滴灌帶在低壓模式下水力性能變異特征研究

趙青青，馮俊杰，黃修橋，韓啟彪，鄧 忠

(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，河南 新鄉 453002；2.中國農業科學院研究生院，北京100081)

滴灌灌水器如同滴灌系統的“心臟”，也是灌溉系統中用量最多、投資稍大的組成部分，其額定工作壓力、滴頭流量和出流偏差率等性能指標直接影響著整個滴灌系統的灌水均勻性、灌溉質量、運行成本和單位投資等技術應用水平和用戶的實際接受能力。滴頭設計水頭采用習慣取值，常使滴灌系統對地形的適應能力過高，造成投資和運行費用的浪費[1,2]。目前，可適當降低滴灌系統運行壓力來減少滴灌系統中能源的浪費以及設備的閑置問題，同時又能夠滿足灌溉要求[3]。

不少學者對低壓模式下滴頭水力性能進行了相關研究。顧濤等[4]提出了低壓(4～8 m)、小流量的滴灌灌水技術，具有工作壓力小、運行能耗低、工程投資少、灌溉均勻度好的特點。仵峰等[5]對內鑲式、微管和補償式在低壓條件(<10 m)下自由出流的試驗結果表明，內鑲式滴頭在運行中實際流量與計算值偏差較小、流量與壓力呈正相關關系；較低的工作壓力時，升、降壓過程對內鑲式滴頭的流量影響較大，升壓過程的流量大于對應的降壓過程。梁華鋒等[6]研究表明，低壓條件下需考慮流量偏差對滴頭流量的影響。馬曉鵬[7]等對國產常見的常壓滴灌系統內鑲片式滴灌帶進行了研究，結果表明，低壓條件下滴灌帶鋪設長度較短時，制造偏差Cv是影響滴灌帶均勻系數的主要原因，而隨著滴灌帶長度的增大，流量則成為主要影響均勻度的因素；在低壓條件下滴灌帶鋪設長度較長時，滴灌帶的Cv對灌水均勻系數存在顯著影響。李云開[8]等對迷宮式流道滴頭水力性能的研究表明，制造偏差屬于滴頭本身的特性，不隨進口壓力的變化而改變，采用該系數完全可以反映滴頭特性。杜少卿[9]等研究表明，迷宮式灌水器低壓條件下運行對其流量系數和流態指數均具有一定影響。席奇亮[10]等研究表明，內鑲式滴灌帶的灌水均勻度優于薄壁式滴灌帶，且適合較長距離鋪設使用，鋪設長度為60～110 m時，進水壓力為90～200 kPa時，內鑲式滴灌帶均勻度達到95%以上。李嵐斌[11]等對不同滴灌帶類型的滴頭水力性能指標的研究表明，內鑲式滴灌帶在整個壓力區間流態指數穩定，流量偏差系數較小，均勻度較高。Ozekici[12]等研究表明，內鑲式滴灌帶滴頭由于其制造工藝簡單，制造偏差系數較壓力補償式滴頭小，流量穩定。

隨著我國節能社會的建設，滴灌技術也逐步朝著投資少、運行成本低和管理方便、性能可靠等新型節能式滴灌技術的方向發展，研究低壓模式下滴灌系統中滴頭的出流特性及水力特性將有利于進一步降低滴灌系統的運行能耗并提高灌水質量。為此，本研究以常規內鑲貼片式滴灌帶為研究對象，分別對不同供水壓力模式下灌水器的流量偏差系數Cv、流態指數x等水力性能指標進行研究，對比分析其壓力～流量關系的差異特征，為尋找低壓模式的滴頭最優水力性能、進一步降低滴灌系統能耗、提高灌水質量和普及滴灌技術應用水平等提供技術參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

試驗于2017年9-11月在中國農業科學院農田灌溉研究所節水灌溉技術中心進行。選取國內不同生產廠家的4種內鑲貼片式滴灌帶產品進行試驗，內鑲貼片式滴灌帶相關技術參數見表1。

表1 滴灌帶規格

滴頭流量與壓力的水力性能測試試驗裝置按照農業灌溉設備滴頭和滴灌管技術規范和試驗方法(GB/T17187-2009)進行[13]。試驗相關測量儀器還包括250 mL量筒、精密壓力表和秒表。水源為自來水，水溫20 ℃，水箱內置水泵和過濾器等。試驗時進水口壓力由調節精密壓力表來控制。4種滴灌帶鋪設長度一致，鋪設坡度為0°。試驗示意圖如圖1所示。

