地下滴灌毛管水頭偏差率特性及與土壤水分均勻度的關系

劉 楊，黃修橋※，馮俊杰，翟國亮，于紅斌，孫秀路

（1. 中國農業科學院農田灌溉研究所/河南省節水農業重點實驗室，新鄉 453002；2. 河南師范大學計算機與信息技術學院，新鄉 453007）

地下滴灌毛管水頭偏差率特性及與土壤水分均勻度的關系

劉 楊1，黃修橋1※，馮俊杰1，翟國亮1，于紅斌2，孫秀路1

（1. 中國農業科學院農田灌溉研究所/河南省節水農業重點實驗室，新鄉 453002；2. 河南師范大學計算機與信息技術學院，新鄉 453007）

毛管水頭偏差率是確定毛管長度的主要技術指標。以正在運行的新疆棉田地下滴灌系統為試驗對象，選取代表性毛管，實測正常灌溉過程中毛管首尾壓力、流量和沿程土壤水分，研究地下滴灌毛管水頭偏差率特性及其與土壤水分均勻度的關系。結果表明：在毛管設計工作水頭為10 m條件下，測試毛管水頭偏差率在0.58%～12.80%之間。同一管網中，不同毛管的水頭偏差率各不相同且具有波動性，但同一支管位置處樹狀毛管與環狀毛管之間的相對趨勢穩定；在毛管設計工作水頭為10 m條件下，支管入口壓力對毛管水頭偏差率的影響不顯著（P＞0.05）；毛管水頭偏差率和毛管埋深層土壤水分均勻系數之間有強的負相關關系（P＜0.001），建立了水頭偏差率和土壤水分均勻度之間的數學模型，經驗證，85%毛管的絕對誤差小于5%。研究可以為地下滴灌毛管長度設計與毛管工作狀況評價提供參考。

土壤水分；均勻度；模型；地下滴灌；毛管；水頭偏差

0 引 言

地下滴灌比地表滴灌更加節水，其使用周期長，是極具潛力的一種節水灌溉技術[1-2]。該技術在中國新疆生產建設兵團的棉花生產中有較大規模的應用[3-4]。目前地下滴灌系統的設計和性能評測主要是參考地表滴灌系統[5-8]，未能充分考慮地下滴灌技術的優勢。由于毛管被埋在地下后，灌水器容易發生堵塞[9]和淹沒出流，經機械碾壓毛管容易發生滲漏和過流不暢[10]等現象。這些現象會使毛管水頭偏差率偏離設計工況，對灌水均勻度產生影響。水頭偏差是灌水器出流量差異的主要原因，是確定毛管長度的主要指標[11]。對于已建成投入運行的地下滴灌系統，可通過監測毛管水頭偏差率來評估毛管流量均勻性和系統運行情況。因此，研究地下滴灌系統毛管水頭偏差率的變化特征，對于科學設計和監測評估地下滴灌系統的運行具有重要意義。

目前對地下滴灌的研究主要集中在灌水器的水力性能[12-13]與堵塞問題[14-15]、水分運動與溶質運移規律[16-19]、管網計算與優化[20]、水肥均勻度評價[21-22]以及針對具體作物的應用效果，針對大田中地下毛管水頭偏差率的試驗資料較少。Hills等[23-24]通過試驗，模擬土壤壓實使毛管截面從圓形變形為橢圓形后毛管流量減少，水頭損失增加，建議宜縮短毛管長度適應毛管管徑的變形程度；叢佩娟等[25]建議適當延長灌水時間；仵鋒等[26]通過田間定位觀測發現，大田中地下滴灌毛管因處在支管的不同位置和使用年限的不同而流量會出現不同程度的減少；白丹等[27]研究了地下滴灌毛管流量和壓力的變化規律。這些研究從不同角度揭示了地下滴灌管網均勻度的變化規律，但針對毛管水頭偏差率這一直接指標的研究較少，使得對管網的設計效果和運行狀況的評判缺少直接依據。因此，有必要對已建成管網中毛管水頭偏差率的變化規律與影響因素進行研究。

