劉 楊，黃修橋※，李金山，孫秀路，于紅斌

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，新鄉(xiāng) 453003；2. 河南師范大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007）

0 引 言

滴灌技術(shù)的主要特點是節(jié)水高效，但較高的造價和運行費用制約了該項技術(shù)的發(fā)展。低壓地下滴灌與常規(guī)滴灌相比具有使用成本低、水肥利用率高的特點，能夠最大限度地挖掘滴灌技術(shù)節(jié)水、增效的潛力。目前，針對低壓滴灌和地下滴灌這兩種單一技術(shù)措施的研究較多，將二者結(jié)合應(yīng)用大田的研究較少。低壓滴灌是指灌水器的設(shè)計工作壓力小于5 m并能滿足系統(tǒng)要求[1]，常壓滴灌是指灌水器的設(shè)計工作壓力在10 m左右。降低運行壓力可以降低系統(tǒng)的成本和運行費用[2]，為降低系統(tǒng)的工作壓力，以色列的Gideon G G1985年提出重力滴灌的概念[3]，受重力滴灌啟發(fā)，中國學(xué)者提出低壓滴灌系統(tǒng)[4-6]，針對該技術(shù)的技術(shù)要素[4]、典型設(shè)計方案[5]、研究重點內(nèi)容[2]及滴頭、系統(tǒng)設(shè)計水頭的取值依據(jù)[7-8]進行了相關(guān)研究，研究表明低壓滴灌技術(shù)可行，并在棚室生產(chǎn)中取得較好效果，但在大田中應(yīng)用的研究較少。國內(nèi)學(xué)者還針對低壓條件下毛管的水頭損失規(guī)律[9-10]與均勻度的影響因素[11-13]進行研究，但低壓條件下毛管埋入土壤后水力性能變化規(guī)律并不明確。眾多學(xué)者從不同方向?qū)嗨髀袢氲叵潞蟮某隽饕?guī)律進行了研究，Warrick A W，Shani U等發(fā)現(xiàn)地下灌水器出口的正壓導(dǎo)致其流量比地表灌水器減少10%～50%[14-15]。Gil等[16]、王曉愚等[17]通過稱重法研究表明地下灌水器流量在穩(wěn)定時比地表灌水器流量減少5%～20%。仵峰等[18]，范王濤等[19]研究了初始流量和土壤特性對地下灌水器出流規(guī)律的影響，國外學(xué)者從土壤導(dǎo)水率角度研究土壤對地下灌水器出流量的影響規(guī)律[20-21]，還有從使用年限對毛管流量的影響[22]，土壤壓力對管網(wǎng)水力性能的影響[23]進行研究，這些地下灌水器和毛管流量的變化規(guī)律是在實驗室內(nèi)或常規(guī)壓力條件下得出的，是否適用于大田中的低壓地下滴灌還有待證實?，F(xiàn)有資料不能明確大田中低壓地下滴灌毛管的流量、壓力、水頭損失與管網(wǎng)均勻度的變化規(guī)律，基礎(chǔ)研究的欠缺制約了該技術(shù)的發(fā)展。

為了明確在大田中，降低系統(tǒng)工作壓力和埋入地下后對毛管水力特性的影響，選擇參照常壓滴灌系統(tǒng)設(shè)計的新疆地下滴灌系統(tǒng)作為研究對象，對比測試地表毛管和地下毛管的流量、壓力和水頭損失等參數(shù)，推求毛管考慮局部損失的加大系數(shù)、支管單元內(nèi)的壓力偏差率和流量偏差率。目的是以常規(guī)滴灌系統(tǒng)為參照，比較系統(tǒng)工作壓力降低和毛管埋入地下對毛管水力特性、管網(wǎng)均勻度的影響，為低壓地下滴灌系統(tǒng)的設(shè)計、管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗于2005年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)七師130團16連開展（84°36′～85°03′E，44°29′～44°52′N），位于準噶爾盆地西南緣，奎屯河沖積平原上。農(nóng)七師屬北溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年均日照時數(shù)近3 000 h，年均降水量不足185 mm，年蒸發(fā)量是降水量的12.9～31.5倍，地表水和地下水資源都十分缺乏，制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展，屬于灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗地種植品種為新陸早13號，膜寬1.2 m，膜間距0.6 m，1膜4行，寬行間距40 cm，窄行間距20 cm，株距10 cm，收獲株數(shù)246 000株/hm2。田間持水量：0～40 cm為16.44%（質(zhì)量含水量），40～80 cm為19.86%（質(zhì)量含水量）。容重：0～20 cm為1.63 g/cm3，20～40 cm為1.47 g/cm3。

