王金振，馬偉榮，孫致遠(yuǎn)，李遠(yuǎn)航，李 茂，彭 磊，李 琦

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明650201；2.紅河哈尼族彝族自治州經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，云南紅河661199；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，昆明650201）

0 引言

我國水資源較為豐富，但分布不均，北方地區(qū)降水少，干旱缺水；南方地區(qū)降水多，但季節(jié)性干旱突出[1]，且人均占有量處于世界末位，目前已被聯(lián)合國列為13 個(gè)貧水國家之一[2]。農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)是指在一段時(shí)間內(nèi)灌溉且被作物吸收利用的水量與水源地總引水量的比值[3]，而我國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.559[4]。水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，有效利用系數(shù)與發(fā)達(dá)國家有較大差距[5]。節(jié)水灌溉項(xiàng)目是我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[6]，為了有效利用水資源，我國應(yīng)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，做好節(jié)水工作[7]。

在目前眾多灌溉方式下，其中根域灌溉小管出流的方式可以實(shí)現(xiàn)快速灌溉，沒有水沿土壤表面的流失和蒸發(fā)，也避免了無效灌溉層的水分損失[8,9]。

孫夢(mèng)瑩[10]等研究了2種管徑毛管的布設(shè)方式與進(jìn)口壓力對(duì)灌水均勻度的影響，得到布設(shè)方式、管徑及壓力對(duì)灌水均勻度影響均呈顯著水平；付旭輝[11]等針對(duì)滴管管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)包括管長(zhǎng)滴頭間距坡比等對(duì)出流均勻度的影響指出在一定的坡比管長(zhǎng)等邊界條件下適當(dāng)?shù)某跏妓^滴頭間距參數(shù)組合可滿足滴灌系統(tǒng)的出流均勻度要求；由于前人研究都是基于滴灌針對(duì)均勻度問題，本研究將基于根域灌溉研究灌水器參數(shù)對(duì)灌水均勻度的影響作用。

在灌溉中，影響灌水均勻度的因素有很多，例如灌水器的壓力變化、制造誤差、堵塞情況、地形坡度等都會(huì)影響灌溉系統(tǒng)的均勻性[12-18]。灌水器參數(shù)是多方面因素中最容易改變且影響最大的因素之一，它一旦影響了出水量，就會(huì)降低了滴灌均勻度，直接影響了灌溉系統(tǒng)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益[19]。本文研究灌水器參數(shù)對(duì)灌水均勻性的影響，涉及的參數(shù)主要為根灌管的鋪設(shè)長(zhǎng)度、出水孔間距、首端進(jìn)水壓力。本文采用模擬試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的方法，確定試驗(yàn)因素及水平，建立正交試驗(yàn)，找出最優(yōu)的試驗(yàn)因素組合。

作者研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了華寧縣新村柑桔有限責(zé)任公司柑桔園水肥一體化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，灌溉總面積20 hm2，其中：3 號(hào)地塊為根域灌溉區(qū)域，面積4 hm2，其余為地塊為微噴灌灌溉區(qū)域面積16 hm2，為解決3號(hào)地根域灌溉系統(tǒng)中出水毛管首端進(jìn)水壓力、管道鋪設(shè)長(zhǎng)度和出流孔間距對(duì)灌水均勻度的影響問題，在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)灌溉工程實(shí)驗(yàn)中心搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究灌水器參數(shù)對(duì)灌水均勻性的影響，為項(xiàng)目建設(shè)地水肥一體化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地基本概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)為云南農(nóng)業(yè)大學(xué)灌溉工程研究中心，地勢(shì)較平坦，坡度0°～3°與擬建設(shè)水肥一體化灌溉系統(tǒng)的華寧縣新村柑桔有限責(zé)任公司柑桔園3號(hào)地地勢(shì)情況相同。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為PE 材質(zhì)軟管，規(guī)格為外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm；試驗(yàn)用到的設(shè)備有量程為1 MPa，精度為0.3%的壓力表；試驗(yàn)稱重設(shè)備電子秤量程為30 kg，分度值為10 g；試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備還有量筒、秒表等。

1.3 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)方法

由于項(xiàng)目建設(shè)地為7年生柑桔樹，株距為2 m，灌溉所用管道為內(nèi)徑6 mm，壁厚1 mm 的PE 管，因此，搭建的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用相同材質(zhì)和規(guī)格的PE 管進(jìn)行管道鋪設(shè)，鋪設(shè)方式見圖1。模擬試驗(yàn)地柑桔滴水線和株距，將其繞成一個(gè)個(gè)直徑為79.6 cm 的環(huán)形狀圓圈，每個(gè)環(huán)形狀圓圈相隔2 m，管道末端封起。每個(gè)環(huán)形狀圓圈管道上使用專用鉆套精細(xì)打孔，小孔直徑為1 mm，保證孔徑誤差不小于0.1 mm。

