温室滴灌系统毛管布设方式与压力对灌水均匀度的影响

孙梦莹

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

随着我国温室种植业的发展，滴灌作为一种现代高效节水灌溉模式已在温室作物栽培中广泛应用。但目前温室滴灌系统存在运行成本较高、灌水均匀度较低、效果不理想等问题[1]。压力及管径是决定滴灌系统造价的最主要的因素，采用小管径低压滴灌系统灌水是当今温室滴灌技术应用的主要模式[1]。滴灌系统的灌水均匀度是衡量灌水质量的重要技术指标之一，受多种因素共同影响，如毛管直径大小、布设方式，滴头、工作压力等[2]。张国祥等[3]理论分析认为滴灌系统滴头设计水头在5 m以下，不仅可提高灌水均匀度，还可降低系统运行成本；朱德兰等[4]研究制造偏差系数小的滴头及灌水均匀度关系；张林等[5-6]探讨了压力、铺设长度等对灌水均匀度的影响；BARRAGAN等[7]给出了微灌灌水均匀度的精确计算方法；TAYEL等[8-9]研究了不同管网下的灌水均匀度变化规律。前人对多条毛管、不同管网布设形式的滴灌系统灌水均匀度试验研究不多。因此，进一步研究不同毛管管径下滴灌管网布设形式、滴头工作压力的温室滴灌系统灌水均匀度差异，提出适宜温室滴灌管系统采用的毛管管径、毛管布设形式、滴头工作压力，对改善温室滴灌系统灌水质量、降低系统造价有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验毛管与滴头

试验毛管为温室滴灌系统常用的φ8、φ16滴灌带(管)，滴头为小管径低压圆柱型迷宫式滴灌管，其参数见表1。

表1 试验毛管与滴头参数

1.2 试验平台与测量指标

试验平台尺寸60 m×8 m(图1)，组成部件，变频柜、水泵(工作压力0～40 m)、压力传感器 (量程为0～40 m，精度等级0.1)。试验每个处理测试时间均为8 min，滴头流量用称重法测量，每隔1 s采集各测点压力传感器的压力值1次。

1.3 试验因素设计

由表2可见，试验设树状和环状2种管网布设形式，毛管设横向(支管长60 m、毛管长8 m)和纵向(支管长8 m，毛管长60 m)2种布设形式，毛管管径分别为8 mm、16 mm，支管管径均为32 mm，毛管间距为0.8 m。

试验分两部分进行。第1部分为横向布设，每条毛管均匀布设15个滴头；第2部分为纵向布设，每条毛管均匀布设60个滴头。第1个压力传感器安装在毛管首部和尾部，第2个压力传感器在毛管中间安装。

注：1，水箱；2，水泵；3，变频稳压器；4，闸阀；5，滴头；6，毛管；7，压力传感器毛管；8，1环(树)；9，2环(树)。

图21 试验平台结构

表2 试验因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 不同毛管布设方式下滴灌灌水的均匀度

图2为毛管管径16 mm和8 mm、低压2 m的滴灌带(管)，毛管横向与纵向布设方式下的滴灌灌水均匀度。可见压力2 m和管径16 mm条件下，毛管横向布设灌水均匀度均在95%以上，表明横向布设的滴灌系统灌水质量较好。环(树)管网随着毛管条数增加灌水均匀度降低。但对于环状管网而言，因其水流的再次分配作用对于压力有补偿效果，使得同环数下的灌水均匀度大于相应的树状管网系统。当管径减小50%、为8 mm时，与16 mm毛管相比，布设方式对灌水质量的影响很大。如：纵向布设的5树管网灌水均匀度为83%，较管径16 mm的低9百分点，这是因为在相同毛管长度下，管径较小时，系统水头损失较大，导致灌水均匀度降低；而横向布设的5树管网灌水均匀度较管径16 mm的仅低0.2百分点。因此，当温室滴灌系统毛管沿纵向布设时，因毛管铺设长度较长，宜选用16 mm毛管保证灌水均匀度；毛管横向布设时沿程水头损失较小，宜选用管径8 mm的毛管，即可满足灌水均匀度的要求；相同管径下，环状管网灌水质量高于树状管网，在温室中灌水均匀度不理想时建议采用环状管网系统来提高滴灌灌水均匀度。