試驗的地下滴灌系統(tǒng)是2002年建成，試驗時是第4年，毛管的設(shè)計工作壓力為10 m。支管為外徑Φ75 mm的PVC管、壁厚6 mm、壓力等級為0.6 MPa。毛管為內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭間距 0.4 m，埋深 40 mm，間距1.5 m。灌溉水是冰雪融水，由渠道流入沉淀池，經(jīng)泵站加壓后進入地下滴灌系統(tǒng)。

1.2 試驗設(shè)計

選擇2干3支作為觀測區(qū)域（213 m ×55 m），毛管沿支管兩側(cè)對稱、等長布置，兩側(cè)毛管尾部接入排水管，構(gòu)成環(huán)狀管網(wǎng)。在支管的首部、中部和尾部各選 1對毛管進行測試，地下毛管與地表毛管測試位置相同。在測試毛管的首端串聯(lián)安裝水表（最小刻度0.1 L）、精密壓力表（最小刻度 0.1 m），壓力表在水表下游，尾端安裝同型號壓力表。儀表安裝后，測量毛管的長度、坡度以及與支管進口的距離，詳細參數(shù)見圖1a。

2005年9月1—3日測量，先測地下毛管水力性能，測試壓力變化過程是由低壓到高壓。測完地下毛管后，在測試位置鋪設(shè)地表毛管接入系統(tǒng)進行測試，系統(tǒng)中其余毛管還在地下，測試壓力變化過程是由高壓到低壓。通過控制開啟支管數(shù)量來調(diào)節(jié)測試支管的入口壓力，相同支管入口壓力下，開啟的支管編號相同。地表毛管與地下毛管型號相同，長度相同，觀測方法相同，相同位置處的觀測裝置相同，觀測儀器布置請見圖1b和圖1c。調(diào)壓后，系統(tǒng)工作壓力穩(wěn)定30 min后開始讀數(shù)，壓力值取3次讀數(shù)的平均值，同時用秒表記錄水表通過2 L水所用的時間，計算流量。用支管首部地表毛管的最大首端壓力值近似代替支管入口壓力值。

圖1 試驗管網(wǎng)，地表、地下毛管觀測裝置示意圖Fig.1 Sketch map of pipe network and observation device for surface and subsurface lateral pipes

2 結(jié)果與分析

2.1 毛管工作狀態(tài)甄別

地下滴灌系統(tǒng)在使用過程中，如果管理、維護不當，毛管易發(fā)生灌水器堵塞、受壓變形和破損等現(xiàn)象，影響毛管的工作壓力和流量。通過比較測試毛管的工作壓力和流量偏差情況來甄別地下毛管的工作狀態(tài)，排除異常毛管，選擇正常工作的地下毛管進行數(shù)據(jù)分析。

用地表毛管的平均工作壓力與流量進行回歸分析，計算灌水器自由出流狀態(tài)下的壓力與流量關(guān)系參數(shù)，公式為

式中q為灌水器流量，L/h；h為平均工作壓力，m，文中取毛管首端和尾端實測壓力的平均值；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)。

計算結(jié)果如圖 2所示，其中地表毛管 k=0.260 4、x=0.879 1，將k、x值與地下毛管的平均工作壓力代入公式（1）計算地下毛管的理論流量，用地下毛管實測流量與理論流量計算地下毛管的流量偏差系數(shù) δ，計算公式如下

式中δ為流量偏差系數(shù)；q實測為實測毛管流量，L/h；q理論為毛管理論流量，L/h。

圖2 毛管壓力與流量關(guān)系圖Fig.2 Relation graph of pressure and flow rate in lateral pipes

