許欣然 ，楊路華 ，通信作者，陳凱 ，王子健

滴灌是目前節(jié)水效果最顯著的一種灌溉方式，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。灌水均勻度是滴灌系統(tǒng)中的重要指標(biāo)之一，其受多種因素影響，其中地形是關(guān)鍵因素。在滴灌工程設(shè)計(jì)中，一般采用限定流量偏差率的方法來確保系統(tǒng)的灌水均勻度。王凌等[1]通過試驗(yàn)并結(jié)合理論分析，研究了平坡條件下毛管開孔率對(duì)多孔管壓力水頭分布規(guī)律的影響。賈存坤[2]提出了有坡度的地形條件下，大力建設(shè)自壓滴灌，可更好地節(jié)約水資源。張林等[3]通過對(duì)理論公式的驗(yàn)證推導(dǎo)，提出灌水小區(qū)流量偏差率允許值的相關(guān)建議。李剛等[4]認(rèn)為，土壤的物理特性能夠影響流量偏差率，進(jìn)而影響灌水均勻度。Ju等[5]給出了滴灌毛管鋪設(shè)在均勻傾斜地面上的適宜直徑的簡(jiǎn)便計(jì)算公式，為滴灌系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Zhu等[6]分析了灌水器制造偏差對(duì)灌水器水力性能的影響變化，確定了一種新的滴灌毛管設(shè)計(jì)方法。目前，大多數(shù)研究偏重于理論分析，較少考慮實(shí)際鋪設(shè)條件下的灌水均勻計(jì)算。本研究將有坡條件下的支管兩側(cè)分為上下坡，與無坡條件下的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比分析，分析不同坡度時(shí)上下坡的毛管鋪設(shè)極限長(zhǎng)度的變化情況，討論毛管實(shí)際鋪設(shè)長(zhǎng)度時(shí)的灌水小區(qū)流量偏差率計(jì)算，并推導(dǎo)灌水小區(qū)進(jìn)口壓力，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 均勻坡度下滴灌毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度計(jì)算

均勻坡降是指毛管軸線的坡降是均勻一致的，當(dāng)毛管鋪設(shè)在地面或地下，管軸坡降和地形坡降相同。均勻坡度條件下毛管最大鋪設(shè)長(zhǎng)度有二種計(jì)算方法——公式法和試算法。公式法是引入壓比和降比的概念，推導(dǎo)毛管最大鋪設(shè)長(zhǎng)度[7]。本研究主要討論試算法推求毛管的極限長(zhǎng)度。

試算法是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初設(shè)毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度，推算毛管流量，按多孔出流的水力計(jì)算公式計(jì)算毛管水頭損失；計(jì)算毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度的地形高差，順坡鋪設(shè)時(shí)，取負(fù)值，逆坡鋪設(shè)時(shí)，取正值；毛管水頭損失與地形高差相加，與毛管允許水頭偏差比較，當(dāng)兩者在誤差范圍內(nèi)，即為毛管最大鋪設(shè)長(zhǎng)度。如果超出允許水頭偏差，應(yīng)減小毛管長(zhǎng)度，再次試算。

試算過程如下：

（1）計(jì)算毛管水頭損失。在已知工作壓力水頭、流態(tài)指數(shù)、滴頭流量、分流孔間距等參數(shù)條件下，假定毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度，計(jì)算毛管水頭損失h：

式中：h—毛管水頭損失，m；λ—局部水頭損失占沿程水頭損失的比例；f、m、b—分別是管材的摩阻系數(shù)、流量指數(shù)、管徑指數(shù)；Q—流量，m3/s；D—管徑，mm；L—毛管長(zhǎng)度，m；F—多口系數(shù)。

（2）計(jì)算毛管總壓力差?？紤]地形坡度的毛管總壓力差H：

式中：H—總壓力差，m；h—毛管水頭損失，m；L—毛管長(zhǎng)度，m；i—地形坡度。

（3）計(jì)算毛管允許水頭偏差。

式中：[hv]—允許水頭偏差率；x—流態(tài)指數(shù)；[qv]—流量偏差率；hd—設(shè)計(jì)工作水頭，m；[?h]—允許水頭偏差，m；β—毛管損失占比；[?h毛]—毛管允許水頭偏差，m。

