溫室滴灌系統毛管布設方式與壓力對灌水均勻度的影響

孫夢瑩

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

隨著我國溫室種植業的發展，滴灌作為一種現代高效節水灌溉模式已在溫室作物栽培中廣泛應用。但目前溫室滴灌系統存在運行成本較高、灌水均勻度較低、效果不理想等問題[1]。壓力及管徑是決定滴灌系統造價的最主要的因素，采用小管徑低壓滴灌系統灌水是當今溫室滴灌技術應用的主要模式[1]。滴灌系統的灌水均勻度是衡量灌水質量的重要技術指標之一，受多種因素共同影響，如毛管直徑大小、布設方式，滴頭、工作壓力等[2]。張國祥等[3]理論分析認為滴灌系統滴頭設計水頭在5 m以下，不僅可提高灌水均勻度，還可降低系統運行成本；朱德蘭等[4]研究制造偏差系數小的滴頭及灌水均勻度關系；張林等[5-6]探討了壓力、鋪設長度等對灌水均勻度的影響；BARRAGAN等[7]給出了微灌灌水均勻度的精確計算方法；TAYEL等[8-9]研究了不同管網下的灌水均勻度變化規律。前人對多條毛管、不同管網布設形式的滴灌系統灌水均勻度試驗研究不多。因此，進一步研究不同毛管管徑下滴灌管網布設形式、滴頭工作壓力的溫室滴灌系統灌水均勻度差異，提出適宜溫室滴灌管系統采用的毛管管徑、毛管布設形式、滴頭工作壓力，對改善溫室滴灌系統灌水質量、降低系統造價有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗毛管與滴頭

試驗毛管為溫室滴灌系統常用的φ8、φ16滴灌帶(管)，滴頭為小管徑低壓圓柱型迷宮式滴灌管，其參數見表1。

表1 試驗毛管與滴頭參數

1.2 試驗平臺與測量指標

試驗平臺尺寸60 m×8 m(圖1)，組成部件，變頻柜、水泵(工作壓力0～40 m)、壓力傳感器 (量程為0～40 m，精度等級0.1)。試驗每個處理測試時間均為8 min，滴頭流量用稱重法測量，每隔1 s采集各測點壓力傳感器的壓力值1次。

1.3 試驗因素設計

由表2可見，試驗設樹狀和環狀2種管網布設形式，毛管設橫向(支管長60 m、毛管長8 m)和縱向(支管長8 m，毛管長60 m)2種布設形式，毛管管徑分別為8 mm、16 mm，支管管徑均為32 mm，毛管間距為0.8 m。

試驗分兩部分進行。第1部分為橫向布設，每條毛管均勻布設15個滴頭；第2部分為縱向布設，每條毛管均勻布設60個滴頭。第1個壓力傳感器安裝在毛管首部和尾部，第2個壓力傳感器在毛管中間安裝。

注：1，水箱；2，水泵；3，變頻穩壓器；4，閘閥；5，滴頭；6，毛管；7，壓力傳感器毛管；8，1環(樹)；9，2環(樹)。

圖21 試驗平臺結構

表2 試驗因素與水平設計

2 結果與分析

2.1 不同毛管布設方式下滴灌灌水的均勻度

圖2為毛管管徑16 mm和8 mm、低壓2 m的滴灌帶(管)，毛管橫向與縱向布設方式下的滴灌灌水均勻度?？梢妷毫? m和管徑16 mm條件下，毛管橫向布設灌水均勻度均在95%以上，表明橫向布設的滴灌系統灌水質量較好。環(樹)管網隨著毛管條數增加灌水均勻度降低。但對于環狀管網而言，因其水流的再次分配作用對于壓力有補償效果，使得同環數下的灌水均勻度大于相應的樹狀管網系統。當管徑減小50%、為8 mm時，與16 mm毛管相比，布設方式對灌水質量的影響很大。如：縱向布設的5樹管網灌水均勻度為83%，較管徑16 mm的低9百分點，這是因為在相同毛管長度下，管徑較小時，系統水頭損失較大，導致灌水均勻度降低；而橫向布設的5樹管網灌水均勻度較管徑16 mm的僅低0.2百分點。因此，當溫室滴灌系統毛管沿縱向布設時，因毛管鋪設長度較長，宜選用16 mm毛管保證灌水均勻度；毛管橫向布設時沿程水頭損失較小，宜選用管徑8 mm的毛管，即可滿足灌水均勻度的要求；相同管徑下，環狀管網灌水質量高于樹狀管網，在溫室中灌水均勻度不理想時建議采用環狀管網系統來提高滴灌灌水均勻度。