本文以生產中棉田地下滴灌管網為研究對象，通過田間試驗和數理統計方法，對已建成管網在運行時毛管水頭偏差率的變化規律、影響因素及與土壤水分均勻度的關系等展開研究，以期為毛管水頭偏差率指標的設計、毛管工況的評測提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗數據是2006年在新疆博樂農五師九十團九連測得的（82°60′ E，44°82′ N），該地區年平均氣溫 5.8 ℃，平均降水量187.4 mm，平均蒸發量1 558.5 mm，積溫3116 ℃，無霜期170 d，全年日照時數2 515.8 h，平均風速1.9 m/s，風向多為西北風，旱少雨，屬于典型的干旱荒漠氣候，屬純灌溉農業區，抽取地下水灌溉。在距地表50 cm深度以內為砂壤土，50 cm以下為砂土。試驗地種植棉花已有5 a，1膜6行，膜寬220 cm，株數2.28×105株/hm2。

滴灌帶（毛管）是由大馬力拖拉機牽引鋪管機埋入地下，埋深控制在28～33 cm之間，長度100 m，2002年（A5）鋪設的間距是0.9 m，2003（B4）年和2006（B1）年鋪設的間距是1 m。支管為外徑110 mm的PVC管，長200 m，控制范圍200 m×200 m，毛管沿支管對稱鋪設。有2種管網形式，毛管末端接入排沙管的構成環狀管網，排沙管為外徑75 mm的PVC管，毛管末端直接封堵的構成樹狀管網。試驗地中有2種型號毛管，分別記作A和B，3個使用年限的管網，分別是第1年、第4年和第5年，毛管水力性能參數見表1。

表1 試驗地管網參數Table 1 Parameters of pipe network in experimental field

1.2 試驗設計

在3處管網中各選1條支管作為觀測區域（200 m ×200 m），為能夠同時對2種管網形式進行觀測，要求所選觀測支管的一側為環狀管網，另一側為樹狀管網。沿支管水流方向，分別在支管的首部、中部和尾部等間距、左右對稱選取毛管進行觀測。在管網B1和B4的首、中和尾部各選1對，共測試6條毛管；管網A5的首、尾各1對，中部2對，共觀測8條毛管。奇數編號毛管為環狀管網形式，偶數編號毛管為樹狀管網形式，觀測區管網形式、毛管編號及儀器布置情況見圖1。在觀測毛管的首端串聯安裝水表、精密壓力表（壓力表在水表下游），尾端安裝壓力表。儀表位置固定后，對觀測段毛管的長度、坡度以及與支管進口的距離進行測量，毛管長度和坡度詳情見表2。

系統中毛管的設計工作壓力水頭為10 m，在正常灌水時，待系統工作壓力穩定后，測量毛管首端和尾端的壓力、毛管入口流量以及灌水2 d后沿毛管方向的土壤含水率。每個觀測區設3次重復即測量3次灌水，每次觀測時壓力值取 3次讀數的平均值，用秒表記錄水表通過2 L水所用的時間[26]，計算流量。本試驗中用支管首部毛管的最大入口壓力值近似代替支管入口壓力值。

考慮作物根系吸水區域主要在毛管埋設層，灌水量變化對該層土壤水分影響顯著[21]。因此，選取毛管埋設層土壤水分為研究對象。為了不破壞毛管，取樣點深30 cm，與毛管的垂直距離為5～7 cm，每條毛管等距選取10個點取樣點，間距約10 m。

3處觀測區域的管網形式和埋深均相同，土壤結構、棉花品種、種植密度和管理方法也基本相同。不同的是：各毛管的觀測段長度不同，管網A5的毛管間距是0.9 m，B1和B4的間距是1 m。試驗設備是在用滴灌系統灌溉第一水前安裝好，試驗數據是在棉花開花期前測得。

圖1 試驗管網布置示意圖Fig.1 Sketch map of pipe network layout in experiment

表2 試驗區毛管長度和坡度Table 2 Length and slope of laterals pipes in study area

1.3 試驗儀器、設備

壓力表采用上海自動化儀表廠生產的 0.4級精密壓力表，量程0～16 m，最小刻度0.1 m。水表為外徑16 mm的自來水表，最小刻度 0.1 L。土壤水分含量采用 TSC-Ⅰ土壤水分快速測定儀測量。

2 數據分析方法

2.1 毛管水頭偏差率和流量偏差率

選用參考文獻[6]中公式，用實測的毛管最大、最小壓力計算水頭偏差率Hv：

式中hmax為實測毛管的最大工作水頭，m；hmin為實測毛管的最小工作水頭，m；ha為毛管的平均工作水頭，m。

計算灌水器對應壓力下的流量，公式為

式中q為灌水器的流量，L/h；h為工作水頭，m；k為流量系數；x′為流態指數。

灌水器流量偏差率qv的計算，公式為：

式中qmax為相應于hmax時的灌水器的流量，L/h；qmin為相應于hmin時的灌水器的流量，L/h；qa為灌水器的平均流量，L/h。

2.2 均勻度分析

土壤水分均勻度采用克里斯琴森均勻系數Cu：

式中Cu為均勻系數，%；為平均土壤含水率，%；Δθ為每個取樣點的實際土壤含水率與平均值之差的絕對值的平均值，即平均差，%；θi為每個取樣點的實際土壤含水率，%；N為取樣點個數。