（4）計(jì)算毛管水頭偏差的相對(duì)誤差。根據(jù)毛管實(shí)際水頭差H與允許水頭偏差[?h毛]計(jì)算水頭偏差的相對(duì)誤差：

式中：z—毛管水頭偏差的相對(duì)偏差；H—毛管總壓力差，m；[?h毛]—毛管允許水頭偏差，m。

如果相對(duì)誤差z＞0.05，重復(fù)步驟（1）、（2），改變毛管長(zhǎng)度，試算毛管總壓力差H，使H接近允許毛管水頭偏差。若相對(duì)誤差z＜0.05，這時(shí)的毛管長(zhǎng)度稱為該坡下的毛管極限長(zhǎng)度。

2 滴灌灌水小區(qū)進(jìn)口壓力確定

按支管和毛管的極限長(zhǎng)度進(jìn)行管網(wǎng)的鋪設(shè)，灌水小區(qū)的流量偏差率為qv＝20%。但在實(shí)際工程中，毛管和支管的鋪設(shè)長(zhǎng)度由于受地塊形狀等因素的影響，一般實(shí)際鋪設(shè)長(zhǎng)度均小于極限長(zhǎng)度，構(gòu)成的灌水小區(qū)流量偏差率qv的實(shí)際值小于20%。因此在計(jì)算灌水小區(qū)中灌水器最小水頭時(shí)，需要根據(jù)灌水小區(qū)實(shí)際情況，計(jì)算灌水小區(qū)的實(shí)際水頭偏差，然后確定灌水小區(qū)的流量偏差率，進(jìn)而求出灌水小區(qū)中灌水器最小水頭和支管進(jìn)口壓力的準(zhǔn)確值[8]。

在滴灌工程設(shè)計(jì)中對(duì)于灌水小區(qū)進(jìn)口壓力的確定，可采用以下步驟：

（1）灌水小區(qū)水頭損失計(jì)算。由公式（1）計(jì)算出毛管總水頭損失h毛、支管總水頭損失h支。

（2）灌水小區(qū)水頭偏差率計(jì)算。

式中：hv—灌水小區(qū)水頭偏差率；h毛—毛管水頭損失，m；h支—支管水頭損失，m。

（3）灌水小區(qū)流量偏差率計(jì)算。根據(jù)灌水小區(qū)水頭偏差率計(jì)算公式[7]：

可推導(dǎo)出灌水小區(qū)流量偏差率：

式中：qv—流量偏差率。

（4）灌水小區(qū)中灌水器的最小壓力水頭計(jì)算。

式中：hmin—灌水小區(qū)中灌水器最小水頭，m。

（5）灌水小區(qū)的進(jìn)口工作壓力計(jì)算。

式中：h進(jìn)—灌水小區(qū)進(jìn)口的工作壓力，m。

如果考慮坡度影響，計(jì)算原則同鋪設(shè)長(zhǎng)度，這里不再贅述。

3 公式驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 均勻坡度下滴灌毛管極限長(zhǎng)度結(jié)果分析

以滴灌系統(tǒng)中最常使用的一次性邊縫式滴灌帶為例，滴灌帶外徑為16 mm，壁厚為0.2 mm，毛管分流孔間距為0.3 m；滴頭工作壓力為10 m，流量為1.8 L/h。流態(tài)指數(shù)x為0.644 5。

若按平坡計(jì)算，毛管的極限長(zhǎng)度為80.1 m?？紤]坡度的影響分別計(jì)算上、下坡毛管的極限長(zhǎng)度，并與平坡情況下的極限長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，判斷坡度對(duì)極限長(zhǎng)度的影響，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同坡度下毛管極限孔數(shù)及毛管計(jì)算長(zhǎng)度表

