膜袋邊緣2 cm。

1.2 試驗方案

當(dāng)膜袋的鋪設(shè)長度分別為1、10、20、30、40 m時,多孔膜袋水力特性試驗的方案見表1。

表1 多孔膜袋水力特性試驗方案

為了使試驗具有可比性和準(zhǔn)確性,進(jìn)行試驗的截面須是同一處的截面,每次試驗均進(jìn)行3次,取平均值作為試驗分析的數(shù)據(jù)。試驗開始時,將膜袋鋪設(shè)在展臺上,膜袋首部與水箱的出水口連接,用“小白龍”塑料管連續(xù)不斷向水箱注水,待水箱出水口處的測壓管高度達(dá)到設(shè)計要求并且保持穩(wěn)定后,用質(zhì)量、規(guī)格均相同的塑料容器按序接取每個斷面出水孔處的出流,每次接水持續(xù)時間為2 min,用電子稱稱其質(zhì)量,從而求出出水孔的流量。

2 灌水均勻度評價

2.1 多孔膜袋出流均勻度的評價指標(biāo)

1)用克里斯琴森(Christiansen)均勻系數(shù)來衡量[3],計算公式如下:

(1)

(2)

式中:Cu為克里斯琴森均勻系數(shù);qi為灌水裝置各出水孔的單孔出流量,L/h;qa為灌水裝置出水孔單孔出流量的平均值,L/h;n為灌水裝置的開孔數(shù)目。

2)用流量偏差率來衡量[4],計算公式如下:

(3)

式中:R為灌水裝置的流量偏差率;qmax為灌水裝置的單孔最大出流量,L/h;qmin為灌水裝置的單孔最小出流量,L/h;qa為灌水裝置出水孔的單孔出流量的平均值,L/h。

3)用工作水頭變差率來衡量[5],計算公式如下:

(4)

式中:h為灌水裝置的壓力水頭變差率;hmax為灌水裝置的最大壓力水頭,m;hmin為灌水裝置的最小壓力水頭,m;hd為灌水裝置的設(shè)計壓力水頭,m。

4)用制作偏差系數(shù)來衡量[6],計算公式如下:

(5)

(6)

式中:Cv為灌水裝置制作的偏差系數(shù);q為灌水裝置出水孔的單孔出流量的平均值,L/h;qi為灌水裝置各個孔口的單孔出流量,L/h;n為灌水裝置的開孔數(shù)目。

本文采用克里斯琴森均勻系數(shù)來計算灌水均勻度。

2.2 灌水器的質(zhì)量評價

節(jié)水灌溉技術(shù)選用的灌水器是否符合標(biāo)準(zhǔn)直接影響到建設(shè)成本、灌水質(zhì)量和使用管理。受制作方法和材料收縮變形的影響,灌水器(孔口)存在制作偏差?？卓诹髁颗c孔口直徑的2.5～4.0次方成正相關(guān)[7],因而,微小的孔口制作偏差會導(dǎo)致流量發(fā)生巨大的改變。在生產(chǎn)實踐中,常用孔口制作偏差來衡量灌水器的制作質(zhì)量,制作偏差系數(shù)Cv的表達(dá)式為式(5)—(6)。

美國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會提出的灌水器質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)Cv<0.05時,灌水器制作精度為優(yōu)等;當(dāng)0.05≤Cv≤0.10時,灌水器制作精度為良好;當(dāng)0.100.15時,灌水器制作精度為不合格[6]。將試驗所測得的數(shù)據(jù)代入式(5)—(6),得到4種規(guī)格多孔膜袋的孔口制作偏差,結(jié)果見表2。

表2 孔口制作的偏差系數(shù)

從表2可以看出,孔徑為0.5 mm時的孔口制作偏差比孔徑為0.6 mm時的大,這是因為在灌水器制作時,孔徑越小對制作工藝要求越高,就越容易產(chǎn)生制作偏差,其制作偏差對試驗結(jié)果的影響就會越明顯。綜合來看,孔距30 cm、孔徑0.6 mm和孔距40 cm、孔徑0.6 mm的多孔膜袋孔口制作的偏差系數(shù)在0.10以下、0.05以上,灌水器質(zhì)量為良好;孔距30 cm、孔徑0.5 mm和孔距40 cm、孔徑0.5 mm的多孔膜袋孔口的制作偏差系數(shù)在0.15以下、0.10以上,灌水器質(zhì)量為合格?？梢?所有規(guī)格的多孔膜袋的灌水器均達(dá)到了制作精度的要求。