3 結果與分析

3.1 毛管水頭偏差率的變化規律

經式（1）計算，發現實測毛管水頭偏差率Hv的變化特點是整體上有穩定趨勢具體數值有波動性，具體如圖2所示。穩定趨勢表現在：A5管網中沿支管方向同種布置形式毛管的Hv有減小趨勢，相同支管位置處，環狀形式毛管的Hv比樹狀形式毛管的Hv要大；B4和B1中同側毛管的Hv變化趨勢不明顯，但相同支管位置處環狀形式毛管的Hv比樹狀形式毛管的Hv要小，這與A5管網正相反。波動性表現在：同一毛管在支管入口壓力接近時Hv值并不接近，如B4中1、2、4、5號毛管的Hv在支管入口壓力水頭8.27 m和8.22 m的2次測量中并不接近；當同一毛管測得的Hv值接近時，支管入口壓力并不接近，如A5中2、6號在入口壓力水頭9.65 m和8.67 m的2次測量時Hv值較接近。這種變化特點的原因是地下滴灌毛管的水頭偏差率是由多種因素共同作用的結果。

正常工作狀態下，影響地下滴灌毛管水頭偏差率的主要因素有毛管的管徑、長度、鋪設坡度和管網形式及周邊土壤的緊實度，滴頭的形狀、大小、流量、間距、堵塞狀況和出流狀態[28-29]。對于已建成的地下滴灌系統，除滴頭的堵塞狀況、出流狀態和毛管周邊土壤的緊實度具有隨機性外，其余影響因素具有確定性。確定的影響因素是不變的，使毛管產生的水頭偏差率趨于固定值；隨機影響因素使毛管的水頭偏差率產生偏離具有波動性。當滴頭的流道堵塞或處于淹沒出流時，滴頭的出流量會偏離正常的壓力流量關系，這種偏離使滴頭流速水頭與壓力水頭的轉換發生變化，結果影響毛管的水頭偏差率；毛管周邊土壤緊實度的變化會使毛管過水斷面發生改變[23-24]，進而影響毛管水頭偏差率的變化。隨機因素對毛管水頭偏差率的影響機理和變化范圍還需要深入研究。

圖2 不同管網水頭偏差率Fig.2 Head deviation ratio of laterals for different pipe networks

對試驗中水頭偏差率明顯異常的毛管進行分析，如管網B4中的6號毛管，在支管入口壓力為7.32 m時的測量值明顯大于其他毛管的測量值，分析原因可能是該毛管為樹狀形式，毛管漏水使得尾端壓力較低，經檢查找到毛管破損處，修復后水頭偏差率值和同側編號毛管接近。管網B1中的3號、5號毛管水頭偏差率始終較小，分析數據發現，兩毛管的尾端壓力與同側毛管接近，首部壓力明顯低于同側毛管，經實地觀察，排除了毛管漏水和堵塞兩因素，在與管理人員交流后認為是B1管網為薄壁滴灌帶，毛管入口和首端測壓點間的毛管在受到較大土塊的擠壓后過流面積變小，過水不暢，正常供水時也無法恢復，導致毛管首端壓力較低，現場將該段毛管上部的土壤挖去后，兩毛管首部壓力與同側毛管接近。管網B1中的3號、5毛管為環狀管網形式，當毛管首部供水受影響時，尾部能夠起到良好的補償效應。

用式（2）和（3）計算毛管的流量偏差率，A5的范圍是 1.29%～7.15%，B4的范圍是 2.49%～11.47%，B1的范圍是0.58%～12.80%，三試驗管網在設計工況下都滿足目前《微灌工程技術規范》[5]（GB/T50485-2009）規定，即灌水單元內灌水器設計允許流量偏差率應小于或等于20%的要求。