試驗(yàn)開始先在入水口裝設(shè)誤差精度為0.3%的壓力表，然后通水疏通管道，打開溢流閥一分鐘穩(wěn)定并逐步調(diào)節(jié)水壓，將壓力表指數(shù)穩(wěn)固在定值。再用防水膠帶把容量瓶固定在每個(gè)出水孔下面，測(cè)定孔口流量。

測(cè)量時(shí)先用量筒測(cè)量容量瓶?jī)?nèi)水的體積，再用電子秤稱量每個(gè)環(huán)形管道下的所有容量瓶?jī)?nèi)水的重量。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

選取管道鋪設(shè)長(zhǎng)度（展開值）為A、開孔間距為B、首端進(jìn)水壓力為C 共3個(gè)影響因素，分別記作A、B、C，選取各因素不同水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察不同灌水器參數(shù)對(duì)灌水均勻度的影響。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素試驗(yàn)分為3 組，編號(hào)為試驗(yàn)1、2、3，分別以A、B、C 作為變量，其余兩個(gè)因素控制不變，進(jìn)行灌水試驗(yàn)。由于L1為進(jìn)水管道且裝有壓力表，L3為出水管道且末端封起，兩者都為定值，不屬于有效灌溉管道鋪設(shè)長(zhǎng)度，因此不計(jì)入因素A中。

式中：n為繞圈個(gè)數(shù)；2.5 為繞圈周長(zhǎng)，m；L2=2 （同株距），m。

試驗(yàn)1選取因素A為20.5、25.0、29.5、34.0、38.5、43.0、47.5 m，用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7 表示，分別可繞5、6、7、8、9、10、11 個(gè)圈，其中38.5 m 對(duì)應(yīng)的鋪設(shè)圖見圖1，因素B 為41.7 cm，C 為0.1 MPa。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，共進(jìn)行21次試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

圖1 管道鋪設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laying pipes

試驗(yàn)2選取因素A為47.5 m，B為62.5、50.0、41.7、35.7、31.3 cm（分別對(duì)應(yīng)每個(gè)環(huán)形圈4、5、6、7、8 個(gè)孔），用B1、B2、B3、B4、B5 表示，C 為0.1 MPa。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，共進(jìn)行15次試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental design

試驗(yàn)3 選取因素A 為47.5 m，B 為41.7 cm，C 為0.050、0.075、0.100、0.125、0.150 MPa，用C1、C2、C3、C4、C5表示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，共進(jìn)行15次試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Experimental design

1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)3 個(gè)影響因素A、B、C，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果各取3個(gè)水平，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出每組試驗(yàn)組合的均勻度。

設(shè)計(jì)本研究正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表見表4。

表4 因素水平表Tab.4 Factor level table

根據(jù)極差大小，判斷因素的主次影響順序。R越大，表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因素越重要。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)量每次試驗(yàn)繞成環(huán)形的管道各小孔出流量，測(cè)得的出流量之差小于2%，最后取平均值作為各小孔實(shí)際的出流量，計(jì)算各圈上小孔出流量總和。

均勻度計(jì)算以克里斯琴森均勻系數(shù)表示：

式中：Cu為灌水均勻系數(shù)；為各滴頭的平均流量，L/h;qi為各滴頭流量，L/h；N為測(cè)試的滴水孔數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

各因素對(duì)灌水均勻度的影響。由圖2可知，隨著管道鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，灌水均勻度呈減小趨勢(shì)，但全部處于80%以上，均勻度直觀差異并不明顯。由圖3可知，隨著出流孔間距的增加，灌水均勻度呈逐漸增加趨勢(shì)，但均勻度極差小于10%。由圖4可知，隨著首端進(jìn)水壓力的增加，灌水均勻度明顯逐漸增加，均勻度極差較大，達(dá)到30%以上。

圖2 管道鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)灌水均勻度的影響Fig.2 Influence of pipe laying length on irrigation uniformity

圖3 孔間距對(duì)灌水均勻度的影響Fig.3 Influence of hole spacing on irrigation uniformity

圖4 首端進(jìn)水壓力對(duì)灌水均勻度的影響Fig.4 Influence of inlet water pressure on irrigation uniformity

