低壓對不同滴頭水力技術指標的影響

鄭國玉，馬軍勇，何 帥，周建偉，李 彥，劉湘巖

（1.新疆農墾科學院農業農村部作物高效用水石河子科學觀測實驗站，新疆石河子832000；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052；3.新疆惠利灌溉科技股份有限公司，新疆石河子832011）

0 引言

滴灌技術是高效的管道加壓節水灌溉技術，一般的大田滴灌系統滴頭的工作壓力按照0.1 MPa 設計，到滴灌首部工作壓力達0.25 MPa 以上，因此滴灌系統正常工作需要的能耗較高。隨著滴灌技術的大面積應用，滴灌系統能耗高的問題得到了國內學者的關注，低能耗、高效成為滴灌技術發展的趨勢。本研究成果將為低壓滴灌系統設計及應用提供科學依據。王偉[1]提出了一種低壓滴灌系統，牛文全[2]提出低壓滴灌為工作水頭低于5 m，系統成本及運行費用較傳統滴灌降低25%。工作壓力的降低會影響滴頭性能指標及灌水均勻度的變化，國外學者針對低壓滴灌系統[3-5]、水力性能[6-10]、灌水均勻度[11-14]等開展了相關研究，并對低壓灌水器結構及配套設備[15-18]進行了研發，這些研究結果豐富了低壓滴灌技術體系的內容，但是針對不同管徑的滴頭進行低壓水力性能及應用條件相關研究較少。本試驗選擇2 種管徑8 種滴灌管線的滴頭進行研究，研究分析低壓對不同管徑不同滴頭類型的制造偏差、流態指數、流量偏差的影響。解決目前低壓滴灌系統中應用現有滴灌灌水器灌溉時技術參數不明確，造成灌溉均勻度低、灌水質量不高、水分利用率低的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

滴灌管線選擇8 種滴灌管線，其中A1～A4 為管徑為16 mm 的滴灌管線，B1～B4 為管徑為12 mm 的滴灌管線，其中A2、A4、B1、B4 為側翼迷宮式滴頭，A1、A3、B3 為內鑲貼片滴頭、B2為內鑲柱狀滴頭，基本參數見表1。

表1 滴灌管技術參數Tab.1 Dripper-line technical parameter

1.2 試驗方法

測定方法參照GB/T17187-2009 農業灌溉設備滴頭和滴灌管技術規范和試驗方法，采用自制恒壓滴頭測試平臺測定，測試平臺包括水源、水泵、恒壓罐、壓力表、試驗臺等組成，試驗每次測3條滴灌管，共30個滴頭，分別測試10、20、30、40、60、80、100、120、140 kPa 工作壓力下的滴頭流量，測定時間6 min，采用精度為2.5級的壓力表測定壓力，滴頭流量采用稱重法測定，試驗重復3次，取平均值計算流量。

1.3 滴頭變異系數計算公式

式中：Cv為滴頭的變異系數，%；Sq為試樣流量標準偏差，L/h；為試樣流量平均值，L/h。

1.4 流量偏差計算公式

式中：qv為滴頭的偏差率，%；qmax為最大滴頭流量，L/h；qmin為最小滴頭流量，L/h；qd為設計滴頭流量，L/h。

2 結果與分析

2.1 不同壓力對滴頭變異系數的影響

滴頭變異系數是衡量滴頭性能的重要參數之一，相同工作壓力下滴頭變異系數越小，說明滴頭流量的離散程度越小，滴頭性能越好。根據測定10～140 kPa 壓力下的滴頭流量，利用公式（1）計算不同壓力下的各試樣的滴頭變異系數，結果見圖1。由圖1可知，在額定工作壓力（100 kPa）下僅試樣B4的變異系數Cv大于5%。在低壓（10～60 kPa）情況下試樣A2、A4、B1、B4 滴頭的變異系數隨著工作壓力的降低而增大，當工作壓力小于40 kPa 后變異系數Cv大于5%，而試樣A1、A3、B2、B3滴頭的變異系數變化趨勢不明顯，且Cv均小于5%，因此從滴頭的變異系數方面看，在低壓工作情況下A1、A3、B2、B3四種試樣的滴頭的性能優于A2、A4、B1、B4。

圖1 不同類型滴頭的變異系數Fig.1 Coefficient deviation of different types of emitter

2.2 低壓條件下滴頭流態指數的特性

滴頭工作壓力與流量關系如下：

式中：q為灌水器的流量，L/h；k為系數；H為工作壓力，kPa；x為流態指數。

灌水器的流態指數x是衡量灌水器性能重要指標，流態指數值越小，工作壓力變化對灌水器流量的影響越小。滴頭的流態指數是通過實測不同壓力下的滴頭流量，利用軟件擬合計算得出。分別對每個試樣按低壓（10～60 kPa）和常壓（10～140 kPa）兩個工作壓力范圍進行流量和壓力關系擬合，計算出兩種壓力范圍下滴頭的k值和x值，并繪制8 個試樣的流量壓力關系曲線，見圖2。

圖2 不同工作壓力下滴頭流量壓力曲線Fig.2 Curve of flow rate and pressure of emitter under different working pressure