3.2 支管入口壓力對毛管水頭偏差率的影響

測量時發現，即使系統處于穩定工作狀態下，支管入口、毛管首端和尾端的工作壓力，總是在一定的范圍內波動，并非固定不變。經分析產生波動的原因主要是水泵工況、過濾器與施肥器水頭損失和滴頭出流狀態在工作時都是變化的，這些變化隨機組合的結果導致很難在相同的支管入口壓力下測量毛管的水頭偏差率，只能是在同一時刻測得各節點的壓力值。用Excel2010對支管入口壓力和毛管水頭偏差率進行方差分析（單向分類），結果見表3。結果顯示：在本文試驗條件下，即毛管的設計工作壓力水頭10 m，實測支管入口壓力水頭變化范圍在7.32～11.75 m之間時，三管網中支管入口壓力對毛管水頭偏差率的影響沒有顯著效應（P＞0.05）。

表3 支管入口壓力對毛管偏差率影響的方差分析Table 3 Variance analysis on effect of entrance pressure from branch pipe on head deviation ratio in lateral pipe

3.3 毛管水頭偏差率的統計參數

本試驗條件下，經方差分析可知，支管入口壓力水頭在7.32～11.75 m之間變化時，支管入口壓力對毛管水頭偏差率沒有顯著影響，所以可將不同支管入口壓力下的毛管水頭偏差率共同分析。對非壓力補償灌水器來說，在不考慮灌水器制造偏差和堵塞影響時，影響均勻度的根本原因就是水頭偏差的存在而導致出水量的不同。研究表明，當毛管進口壓力水頭為 10 m時，鋪設坡度在-5‰～5‰范圍內，毛管鋪設坡度對灌水均勻度的影響不顯著[30]。本試驗毛管入口壓力水頭10 m，同時地形較平整，所以可以忽略毛管坡度的影響，主要考慮毛管鋪設長度的影響。將實測毛管水頭偏差率進行統計，并將水頭偏差率的平均數按百分比關系換算成100 m長的平均數，結果見表4。從表4可知，管網中毛管水頭偏差率的標準差值A5＜B1＜B4，變異系數是A5﹦B4＜B1，100 m長毛管的水頭偏差率值A5＜B1＜B4，說明A比B毛管的Hv變化范圍要小且比較集中。原因是土壤壓力變化使毛管的過水斷面變小（毛管被壓扁），毛管的水頭損失、水頭偏差率均變大，厚壁毛管抵抗和恢復土壤壓力的能力比薄壁毛管要強，所以A毛管相對于B毛管的水頭變化范圍更小且比較集中。B1管網中毛管的標準差、100 m毛管的水頭偏差率值都要小于B4管網中的，說明使用年限會導致毛管水頭偏差率變大。原因可能是B1管網為新建管網，在農事管理過程中，機械碾壓相對較少，土壤壓力對毛管過水斷面的影響較小。以上分析表明，在地下滴灌應用中，厚壁毛管比薄壁毛管的水力性能要穩定，更有利于提高沿毛管方向土壤水分的均勻度。

表4 毛管水頭偏差率統計Table 4 Statistics of head deviation ratio in laterals pipes

3.4 水頭偏差率與埋設層土壤水分均勻度的關系

3.4.1 埋深層土壤水分均勻系數統計參數

用式（4）、（5）計算 30 cm深土層含水率的克里斯琴森均勻系數Cu，分析Cu的統計參數及Cu和Hv的相關系數，相關系數用Excel2010中的CORREL函數，結果見表5。可以看出A5管網中毛管埋深層土層含水率的均勻度要高于B4和B1，同時Hv與Cu具有極強的負相關關系(P＜0.001)，可以對Hv和Cu的關系進行建模。

表5 土壤水分均勻系數統計及與水頭偏差率的相關系數Table 5 Statistics of soil moisture uniformity coefficient and its correlation coefficient with head deviation ratio

3.4.2 機理分析和模型假設

試驗中 2種型號毛管的滴頭都是非壓力補償式灌水器，水頭偏差導致滴頭流量不等，使滴頭周邊土壤水分的分布產生差異，最終影響埋設層土壤水分均勻度的變化。同理，滴頭流量對壓力的敏感程度決定了埋設層土壤水分均勻度的高低。因此，可以建立起水頭偏差率、灌水器流量對壓力的敏感程度與沿毛管方向埋設層土壤水分均勻度的關系。

假設試驗地中的砂壤土在毛管埋設層上無空間變異性，不考慮作物吸水的影響，灌水2 d后濕潤鋒充分搭接，埋設層土壤水分運動處于相對穩定狀態，在同一條毛管上水頭偏差率和灌水器流量對壓力的敏感程度是影響滴頭流量差異的主要因素。