1-試驗臺；2-水箱；3-水泵；4-網狀過濾器；5-閥門；6-水表；7-控制閥；8-壓力表；9-集水容器；10-測試滴頭；11-滴灌帶；12-堵頭圖1 水力性能試驗裝置示意圖

1.2 試驗設計

每種滴灌帶分別測試低壓模式(10～60 kPa)和常壓模式(100～160 kPa)的流量，共計13個壓力點。自滴灌帶首端開始每隔0.6 m設固定灌水器樣品流量收集點，測試時間為5 min，在測試時間完成后用量筒測水量并記錄，每組試驗重復3次，取平均值計算流量。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 滴灌帶灌水器流量偏差系數Cv

由于制造工藝和材料收縮變形等因素的影響，滴灌帶不可避免會產生制造偏差。流量均勻性采用滴灌灌水器均勻系數(流量偏差系數)Cv來衡量，采用以下公式計算：

(1)

(2)

(3)

1.3.2 灌水器壓力與流量關系

在一定壓力范圍內，灌水器壓力與流量關系可用下式進行描述：

q=kHx

(4)

式中：q為灌水器流量，L/h；H為工作壓力，m；k為灌水器流量系數；x為灌水器流態指數。

流態指數x反映了灌水器的流量對壓力變化的敏感程度，當滴頭內水流為全層流時，流態指數x=1，即流量與工作水頭成正比；當滴頭內水流為全紊流時，流態指數x=0.5；全壓力補償器的流態指數x=0時，即出水流量不受壓力變化的影響。其他各種形式的灌水器的流態指數在0～1.0之間變化。

2 結果與分析

2.1 不同類型滴灌帶平均流量與壓力的關系

根據農業灌溉設備滴頭和滴灌管技術規范和試驗方法(GB/T17187-2009)[13]，分別在壓力10～60 kPa(低壓)和100～160 kPa(常壓)范圍內對上述4種規格內鑲貼片式滴灌帶進行了壓力～流量關系擬合，得到各滴灌帶的平均流量與壓力的對應關系，如表2所示。

表2 4種滴灌帶在不同壓力范圍流量與壓力擬合關系式表

由表2可知，對4種規格滴灌帶的平均流量和壓力在低壓(10～60 kPa)和常壓(100～160 kPa)范圍內分別采用冪函數進行擬合，擬合曲線與試驗數據具有良好的相關性，相關系數達0.99以上。由表2還可知，低壓模式的流態指數較常壓模式有增大的趨勢，在低壓(10～60 kPa)條件下，A、C的流態指數隨壓力變化明顯，與常壓(100～160 kPa)下的流態指數相比，分別增大9.03%、17.70%，說明滴灌帶A、C型在低壓模式下的流量對壓力的變化較敏感，滴頭流量不穩定；對比B發現：其低壓下的流態指數較常壓僅增大了0.41%，說明B在低壓和常壓模式下運行時，滴頭流量比較穩定，具有一定的補償功能，而D的流態指數與常壓下相比反而減小了13.48%，說明在低壓模式下該滴灌帶的流量對壓力的變化較不敏感，滴頭流量穩定。

表3為4種規格滴灌帶在低壓(10～60 kPa)與常壓(100～160 kPa)下的壓力與流量擬合關系式，由表3可知，A～D滴灌帶在低壓區間(10～60 kPa)較常壓區間(100～160 kPa)，其流量差值百分比平均分別為0.04%、3.48%、11.37%、-7.80%。而C、D滴灌帶在低壓2和4 m壓力點處，計算出的流量差值均比較大，分別為17.53%和13.73%、-15.79%和-10.62%，其中C滴灌帶在工作壓力為1 m時，兩關系式計算出的流量結果差值百分比達17.53%，說明，常規滴灌帶在常壓條件下的壓力與流量關系式應用于低壓條件時，會產生一定的誤差，因此，常規滴灌帶在低壓條件下工作時，采用本研究中的壓力流量關系擬合曲線更為合理。