由圖2 可知，低壓對不同類型滴頭的流態指數的影響不同，試樣A1、A2、B1、B2、B4 的流態指數x比常壓分別大0.024、0.006、0.062、0.039、0.003，試樣A3、A4、B3 在低壓情況下較常壓分別小0.015、0.013、0.032。低壓工作時滴頭的流態指數變化趨勢與常壓時的流態指數有關，當滴頭的常壓流態指數>0.5 時，低壓工作時流指數變大，常壓流態指數<0.5 時，低壓工作時流指數變小。兩種管徑比較，低壓情況下管徑為12 mm滴灌管的滴頭流態指數變化幅度較大。

2.3 低壓工作下的滴灌流量偏差率比較

滴頭流量偏差率是滴灌系統設計的約束性指標，規范要求滴頭流量偏差率qv≤20%，通過分析常壓壓力流量公式計算流量偏差率達到設計要求時，低壓壓力流量公式計算出的流量偏差情況，判斷常壓壓力流量公式是否能夠用于滴灌系統低壓設計。當設計壓力hd為60 kPa 和qv為20 %時，利用常壓壓力流量關系式計算出8 個試樣滴頭的最小工作壓力hmin，然后利用低壓流量關系式計算出hd、hmin兩個壓力下的流量，按照流量偏差率計算公式（2）計算流量偏差，比較低壓和常壓時流量偏差率差異，結果見表2。

表2 兩種壓力流量公式計算的滴頭流量偏差率比較Tab.2 Comparison of emitter flow deviation calculated by two pressure-flow formulas

由表2 可知，按照常壓壓力流量公式計算，管徑為16 mm的試樣中A4 允許壓力變化范圍最大，最低壓力為36.81 kPa，A2 允許壓力變化范圍最小，最低壓力為43.01 kPa。管徑為12 mm 試樣中B3 允許壓力變化范圍最大，最低壓力為34.17 kPa，B1允許壓力變化范圍最小，最低壓力為43.22 kPa。

管徑為16 mm 的4個試樣，在常壓、低壓兩種公式計算出的流量偏差的偏差率在-4.06%～5.15%，管徑為12 mm 的4 個試樣的偏差率在-8.03%～10.74%，說明低工作壓力對管徑12 mm 的滴灌管影響大于管徑16 mm 滴灌管。試樣A3、A4、B3利用低壓公式計算出的流量偏差均小于允許流量偏差20%，分別為19.38%、19.19%和18.39%，其他5 個試樣計算值大于允許偏差，其中B1 的流量偏差最大為22.15%。結果表明，試樣A3、A4、B3的滴頭，利用常壓壓力流量關系公式計算低壓情況下的流量偏差小于規范規定的限值，可以滿足設計要求。

3 討論

（1）不同壓力對滴頭變異系數的影響。計算結果表明低壓情況下不同類型的滴頭變異系數變化不同，這與梁華峰等[19]研究得出的在低壓情況下滴頭的制造變異系數隨著壓力降低有增大趨勢結論不同，可以發現在低壓情況下變異系數變大的滴頭均為側翼迷宮式滴頭，內鑲貼片式或內鑲柱狀滴頭的變異系數變化不明顯。原因是側翼迷宮式滴頭是加熱擠壓而成，滴頭尺寸精度低，而內鑲式滴頭是由模具注塑制成，制造精度高，因此在低壓對側翼迷宮式滴頭的變異系數影響較大，對內鑲貼片或內鑲柱狀滴頭影響小。

（2）低壓條件下滴頭流態指數的特性。壓力流量公式中流態指數x是滴頭性能重要指標，試樣A3、A4、B3 的流態指數x在低壓情況下變小，而另外5 個試樣滴頭的流態指數x在低壓情況下變大，表明在常壓下流態指數x＜0.5 的滴頭低壓工作下x變小，在常壓下x＞0.5 的滴頭在低壓下x變大，這與馬曉鵬等[20]研究得出的流態指數隨壓力的降低而增大結論不同，產量結論不同的原因可能是測試滴頭類型的差異。通過不同壓力下滴頭流態指數變化比較，表明管徑對滴頭流態指數有一定的影響，管徑越小影響越大，原因是相同情況下管徑12 mm的滴頭較管徑16 mm的滴頭體積小，因此對壓力變化的反應較敏感。

（3）低壓工作下滴灌流量偏差率比較。滴頭的流量偏差率在滴灌系統設計中具有重要意義，是評價滴灌系統是否合理的重要指標，其取值直接影響滴灌系統布置方式、灌溉質量及工程造價。在實際應用中，常壓條件下的壓力流量公式中系數k和流態指數x能夠得到，但是低壓情況下需要進行測試后才能得到，因此需要找出一種途徑簡化實際設計中缺少技術參數問題。通過兩種壓力流量公式計算流量偏差率的比較，結果表明當常壓公式試算出qv=20%，滴頭流態指數x＜0.5 時，低壓公式試算出的qv＜20%，滴頭流態指數x＞0.5 時，低壓公式試算出的qv＞20%，因此當滴頭流態指數x＜0.5 時，可以用常壓壓力流量公式進行低壓滴灌設計。

4 結論

（1）由于滴頭的材料和制造工藝不同，低壓條件下對側翼迷宮式滴頭的變異系數影響較大，對內鑲貼片或內鑲柱狀滴頭影響小。

（2）低壓對滴頭流態指數的影響以常壓下流態指數x=0.5為界，常壓下x＜0.5 的滴頭，低壓下流態指數減小，反之，低壓下流態指數增大。

（3）利用常壓滴頭作為在低壓滴灌系統中時灌水器時，選擇大管徑、滴頭流態指數小于0.5 的滴灌管線，可以提高低壓滴灌系統的均勻度，保證灌水質量要求。