3.4.3 模型建立

1）模型形式建立

用實測的Hv當自變量，灌水2 d后毛管埋設層土壤含水率的Cu當因變量，灌水器的k和x′為參數建立Cu=f（Hv）的數學模型。

在假設條件下，Cu=f（Hv）是Hv的減函數，Hv≥0。變化趨勢是：當Hv→0時，f（Hv）→1；當Hv→+∞時，f（Hv）→C，C為常數接近初始土壤水分均勻度。x′反映灌水器的流量對壓力的敏感程度，k則反映流道水頭損失對流量變化的敏感程度，在相同的壓力變化區間，x′和k均和灌水器流量變化值成正比[6]，與再分布后土壤水分均勻度成反比。當毛管型號確定時，x′、k為已知參數。經推斷，符合模型變化趨勢的模型結構有2種形式：

式中Cu為灌水2 d后沿毛管方向埋設層土壤含水率的克里斯琴森均勻系數，%；Hv為穩定工作狀態下毛管水頭偏差率，%；k為毛管灌水器流量系數，k＞0；x′為毛管灌水器流態指數，0≤x≤1。k、x′值由毛管型號確定。2）模型選擇

將管網中各毛管的k、x′值和實測Hv值代入式（6）和式（7）得Cu估算值，分別與基于土壤含水率（式（4））的計算值（簡稱實測值）進行對比，結果表明：式（7）計算值絕對誤差為-9.7%～3.7%，65%毛管（13條）絕對誤差在[-5%,+5%]內；式（6）計算值與實測值絕對誤差（表6）在-6%～5.3%之間，除B1管網的1、2、3號共3支毛管外，其他毛管的絕對誤差均在[-5%, +5%]內，占測試毛管總數的85%。可見，式（6）優于式（7）。進一步地，基于式（6）得到沿毛管方向30 cm深土壤水分均勻度的模型計算值，如圖3所示。圖3表明，基于式（6）的Cu模型計算值和實測值變化趨勢一致：在本試驗條件下，Hv在1.23%～36.77%之間變化時，沿毛管方向埋設層土壤水分均勻度Cu隨著Hv的增大而逐漸減小。模型的決定系數R2=0.64（P＜0.01）。這表明，在本試驗條件下，可用式（6）基于實測Hv值預測Cu，為試驗區域內地下滴灌毛管工作狀況的評價提供參考依據。然而，由于模型精度R2只有0.64，仍有很大的提升空間，有待于進一步研究。

圖3 計算及實測的土壤水分均勻系數隨水頭偏差率的變化Fig.3 Change in calculated and measured soil water uniformity coefficient with head deviation ratio

表6 土壤水分均勻系數誤差分析Table 6 Absolute error (AE) analysis of soil water uniformity Coefficient %

4 結論與討論

本文以新疆棉田地下滴灌系統為研究對象，在系統正常供水時，通過對支管首部、中部和尾部毛管的田間實測，研究毛管水頭偏差率的變化規律與影響因素，得出以下結論：

1）在本試驗中，毛管的設計工作壓力為10 m，正常灌水時，各毛管的水頭偏差率并非是一個預先設計好的定值，而是在一定范圍內變動（0.58%～12.80%）。同一管網中毛管水頭偏差率的變化特點是：整體上有穩定趨勢，具體數值有波動性。穩定趨勢是由影響水頭偏差率的確定因素所決定的，具體數值的波動性是隨機因素作用的結果。確定因素的影響在設計時是可控的，隨機因素（堵塞狀況、出流狀態和毛管周邊土壤擠壓）的作用機理、影響程度以及交互作用還不明確，有待于進一步研究。水頭偏差率能反映出毛管工作的工作狀況，同一管網中，當某一毛管的水頭偏差率明顯偏離其附近毛管的水頭偏差率時，應當及時對其進行檢修。

2）對水頭偏差率明顯異常毛管分析發現，地下滴灌中，厚壁毛管比薄壁毛管的水力性能要穩定，更有利于提高系統的均勻性。管壁厚度還決定著地下管網的建設成本，有必要研究毛管壁厚與埋深、擠壓程度對毛管過流能力的影響，這樣既可控制成本又能保證管網的均勻性。

3）在本試驗條件下，支管入口壓力水頭在 7.32～11.75 m之間時，支管入口壓力對毛管水頭偏差率沒有顯著影響（P＞0.05），毛管水頭偏差率與沿毛管方向埋設層的土壤水分均勻度有極強的負相關關系（P＜0.001），可以用毛管水頭偏差率、灌水器的流量系數和流態指數為參數，通過模型預測沿毛管方向埋設層的土壤水分均勻度。該文建立的模型，預測精度為0.64，85%毛管的絕對誤差小于5%，可為試驗區毛管工作狀況的評價提供參考。