2.2 不同類型滴灌帶流量偏差系數與壓力的關系

制造偏差是評價滴頭制造精度的一項重要指標，滴頭流道尺寸的微小差異將會引起流量的較大偏差，通常把滴頭在相同工作壓力下測定滴頭的流量偏差系數作為其制造偏差系數，我國也是采用流量偏差系數作為制造偏差衡量滴頭的制造精度[14]。圖2為4種規格滴灌帶在低壓(10～60 kPa)與常壓(100～160 kPa)下的壓力與流量偏差系數關系圖，由圖2可知，4種滴灌帶的Cv均小于0.05，參照ASAE標準，A、B、C、D型滴灌帶的質量為優等。Cv隨壓力的變化而變化，A、B、C、D型4種規格滴灌帶Cv分別介于0.02～0.04、0.03～0.05、0.02～0.04、0.01～0.02之間，D型滴灌帶的流量偏差系數略小于A、B、C型，說明D型滴灌帶的制造工藝較好于A、B、C型滴灌帶。低壓范圍內，隨滴灌帶工作壓力的逐漸增大，Cv呈波浪式逐漸減??；常壓范圍內，Cv隨滴灌帶工作壓力的變化不大。低壓(10～60 kPa)條件下Cv明顯高于常壓(100～160 kPa)條件下Cv。說明，低壓模式下滴灌帶的流量均勻性明顯低于常壓模式下滴灌帶的流量均勻性，可能在工作壓力較低時灌水器制造工藝和材料配方等引起的制造偏差對流量的影響較為明顯。常規滴灌帶在低壓模式下運行時，應充分考慮Cv對滴頭流量的影響。

表3 滴灌帶在不同壓力下擬合關系式的計算流量比較表

2.3 低壓模式滴頭的壓力與流量函數模型

上述分析可以看出，低壓模式下滴頭流量受工作壓力和制造偏差的影響，隨著工作壓力的改變而改變。而常壓模式下的壓力與流量關系式應用于低壓條件時，會產生一定的誤差，因此需要建立適合低壓模式運行的壓力～流量關系式。在這里用了兩種方法進行模擬。

圖2 4種滴灌帶(A～D型)壓力與流量偏差系數的關系

(1)直接法：對4種規格滴灌帶在低壓模式(10～60 kPa)下的壓力流量數據分析，擬合出常規滴灌帶在低壓模式下的壓力～流量關系式，其中k為1.038、x為0.475、R2為0.917 1，擬合效果較好。因此，低壓模式下滴頭的壓力與流量關系式可表示為：

q=1.038H0.475

(5)

(2)間接法：在已知滴灌帶常壓模式的流量系數、流態指數基礎前提條件時，計算指定低壓模式時的流量計算關系。對4種規格滴灌帶在低壓(10～60 kPa)和常壓(100～160 kPa)下的壓力流量關系式分析，可以建立低壓條件下流量系數kl、流態指數xl與常壓條件下流量系數k、流態指數x之間的kl=f(k)、xl=f(x)函數模型，利用1stOpt公式自動搜索匹配發現Z=P1cos (P2k+P3)+P4有較好的擬合效果，進而使用 spss 的非線性回歸分析進行計算，計算結果見表4。

表4 低壓模式流量系數和流態指數數學回歸模型參數

從表 4可以看出，低壓條件下流量系數kl、流態指數xl與常壓條件下流量系數k、流態指數x擬合函數模型的相關系數分別為0.996和0.997，說明函數模型的擬合效果較好。因此，低壓模式滴頭流量與壓力的關系式可表示為：

q=klHxl

(6)

kl=0.64 cos (-2.22k+2.43)+0.33

(7)

xl=17.23 cos (-4.98x+2.32)-16.61

(8)

3 結 語

本研究對低壓模式下滴灌帶流量與壓力的關系式進行了探討，分析出4種規格的內鑲式滴灌帶在不同壓力模式下的水力性能均存在一定差別。

(1)壓力降低對不同灌水器的流態均有較大影響，不同壓力條件下對滴灌帶滴頭的流態指數變化不確定。在本研究中，4種不同類型的滴灌帶其流態指數低壓較常壓模式下呈現A、C、B增大和D減小的趨勢，這與徐明金等[15]、Chao Zhang等[16]、Li等[17]的研究結果相似，說明常規滴灌帶在低壓模式下運行時，滴頭流量對壓力的變化比較敏感。

(2)對4種不同規格的內鑲式滴灌帶的Cv在低壓模式下研究表明，Cv隨著工作壓力降低而增大，滴灌帶的流量不均勻，這與梁華鋒等[5]、白雨薇等[18]研究結論相似。在試驗過程中發現，在低壓模式升壓的過程中，滴頭有氣體排出，可能導致壓力不穩定，滴灌帶的流量均勻性受到影響，在常壓模式下，沒有這種現象，建議在低壓模式下運行性時，首部安裝穩壓設備或者低壓模式的工作壓力即不應低于1 m。

(3)運用直接和間接兩種方法模擬了常規內鑲貼片式滴灌帶在低壓模式下的壓力～流量關系式，R2均大于0.9，擬合效果較好。為滴灌帶在低壓模式下水力性能研究提供一定的理論技術參考。