張凱文，劉少東，郭 巍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

我國人均水資源匱乏，而農(nóng)業(yè)用水量在全國水資源消耗中約占70%[1]。國家十三五規(guī)劃指出：“實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，以水定產(chǎn)、以水定城，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)”。滴灌是可以提高灌水利用率的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，自引入我國后，在新疆等西部干旱地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度是衡量滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。黑龍江省丘陵漫崗地帶占全省土地面積的35.8%，坡度以3°～5°居多[3,4]。坡地條件下，滴灌管內(nèi)水壓力受地面坡度影響，灌水均勻度無法保證。采用壓力補(bǔ)償式滴頭可提高灌水均勻度，但成本較高，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍廣泛采用較常見的內(nèi)鑲貼片式或迷宮式滴灌帶。如何進(jìn)行管線布置及安排毛管順逆坡長度成為生產(chǎn)實(shí)踐中存在的問題。文獻(xiàn)[5-7]分析了單向有坡情形下，較小坡度(小于1%)范圍內(nèi)坡度變化對(duì)滴灌均勻度的影響。在坡地滴灌的實(shí)際應(yīng)用中，支管兩側(cè)布置滴灌管的情形十分常見。張國祥[8]指出：雙向有坡情況下，微灌支管兩側(cè)布置毛管可降低水頭要求，節(jié)約投資并提高灌水質(zhì)量。本研究通過試驗(yàn)討論了0%～3%坡度毛管雙向布置情形下毛管出水量及均勻度變化規(guī)律，為坡地滴灌雙向布管情況下，毛管最優(yōu)布置方案的確定提供依據(jù)，并為丘陵漫崗地帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理布置滴灌管道提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)水科學(xué)與水應(yīng)用實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行。選用萊蕪市沐源節(jié)水設(shè)備有限公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，主要技術(shù)參數(shù)為:滴孔間距為20 cm、滴灌管內(nèi)徑d=16 mm，壁厚0.2 mm。

測試水源為200目過濾器過濾后的自來水。試驗(yàn)裝置如圖1 所示。該裝置主要由水泵、壓力調(diào)節(jié)裝置及滴管懸掛裝置等組成。加壓泵、壓力調(diào)節(jié)裝置確保水壓穩(wěn)定。懸掛裝置由鋼絲與木方連接而成, 滴灌管固定在木方上。通過鋼絲改變木方與地面夾角的方式進(jìn)行坡度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)在PE管出口與毛管帶進(jìn)口旁通處連接流量調(diào)節(jié)閥與壓力表，通過流量調(diào)節(jié)閥獲得試驗(yàn)所需的工作壓力，同時(shí)在滴灌帶末端連接壓力表，讀取末端壓力。試驗(yàn)所用儀器包括：精密壓力表(0.25級(jí))、米尺、量筒(100 mL)、秒表等。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test equipment

圖2 平地不同長度毛管均勻度Fig.2 Flat capillary different length uniformity

進(jìn)水口壓力為管道正常工作壓力0.1MPa。布置不同的毛管長度進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，分別測取其灌水均勻度，得到均勻度隨毛管長度的變化規(guī)律，如圖2所示。規(guī)范[9]規(guī)定滴灌灌水均勻度應(yīng)達(dá)到85%，本實(shí)驗(yàn)中，毛管長為75m時(shí)灌水均勻度約為85%，為便于比較，確定本實(shí)驗(yàn)順坡段毛管長度75m。根據(jù)黑龍江省丘陵漫崗地帶耕地的實(shí)際坡度情況，選擇1%、2%、3%三個(gè)坡度狀態(tài)開展滴灌出水量測定試驗(yàn)。針對(duì)每個(gè)坡度水平，分別設(shè)置逆坡段毛管長度為0～70 m，以10 m為級(jí)差共計(jì)7個(gè)水平，共計(jì)21個(gè)試驗(yàn)組合。

為獲得不同參數(shù)狀態(tài)下毛管出水規(guī)律，以毛管入水口處為O點(diǎn)分別向順坡及逆坡方向，每10 m取一個(gè)測點(diǎn)(當(dāng)毛管長度小于10 m時(shí)，每5 m取一個(gè)測點(diǎn)，增加測點(diǎn)數(shù)量)編號(hào)如圖3所示。試驗(yàn)實(shí)施過程中，打開水泵并調(diào)節(jié)壓力至0.1 MPa，待出流量穩(wěn)定后，同時(shí)測取各測點(diǎn)流量。為消除隨機(jī)誤差，每種組合測3次，取其平均值作為最終結(jié)果。