系統處于穩定工作狀態下，地下管網各節點的壓力總是在一定的范圍內波動，主要是水泵工況、過濾器和施肥器的水頭損失在工作中都是處于波動狀態，因此在設計和管理系統時應明確這些設備在正常工況下水力性能的變化范圍，防止最不利組合狀態下毛管的工作壓力較設計壓力發生較大偏離。

[1] 黃興法，李光永. 地下滴灌技術的研究現狀與發展[J]. 農業工程學報，2002，18(2)：176－181.Huang Xingfa, Li Guangyong. Present situation and development of subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2002, 18(2): 176－181. (in Chinese with English abstract)

[2] 李光永. 世界微灌發展態勢：第六次國際微灌大會綜述與體會[J]. 節水灌溉，2001(2)：24－27.

[3] 寧松瑞，左強，石建初，等. 新疆典型膜下滴灌棉花種植模式的用水效率與效益[J]. 農業工程學報，2013，29(22)：90－99.Ning Songrui, Zuo Qiang, Shi Jianchu, et al. Water use efficiency and benefit for typical planting modes of drip-irrigated cotton under film in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 90－99. (in Chinese with English abstract)

[4] 徐飛鵬，李云開，任樹梅. 新疆棉花膜下滴灌技術的應用與發展的思考[J]. 農業工程學報，2003，19(1)：25－27.Xu Feipeng, Li Yunkai, Ren Shumei. Investigation and discussion of drip irrigation under mulch in Xinjiang Uygur Autonomous Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2003, 19(1): 25－27. (in Chinese with English abstract)

[5] 微灌工程技術規范：GB/T 50485-2009[S].

[6] 傅琳，董文楚，鄭耀泉，等. 微灌工程技術指南[M]. 北京：水利電力出版社，1988：149－152.

[7] 張國祥. 考慮三偏差因素的滴灌系統流量總偏差率[J]. 農業工程學報，2006，22(11)：27－29.Zhang Guoxiang. Calculating the total flow deviation rate of drip-irrigation system based on three deviation rates[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(11): 27－29. (in Chinese with English abstract)

[8] 朱德蘭，吳普特，張青峰，等. 微地形影響下滴灌均勻度設計指標研究[J]. 排灌機械，2006，24(1)：22－26.Zhu Delan, Wu Pute, Zhang Qingfeng, et al. Study on the emission uniformity for the emitter under the condition of farmland micro－terrain action[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering. 2006, 24(1): 22－26. (in Chinese with English abstract)

[9] Camp C R, Bauer P J, Hunt P G. subsurface dripirrigation lateral spacing and management for cottonin the southeastern Coastal Plain[J]. Trans of the ASAE, 1997, 40(4): 993－999.[10] Chase R G. Phosphorus application through a subsurface trickle system[C]//Proc 3rd Int Drip Trickle Irrigation Congress. 1985: 393－400.

[11] 張林，吳普特，牛文全，等. 均勻坡度下滴灌系統流量偏差率的計算方法[J]. 農業工程學報, 2007，23(8)：40－44.Zhang Lin, Wu Pute, Niu Wenquan, et al. Method for calculating flow deviation in drip irrigation system under uniform slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007,23(8): 40－44. (in Chinese with English abstract)

[12] 白丹，宋立勛，王曉愚，等. 地下滴灌灌水器流量和壓力關系的試驗[J]. 農業機械學報，2008，39(8)：189－191.

[13] 仵峰，李王成，李金山，等. 地下滴灌灌水器水力性能試驗研究[J]. 農業工程學報，2003，19(2)：85－88.Wu Feng, Li Wangcheng, Li Jinshan, et al. Hydraulic characteristics of emitter in soil of subsurface drip irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003,19(2): 85－88. (in Chinese with English abstract)

[14] 宋鵬，李云開，李久生，等. 加氯及毛管沖洗控制再生水滴灌系統灌水器堵塞[J]. 農業工程學報，2017，33(2)：80－86.Song Peng, Li Yunkai, Li Jiusheng, et al. Chlorination with lateral flushing controlling drip irrigation emitter clogging using reclaimed water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2017, 33(2): 80－86. (in Chinese with English abstract)