圖2 相同進口壓力下不同管徑、布置方式樹狀和環狀管網的滴灌灌水均勻度

2.2 不同滴頭工作壓力下滴灌灌水的均勻度

由圖3可見，當管徑為16 mm的毛管縱向布設時，樹狀管網和環狀管網的灌水均勻度均在92%以上，但環狀管網的灌水均勻度要比樹狀管網高出1.3～2.8百分點，說明環狀管網相對于樹狀管網有較高的灌水均勻度；當管徑為8 mm的毛管橫向布設時，樹狀和環狀管網系統灌水均勻度均在95%以上，均勻度相差不大，說明毛管鋪設長度較短時，水頭損失較小，毛管壓力偏差較小。

對于管徑16 mm、管長60 m的毛管，灌水均勻度隨毛管進口壓力的增大而增大，在4～8 m時增幅較大，對于樹狀管網，8 m以后均勻度增幅很??；對于環狀管網，6 m以后均勻度基本無變化。說明環狀管網在壓力較低時較樹狀易達到理想均勻度。因此，溫室滴灌系統縱向布設條件下，適宜選擇管徑為16 mm毛管，若采用樹狀管網則適宜選擇的壓力為8 m，若采用環狀管網而適宜選擇的壓力為5 m；若溫室毛管采用橫向布設，適宜選擇管徑為8 mm毛管，毛管進口壓力選擇2 m為宜。以降低系統投資和運行費用。

由圖4可見，同時采用縱向布設，在10 m的毛管進口壓力下，環狀管網的毛管壓力分布隨著毛管長度增加，呈先減小后增加的變化。隨著距毛管進口距離增加，3環管網4條毛管各測點壓力均呈降低趨勢，但在45 m后4條毛管壓力均有上升，這可能是因為環狀管網自身對于壓力的補償效果，此效果有利于提高環狀管網的灌水均勻度，而樹狀管網就沒有此補償效果。第4條毛管在45 m處的壓力為8.7 m，大于各鄰測點的壓力值，由水流能量關系可以推斷水流在此交匯。同樣在10 m工作壓力下，樹狀管網的毛管壓力隨著離毛管長度的增加，第1條至第4條毛管各測點壓力均呈降低趨勢。越遠離支管進口處，毛管壓力下降越明顯。

注：3環(樹)-1代表3環中的第1條毛管，依次為第2、3、4條毛管。

圖24 相同進口壓力下縱向布設的環狀和樹狀管網壓力分布

2.3 滴灌灌水均勻度影響因素顯著性

對試驗因素方差分析表明(表3)，布設方式、管徑及壓力對溫室滴灌系統的灌水均勻度的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，即各因素對滴灌系統灌水均勻度影響較大，而管網形式對灌水均勻度的影響達到顯著水平(P<0.1)，而對比其他各因素，管網形式對系統灌水均勻度影響最小。主要原因：一是管徑采用溫室專用小管徑滴灌管和常用滴灌帶，管徑變化較大；二是布設方式不同，毛管長度差異較大，隨著毛管長度的增加，水頭損失也在增大，使得滴灌系統的灌水均勻度降低，嚴重影響灌水質量。對于管網形式，已達到顯著水平，說明在其他條件不變時，環狀管網較樹狀確實有提高灌水均勻度的作用，因此在現有溫室滴灌中可以選用環狀管網，提高滴灌灌水均勻度。即小管徑橫向布設下，2 m進口壓力下的灌水均勻度能達到95%以上，而縱向布設，因管徑太小，2 m下灌水均勻度不足85%，嚴重影響灌水質量。因此在現有溫室滴灌中若確定為橫向布設毛管，則可以選擇小管徑滴灌管，降低系統運行壓力與成本?？梢赃x用環狀管網，提高滴灌灌水均勻度。

表3 低壓條件下各因素對灌水均勻度影響的方差分析

3 結論與討論

1) 滴灌毛管橫向布設灌水均勻度大于縱向布設；同一布設方式下，隨著滴灌系統毛管條數的增加，灌水均勻度均呈現下降趨勢；對于環狀管網而言，因其壓力補償效果，使得同環數下的滴灌系統灌水均勻度大于對應的樹狀管網系統；對于縱向布設而言，因毛管鋪設長度較長，管徑對灌水均勻度影響顯著，環狀管網能夠提供部分壓力補償，從而減小毛管壓力分布偏差。

2) 溫室滴灌系統不同管網形式及布設方式下，灌水均勻度均隨著毛管進口壓力增加而增加。隨著毛管長度增加，不同管網形式下，毛管的壓力分布沿程降低。對于環狀而言，由于水流的交匯產生部分壓力補償，使得毛管壓力分偏差減小，提高了灌水均勻度。

3) 管網形式、布設方式、管徑及壓力對溫室滴灌系統的灌水均勻度的影響均呈顯著水平，其中布設方式的影響最大，管網形式影響最小。因此，溫室毛管縱向布設(60 m)，滴灌帶(管)管徑可選16 mm，根據管網的形式選擇適宜工作壓力；溫室滴灌系統毛管橫向布設(8 m)，滴灌帶(管)管徑可選8 mm，適宜壓力為2 m。