圖3 測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of measuring points

1.2 灌水均勻度計(jì)算公式

滴灌灌水均勻度采用美國克里斯琴森(Christiansen)均勻系數(shù)[9]來表示：

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

上述試驗(yàn)獲得的管道出流數(shù)據(jù)，按照克里斯琴森公式即可算得管道出水均勻度。

2.1 毛管均勻度變化規(guī)律

分別針對(duì)3個(gè)坡度狀態(tài)，繪制其灌水均勻度隨逆坡長度變化的曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著逆坡段毛管長度的增加，三者的變化規(guī)律是相似的:均勻度隨逆坡管長先增大后減小，均勻度曲線均存在峰值。具體來看，逆坡段長度為0時(shí)，即毛管完全順坡布置，其均勻度并非最高，布置一定長度的逆坡管道，毛管均勻度明顯提高。逆坡段毛管長度超過某一定值后，均勻度又開始下降。因此，坡地滴灌中，采用雙向布管方式更有利于提高灌水均勻度，且逆坡毛管長度存在最優(yōu)值，在該長度下毛管出水均勻度最高。從3條曲線的比較來看，不同地面坡度下毛管均勻度峰值的位置是不一致的。隨著地面坡度的增加，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的逆坡毛管長度數(shù)值變小。可以得出結(jié)論，平緩地面可布置較長逆坡管，陡峭地面則只能布置較短逆坡管。由此可以推斷，隨著坡度增大，逆坡毛管布置長度可逐步減短，當(dāng)?shù)孛孢_(dá)到特定坡度(本試驗(yàn)證實(shí)，該坡度大于3%)時(shí)，取逆坡管長度為0 m可獲得最佳灌水均勻度，此時(shí)毛管宜采用全順坡布置。

圖4 毛管均勻度分布圖Fig.4 Capillary distribution uniformity

就本試驗(yàn)而言，當(dāng)順坡毛管為75 m時(shí)，坡度1%、2%、3%分別采用對(duì)應(yīng)的最佳逆坡長度為50、40、20 m。

2.2 毛管出水量分布規(guī)律

在一定坡度范圍內(nèi)，逆坡毛管的存在可以提高毛管灌水均勻度。毛管出流量變化規(guī)律可解釋該現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理。以入水口處為0點(diǎn)，繪制1%坡度順坡段及逆坡段各測點(diǎn)流量變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，逆坡毛管長度為0 m時(shí)(即全順坡狀態(tài))，入水口處出水量最大，順坡段毛管出水量向遠(yuǎn)端逐漸減小，由于毛管高度降低，管中水壓增大補(bǔ)償了末端水頭損失，使得毛管末端滴頭出水量趨于穩(wěn)定。文獻(xiàn)[10]指出當(dāng)坡度較大時(shí)，地形坡度引起的水頭高差是影響毛管灌水均勻度的主要因素。在1%坡度時(shí)，毛管高度降低未能完全補(bǔ)償水頭損失，具體見后文分析。逆坡毛管長度為20 m時(shí)，可以看到入水口處滴孔出水量出現(xiàn)峰值，向兩側(cè)出水量開始減小。與全順坡情形相比，逆坡毛管產(chǎn)生的分流作用，降低了入水口處的水壓力，盡管毛管所有滴孔出水量均有下降，但出水口處出水量峰值下降較為明顯，順坡遠(yuǎn)端出水量下降較少。逆坡毛管長度為40 m時(shí)，毛管出水規(guī)律與此類似，只是毛管各滴頭出水量下降幅度略大?？梢?，逆坡毛管的設(shè)置較大幅度地降低了入水口附近滴頭的出水量，順坡遠(yuǎn)端滴頭出水量略減，這一“削峰”作用，提高了毛管出水均勻度。2%坡度、3%坡度各測點(diǎn)流量曲線(圖6，圖7所示)也體現(xiàn)了該變化規(guī)律。

圖5 1%坡度毛管出水量分布圖Fig.5 1% capillary water distribution map of slope

圖6 2%坡度毛管出水量分布圖Fig.6 2% capillary water distribution map of slope

圖7 3%坡度毛管出水量分布圖Fig.7 3% capillary water distribution map of slope

2.3 順坡段毛管出水量變化規(guī)律

通過比較圖5、圖6及圖7中的順坡段毛管出流量曲線可以看到，圖5所示1%坡度條件下，毛管上各測點(diǎn)出水量規(guī)律為：入水口處滴孔出現(xiàn)出水量峰值，順坡方向滴孔出水量逐漸減小。圖6所示2%坡度條件下，入水口處滴孔出水量最大，向順坡方向滴孔出水量逐漸減小，到毛管末端滴孔出水量開始增加。在圖7所示地面坡度3%情形下，毛管末端出水量增加更加明顯。以逆坡毛管長20 m為例，不同坡度下的出水量曲線如圖8所示。在圖8中可以看到，逆坡毛管長度相同時(shí)，毛管末段滴孔出水量隨坡度增大而增加，出水量最小滴孔出現(xiàn)在坡中部而非坡底。事實(shí)上，這一規(guī)律在逆坡毛管長度0 m及逆坡毛管長度為30 m情形下同樣存在。在滴灌系統(tǒng)中，滴孔出水量與水壓力正相關(guān)，水壓力大則毛管出水量大，反之亦然。因此，上述現(xiàn)象可用能量方程進(jìn)行分析：

