周 良，陶洪飛，李 巧，馬合木江·艾合買提，楊文新，姜有為，李 莎

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

滴灌是三大高效節(jié)水灌溉技術之一，在節(jié)水灌溉的發(fā)展過程中起到了重要作用[1]。而滴灌系統(tǒng)的灌水均勻度則是評價滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的一個重要指標，隨著滴灌技術的推廣與應用、精細作物對灌溉要求的提高，滴灌均勻度得到了越來越多的重視[2]。滴頭流量是滴灌均勻度的主要影響因素，滴頭的實時出流又受到水溫、工作壓力、灌水頻率、地形高差等多因素的共同影響[3]，前人對此進行了大量研究。朱德蘭等[4]在同時考慮地形偏差、水力偏差、制造偏差的條件下，通過計算機模擬，分析得出了可直接用于水力學計算的灌水均勻度公式。馬曉鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)低壓條件下當?shù)喂鄮У匿佋O坡度從-1%到1%變化時，灌水均勻度呈增加趨勢。席奇亮等[6]通過研究滴灌帶進水壓力和鋪設長度對灌水均勻度的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水均勻度較薄壁式滴灌帶表現(xiàn)更優(yōu)，且適宜長距離鋪設。

目前，各專家學者在進行灌水均勻度研究時，多采用全試驗設計，工作量較大，花費時間較多，且無法對設計后滴灌帶的灌水均勻度進行預測。本試驗在此基礎上采用均勻正交設計以節(jié)省工作量，以內(nèi)鑲貼片式滴灌帶為研究對象，通過對鋪設坡度、工作壓力、鋪設長度與內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌水均勻度之間的響應關系進行研究，以探討以上3因素對此滴灌帶灌水均勻度影響的主次順序，并通過數(shù)據(jù)的整理分析，建立一個Cu=f(I,P,S)的數(shù)學模型，以期為滴灌均勻度的預測提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

每組試驗使用大禹節(jié)水公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴灌帶參數(shù)見表1。試驗研究在新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)水實驗室的滴灌帶(管)抗堵塞性能測試平臺上進行，裝置示意圖如圖1所示。

表1 滴灌帶水力性能參數(shù)Tab.1 Hydraulic performance parameters of drip irrigation belt

1-主控柜；2-閘閥；3-水箱；4-計算機；5-壓力表；6-流量測試平臺；7-滴灌帶；8-供水管圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

此裝置包括計算機、主控柜、流量測試平臺、壓力表、水泵、水箱等，其中主控柜包括供水加壓系統(tǒng)、水壓力控制系統(tǒng)、壓力傳感器等部分。

本套設備在10～800 kPa范圍內(nèi)，可任意設定供水壓力，精確到2 kPa，壓力波動范圍±2 kPa，最大鋪設長度35 m。

1.2 試驗方案設計

滴灌帶的鋪設坡度、工作壓力、鋪設長度是滴灌工程設計需考慮的關鍵因素[2]，使用以上3因素作為參選因素(分別標記為A、B、C，D表示誤差)，每因素選取3個水平(表2)，選用均勻正交表UL9(34)[7](表3)進行試驗方案的設計。

表2 因素與水平Tab.2 Factors and levels

1.3 試驗方法與步驟

選擇相應長度的試驗用滴灌帶安裝在測試平臺上，調(diào)試鋪設坡度，在計算機終端設定測試壓力值、穩(wěn)壓時間、取樣時間。每次穩(wěn)壓時間為3 min，取樣時間為10 min，每根滴灌帶等間距選擇25個滴頭[8]，并在其下方放置集水桶(1 000 mL)收集水量，重復3次，取其均值，計算并記錄出水流量。

1.4 數(shù)據(jù)計算與處理

(1)流量均勻性計算。流量均勻性以平均流量相對于額定流量的偏差率C及滴頭流量的變異系數(shù)Cv來判定[9]。

(1)

(2)

(3)

(2)滴灌的均勻度通常以克里斯琴森均勻系數(shù)表示[2]。

(4)

(3)數(shù)據(jù)處理。所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013進行整理和計算，采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

受制造工藝、材料等因素影響，制造偏差無可避免[10]，為排除制造偏差對試驗結果的影響，試驗開始前，對滴灌帶的流量均勻性進行測試，具體步驟見規(guī)范[9]。由公式(1)～(3)可得，平均流量相對于額定流量的偏差率C為-0.51%<±7%，滴頭流量的變異系數(shù)Cv為2.54%<±7%[9]，因此判定此類滴灌帶為優(yōu)等品[11]，排除了制造偏差對試驗結果的影響。

每個處理完成后，計算并統(tǒng)計每個滴頭的流量，由式(4)計算出每個處理的灌水均勻度。試驗結果見表3，表中數(shù)據(jù)為3次取樣的平均。對表中數(shù)據(jù)進行直觀分析、方差分析、多重比較分析，以找出不同因素對內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌水均勻度影響的排序。

表3 UL9(34)均勻正交設計與試驗結果Tab.3 Uniform orthogonal design and experimental results of UL9(34)

2.1 直觀分析

直觀分析也叫作極差分析，可利用均勻正交試驗的極差分析方法得到試驗各因素水平對滴灌帶灌水均勻度的影響，從而分析各因素對灌水均勻度影響的敏感水平和因素的主次作用。

內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌水均勻度的直觀分析見表4。由表4可知，極差RB>RC>RA>RD，根據(jù)極差的大小順序列出影響滴灌帶灌水均勻度的因素主次順序為B>C>A，即壓力>長度>坡度。為直觀觀察灌水均勻度的變化趨勢，現(xiàn)繪制因素指標圖如圖2所示。

