多孔膜袋灌水均匀度变化规律研究

张泽中, 王盈盈, 王国辉

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

多孔膜袋灌水均匀度变化规律研究

张泽中, 王盈盈, 王国辉

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

膜袋灌是一种新型的节水灌溉技术,能够提高灌溉水的利用率,从而达到节水的目的。结合膜袋出流孔的制造偏差应满足灌水器的精度要求,考虑不同的入口水头、铺设坡度、孔距和孔径，通过测量多孔膜袋沿铺设长度的流量分布情况,计算出不同条件下膜袋的灌水均匀度。结果表明:①多孔膜袋的灌水均匀度与膜袋长度呈负相关,与孔距和孔径呈正相关;②入口水头增加,灌水均匀度提高;③当多孔膜袋铺设于0.3%以上的坡度时,灌水均匀度呈降低趋势;当其铺设于0.3%以下的坡度时,灌水均匀度呈上升趋势。

节水灌溉;灌水均匀度;膜袋;工作水头

灌溉的目的是为作物的生长发育提供必需的水分和养分。多孔膜袋[1-2]是一种新型的节水灌溉设备,靠膜袋两端的沿程小孔出流进行灌水。其在田间使用时,由于入口水头、孔口制作偏差、抗堵塞性能、铺设坡度等因素的共同作用,所有膜孔的出流量不可能一模一样,降低了灌溉水的利用率,也大大折减了膜袋灌系统的灌水质量。针对这种情况,笔者以单条膜袋为研究对象,分析和研究多孔膜袋的入口水头、铺设坡度、膜袋长度、孔距和孔径等因素对膜袋灌水均匀度的影响,验证膜袋灌技术的可行性,以期能够补充膜袋灌理论的薄弱环节,为更加科学合理地设计膜袋灌系统提供有力的依据。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

本试验中多孔膜袋的基础原料选用河南省新乡市科强塑胶有限责任公司生产的PE塑料薄膜管带,并在管带上按照一定的间距和方式布置圆形出水孔。该薄膜管带展开后周长为0.62 m,膜孔间距分别为30、40 cm,膜孔直径分别为0.5、0.6 mm,膜孔距离膜袋边缘2 cm。

1.2 试验方案

当膜袋的铺设长度分别为1、10、20、30、40 m时,多孔膜袋水力特性试验的方案见表1。

表1 多孔膜袋水力特性试验方案

为了使试验具有可比性和准确性,进行试验的截面须是同一处的截面,每次试验均进行3次,取平均值作为试验分析的数据。试验开始时,将膜袋铺设在展台上,膜袋首部与水箱的出水口连接,用“小白龙”塑料管连续不断向水箱注水,待水箱出水口处的测压管高度达到设计要求并且保持稳定后,用质量、规格均相同的塑料容器按序接取每个断面出水孔处的出流,每次接水持续时间为2 min,用电子称称其质量,从而求出出水孔的流量。

2 灌水均匀度评价

2.1 多孔膜袋出流均匀度的评价指标

1)用克里斯琴森(Christiansen)均匀系数来衡量[3],计算公式如下:

(1)

(2)

式中:Cu为克里斯琴森均匀系数;qi为灌水装置各出水孔的单孔出流量,L/h;qa为灌水装置出水孔单孔出流量的平均值,L/h;n为灌水装置的开孔数目。

2)用流量偏差率来衡量[4],计算公式如下:

(3)

式中:R为灌水装置的流量偏差率;qmax为灌水装置的单孔最大出流量,L/h;qmin为灌水装置的单孔最小出流量,L/h;qa为灌水装置出水孔的单孔出流量的平均值,L/h。

3)用工作水头变差率来衡量[5],计算公式如下:

(4)

式中:h为灌水装置的压力水头变差率;hmax为灌水装置的最大压力水头,m;hmin为灌水装置的最小压力水头,m;hd为灌水装置的设计压力水头,m。

4)用制作偏差系数来衡量[6],计算公式如下:

(5)

(6)

式中:Cv为灌水装置制作的偏差系数;q为灌水装置出水孔的单孔出流量的平均值,L/h;qi为灌水装置各个孔口的单孔出流量,L/h;n为灌水装置的开孔数目。

本文采用克里斯琴森均匀系数来计算灌水均匀度。

2.2 灌水器的质量评价

节水灌溉技术选用的灌水器是否符合标准直接影响到建设成本、灌水质量和使用管理。受制作方法和材料收缩变形的影响,灌水器(孔口)存在制作偏差。孔口流量与孔口直径的2.5～4.0次方成正相关[7],因而,微小的孔口制作偏差会导致流量发生巨大的改变。在生产实践中,常用孔口制作偏差来衡量灌水器的制作质量,制作偏差系数Cv的表达式为式(5)—(6)。