[15] 劉璐，牛文全，Bob Zhou. 細小泥沙粒徑對迷宮流道灌水器堵塞的影響[J]. 農業工程學報，2012，28(1)：87－93.Liu Lu, Niu Wenquan, Bob Zhou. Influence of sediment particle size on clogging performance of labyrinth path emitters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012,28(1): 87－93. (in Chinese with English abstract)

[16] 許迪，程先軍. 地下滴灌土壤水運動和溶質運移數學模型的應用[J]. 農業工程學報，2002，18(1)：27－30.Xu Di, Cheng Xianjun. Model application of water flow and solute transport during non-steady diffusion from subsurface emitter source[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002,18(1): 27－30. (in Chinese with English abstract)

[17] 李剛，王曉愚，白丹. 地下滴灌中毛管水力計算的數學模型與試驗[J]. 排灌機械工程學報，2011，29(1)：87－92.Li Gang, Wang Xiaoyu, Bai Dan. Experiment and mathematical model on hydraulic calculation of laterals in subsurface drip irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2011, 29(1): 87－92. (in Chinese with English abstract)

[18] 呂謀超，仵峰，彭貴芳，等. 地下和地表滴灌土壤水分運動的室內試驗研究[J]. 灌溉排水，1996，15(1)：42－44．

[19] 李明思，康紹忠，孫海燕. 點源滴灌滴頭流量與濕潤體關系研究[J]. 農業工程學報，2006，22(4)：32－35.Li Mingsi, Kang Shaozhong, Sun Haiyan. Relationships between dripper discharge and soil wetting pattern for drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006,22(4): 32－35. (in Chinese with English abstract)

[20] 皮麗輝. 地下滴灌管網水力計算及優化設計研究[D]. 石河子：石河子大學，2008.Pi Lihui. Hydraulic Calculation and Optimal Design for Subsurface Drip Irrigation Network[D]. Shihezi: Shiheizi University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[21] 宰松梅，仵峰，溫季，等. 大田地下滴灌土壤水分分布均勻度評價方法[J]. 農業工程學報，2009，25(12)：51－57.Zai Songmei, Wu Feng, Wen Ji, et al. Evaluation method of soil water distribution uniformity under conditions of field subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(12): 51－57. (in Chinese with English abstract)

[22] 李久生，杜珍華，栗巖峰. 地下滴灌系統施肥灌溉均勻性的田間試驗評估[J]. 農業工程學報，2008，24(4)：83－87.Li Jiusheng, Du Zhenhua, Li Yanfeng. Field evaluation of fertigation uniformity for subsurface drip irrigation systems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008,24(4): 83－87.（in Chinese with English abstract）

[23] Hills D J, Nawar F M, Waller P M. Effects of chemical clogging on drip-tape uniformity[J]. Trans of the ASAE,1989, 32(4): 1202－1206.

[24] Steele D D, Greenland R G, Gregor B L. Subsurface drip irrigation systems for specialty crop production in North Dakota[J]. Applied Engineering in Agriculture, 1996, 12(6):671－679．

[25] 叢佩娟. 地下滴灌管網水力特性研究[D]. 北京：中國農業科學院，2004.Cong Peijuan. Study on the Hydraulic of Pipe Networks in Subsurface Drip Irrigation[D]. Beijing: Chinese Academic of Agriculture and Sciences, 2004. (in Chinese with English abstract)

[26] 仵峰，吳普特，宰松梅，等. 基于田間定位觀測的地下滴灌毛管性能評價[J]. 水利學報，2009，40(5)：556－563.Wu Feng, Wu Pute, Zai Songmei, et al. Modification of wetted perimeter method for determining the ecological flow requirement[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009,40(5): 556－563. (in Chinese with English abstract)

[27] 白丹，王曉愚，宋立勛，等. 地下滴灌毛管水力要素試驗[J]. 農業工程學報，2009，25(11)：19－22.Bai Dan, Wang Xiaoyu, Song Lixun, et al. Hydraulic factors of laterals in subsurface drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(11): 19－22. (in Chinese with English abstract)

[28] Thompson E J, Merkley G P, Keller A A, et al. Experimental determination of the hydraulic properties of low-pressure,lay-flat drip irrigation systems[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2011, 137(1): 37－48.

[29] Provenzano G, Pumo D, Pietro D D, Simplified procedure to evaluate head losses in drip irrigation laterals[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2005, 131(6): 525－532.