水頭損失計(jì)算公式：

圖8 不同坡度毛管出水量曲線Fig.8 Different gradient capillary water curve

(2)

式中：Z1、Z2為1、2斷面的位置水頭，m；P1/γ、P2/γ為1、2斷面的位置水頭，m；α1v21/(2g)、α2v22/(2g)為1、2斷面的位置水頭，m；hw1-2為1、2斷面的位置水頭，m；hf為沿程水頭損失；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管長，m；d為管徑，m；hm為局部水頭損失；ξ為局部阻力系數(shù)；v為水流速度，m3/s。

在無坡狀態(tài)下，隨著水流流動(dòng)距離的增加，水頭損失開始增大，毛管內(nèi)水壓力相應(yīng)減小，由此導(dǎo)致毛管末端滴孔出流量小于入水口處滴孔出流量。在順坡布管且入水口水壓力恒定條件下，毛管滴孔高程降低會(huì)增加其水壓力，可對(duì)水頭損失進(jìn)行補(bǔ)償。在坡度較小的情況下，這種補(bǔ)償作用小于水頭損失值，此時(shí)毛管遠(yuǎn)端滴孔水壓力始終小于其相鄰上坡段滴孔水壓力，毛管出流量表現(xiàn)為從入水口處向順坡遠(yuǎn)端遞減變化。當(dāng)?shù)孛嫫露容^大時(shí)，該補(bǔ)償作用將大于水頭損失值，這就會(huì)使得毛管遠(yuǎn)端滴水孔水壓力大于其相鄰上坡段水壓力，由此出現(xiàn)毛管遠(yuǎn)端出流量大于相鄰上坡段滴孔出流量的情況。由于高程降低的補(bǔ)償作用與坡度密切相關(guān)，恒定坡度下，補(bǔ)償水頭隨高程降低線性增加。而毛管內(nèi)水流水頭損失受流態(tài)、流速及流量變化影響，表現(xiàn)為非線性變化。水頭損失與v2呈正比，如公式(2)所示，在入水口附近水流速度較快，水頭損失較大；在毛管末端水流速度較慢，水頭損失較小。高程降低形成的補(bǔ)償作用，會(huì)首先在水頭損失小的區(qū)域(即毛管末端)引起滴孔出流量增加。地形坡度越大，出流量增加的滴孔越靠近入水口。

3 結(jié) 論

(1)坡地滴灌采用雙向布置，有利于提高毛管出水均勻度。存在使得毛管出水均勻度最高的最優(yōu)逆坡毛管長度，不同地形坡度下該最優(yōu)長度隨坡度增加而減少。在本試驗(yàn)中，坡度為1%時(shí)，最優(yōu)逆坡毛管長度為50 m；坡度為2%時(shí)，最優(yōu)逆坡毛管長度為40 m；坡度為3%時(shí)，最優(yōu)逆坡毛管長度為20 m。

(2)順坡段毛管高程下降補(bǔ)償了管道內(nèi)水流的水頭損失，在一定的坡度下，會(huì)使毛管滴孔從入水口到末端呈現(xiàn)出流量先減小后增大變化趨勢。出流量最小的位置不一定在坡底，可能在坡地中部的某個(gè)位置。坡度越大，該位置越靠近毛管入水口。

□

[1] 文小琴,舒英格. 農(nóng)業(yè)節(jié)水抗旱技術(shù)研究進(jìn)展[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,(1):28-32.

[2] 羅春艷. 滴灌灌水均勻度影響因素及計(jì)算方法[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[3] 卜凡余. 關(guān)于黑龍江省丘陵漫崗地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化的探討[J]. 農(nóng)機(jī)使用與維修,2016,(7):34.

[4] 秦續(xù)娟. 東北北部黑土坡耕地澇漬成因研究[D]. 重慶：西南大學(xué),2006.

[5] 王建眾，牛文全，吳普等. 滴灌毛管灌水均勻度試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2008，30(3)：56-58.

[6] 王 霞，崔春亮，阿不都沙拉木等. 不同類型滴灌帶灌水均勻度田間試驗(yàn)分析[J].節(jié)水灌溉，2012，(8)：12-15.

[7] 張?zhí)炫e, 仵 峰, 鄧忠等. 不同坡度下壓力對(duì)滴灌毛管均勻度的影響試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展，2007，27(3)：24-26.

[8] 張國祥. 微灌雙向有坡毛管情況下支管位置的確定方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(21)：98-104.

[9] GBT 50485-2009，微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].

[10] 謝煥玲.滴灌系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與灌水均勻度的研究.呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.