不同管径孔口式低压滴灌系统的水力学性能

王 超， 王 宏

(1.宁夏建设职业技术学院， 宁夏 银川750000； 2.榆林市节约用水办公室， 陕西 榆林719000)

低压滴灌是将具有一定压力的水，经过滤后通过滴灌系统，均匀而缓慢地浸润植物根部周围土壤的局部灌溉技术[1]。同传统灌水方式相比，滴灌具有省水省肥、灌水均匀度高、节能、增产等优点，目前滴灌在我国运用广泛[2]。灌水均匀度是滴灌系统评价的重要指标，滴灌孔口出流的水力学性能对灌水均匀度有很大影响，因此有必要对灌水器的水力学特性进行研究[3]。孔口式低压滴灌是在PE管上打孔并对开口做简便处理而形成的一种滴灌方法，该方法造价低、易于被农民接受和推广，是目前经济不发达地区农村广泛利用的有效节水技术措施[4-5]。为此，笔者对孔口式低压滴灌系统的水力学性能进行研究，以期为滴灌装置设计及应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 滴灌装置

试验滴灌装置主要由溢流水箱、筛网过滤器、调压阀、阀门、测压管和滴灌管组成。滴灌管规格为Φ12、Φ16管径的PE管，并使用台钻按不同间距打孔。滴灌管的孔口处理如图1所示。

1.2 试验方法

试验设置因素：压力水头(h)选取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m；孔径(d)选取0.6 mm、1.2 mm；孔距(s)选取33 cm、50 cm、100 cm。

高位溢流水箱距地面高5 m，试验开始时先调节溢流水箱水位至试验要求，待水位稳定后，再打开滴灌管主阀门，每次试验开始均调节阀门并观察测压管直至水头稳定，用集水桶分别集取测试滴灌管孔口的出流量，集水时间2 min；各压力水头设置3次重复试验，取平均值作为最后结果。

1.3 统计分析

1.3.1 滴头流量与孔径、孔距的关系 相同灌水条件下滴头流量随着滴头孔径增大而增大，这是因为孔径越大出流受到的阻力越小，出水越顺畅；同样滴头流量也会随着孔距的增大而增大，这是因为孔距增大意味着相同长度管道出水孔数量减少，沿程水头损失减小，故造成滴头流量增大。

1.3.2 灌水器流量与压力关系 灌水器流量与压力存在以下关系。

q=khx

式中，q为灌水器流量(L/h)；k为流量系数，其与孔口尺寸和粗糙程度有关；h为压力水头(m)；x为流态指数(值在0～1)，反映滴灌管道内水流是层流还是紊流，还可以表征滴头流量对压力的敏感性，x等于1时说明流量和压力水头成正比，滴灌管内水流为层流，x不等于1时说明滴灌管内水流为紊流。

1.3.3 灌水均匀度 其是评价滴灌系统灌水质量的有效指标，为了节水灌溉、保证灌水质量，根据滴灌设计要求，滴灌灌水均匀度需达到一定的数值。生产实践中常用克里斯琴森均匀系数表示[4-5]。

2 结果与分析

2.1 滴头流量与孔径、孔距的关系

从滴头流量与孔距的关系(图2)看出，滴头流量均随压力水头的增高而增大，呈较好的线性关系；孔径1.2 mm的流量比0.6 mm的大4倍以上，孔径增大滴头流量增大明显；Φ12相同孔径和压力水头下，孔距100 cm的滴头流量最大，33 cm的次之，50 cm的最小。Φ16、孔径0.6 mm、相同压力水头下，孔距100 cm的流量最大，50 cm的次之，33 cm的最小。原因可能是在0.6 mm孔径下，打孔所形成的毛刺阻碍了出流，孔口的处理工艺会影响孔口出流。Φ16滴灌管在孔距100 cm、50 cm下滴头流量大，而打孔过密会影响沿程水头压力，造成滴头流量减小。

2.2 流量系数及流态系数

从表1看出，滴灌管流态指数除2个小于0.5外，其余在0.507 6～0.773 3，故孔口出流均为紊流出流[3]。同一管径、相同孔距条件下，滴灌管的流态系数随孔径有所差异，Φ12在孔距50 cm、100 cm时流态系数随孔径增大而减少；孔距33 cm时流态系数随孔径增大而增大，其中，孔径1.2 mm的滴灌管流量对压力水头的变化最敏感。Φ16在孔距33 cm、50 cm时流态系数随孔径增大而增大，但其变化幅度较小；孔距100 cm时随孔径增大而减小，且孔径0.6 mm时滴头流量对压力水头的变化最敏感。

表1 Φ12和Φ16滴灌管流量公式

2.3 灌水均匀度

从图3可知，在孔径0.6 mm下，Φ16、孔距50 cm滴灌管在1.5 m水头下均匀度可达到最大值0.838，随水头增大均匀度略有降低，但均在0.8以上；Φ12滴灌管在孔距33 cm、50 cm下，灌水均匀度均较差，仅0.5～0.6，孔距增至100 cm时均匀度明显提高，达0.8左右。在孔径1.2 mm下灌水均匀度随压力水头增加有较小幅度降低，Φ12和Φ16滴灌管在0.5～1.5 m水头下，灌水均匀度较好，能保证在0.85～0.95；当水头超过1.5 m后，灌水均匀度明显下降。

3 结论

研究结果表明，孔口式低压滴灌管滴头流量均随压力水头的增大而增大，管径相同时孔径1.2 mm的流量比孔径0.6 mm的大4倍以上，相对于1.2 mm孔径，0.6 mm孔径的出流量变化更加均匀，且幅度较小；所有孔径、孔距下的滴灌管内部流态均为紊流；Φ16孔距50 cm、孔径1.2 mm滴灌管在低压滴灌中具有较好的灌水均匀度，推荐在实际灌溉中使用。