比較地下毛管的首端、尾端工作壓力及流量偏差系數(shù)δ，分析毛管的工作狀態(tài)，具體數(shù)值詳見表1。支管入口壓力在1.4～6.55 m之間時：1號地下毛管的首、尾端工作壓力與相鄰毛管接近，流量是理論流量的 2.4～4.7倍，原因是 1號毛管中部破損，導(dǎo)致流量較大，因環(huán)狀管網(wǎng)的補償效應(yīng)對毛管首、尾端壓力影響較?。?號毛管首、尾端工作壓力正常，但流量僅為理論流量的0.5～0.9倍，明顯低于相鄰毛管，原因是堵塞或土壤擠壓導(dǎo)致過流不暢；6號毛管尾端壓力正常，首端壓力僅在0～0.2 m之間，明顯低于相鄰毛管，流量是理論流量的 2.5～6.2倍，原因是靠近毛管首端測壓點附近有破損導(dǎo)致流量變大，同時支管與首端測壓點之間毛管受擠壓導(dǎo)致首端壓力變低。綜合以上分析1號、5號和6號為異常地下毛管，2號、3號和4號為正常地下毛管。

用相同方法，對地表毛管進行工作壓力與流量偏差分析，具體數(shù)值詳見下表2。支管入口壓力在1.4 m時，6號毛管首、尾端壓力與流量偏差系數(shù)與相鄰毛管接近，在1.7～6.55 m時，6號毛管首端壓力與流量偏差系數(shù)均比相鄰毛管略低，經(jīng)檢測該毛管無破損，原因是支管與首端測壓點之間毛管受擠壓影響過流（如圖1c所示該段埋在地下），6號地表毛管工作異常，其余毛管工作正常，正常地表毛管的實際過流量是理論流量的0.9～1.2倍。

表1 地下毛管工作壓力及流量偏差系數(shù)Table 1 Deviation coefficient of flow rate and working pressure in subsurface lateral pipe

表2 地表毛管工作壓力及流量偏差系數(shù)Table 2 Deviation coefficient of flow rate and working pressure in surface lateral pipe

2.2 地下與地表毛管流量對比

比較地下毛管與地表毛管的流量關(guān)系，用地下毛管相對地表毛管的流量變化系數(shù)Kq表示

式中Kq為地下毛管相對地表毛管的流量變化系數(shù)；q地下為實測地下毛管的流量，L/h；q地表為實測地表毛管的流量，L/h。

計算結(jié)果詳見表3，分析2、3和4號正常地下毛管的流量變化系數(shù) Kq可知：支管入口壓力6.55 m時，Kq在-0.08～-0.01之間，說明地下毛管流量小于地表毛管；支管入口壓力1.4～3.8 m時，Kq在0.09～1.03之間，Kq值隨壓力降低而增大，說明地下毛管流量相對地表毛管流量增加比例變大，支管入口壓力1.4 m時，增加比例最大。破損的1、6號地下毛管流量始終大于地表毛管流量，隨著支管入口壓力降低增加比例加大。過流不暢但未破損的 5號地下毛管流量始終小于地表毛管的流量，隨支管入口壓力降低，Kq值由-0.44變到-0.15，說明流量減少比例變小。將地下毛管按正常工作（2、3、4號），破損（1、6號）進行分類，支管入口壓力由 3.8 m 降到1.4 m時，2、3、4號正常毛管的Kq均值由0.12增加到0.9，隨壓力降低流量增加比例在變大；1、6號破損毛管的Kq均值由1.44增加到2.66，隨壓力降低流量增加比例在變大。

表3 地下毛管相對地表毛管的流量變化系數(shù)Table 3 Variation coefficient of flow rate of subsurface lateral pipes compared to surface lateral pipes

由流量變化系數(shù)Kq的變化規(guī)律可知，在支管入口壓力由6.55 m降到1.4 m的過程中，正常地下毛管與地表毛管的壓力流量關(guān)系有個交叉點，用毛管的平均工作壓力、灌水器實測平均流量分別擬合地下毛管、地表毛管的壓力流量關(guān)系，具體詳見圖2，通過計算求得交叉點處毛管平均工作壓力為4.6 m。

