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：“實行最嚴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”。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[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。如何進行管線布置及安排毛管順逆坡長度成為生產(chǎn)實踐中存在的問題。文獻[5-7]分析了單向有坡情形下，較小坡度(小于1%)范圍內(nèi)坡度變化對滴灌均勻度的影響。在坡地滴灌的實際應(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 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)水科學(xué)與水應(yīng)用實驗大廳進行。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行坡度調(diào)節(jié)。試驗時在PE管出口與毛管帶進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)閥獲得試驗所需的工作壓力，同時在滴灌帶末端連接壓力表，讀取末端壓力。試驗所用儀器包括：精密壓力表(0.25級)、米尺、量筒(100 mL)、秒表等。

圖1 試驗裝置圖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行預(yù)試驗，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)達到85%，本實驗中，毛管長為75m時灌水均勻度約為85%，為便于比較，確定本實驗順坡段毛管長度75m。根據(jù)黑龍江省丘陵漫崗地帶耕地的實際坡度情況，選擇1%、2%、3%三個坡度狀態(tài)開展滴灌出水量測定試驗。針對每個坡度水平，分別設(shè)置逆坡段毛管長度為0～70 m，以10 m為級差共計7個水平，共計21個試驗組合。

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點分別向順坡及逆坡方向，每10 m取一個測點(當毛管長度小于10 m時，每5 m取一個測點，增加測點數(shù)量)編號如圖3所示。試驗實施過程中，打開水泵并調(diào)節(jié)壓力至0.1 MPa，待出流量穩(wěn)定后，同時測取各測點流量。為消除隨機誤差，每種組合測3次，取其平均值作為最終結(jié)果。

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

1.2 灌水均勻度計算公式

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 試驗結(jié)果分析

上述試驗獲得的管道出流數(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3個坡度狀態(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，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，峰值點對應(yīng)的逆坡毛管長度數(shù)值變小?？梢缘贸鼋Y(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?shù)孛孢_到特定坡度(本試驗證實，該坡度大于3%)時，取逆坡管長度為0 m可獲得最佳灌水均勻度，此時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

就本試驗而言，當順坡毛管為75 m時，坡度1%、2%、3%分別采用對應(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)在機理。以入水口處為0點，繪制1%坡度順坡段及逆坡段各測點流量變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，逆坡毛管長度為0 m時(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端逐漸減小，由于毛管高度降低，管中水壓增大補償了末端水頭損失，使得毛管末端滴頭出水量趨于穩(wěn)定。文獻[10]指出當坡度較大時，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，毛管高度降低未能完全補償水頭損失，具體見后文分析。逆坡毛管長度為20 m時，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，順坡遠端出水量下降較少。逆坡毛管長度為40 m時，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，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)象可用能量方程進行分析：

水頭損失計算公式：

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增加其水壓力，可對水頭損失進行補償。在坡度較小的情況下，這種補償作用小于水頭損失值，此時毛管遠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端遞減變化。當?shù)孛嫫露容^大時，該補償作用將大于水頭損失值，這就會使得毛管遠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。由于高程降低的補償作用與坡度密切相關(guān)，恒定坡度下，補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。高程降低形成的補償作用，會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。在本試驗中，坡度為1%時，最優(yōu)逆坡毛管長度為50 m；坡度為2%時，最優(yōu)逆坡毛管長度為40 m；坡度為3%時，最優(yōu)逆坡毛管長度為20 m。

(2)順坡段毛管高程下降補償了管道內(nèi)水流的水頭損失，在一定的坡度下，會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位置。坡度越大，該位置越靠近毛管入水口。

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