温室低压小管径滴灌试验设计和模拟分析

马海兰

滴灌技术是利用发达的管路系统将少量水输送至植物根部范围土壤，以达到灌溉目的，比传统漫灌节约用水量达80%以上，是目前最为先进的灌溉方式之一。温室种植是提高农业经济效益的重要手段，发展温室滴灌也是集约化农业发展的方向[1]。但由于目前滴灌系统存在诸如管道堵塞、输水效果差等技术缺陷，严重影响农民热情，因此对温室滴灌系统进行试验模拟，以此为基础来优化设计对于滴灌推广意义重大。

1 项目区概况

阜康市是新疆天山北坡经济带率先发展的中心部位之一，辖有两区、四镇、三乡、三场。项目区位于阜康市滋泥泉子镇、上户沟乡和城关镇，本次共设计优化改造3800亩滴灌系统。此次温室低压小管径滴灌，要求供水保证率P=90%。为了使滴灌设计科学合理，在此利用相关试验室设备对整个滴灌系统进行模拟分析，以此得出管路布置、压力差异等相关参数，模拟结果可指导实际工程施工。

2 实验材料和方法

温室滴灌系统由引水部、首部控制枢纽、配水管网、灌水器等组成，系统最大能耗损失位于管道水头和灌水器内部流道[2]。滴灌系统成本和工作压力成正比关系，之前很多学者只是分析研究了单条毛管的最优铺设长度、坡度、压力、管径等参数，而对多条毛管温室滴灌系统没有进行分析。下面通过试验来确定不同毛管布置的最优压力和管径。

2.1 试验装置

本次试验共选用三种常用滴灌管：两种温室常用滴灌管和一种小管径低压圆柱式迷宫滴灌管，其具体技术参数见表1。

表1 试验用滴灌管技术规格

本次试验借助新疆农业大学相关仪器设备，主体装置为一个温室滴灌系统水力测试平台，尺寸为60 m×8 m，该系统由：变频柜、供水排水系统、水泵（工作压力0～40 m）、压力传感器（精度等级0.1，量程0～40 m）、支管、毛管等组成，布置图见图1[3]。

图1 试验装置示意图

2.2 试验方法

2.2.1 试验要素

温室滴灌系统管网布置形式分为两种：树状和环状；毛管布置形式也分为两种：横向（支管60 m，毛管8 m）和纵向（支管8 m，毛管60 m）（见图2）。毛管管径规格为8 mm和16 mm，支管管径均为32 mm。试验时环（树）状管网依次设计为1-5环（树），具体试验因素和水平见表2[4]。本试验采用对比方式进行，具体分为以下两种工况：

图2 毛管横向（左）和纵向布置（右）

①毛管横向布置

受试验场地限制，每条支管上布置6条毛管，在每条毛管上等间距设计15个滴头，从15个滴头中等间距选取5个进行编号（1-5号）并设置压力传感器，这样选取的总滴头编号为1-30#，传感器共布置30个。

②毛管纵向布置

布置毛管6条，每条毛管等间距设计滴头60个，且每条毛管间隔15 m设置一个压力传感器，共布置30个（每条毛管5个）并对传感器进行编号[5]。

表2 试验因素和水平表

2.2.2 试验参数确定

在正式开始前先要将管路中的空气排除，将全部阀门打开，之后设置所需压力值并观察压力传感器示数变化，待稳定后则说明空气排除干净。此外，还要提前测定水箱温度、滴头流量、传感器数据采集是否正常（1 s采集一次，持续 10 min）。

①灌溉均匀系数CM

灌溉均匀系数CM是评价滴灌系统设计合理与否的最重要参数，是作物需水保证度的直接反映，在此利用“克里斯欣森”公式计算[6]：

式中：qi为第i个灌水器流量，L/h；q¯为所有灌水器平均流量，L/h；n为灌水器数量。

②毛管工作压力

毛管工作压力直接影响灌溉用水和系统经济效益，滴头工作压力越高，所需水泵扬程越大，功耗越高。而不同的管网布置形式其压力分布差别显著，因此在满足使用的前提下需要尽量降低滴头压力，提高系统经济效益。

3 温室低压小管径滴灌试验结果分析

3.1 不同管网布置毛管压力分布

（1）树状毛管布置工作压力分布

图3描绘的是当毛管进口压力为10 m、树状布置时，其工作压力随毛管长度变化的曲线图。由图中可知：①各毛管压力随着输水距离的增大而逐渐降低，且1-4#毛管降低速率也是逐渐增大，说明越远离支管进口，受影响越大；②随着输水距离增加，各管路压力值越拉越大，分布松散。

图3 同一进口压力下树状毛管工作压力分布

（2）环状毛管布置工作压力分布

图4描绘的是当毛管进口压力为10 m、环状布置时，其工作压力随毛管长度变化的曲线图。由图中可知：①在0～45 m范围，各毛管压力随着输水距离的增大而逐渐降低，且1-4#毛管降低速率基本一致，没出现松散现象；②在45～60 m范围，毛管工作压力随着输水距离增加而逐渐平缓。

综合分析：树状毛管布置没有压力补偿效果，而环状布置有一定压力补偿，因此环状布置的灌水均匀度更好，是提高CM的一种途径。

图4 同一进口压力下环状毛管工作压力分布

3.2 不同管网布置及管径毛管水头损失

图5 模拟出不同管径及布置形式下毛管的水头损失曲线变化。由图中可知：①无论毛管直径及何种布置形式，随着进口压力增加，其水头损失也在逐步增加；②毛管横向布置时，小直径滴灌管（8 mm）与常规滴灌管（16 mm）相比，当进口压力由2 m增至10 m时，它们水头损失均很小，因此可在相同进口压力下，应用小直径滴灌管以降低管材成本，而不会产生额外能耗；③毛管纵向布置时，由于铺设长度较长，小直径滴灌管相对于常规滴灌管水头损失较大，因此选择直径较大的滴灌管才能够有效降低系统能耗。

图5 不同管径及布置形式下毛管水头损失

4 结语

滴灌系统布置合理性与否直接影响应用效果，因此必须对系统重要参数进行模拟对比。通过对温室低压小管径滴灌进行试验和模拟，在阜康市3800亩滴灌系统优化改造中最后选择方案是8 mm毛管横向布置，较好的避免了水头损失过多，且大大节约了管材采购成本，取得了较好的经济效益和社会效益。

[1]李明思,康绍忠,孙海燕.点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究[J].农业工程学报,2006(04):32-35.

[2]马章进,汪自胜.谈棉花膜下滴灌设计要点[J].水利技术监督,2006(02):40-43.

[3]孙梦莹.温室滴灌应用现状与滴灌设计参数研究[D].西北农林科技大学,2014.

[4]傅晓松.沙井子灌区棉花滴灌设计中日耗水强度的确定[J].水利技术监督,2009,17(02):48-50.

[5]朱振田.滴灌设计中毛管水头损失计算应注意的问题[J].喷灌技术,2009(02):13-16.

[6]朱德兰,李昭军,王健,贾锐鱼.滴灌条件下土壤水分分布特性研究[J].水土保持研究,2010(01):81-84.