2.3 地下與地表毛管工作壓力對比

比較地下毛管與地表毛管的首端、尾端和平均工作壓力（首、尾端壓力均值），用地下毛管相對地表毛管的壓力變化系數(shù)Kh表示

式中Kh為地下毛管相對地表毛管的壓力變化系數(shù)；h地下為實測地下毛管的工作壓力，m；h地表為實測地表毛管的工作壓力，m。

Kh計算值詳見表4，支管入口壓力在1.4～6.55 m之間時，60個首、尾端計算值中，有56個是Kh＜0，說明地下毛管比相應(yīng)地表毛管的工作壓力低，毛管埋入地下后工作壓力發(fā)生不同程度的折減，1個是地下毛管比相應(yīng)地表毛管壓力高即Kh＞0，3個相等即Kh=0。

將地下毛管按正常工作（2、3、4號），破損（1、6號），過流不暢（5號）進行分類，與對應(yīng)的地表毛管比較，統(tǒng)計各工作壓力變化區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率，具體數(shù)值詳見表5，相同支管入口壓力下，正常地下毛管有90%的概率發(fā)生工作壓力降低，降低范圍在(-10%，0)的概率是70%。

表4 地下毛管相對地表毛管壓力變化系數(shù)Table 4 Variation coefficient of pressure of subsurface lateral pipes compared to surface lateral pipes

表5 地下毛管工作壓力降低概率Table 5 Reduction probability of working pressure in subsurface lateral pipes

2.4 考慮局部水頭損失的加大系數(shù)對比

用測試毛管的首端、末端壓力，毛管長度與鋪設(shè)坡度計算毛管的實測總水頭損失，用實測總水頭損失推求考慮局部損失的加大系數(shù)[24]。實測毛管的總水頭損失計算公式為

式中hi為毛管末端的壓力水頭，m；H為毛管首端的壓力水頭，m；ΔH為首端至末端的摩阻損失，m；ΔH′為首端與末端地形高差，m，順坡為“+”，逆坡為“-”。

毛管沿程水頭損失用勃拉休斯（Blasius）公式[24]計算，試驗水溫為10 ℃，在考慮溫度、局部水頭損失和多口出流的影響后，考慮局部損失的加大系數(shù)K的計算公式為

式中 K為考慮局部損失的加大系數(shù)。hf為沿程摩阻損失水頭，m；Q為流量，m3/s；D為管道內(nèi)徑，mm；L為管道長度，m。α為溫度修正系數(shù)，tν為水溫為任意溫度時的運動黏滯系數(shù)，m2/s；20ν為水溫為20 ℃時的運動黏滯系數(shù)，m2/s；采用勃拉休斯公式計算時，z=0.25。F為多口系數(shù)；N為出口數(shù)目；m為流量指數(shù)；X為進口端至第一個出水口的距離與孔口間距之比，計算時取X=1。

計算 2、3、4號地下毛管、地表毛管考慮局部損失的加大系數(shù)K，結(jié)果如圖3所示。將相同支管入口壓力下的K值取平均值，支管入口壓力由6.55 m降到1.4 m之間時，地下與地表毛管的K值都是隨壓力降低而增大，地表毛管的增加幅度大于地下毛管，地表毛管的K平均值由1.32增加到5.94，地下毛管的K平均值由1.37增加到2.18，地表毛管在支管入口壓力由1.7 m降到1.4 m時，K均值由2.71增到5.94。

K值減去 1即為毛管局部水頭損失占沿程水頭損失比值，試驗壓力下，地下與地表毛管的 K值都大于 1.3即局部水頭損失比例大于0.3，該值大于微灌工程技術(shù)規(guī)范（GB/T 50485-2009）中的建議值0.1～0.2[25]；擴大系數(shù)大于《微灌工程技術(shù)指南》中建議值 1.05～1.3的上限[24]。地下與地表毛管的K值與上述文獻中建議值有較大偏離，并且壓力越低偏離越大。

圖3 毛管考慮局部損失的加大系數(shù)圖Fig.3 Diagram of increasing coefficient considering local loss of lateral pipes

2.5 地下毛管與地表毛管均勻度對比

在相同支管入口壓力下，用測試毛管的最大、最小工作壓力計算試驗支管單元內(nèi)灌水器的水頭偏差率與流量偏差率，比較地下和地表兩種鋪設(shè)方式對管網(wǎng)均勻度的影響。目前管網(wǎng)設(shè)計只考慮水力學(xué)（壓力）變化對均勻度的影響，忽略灌水器的制造偏差，堵塞情況與毛管破損的實際影響，所以可以將首端、尾端壓力正常的毛管都用于計算，6號地表和地下毛管首端壓力偏低沒有被選用。計算灌水器的工作水頭偏差率