美国农业工程学会提出的灌水器质量评价标准为:当Cv<0.05时,灌水器制作精度为优等;当0.05≤Cv≤0.10时,灌水器制作精度为良好;当0.100.15时,灌水器制作精度为不合格[6]。将试验所测得的数据代入式(5)—(6),得到4种规格多孔膜袋的孔口制作偏差,结果见表2。

表2 孔口制作的偏差系数

从表2可以看出,孔径为0.5 mm时的孔口制作偏差比孔径为0.6 mm时的大,这是因为在灌水器制作时,孔径越小对制作工艺要求越高,就越容易产生制作偏差,其制作偏差对试验结果的影响就会越明显。综合来看,孔距30 cm、孔径0.6 mm和孔距40 cm、孔径0.6 mm的多孔膜袋孔口制作的偏差系数在0.10以下、0.05以上,灌水器质量为良好;孔距30 cm、孔径0.5 mm和孔距40 cm、孔径0.5 mm的多孔膜袋孔口的制作偏差系数在0.15以下、0.10以上,灌水器质量为合格。可见,所有规格的多孔膜袋的灌水器均达到了制作精度的要求。

3 灌水均匀度的影响因素研究

3.1 入口水头与灌水均匀度的关系

图1给出了4种规格膜袋(孔距30 cm、孔径0.5 mm;孔距30 cm、孔径0.6 mm;孔距40 cm、孔径0.5 mm和孔距40 cm、孔径0.6 mm)在入口水头分别为20、30、40 cm时灌水均匀度的变化曲线。从图1中可以发现,当其他试验因素一定时,多孔膜袋的灌水均匀度与入口水头呈正相关,且入口水头由30 cm增至40 cm时，灌水均匀度增加的幅度较入口水头由20 cm增至30 cm时的更为明显,说明多孔膜袋的灌水均匀度在低压范围内的变化比较稳定。实际应用时,在符合规范规定的前提下,入口水头为30～40 cm是可行的。当其他试验因素一定时,多孔膜袋的平均单孔流量和沿程单孔流量均与入口水头呈正相关,且随着入口水头的增大,平均单孔流量和沿程单孔流量的变化曲线大致相同。这说明,公式(2)中n值增加但Δq的变化量可以忽略。最后根据公式(1)可知,入口水头越大,多孔膜袋灌水均匀度就越大。

图1 灌水均匀度随入口水头的变化曲线

3.2 膜袋长度与灌水均匀度的关系

孔距30 cm、孔径0.5 mm的膜袋在入口水头分别为20、30、40 cm时,多孔膜袋的灌水均匀度随膜袋长度的变化曲线如图2所示。

图2 灌水均匀度随膜袋长度的变化曲线

由图2可以看出,当其他试验因素一定时,多孔膜袋的灌水均匀度与其铺设长度呈负相关,且随着铺设长度的增加,灌水均匀度受铺设长度的影响逐渐降低。

3.3 孔距和孔径与灌水均匀度的关系

4种规格的膜袋(孔距30 cm、孔径0.5 mm;孔距30 cm、孔径0.6 mm;孔距40 cm、孔径0.5 mm和孔距40 cm、孔径0.6 mm)在入口水头分别为20、30、40 cm时灌水均匀度的实测值见表3。从表3中可以看出,在入口水头不变的情况下,随着孔距和孔径的增加,灌水均匀度都会提高。这是因为,当其他试验因素一定时,多孔膜袋的平均单孔流量与孔距呈正相关,且孔距越大,平均单孔流量变化越不明显。从表3中还可以发现,当其他试验因素一定时,随着孔距的增大,沿程单孔流量变化曲线的斜率降低,其变化趋于平缓。由此可知,随着孔距的增大,多孔膜袋的沿程单孔流量与其平均单孔流量的差值逐渐减小,即Δq呈降低趋势。通过公式(1)可知，随着孔距的增加,多孔膜袋的灌水均匀度会提高;同理,孔径越大,多孔膜袋的灌水均匀度也会提高。

表3 灌水均匀度实测值

3.4 铺设坡度与灌水均匀度的关系

长度40 m、孔距30 cm、孔径0.5 mm的多孔膜袋,在入口水头分别为20、30、40 cm时,其灌水均匀度随铺设坡度的变化曲线如图3所示。由图3可以看出,当铺设坡度增加时,多孔膜袋的灌水均匀度先增大后减小,且当多孔膜袋的铺设坡度为0.0%～0.3%,入口水头一定时,灌水均匀度呈稳步上升趋势。在多孔膜袋的实际运用中,其对田间实际地形的适应性较强,不需进行土地平整,只要铺设坡度为0.0%～0.3%,即可得到较高的灌水均匀度：