表4 直觀分析Tab.4 Intuitive analysis

圖2 灌水均勻度與特征參數(shù)的因素指標Fig.2 Factor index of irrigation uniformity coefficient and characteristic parameters

2.2 方差分析和多重比較分析

2.2.1 方差分析

使用SPSS進行方差分析，分析結果見表5。由表5可以看出，在95%的置信度條件下，由顯著性值可知：因素B對內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水均勻度影響最大，達到顯著水平，因素C的影響達到顯著水平，因素A的影響最小，未達到顯著水平，各因素的顯著性依次為：B，C，A。試驗分析結果認為坡度對灌水均勻度影響不顯著，與王建眾[12]的研究結論相符，且方差分析與直觀分析的結果一致。

表5 方差分析及多重比較Tab.5 Analysis of variance and multiple comparisons

2.2.2 主效應多重比較分析

使用SPSS分析了各因素不同水平之間的差異，因素A影響不顯著，故不做多重比較分析，主效應多重比較結果見表5。

由表5可以看出：在因素B中，B2的灌水均勻度顯著高于B1，B3的灌水均勻度顯著高于B1，其余水平間的灌水均勻度差異不顯著。在因素C中，C1的灌水均勻度顯著高于C3，C2顯著高于C3，其余水平間的灌水均勻度不顯著。由以上分析結合圖2可知，較高的工作壓力有助于提升滴灌帶灌水均勻度，但并不是壓力越高內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水均勻度越高，而是壓力適中條件下其灌水均勻度更高，這與前人的研究[6]相一致，出現(xiàn)這樣的結果可能是因為在壓力較高時滴灌帶內(nèi)的水流狀態(tài)發(fā)生了變化，從而引起了滴頭流量變化，進一步引起了灌水均勻度的變化[13]。隨著鋪設長度的增加，滴灌帶灌水均勻度呈下降趨勢，與王建眾[12]的結論一致，原因是隨著鋪設長度增加，滴頭的工作壓力沿程降低，導致滴頭出流量減少，最終影響滴灌帶的灌水均勻度。故在進行滴灌帶鋪設時，為保證其灌水均勻度，應盡量降低鋪設長度。

通過以上試驗結果可知，采用均勻正交設計可顯著減少試驗的次數(shù)，可使用常見的軟件進行數(shù)據(jù)分析，且分析方法簡單，是進行灌水均勻度研究的有效工具。

2.3 灌水均勻度與鋪設坡度、工作壓力及鋪設長度的回歸模型的建立

通過對數(shù)據(jù)的整理分析，初步建立一個Cu=f(I,P,S)的數(shù)學模型(其中，Cu為灌水均勻度，I為鋪設坡度，P為滴灌帶工作壓力，S為滴灌帶鋪設長度)。

2.3.1 關于灌水均勻度Cu線性回歸模型輸出結果與分析

采用多元線性回歸模型，具體模型如下：

Y=α+β1x1+β2x2+…+βixi

(5)

式中：Y為預測值；xi為關鍵參數(shù)；α為常數(shù)項，βi為線性回歸系數(shù)。

使用SPSS進行線性回歸分析，對各參數(shù)進行共線性診斷可知，其共線性指標在允許范圍內(nèi)。

由表6可知，回歸模型的顯著性值為0.133，決定系數(shù)R2=0.644，說明模型不顯著，且擬合精度較低，可能存在非線性關系。由表7可知，常量的顯著性值小于0.001，表明可能存在未考慮因子或非線性關系[14]，因此嘗試建立非線性模型。

表6 回歸方差分析表Tab.6 Regression analysis of variance

表7 回歸參數(shù)估計和檢驗Tab.7 Estimation and test of regression parameters

2.3.2 關于灌水均勻度Cu非線性回歸模型輸出結果與分析

根據(jù)以往經(jīng)驗及前人研究[14]，擬采用以下回歸模型進行擬合計算：

Y=Ksin(b1I+b2P+b3S)

(6)

式中：K、b1、b2、b3均為模型參數(shù)。

將數(shù)據(jù)導入SPSS進行擬合計算，由表8可知，模型決定系數(shù)R2=0.782，說明所選非線性模型具有較好的擬合精度。由表9可知，參數(shù)估計值的標準誤差很小，說明其置信度很高。

表8 回歸方差分析表Tab.8 Regression analysis of variance table

表9 回歸參數(shù)估計值和0.95近似置信區(qū)間Tab.9 Estimated values of regression parameters and approximate confidence interval of 0.95

參考Bannayan等[15]模型的評估標準為：nRMSE<10%，模型表現(xiàn)極好，10%30%模型表現(xiàn)很差。

(7)

(8)

式中：OBSi為觀測值，SMi為模型模擬值；n為樣本容量；nRMSE為標準化的均方根誤差。

由公式(7)、(8)計算可得，模型nRMSE=1.333%，說明其表現(xiàn)極好，由表9輸出非線性模型如下：

Cu=-0.981 sin(-0.004I+4.6P-3.138S)

(9)

3 結 論

(1)進行滴灌帶鋪設時，為保證其灌水均勻度，應盡量降低鋪設長度；壓力適中條件內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的灌水灌均勻度更高。

(2)內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的工作壓力、鋪設長度對其灌水均勻度影響顯著，鋪設坡度對其影響不顯著，三因素排序為：工作壓力>鋪設長度>鋪設坡度。且工作壓力、鋪設長度、鋪設坡度和灌水均勻度之間構成非線性關系。

(3)使用非線性回歸的方法構建的灌水均勻及其相關影響因素的數(shù)學模型為：Cu=-0.981 sin (-0.004I+4.6P-3.13S)。