得出結(jié)論：?jiǎn)我蛩卦囼?yàn)中，鋪設(shè)長(zhǎng)度和出流孔間距對(duì)均勻度影響較小，首端進(jìn)水壓力對(duì)均勻度影響最大。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，影響灌水均勻度的因素主次順序是：首端進(jìn)水壓力>管道鋪設(shè)長(zhǎng)度>出流孔間距，即首端進(jìn)水壓力影響最大，管道鋪設(shè)長(zhǎng)度和出流孔間距其次。由正交試驗(yàn)得出小孔出流最優(yōu)組合是A1B3C3，即鋪設(shè)長(zhǎng)度為38.5 m，出流孔間距為62.5 cm，首端進(jìn)水壓力為0.15 MPa。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Orthogonal test results

2.3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過SPSS 軟件進(jìn)行方差分析，得到主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果見表6。該結(jié)果同單因素試驗(yàn)結(jié)果相似，根據(jù)軟件計(jì)算出的方差分析表，分析A、B、C 因素的顯著性水平，因素主次順序C-A-B?？芍蛩谻(首端進(jìn)水壓力)顯著性水平小于0.05，影響最顯著，因素B(孔間距)和因素A（鋪設(shè)長(zhǎng)度）的顯著性水平的大于0.05，影響不顯著。

表6 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)Tab.6 Inter-subject effect test

表7 和表8 分別為因素A（鋪設(shè)長(zhǎng)度）作均值比較，從均值報(bào)告來看，均勻度隨著鋪設(shè)長(zhǎng)度增加而減小，從組間方差顯著性來看鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)均勻度的影響為不顯著，即sig=0.630>0.05，表示各組間不存在明顯差異，即不同鋪設(shè)長(zhǎng)度下的灌水均勻度不存在明顯差異。

表7 鋪設(shè)長(zhǎng)度均值報(bào)告Tab.7 Average laying length report

表8 鋪設(shè)長(zhǎng)度ANOVA表Tab.8 Laying length ANOVA table

表9和表10分別為因素B（出流孔間距）作均值比較，從均值報(bào)告來看，均勻度隨著出流孔間距增加而增大，從組間方差顯著性來看出流孔間距對(duì)均勻度的影響不顯著，sig=0.969>0.05，而且大于因素A的0.630，表示各組間不存在明顯差異，比因素A 差異性更大，即不同出流孔間距下的灌水均勻度不存在明顯差異。

表9 出流孔間距均值報(bào)告Tab.9 Average outlet hole spacing report

表10 出流孔間距ANOVA表Tab.10 Distance between outlet holes ANOVA table

表11和表12分別為因素C（首端進(jìn)水壓力）作均值比較，從均值報(bào)告來看，均勻度隨著首端進(jìn)水壓力增加而增大，從組間方差顯著性來看首端進(jìn)水壓力對(duì)均勻度影響為顯著，sig=0.005<0.05，表示各組間存在明顯差異，即不同首端進(jìn)水壓力下的灌水均勻度存在明顯差異。

表11 首端進(jìn)水壓力均值報(bào)告Tab.11 Average inlet water pressure at the front end

表12 首端進(jìn)水壓力ANOVA表Tab.12 Inlet water pressure at the front end ANOVA table

3 討論與結(jié)論

采用小孔出流試驗(yàn)的方法，與張慧等[20]研究的灌水器參數(shù)對(duì)均勻度的影響大致相同，都是進(jìn)水壓力大于鋪設(shè)長(zhǎng)度。徐茹等[21]研究則發(fā)現(xiàn)為保證較好的灌溉均勻度,一定作用壓力條件下微噴帶存在極限鋪設(shè)長(zhǎng)度;在實(shí)際使用中,應(yīng)根據(jù)微噴帶的具體結(jié)構(gòu)形式設(shè)定鋪設(shè)長(zhǎng)度與首部工作壓力。本試驗(yàn)對(duì)影響小孔出流的均勻度的主要因素進(jìn)行分析，以管道鋪設(shè)長(zhǎng)度、出流孔間距和首端進(jìn)水壓力為影響因素，以出水均勻度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)，得出小孔出流均勻性最優(yōu)的組合是首端進(jìn)水壓力為0.15 MPa，出流孔間距為62.5 cm，鋪設(shè)長(zhǎng)度為38.5 m 的組合，影響灌水均勻度的主要因素為首端進(jìn)水壓力，而鋪設(shè)長(zhǎng)度和出流孔間距并無顯著性影響作用。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地支持了項(xiàng)目建設(shè)地-華寧縣新村柑桔有限責(zé)任公司柑桔園3號(hào)地塊的水肥一體化根域灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，2021年3月1日，項(xiàng)目建設(shè)地的水肥一體化根域灌溉系統(tǒng)完成安裝調(diào)試工作，經(jīng)過灌水均勻性檢測(cè)，3號(hào)地塊的水肥一體化根域灌溉系統(tǒng)灌水均勻度到達(dá)92%，一次通過驗(yàn)收。