坡度對(duì)毛管鋪設(shè)具有顯著的影響，毛管鋪設(shè)極限長(zhǎng)度隨地形坡度變化規(guī)律如圖1、圖2所示。由圖1可知，隨著地形坡度的增加，上坡毛管的極限長(zhǎng)度逐漸減小，和平坡計(jì)算的極限長(zhǎng)度相比，上坡毛管縮短比例在逐漸增大，但增大幅度越來越小。由圖2可知，隨著地形坡度的增加，下坡毛管的極限長(zhǎng)度一直增加，下坡毛管增長(zhǎng)比例也在增加。由此可以推測(cè)，當(dāng)接近一定坡度時(shí)，毛管的極限長(zhǎng)度將無限延長(zhǎng)。

圖1 0.005～0.1坡度上坡毛管極限長(zhǎng)度變化圖

圖2 0.005～0.1坡度下坡毛管極限長(zhǎng)度變化圖

3.2 灌水小區(qū)進(jìn)口壓力分析

灌水小區(qū)的毛管和支管實(shí)際鋪設(shè)長(zhǎng)度受地形、田塊形狀等因素綜合影響，實(shí)際鋪設(shè)長(zhǎng)度一般小于極限鋪設(shè)長(zhǎng)度。仍以邊縫式滴灌帶為例，某滴灌小區(qū)支管長(zhǎng)度68 m，單側(cè)控制毛管，毛管間距0.6 m；毛管長(zhǎng)度取60 m，滴頭間距0.3 m。毛管、支管鋪設(shè)長(zhǎng)度均小于最大鋪設(shè)長(zhǎng)度。

首先計(jì)算灌水小區(qū)毛管和支管的水頭損失。將毛管、支管參數(shù)代入公式（1），經(jīng)計(jì)算，毛管、支管水頭損失分別為0.782 m、1.446 m。則灌水小區(qū)壓力偏差為2.228 m。

根據(jù)公式（8）計(jì)算灌水小區(qū)水頭損失偏差率，毛管的設(shè)計(jì)水頭為10 m，則水頭偏差率為22.28%。根據(jù)公式（9）計(jì)算灌水小區(qū)實(shí)際的流量偏差率qv＝14.19%。根據(jù)式（10）計(jì)算灌水小區(qū)中灌水器的最小壓力水頭hmin＝9.240 m。灌水小區(qū)的進(jìn)口壓力為：h＝hmin+h毛+h支＝11.468 m。

從灌水小區(qū)水頭偏差分析中得出，根據(jù)流量偏差率的計(jì)算公式，可以更加準(zhǔn)確方便地確定灌水小區(qū)的進(jìn)口壓力。灌水小區(qū)進(jìn)口壓力偏小，則平均流量偏小，灌水小區(qū)進(jìn)口壓力偏大，則平均流量偏大。在實(shí)際微灌工程中，可以改變流量偏差率，進(jìn)而提高進(jìn)口壓力，使進(jìn)入毛管的平均流量變大，為提高灌水均勻度提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

由公式驗(yàn)證與結(jié)果分析表明，在均勻坡度下，隨坡度增加，上坡毛管極限長(zhǎng)度逐漸減小，毛管縮短比例逐漸增大；下坡毛管極限長(zhǎng)度逐漸增大，毛管縮短比例逐漸增大。地形坡度0.05時(shí)，逆坡毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度減少一半，順坡增加1倍。根據(jù)實(shí)際流量偏差率的計(jì)算公式，灌水小區(qū)進(jìn)口壓力隨流量偏差率的變化而變化。流量偏差率越大，進(jìn)口壓力越大；流量偏差率越小，進(jìn)口壓力越小。而采用灌水小區(qū)進(jìn)口壓力新的計(jì)算方法，灌區(qū)小區(qū)壓力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更吻合。

[1]王凌，劉煥芳，杜濤.開孔率對(duì)多孔管壓力水頭分布規(guī)律的影響分析[J].人民黃河，2015，37（5）：97-98.

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[3]張林，吳普特，朱德蘭，等.基于制造偏差的滴灌系統(tǒng)綜合流量偏差率[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（12）：12-44.

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