图3 灌水均匀度随铺设坡度的变化曲线

4 提高多孔膜袋灌水均匀度的措施

对多孔膜袋灌水均匀度的研究发现,多孔膜袋的入口水头、膜袋长度、铺设坡度、孔距和孔径都会导致灌水均匀度发生改变。由公式(1)可知:要想提高多孔膜袋的灌水均匀度,一方面是增大平均单孔流量,另一方面是减小多孔膜袋沿程单孔流量与平均单孔流量的变化量。可提出如下措施来提高多孔膜袋灌水均匀度：

1)在多孔膜袋可承受的极限压力范围内增加入口水头,可提高多孔膜袋的灌水均匀度。

2)通过调整铺设坡度来改善多孔膜袋的灌水均匀度。当基础数据不完善、不能确切计算多孔膜袋的灌水均匀度时,可以将0.3%作为提高多孔膜袋的灌水均匀度的坡度临界值,使铺设坡度为0.1%～0.3%且接近0.3%,这样可获得较高的灌水均匀度。

3)在适合田间长度和作物间距的条件下,通过适当增大孔距和减小膜袋铺设长度均可获得较高的灌水均匀度。

5 结语

本文研究了多孔膜袋的灌水均匀度与入口水头、铺设坡度、膜袋长度、孔距和孔径之间的关系,结论如下:

1)多孔膜袋的灌水均匀度与膜袋长度呈负相关,与孔距和孔径均呈正相关。

2)随着入口水头的增加,灌水均匀度提高。

3)当多孔膜袋的铺设坡度是逆坡时,灌水均匀度与其呈正相关。当多孔膜袋的铺设坡度是顺坡时分两种情况:①当铺设坡度大于0.3%时,灌水均匀度呈下降趋势;②当铺设坡度小于0.3%时,灌水均匀度呈上升趋势。

4)对多孔膜袋的孔口制作偏差进行计算分析,发现孔径越小,多孔膜袋的孔口制作偏差越大,实验中所有规格的多孔膜袋均达到了灌水器制作精度的要求。

[1]张泽中,齐青青，高芸，等.膜袋灌节水机理与效应[J].人民黄河,2013,35(11):84-86.

[2]李海鑫,谢利云，马晓琳.现代灌溉新技术旱作膜袋灌[J].水利科技与经济,2014,20(9):35-37.

[3]韩文霆,吴普特,杨青,等.喷灌水量分布均匀性评价指标比较及研究进展[J].农业工程学报,2005,21(9):172-177.

[4]常换换.低压滴灌管水力特性试验研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2014:28-30.

[5]黄兴国.多孔软管水力特性实验研究[D].石河子:石河子大学,2009:37-38.

[6]路建军.薄壁孔口PE滴灌管出流特性实验研究[D].福建:福建农林大学,2010:19-21.

[7]洪明,祁雷,李援农,等.低压孔口式滴灌管出流规律试验分析[J].人民黄河,2008,30(8):74-76.

(责任编辑：陈海涛)

Study on Variation Regularity of Irrigation Uniformity of Porous Membrane Bag

ZHANG Zezhong, WANG Yingying, WANG Guohui

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The film bag irrigation is a new water-saving irrigation technique. It can improve the utilization rate of irrigation water, so as to achieve the purpose of water saving. Combined with the manufacturing deviation of the membrane bag outlet holes should meet the requirements of the emitter precision, the uniformity of the membrane bags under different conditions was calculated by measuring the flow distribution along the laying length of the bag under the different inlet head, laying slope, pitch and aperture. The results showed: ① there was a negative correlation between the uniformity of water and the length of membrane bag, and it was positively correlated with pore distance and pore size; ② the inlet head increases as the irrigation uniformity increases; ③ when the porous membrane bag is laid on the slope of 0.3% or more, the uniformity of irrigation water tends to decrease; when it is laid on the slope of 0.3% or less, the irrigation uniformity is on the rise.

water saving irrigation; irrigation uniformity; film bag; working head

2016-10-14

华北水利水电大学科技支撑人才计划项目(70500);河南省科技攻关计划专项(122102110050)。

张泽中(1978—),男,满族,河北唐山人,副教授,博士,从事生态灌区建设、节水灌溉、资源系统等方面的研究。 E-mail:15038352532@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.004

TV93;S275

A

1002-5634(2016)06-0020-04