3 灌水均勻度的影響因素研究

3.1 入口水頭與灌水均勻度的關(guān)系

圖1給出了4種規(guī)格膜袋(孔距30 cm、孔徑0.5 mm;孔距30 cm、孔徑0.6 mm;孔距40 cm、孔徑0.5 mm和孔距40 cm、孔徑0.6 mm)在入口水頭分別為20、30、40 cm時灌水均勻度的變化曲線。從圖1中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他試驗因素一定時,多孔膜袋的灌水均勻度與入口水頭呈正相關(guān),且入口水頭由30 cm增至40 cm時，灌水均勻度增加的幅度較入口水頭由20 cm增至30 cm時的更為明顯,說明多孔膜袋的灌水均勻度在低壓范圍內(nèi)的變化比較穩(wěn)定。實際應(yīng)用時,在符合規(guī)范規(guī)定的前提下,入口水頭為30～40 cm是可行的。當(dāng)其他試驗因素一定時,多孔膜袋的平均單孔流量和沿程單孔流量均與入口水頭呈正相關(guān),且隨著入口水頭的增大,平均單孔流量和沿程單孔流量的變化曲線大致相同。這說明,公式(2)中n值增加但Δq的變化量可以忽略。最后根據(jù)公式(1)可知,入口水頭越大,多孔膜袋灌水均勻度就越大。

圖1 灌水均勻度隨入口水頭的變化曲線

3.2 膜袋長度與灌水均勻度的關(guān)系

孔距30 cm、孔徑0.5 mm的膜袋在入口水頭分別為20、30、40 cm時,多孔膜袋的灌水均勻度隨膜袋長度的變化曲線如圖2所示。

圖2 灌水均勻度隨膜袋長度的變化曲線

由圖2可以看出,當(dāng)其他試驗因素一定時,多孔膜袋的灌水均勻度與其鋪設(shè)長度呈負(fù)相關(guān),且隨著鋪設(shè)長度的增加,灌水均勻度受鋪設(shè)長度的影響逐漸降低。

3.3 孔距和孔徑與灌水均勻度的關(guān)系

4種規(guī)格的膜袋(孔距30 cm、孔徑0.5 mm;孔距30 cm、孔徑0.6 mm;孔距40 cm、孔徑0.5 mm和孔距40 cm、孔徑0.6 mm)在入口水頭分別為20、30、40 cm時灌水均勻度的實測值見表3。從表3中可以看出,在入口水頭不變的情況下,隨著孔距和孔徑的增加,灌水均勻度都會提高。這是因為,當(dāng)其他試驗因素一定時,多孔膜袋的平均單孔流量與孔距呈正相關(guān),且孔距越大,平均單孔流量變化越不明顯。從表3中還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他試驗因素一定時,隨著孔距的增大,沿程單孔流量變化曲線的斜率降低,其變化趨于平緩。由此可知,隨著孔距的增大,多孔膜袋的沿程單孔流量與其平均單孔流量的差值逐漸減小,即Δq呈降低趨勢。通過公式(1)可知，隨著孔距的增加,多孔膜袋的灌水均勻度會提高;同理,孔徑越大,多孔膜袋的灌水均勻度也會提高。

表3 灌水均勻度實測值

3.4 鋪設(shè)坡度與灌水均勻度的關(guān)系

長度40 m、孔距30 cm、孔徑0.5 mm的多孔膜袋,在入口水頭分別為20、30、40 cm時,其灌水均勻度隨鋪設(shè)坡度的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)鋪設(shè)坡度增加時,多孔膜袋的灌水均勻度先增大后減小,且當(dāng)多孔膜袋的鋪設(shè)坡度為0.0%～0.3%,入口水頭一定時,灌水均勻度呈穩(wěn)步上升趨勢。在多孔膜袋的實際運(yùn)用中,其對田間實際地形的適應(yīng)性較強(qiáng),不需進(jìn)行土地平整,只要鋪設(shè)坡度為0.0%～0.3%,即可得到較高的灌水均勻度：

