不同管徑孔口式低壓滴灌系統的水力學性能

王 超， 王 宏

(1.寧夏建設職業技術學院， 寧夏 銀川750000； 2.榆林市節約用水辦公室， 陜西 榆林719000)

低壓滴灌是將具有一定壓力的水，經過濾后通過滴灌系統，均勻而緩慢地浸潤植物根部周圍土壤的局部灌溉技術[1]。同傳統灌水方式相比，滴灌具有省水省肥、灌水均勻度高、節能、增產等優點，目前滴灌在我國運用廣泛[2]。灌水均勻度是滴灌系統評價的重要指標，滴灌孔口出流的水力學性能對灌水均勻度有很大影響，因此有必要對灌水器的水力學特性進行研究[3]。孔口式低壓滴灌是在PE管上打孔并對開口做簡便處理而形成的一種滴灌方法，該方法造價低、易于被農民接受和推廣，是目前經濟不發達地區農村廣泛利用的有效節水技術措施[4-5]。為此，筆者對孔口式低壓滴灌系統的水力學性能進行研究，以期為滴灌裝置設計及應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 滴灌裝置

試驗滴灌裝置主要由溢流水箱、篩網過濾器、調壓閥、閥門、測壓管和滴灌管組成。滴灌管規格為Φ12、Φ16管徑的PE管，并使用臺鉆按不同間距打孔。滴灌管的孔口處理如圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗設置因素：壓力水頭(h)選取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m；孔徑(d)選取0.6 mm、1.2 mm；孔距(s)選取33 cm、50 cm、100 cm。

高位溢流水箱距地面高5 m，試驗開始時先調節溢流水箱水位至試驗要求，待水位穩定后，再打開滴灌管主閥門，每次試驗開始均調節閥門并觀察測壓管直至水頭穩定，用集水桶分別集取測試滴灌管孔口的出流量，集水時間2 min；各壓力水頭設置3次重復試驗，取平均值作為最后結果。

1.3 統計分析

1.3.1 滴頭流量與孔徑、孔距的關系 相同灌水條件下滴頭流量隨著滴頭孔徑增大而增大，這是因為孔徑越大出流受到的阻力越小，出水越順暢；同樣滴頭流量也會隨著孔距的增大而增大，這是因為孔距增大意味著相同長度管道出水孔數量減少，沿程水頭損失減小，故造成滴頭流量增大。

1.3.2 灌水器流量與壓力關系 灌水器流量與壓力存在以下關系。

q=khx

式中，q為灌水器流量(L/h)；k為流量系數，其與孔口尺寸和粗糙程度有關；h為壓力水頭(m)；x為流態指數(值在0～1)，反映滴灌管道內水流是層流還是紊流，還可以表征滴頭流量對壓力的敏感性，x等于1時說明流量和壓力水頭成正比，滴灌管內水流為層流，x不等于1時說明滴灌管內水流為紊流。

1.3.3 灌水均勻度 其是評價滴灌系統灌水質量的有效指標，為了節水灌溉、保證灌水質量，根據滴灌設計要求，滴灌灌水均勻度需達到一定的數值。生產實踐中常用克里斯琴森均勻系數表示[4-5]。

2 結果與分析

2.1 滴頭流量與孔徑、孔距的關系

從滴頭流量與孔距的關系(圖2)看出，滴頭流量均隨壓力水頭的增高而增大，呈較好的線性關系；孔徑1.2 mm的流量比0.6 mm的大4倍以上，孔徑增大滴頭流量增大明顯；Φ12相同孔徑和壓力水頭下，孔距100 cm的滴頭流量最大，33 cm的次之，50 cm的最小。Φ16、孔徑0.6 mm、相同壓力水頭下，孔距100 cm的流量最大，50 cm的次之，33 cm的最小。原因可能是在0.6 mm孔徑下，打孔所形成的毛刺阻礙了出流，孔口的處理工藝會影響孔口出流。Φ16滴灌管在孔距100 cm、50 cm下滴頭流量大，而打孔過密會影響沿程水頭壓力，造成滴頭流量減小。

2.2 流量系數及流態系數

從表1看出，滴灌管流態指數除2個小于0.5外，其余在0.507 6～0.773 3，故孔口出流均為紊流出流[3]。同一管徑、相同孔距條件下，滴灌管的流態系數隨孔徑有所差異，Φ12在孔距50 cm、100 cm時流態系數隨孔徑增大而減少；孔距33 cm時流態系數隨孔徑增大而增大，其中，孔徑1.2 mm的滴灌管流量對壓力水頭的變化最敏感。Φ16在孔距33 cm、50 cm時流態系數隨孔徑增大而增大，但其變化幅度較小；孔距100 cm時隨孔徑增大而減小，且孔徑0.6 mm時滴頭流量對壓力水頭的變化最敏感。

表1 Φ12和Φ16滴灌管流量公式

2.3 灌水均勻度

從圖3可知，在孔徑0.6 mm下，Φ16、孔距50 cm滴灌管在1.5 m水頭下均勻度可達到最大值0.838，隨水頭增大均勻度略有降低，但均在0.8以上；Φ12滴灌管在孔距33 cm、50 cm下，灌水均勻度均較差，僅0.5～0.6，孔距增至100 cm時均勻度明顯提高，達0.8左右。在孔徑1.2 mm下灌水均勻度隨壓力水頭增加有較小幅度降低，Φ12和Φ16滴灌管在0.5～1.5 m水頭下，灌水均勻度較好，能保證在0.85～0.95；當水頭超過1.5 m后，灌水均勻度明顯下降。

3 結論

研究結果表明，孔口式低壓滴灌管滴頭流量均隨壓力水頭的增大而增大，管徑相同時孔徑1.2 mm的流量比孔徑0.6 mm的大4倍以上，相對于1.2 mm孔徑，0.6 mm孔徑的出流量變化更加均勻，且幅度較小；所有孔徑、孔距下的滴灌管內部流態均為紊流；Φ16孔距50 cm、孔徑1.2 mm滴灌管在低壓滴灌中具有較好的灌水均勻度，推薦在實際灌溉中使用。