式中 Hv為灌水器工作水頭偏差率；hmax為灌水器的最大工作水頭，m；hmin為灌水器的最小工作水頭，m；ha為灌水器的平均工作水頭，m。

用hmax、hmin值與回歸分析得到的k、x值（圖2所示）代入公式（1）計算各毛管的最大、最小流量，求灌水器的流量偏差率

式中 qv為灌水器的流量偏差率；qmax為相應(yīng) hmax時灌水器流量，L/h；qmin為相應(yīng)hmin時灌水器流量，L/h；qa為灌水器平均流量，L/h。

將地下毛管分為正常毛管（2、3、4號）與正常毛管加破損加過流不暢毛管（1、2、3、4、5號），2種情況分別計算，地表毛管只選正常狀態(tài)的毛管（1、2、3、4、5號），計算結(jié)果見表6。正常地下毛管組成的管網(wǎng)（2、3、4號）均勻度要好于地表毛管（1、2、3、4、5號），壓力偏差率比地表毛管低（支管入口壓力3.8 m時除外）0.62%～3.44%，流量偏差率比地表毛管低 8.15%～22.4%。

正常地下毛管支管入口壓力在1.7～6.55 m之間時，流量偏差率qv＜20%，符合規(guī)范要求[25]，支管入口壓力在1.4 m時，qv＞20%不符合規(guī)范要求。相同支管入口壓力下，破損和過流不暢現(xiàn)象導(dǎo)致地下管網(wǎng)的壓力偏差率、流量偏差率變大，使地下管網(wǎng)的均勻度降低。支管入口壓力在1.4～6.55 m區(qū)間內(nèi)，地表管網(wǎng)的流量偏差率qv＞20%，不符合規(guī)范要求[25]，說明常規(guī)壓力滴灌系統(tǒng)低壓下運行會使均勻度降低。

表6 管網(wǎng)壓力、流量偏差率Table 6 Deviation ratio of pressure and flow rate in pipe network

3 討 論

3.1 地下毛管與地表毛管流量對比

毛管平均工作壓力小于4.6 m后，相同工作壓力下，地下毛管流量大于地表毛管自由出流時流量。然而，已有研究表明相同工作壓力下地下灌水器流量比地表灌水器流量有一定比例的減少[14-16,18]，或者是初期略大但1～2 min后減小并趨于恒定[17]。原因是：1）參考文獻中試驗是將灌水器埋入土槽或桶中，與埋入大田相比，土壤水分運動空間較小，并且常壓下灌水器流量很快、大于土壤擴散能力，灌水器出口處于淹沒出流狀態(tài)，使灌水器流量小于自由出流時流量；2）土壤水力特性的差異影響灌水器與周圍土壤之間的相互作用，本試驗土壤透水性較強，試驗時土壤含水率較低，土壤負壓與毛管內(nèi)正壓共同驅(qū)動灌水器出流，導(dǎo)致流量增大。

地下毛管工作壓力小于4.6 m時，土壤較干燥，與負壓或無壓灌溉原理相同[26-27]，試驗土壤基質(zhì)勢較小吸力較大，土壤基質(zhì)勢產(chǎn)生的吸力與毛管中的工作壓力共同作用于滴頭，使滴頭流量大于地表毛管流量。此時，地下毛管灌水器的平均流量計算公式為q地下=k（h壓+h吸）x（12）式中q地下為地下毛管灌水器的平均流量，L/h；h壓為毛管內(nèi)工作壓力平均值，m；h吸為土壤基質(zhì)勢產(chǎn)生吸力平均值，m；k為流量系數(shù)；x為流態(tài)指數(shù)。

經(jīng)計算作用在地下毛管上的土壤基質(zhì)勢產(chǎn)生的吸力均值如表 7所示。試驗中，基質(zhì)勢產(chǎn)生吸力能夠使滴頭出流量增加，基質(zhì)勢吸力均值在0.55～1.64 m之間，隨工作壓力降低而增大，基質(zhì)勢與毛管中工作壓力的比值在0.17～1.73之間。