[30] 張林，吳普特，范興科，等. 低壓滴灌灌水均勻度試驗研究[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版)，2009，37(12)：207－212.Zhang Lin, Wu Pute, Fan Xingke, et al. Experimental research on drip irrigation uniformity at low-pressure[J].Journal of Northwest A&F University: Nat Sci Ed, 2009,37(12): 207－212. (in Chinese with English abstract)

Head deviation property and its relationship with soil moisture uniformity of subsurface drip irrigation laterals

Liu Yang1, Huang Xiuqiao1※, Feng Junjie1, Zhai Guoliang1, Yu Hongbin2, Sun Xiulu1
(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water-saving Agriculture of Henan Province, Xinxiang453002,China; 2.College of Computer and Information Engineering,
Henan Normal University,Xinxiang453007,China)

Head deviation ratio is a key technical indicator for length optimization in drip irrigation laterals. The deviation ratio in sub-surface drip irrigation is different from that in surface drip irrigation because the laterals are embedded and compressed in soil, and influenced by the submerged discharging. This study aimed to investigate head deviation property of subsurface drip irrigation laterals and its relationship with soil moisture uniformity. This experiment including 3 large pipe networks of subsurface drip irrigation in cotton field was carried out in Xinjiang. The drip irrigation pipe was buried in 28-33 cm below the soil surface. The length was 100 m. The spacing of pipes was 0.5 m in 2002, and 1 m after tye year of 2004. A total of 3 pairs of laterals were chosen out of upstream, medium-stream and downstream of the branch pipe. For each pipe network, more than 6 laterals were selected for the experiment. Among the laterals, some were ring network and some were tree network. The precision pressure gauge was used to measure the water pressure in the head and tail of laterals, and water meter to measure water volume at the beginning of laterals. During the experiment, the designed working pressure was 10 m. The soil moisture at depths of 30 cm along the laterals was determined by a soil moisture measuring instrument. The head deviation ratio and soil moisture uniformity was calculated based on soil moisture. The relationship between the laterals’ head deviation ratio and soil moisture uniformity coefficient in 30 cm depths along the laterals was analyzed. The results showed that the head deviation ratio of the laterals were from 0.58% to 12.80%, meeting the requirement of Chinese microirrigation standard (smaller than or equal to 20%). Overall, the head deviation ratio in each lateral were different in a same pipe network with the value fluctuated in a certain range, whereas the changing trend was stable between tree-like laterals and ring-like laterals in a same branch pipe.The analysis on outliers of measured head deviation ratio showed that the deviation ratio may be affected by thickness of lateral wall. The lateral with thick wall had more stable hydraulic performance than that of the thin wall. During the entrance pressure of 7.32-11.75 m, the entrance pressure had no significant influence on head deviation ratio (P＞0.05). The head deviation ratio was extremely negatively correlated with soil moisture uniformity coefficient (P＜0.001). According to theoretical analysis, a model was established with soil moisture uniformity coefficient as response variable and head deviation ratio as independent variable. By comparing the calculated values and model-established values of soil moisture uniformity coefficient, we found the model was reliable in predicting oil moisture uniformity coefficient with the absolute error from-6.0% to 5.3% and 85% of laterals had the absolute error smaller than 5%. This study can provide valuable information for the length optimization of laterals, evaluation of working conditions, and management of operation in subsurface drip irrigation system.

soil moisture; uniformity; models; subsurface drip irrigation; laterals; head deviation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015

S275.4

A

1002-6819(2017)-14-0108-07

劉 楊，黃修橋，馮俊杰，翟國亮，于紅斌，孫秀路. 地下滴灌毛管水頭偏差率特性及與土壤水分均勻度的關系[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：108－114.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015 http://www.tcsae.org

Liu Yang, Huang Xiuqiao, Feng Junjie, Zhai Guoliang, Yu Hongbin, Sun Xiulu. Head deviation property and its relationship with soil moisture uniformity of subsurface drip irrigation laterals[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 108－114. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.015 http://www.tcsae.org

2017-01-03

2017-06-10

“十三五”國家重點研發計劃（2016YFC0400202）；河南省高等學校重點科研項目(14A520005)。

劉 楊，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士生，助理研究員，主要從事節水灌溉理論與技術研究。新鄉 中國農業科學院農田灌溉研究所，453002。Email：ngsliuyang@163.com

※通信作者：黃修橋，男，湖北漢川人，博士，研究員，博士生導師，主要從事節水灌溉理論與技術研究。新鄉 中國農業科學院農田灌溉研究所，453002。Email：huangxq626@126.com