圖3 灌水均勻度隨鋪設(shè)坡度的變化曲線

4 提高多孔膜袋灌水均勻度的措施

對多孔膜袋灌水均勻度的研究發(fā)現(xiàn),多孔膜袋的入口水頭、膜袋長度、鋪設(shè)坡度、孔距和孔徑都會導(dǎo)致灌水均勻度發(fā)生改變。由公式(1)可知:要想提高多孔膜袋的灌水均勻度,一方面是增大平均單孔流量,另一方面是減小多孔膜袋沿程單孔流量與平均單孔流量的變化量。可提出如下措施來提高多孔膜袋灌水均勻度：

1)在多孔膜袋可承受的極限壓力范圍內(nèi)增加入口水頭,可提高多孔膜袋的灌水均勻度。

2)通過調(diào)整鋪設(shè)坡度來改善多孔膜袋的灌水均勻度。當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善、不能確切計算多孔膜袋的灌水均勻度時,可以將0.3%作為提高多孔膜袋的灌水均勻度的坡度臨界值,使鋪設(shè)坡度為0.1%～0.3%且接近0.3%,這樣可獲得較高的灌水均勻度。

3)在適合田間長度和作物間距的條件下,通過適當(dāng)增大孔距和減小膜袋鋪設(shè)長度均可獲得較高的灌水均勻度。

5 結(jié)語

本文研究了多孔膜袋的灌水均勻度與入口水頭、鋪設(shè)坡度、膜袋長度、孔距和孔徑之間的關(guān)系,結(jié)論如下:

1)多孔膜袋的灌水均勻度與膜袋長度呈負(fù)相關(guān),與孔距和孔徑均呈正相關(guān)。

2)隨著入口水頭的增加,灌水均勻度提高。

3)當(dāng)多孔膜袋的鋪設(shè)坡度是逆坡時,灌水均勻度與其呈正相關(guān)。當(dāng)多孔膜袋的鋪設(shè)坡度是順坡時分兩種情況:①當(dāng)鋪設(shè)坡度大于0.3%時,灌水均勻度呈下降趨勢;②當(dāng)鋪設(shè)坡度小于0.3%時,灌水均勻度呈上升趨勢。

4)對多孔膜袋的孔口制作偏差進(jìn)行計算分析,發(fā)現(xiàn)孔徑越小,多孔膜袋的孔口制作偏差越大,實驗中所有規(guī)格的多孔膜袋均達(dá)到了灌水器制作精度的要求。

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(責(zé)任編輯：陳海濤)

Study on Variation Regularity of Irrigation Uniformity of Porous Membrane Bag

ZHANG Zezhong, WANG Yingying, WANG Guohui

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The film bag irrigation is a new water-saving irrigation technique. It can improve the utilization rate of irrigation water, so as to achieve the purpose of water saving. Combined with the manufacturing deviation of the membrane bag outlet holes should meet the requirements of the emitter precision, the uniformity of the membrane bags under different conditions was calculated by measuring the flow distribution along the laying length of the bag under the different inlet head, laying slope, pitch and aperture. The results showed: ① there was a negative correlation between the uniformity of water and the length of membrane bag, and it was positively correlated with pore distance and pore size; ② the inlet head increases as the irrigation uniformity increases; ③ when the porous membrane bag is laid on the slope of 0.3% or more, the uniformity of irrigation water tends to decrease; when it is laid on the slope of 0.3% or less, the irrigation uniformity is on the rise.

water saving irrigation; irrigation uniformity; film bag; working head

2016-10-14

華北水利水電大學(xué)科技支撐人才計劃項目(70500);河南省科技攻關(guān)計劃專項(122102110050)。

張澤中(1978—),男,滿族,河北唐山人,副教授,博士,從事生態(tài)灌區(qū)建設(shè)、節(jié)水灌溉、資源系統(tǒng)等方面的研究。 E-mail:15038352532@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.004

TV93;S275

A

1002-5634(2016)06-0020-04