表7 地下毛管土壤基質(zhì)勢Table 7 Soil matrix potential around subsurface lateral pipes

地下毛管與地表毛管流量相對趨勢的成因是：試驗初始土壤含水率較低，土壤基質(zhì)對水的吸持作用較強，在土壤吸力和毛管內(nèi)壓力共同作用下，地下毛管流量明顯高于相同支管入口壓力下的地表毛管；隨著滴頭累計出流量的增加，出水口周圍土壤含水率增大，土壤基質(zhì)勢增大，土壤吸力減小直到消失，地下毛管流量等于地表毛管流量；當?shù)晤^周圍土壤含水率繼續(xù)增大，滴頭處于淹沒出流，出水口周圍變?yōu)檎龎?，此時滴頭出流的驅(qū)動力是毛管內(nèi)工作壓力減去出水口處壓力，地下毛管流量小于地表毛管流量。

3.2 地下毛管與地表毛管平均工作壓力對比

當支管入口壓力相同時，相同位置地下毛管的工作壓力要比地表毛管低，因為水流經(jīng)過地下毛管要消耗更多的能量。灌溉時水泵工況、過濾器與施肥器水頭損失和滴頭出流狀態(tài)都是變化的，這些變化使毛管內(nèi)的工作壓力總是在一定的范圍內(nèi)波動，并非固定不變[28]。毛管埋深一定時，受到的外部土壤壓力一定，波動的內(nèi)壓在抵抗管壁四周土壤壓力時會使管壁發(fā)生位移做功而消耗能量。地下毛管受土壤擠壓后，與地表毛管相比，流線較曲折且斷面形狀變化增多，使局部水頭損失增大，導(dǎo)致地下毛管總水頭損失增加。地表毛管在空氣中不受土壤擠壓，不需要做功抵抗土壤壓力，與地下毛管相比流線更加平直且斷面形狀變化很小，局部水頭損失比地下毛管小。土壤擠壓使水流經(jīng)過地下毛管時消耗了更多的機械能，與地表毛管相比工作壓力有所降低。

3.3 考慮局部水頭損失的加大系數(shù)對比

支管入口壓力在1.4～6.55 m范圍內(nèi)，地表毛管的局部水頭損失所占沿程水頭損失的比值隨壓力降低而增大，這與文獻[29]中結(jié)論二者比值并非常數(shù)的結(jié)論一致，與目前規(guī)范建議值有較大偏差。原因主要有：1）規(guī)范建議值是在常規(guī)壓力下（10 m）地表滴灌設(shè)計中使用，低壓和地下滴灌條件下不適用；2）毛管局部水頭損失實質(zhì)是由滴頭接入處過流斷面的收縮引起的，主要與毛管長度、內(nèi)徑以及滴頭的類型、規(guī)格和間距有關(guān)，不同種類毛管的這些參數(shù)均有可能不同，所以局部水頭損失也會有差異[30]；3）毛管是沿程多口出流管道，沿程水頭損失計算是用有壓管道沿程摩阻損失乘以多口系數(shù)進行修正，應(yīng)用中已證實勃拉休斯公式計算沿程水頭損失具有足夠的精度，但孔口系數(shù)的推導(dǎo)前提是沿程流量逐漸減小至末端流量等于零，是指樹狀管網(wǎng)形式，對于末端有泄流的環(huán)狀管網(wǎng)形式是否適用還需證實。

由公式（7）可知，沿程水頭損失與流量的1.75次乘方成正比，當支管入口壓力在1.4～3.8 m時，土壤基質(zhì)勢對水的吸持作用使地下毛管流量大于地表毛管，流量增大使得計算的沿程水頭損失偏大，將沿程損失帶入公式（6）計算后，導(dǎo)致地下毛管考慮局部水頭損失的加大系數(shù)比地表毛管小，隨壓力降低，土壤基質(zhì)勢吸力產(chǎn)生流量比重增加，地下毛管與地表毛管的加大系數(shù)差別增大。