图2 相同进口压力下不同管径、布置方式树状和环状管网的滴灌灌水均匀度

2.2 不同滴头工作压力下滴灌灌水的均匀度

由图3可见，当管径为16 mm的毛管纵向布设时，树状管网和环状管网的灌水均匀度均在92%以上，但环状管网的灌水均匀度要比树状管网高出1.3～2.8百分点，说明环状管网相对于树状管网有较高的灌水均匀度；当管径为8 mm的毛管横向布设时，树状和环状管网系统灌水均匀度均在95%以上，均匀度相差不大，说明毛管铺设长度较短时，水头损失较小，毛管压力偏差较小。

对于管径16 mm、管长60 m的毛管，灌水均匀度随毛管进口压力的增大而增大，在4～8 m时增幅较大，对于树状管网，8 m以后均匀度增幅很小；对于环状管网，6 m以后均匀度基本无变化。说明环状管网在压力较低时较树状易达到理想均匀度。因此，温室滴灌系统纵向布设条件下，适宜选择管径为16 mm毛管，若采用树状管网则适宜选择的压力为8 m，若采用环状管网而适宜选择的压力为5 m；若温室毛管采用横向布设，适宜选择管径为8 mm毛管，毛管进口压力选择2 m为宜。以降低系统投资和运行费用。

由图4可见，同时采用纵向布设，在10 m的毛管进口压力下，环状管网的毛管压力分布随着毛管长度增加，呈先减小后增加的变化。随着距毛管进口距离增加，3环管网4条毛管各测点压力均呈降低趋势，但在45 m后4条毛管压力均有上升，这可能是因为环状管网自身对于压力的补偿效果，此效果有利于提高环状管网的灌水均匀度，而树状管网就没有此补偿效果。第4条毛管在45 m处的压力为8.7 m，大于各邻测点的压力值，由水流能量关系可以推断水流在此交汇。同样在10 m工作压力下，树状管网的毛管压力随着离毛管长度的增加，第1条至第4条毛管各测点压力均呈降低趋势。越远离支管进口处，毛管压力下降越明显。

注：3环(树)-1代表3环中的第1条毛管，依次为第2、3、4条毛管。

图24 相同进口压力下纵向布设的环状和树状管网压力分布

2.3 滴灌灌水均匀度影响因素显著性

对试验因素方差分析表明(表3)，布设方式、管径及压力对温室滴灌系统的灌水均匀度的影响均达到极显著水平(P<0.01)，即各因素对滴灌系统灌水均匀度影响较大，而管网形式对灌水均匀度的影响达到显著水平(P<0.1)，而对比其他各因素，管网形式对系统灌水均匀度影响最小。主要原因：一是管径采用温室专用小管径滴灌管和常用滴灌带，管径变化较大；二是布设方式不同，毛管长度差异较大，随着毛管长度的增加，水头损失也在增大，使得滴灌系统的灌水均匀度降低，严重影响灌水质量。对于管网形式，已达到显著水平，说明在其他条件不变时，环状管网较树状确实有提高灌水均匀度的作用，因此在现有温室滴灌中可以选用环状管网，提高滴灌灌水均匀度。即小管径横向布设下，2 m进口压力下的灌水均匀度能达到95%以上，而纵向布设，因管径太小，2 m下灌水均匀度不足85%，严重影响灌水质量。因此在现有温室滴灌中若确定为横向布设毛管，则可以选择小管径滴灌管，降低系统运行压力与成本。可以选用环状管网，提高滴灌灌水均匀度。

表3 低压条件下各因素对灌水均匀度影响的方差分析

3 结论与讨论

1) 滴灌毛管横向布设灌水均匀度大于纵向布设；同一布设方式下，随着滴灌系统毛管条数的增加，灌水均匀度均呈现下降趋势；对于环状管网而言，因其压力补偿效果，使得同环数下的滴灌系统灌水均匀度大于对应的树状管网系统；对于纵向布设而言，因毛管铺设长度较长，管径对灌水均匀度影响显著，环状管网能够提供部分压力补偿，从而减小毛管压力分布偏差。

2) 温室滴灌系统不同管网形式及布设方式下，灌水均匀度均随着毛管进口压力增加而增加。随着毛管长度增加，不同管网形式下，毛管的压力分布沿程降低。对于环状而言，由于水流的交汇产生部分压力补偿，使得毛管压力分偏差减小，提高了灌水均匀度。

3) 管网形式、布设方式、管径及压力对温室滴灌系统的灌水均匀度的影响均呈显著水平，其中布设方式的影响最大，管网形式影响最小。因此，温室毛管纵向布设(60 m)，滴灌带(管)管径可选16 mm，根据管网的形式选择适宜工作压力；温室滴灌系统毛管横向布设(8 m)，滴灌带(管)管径可选8 mm，适宜压力为2 m。