3.4 地下毛管與地表毛管均勻度對比

灌水均勻度是指灌水器出流量的差異，灌水器流量與工作壓力的變化、制造偏差、堵塞情況、出流狀況，水溫與微地形變化等因素有關(guān)[24]，本試驗中主要是工作壓力變化導(dǎo)致管網(wǎng)均勻度的變化。圖3中的K值減去1為局部水頭損失比例，如圖 3所示地表毛管加大系數(shù)曲線的斜率隨壓力降低而增大，即局部水頭損失比例是加速增加，導(dǎo)致壓力偏差率與流量偏差率加速增加，因此，地表管網(wǎng)均勻度隨工作壓力降低而降低。

灌水器流量與對工作水頭的敏感程度有關(guān)[1]，灌水器在不同工作壓力區(qū)間內(nèi)流態(tài)指數(shù)不同，即流量對壓力的敏感程度不同。對本試驗灌水器自由出流時，在試驗壓力區(qū)間和常規(guī)壓力區(qū)間內(nèi)分別進行壓力與流量關(guān)系分析，計算公式（1）中的流態(tài)指數(shù)x，壓力在7～12 m內(nèi)x=0.445 5＜0.5（R2=0.984 6），具有壓力補償功能，流量受壓力影響較弱；壓力在 1.3～7 m 內(nèi) x=0.842＞0.5（R2=0.918 7），不具有壓力補償功能，灌水器流量受壓力影響較大，導(dǎo)致管網(wǎng)均勻度下降。

低壓地下管網(wǎng)的均勻度除受以上2個因素的影響外，還受到灌水器出流狀態(tài)的影響，出流狀態(tài)是由出流能力與周圍土壤水分擴散能力之間的相對關(guān)系決定的[31]。本試驗中地下與地表毛管壓力偏差率相差較小，流量偏差率相差較大，主要是土壤基質(zhì)勢（吸力）作用隨毛管工作壓力降低而增大，降低了地下灌水器流量對毛管內(nèi)工作壓力的敏感程度，提高了地下滴灌管網(wǎng)的均勻性。灌水器發(fā)生淹沒出流時，對毛管水力性能及管網(wǎng)均勻性的影響還有待進一步研究。

4 結(jié) 論

在常規(guī)大田地下滴灌系統(tǒng)中，支管入口壓力在1.4～6.55 m范圍內(nèi)，對地下與地表毛管的水力性能與管網(wǎng)均勻度進行對比試驗，可以得出以下結(jié)論：

1）同一支管中，可以比較毛管間的工作壓力和實測流量相對理論流量的偏差情況來判斷毛管工作是否正常。地下毛管在破損時流量是理論流量的 2.4～6.2倍；過流不暢時流量是理論流量的 0.5～0.9倍。正常地表毛管的流量是理論流量的0.9～1.2倍。

2）相同工作壓力下，管內(nèi)工作壓力與土壤基質(zhì)勢共同驅(qū)動滴頭出流時，地下毛管流量大于地表毛管流量，流量變化系數(shù)在0.12～0.9之間并且隨壓力降低而增大。

3）相同支管入口壓力下，90%正常地下毛管的工作壓力要小于地表毛管，壓力變化系數(shù)在(-10%，0）的概率是 70%。工作壓力降低的原因是水流經(jīng)過地下毛管時抵抗土壤壓力做功以及局部水頭損失增加導(dǎo)致總機械能減少。

4）用總水頭損失、勃拉休斯公式及多口系數(shù)推求毛管考慮局部水頭損失的加大系數(shù)，地表毛管均值在1.32～5.94之間，地下毛管均值在 1.37～2.18之間，并隨壓力降低而增大，加大系數(shù)比現(xiàn)有資料建議值都大。土壤基質(zhì)勢作用使地下毛管流量增大，使得地下毛管的加大系數(shù)比地表毛管小。

5）試驗壓力范圍內(nèi)地表管網(wǎng)的灌水均勻度隨壓力降低而降低，并且不符合規(guī)范要求。土壤基質(zhì)勢的作用提高了地下管網(wǎng)的均勻度，壓力偏差率比地表管網(wǎng)低0.62%～3.44%，流量偏差率比地表管網(wǎng)低 8.15%～22.4%。支管入口壓力在1.7～6.55 m時，地下管網(wǎng)均勻度符合規(guī)范要求。

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