一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性.pdf

年 月 第 卷 第 期 王海涛一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性王海涛，何青海，王建东，仇学峰，王传娟，孟宪武（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 ；中国农业大学水利与土木工程学院，北京 ；山东省农业机械科学研究院，山东 济南 ；山东长江节水灌溉科技有限公司，山东 莱芜 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：山东省农业科学院农业科技创新工程项目（）；中国农业科学院科技创新工程项目（）第一作者简介：王海涛（），男，河北衡水人，博士研究生（），主要从事农业水肥一体化设备研究通信作者简介：王建东（），男，湖南茶陵人，研究员（），主要从事节水灌溉原理与技术、节水灌溉装备研究摘要：针对一种地下滴灌灌水器（种流量规格），探究了其在不同工作压力下（）自由出流的水力性能和在额定工况下（）不同埋深（，）时的入渗特性 结果表明：该地下滴灌灌水器压力与流量的关系符合指数型函数，类属非压力补偿式灌水器类型 该地下滴灌灌水器制造偏差在特定压力下的表征值随工作压力增加有降低趋势，而对于低压工况下滴灌系统灌水均匀度的影响更为明显；当埋入地下时，其湿润体形状呈现椭球体或近似球体，在相同埋深下，灌水器流量规格越小，在等时间内形成的湿润体也就越小；当灌水完成达到相同灌水量时，小流量规格灌水器的湿润体反而更大 在相同流量规格下，灌水器埋深越深，越不利于湿润锋运移，等时间内形成的湿润体越小；其水分运移在多个方向上的扩散距离与时间均呈幂函数，水分在水平方向运移最快；随着灌水器流量规格增大，水分运移方向随时间增长逐渐由向下占优转为向上占优关键词：地下滴灌；灌水器；制造偏差；水力性能；入渗特性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：王海涛，何青海，王建东，等 一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性 排灌机械工程学报，（）：，（），（）：（），（，；，；，；，）：（），（），（），（），排灌机械工程学报第 卷 ，：；地下滴灌技术与地表滴灌相比，减少了土壤表层水分的无效蒸发，使其水分与肥料利用效率得到显著提高 ，且在播种、除草及收获时更加便于农艺技术实现机械化，降低了劳动成本和管理运维成本 ，适合多年使用 然而，长期以来，地下滴灌相比地表滴灌推广应用的面积依然较小，这与地下滴灌灌水器存在的根系入侵堵塞 、负压吸泥堵塞 等问题相关 有研究 指出，在灌水器生产材料中添加有氟乐灵或向灌溉系统施加氟乐灵可基本消除根系入侵堵塞 ，但生态环保压力使得这项技术很难应用 国攀等 针对负压吸泥问题，研究分析了土壤类型、单次灌水量、灌溉次数、灌水器类型、保水剂和灌水间隔等多个因素对灌水器负压吸泥的影响规律，为指导地下滴灌抗负压吸泥堵塞提供了技术参考 与此同时，一些专用于地下滴灌的灌水器被研制，例如痕量灌水器 、陶瓷灌水器 、插入式根部灌水器 及渗灌管 等，这些地下滴灌灌水器由于优化方向存在差异，出现了工程造价高和施工难度大等问题，且一些地下滴灌灌水器根系入侵和负压吸泥堵塞问题仍未被有效解决山东某公司研发了一种地下滴灌灌水器，其采用了新颖的外包灌水器和出水导流设计思路，相比现有一些地下滴灌专用灌水器而言，具有投入成本低和便于施工等优势，目前在果树、大田、玉米、小麦及温室蔬菜大棚上得到一定面积的应用，从目前的应用效果看，并没有出现根系入侵和负压吸泥等问题 然而，该地下滴灌灌水器缺乏在水力性能与地埋入渗特性等理论层面上的研究，在一定程度上阻碍了地下滴灌专用灌水器设计技术的优化与产品更新迭代，也可能会对该地下滴灌灌水器的进一步推广应用产生不利影响借鉴前人在灌水器水力性能 与地埋入渗特征 方面的研究方法，以该地下滴灌灌水器 为研究对象，重点针对该灌水器在自由出流时的水力性能与地埋入渗特性开展室内试验研究 以期相关研究成果能为地下滴灌专用灌水器的设计优化与高效利用提供理论参考 材料与方法 地下滴灌灌水器结构与原理试验用地下滴灌灌水器为山东某公司设计生产，实物结构装配图如图 所示，主要由外镶导流器和内嵌灌水器构成图 试验用地下滴灌灌水器实物结构装配剖解图 外镶导流器嵌在滴灌管外壁，图 展示了外镶导流器安装闭合前后的状态；内嵌灌水器则镶在滴灌管内壁，图 展示了研究中所选用 种流量规格 第 期王海涛，等一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性的内嵌灌水器，其流量分别为 ，种流量内嵌灌水器内部流道关键结构参数见表 ，表中 ，分别为流道的宽、深、长、断面面积表 种流量内嵌灌水器内部流道关键结构参数表 额定流量规格 图 为该地下灌水器的内部原理结构示意图图 地下灌水器内部原理结构示意图 该地下灌水器总的设计思想是在原有内镶圆柱滴灌管基础上，借助外镶导流器隔绝了泥沙与根系对圆柱滴灌灌水器流道的入侵，极大程度提高了灌水器的抗堵性能 其具体内部结构及流动原理：外镶导流器与内嵌灌水器固定在滴灌管同一个相对位置，其中外镶导流器通过导流器稳钉和导流器钉孔卡接在滴灌管上，使得导流器进水槽、滴灌管出水孔和灌水器出水槽相对应；按照水流运动方向，首先滴灌管内水流依次经过内嵌灌水器进口栅栏、灌水器迷宫流道、灌水器出水槽，至此完成内嵌灌水器部分的水流运动；然后，水流从灌水器出水槽，通过滴灌管出水孔，完成滴灌管的出水工作；最后，水流从滴灌管出水孔依次通过导流器出水槽、导流器流道、导流器出水槽，实现地下滴灌灌水器出水 测试装置试验在中国农业科学院寿阳旱地农业重点野外科学观测试验站进行，该地下滴灌灌水器水力性能与地下滴灌入渗性能测试平台如图 所示，主要部件包括水箱（体积 ）、潜水泵（额定扬程 ，额定流量 ）、压力表（量程 ）、网式过滤器（滤孔直径 ）、移动管式槽（直径 ）、等腰直角三棱柱状土柱（），以及平台框架和阀门管件等 该平台设计采用清水循环测试系统（生活用水），按照水源流动方向，依次连接潜水泵、网式过滤器、回水阀（系统泄压用）、调压阀（调节系统工作压力）、压力表及支管 支管一侧连接地下滴灌灌水器自由出流测试模块，将 根地下滴灌管并联在支管上，各个灌水器下放置带量筒的移动管式槽，通过重量法测取各个灌水器的流量；支管另一侧连接地埋入渗测试模块，将 根地埋管埋入透明土柱中，通过观测湿润峰变化以实现地埋入渗特征的研究图 灌水器水力性能与地埋入渗综合测试平台 试验方法 水力性能指标测试基于灌水器综合测试平台中自由出流测试模块，选取 种流量规格（，和 ）的等间距（）的地下滴灌管（管内镶图 所示灌水器）通过调压阀调节系统压力，对系统压力分别为 ，时灌水器的出水流量进行测试，每种流量规格均布置 条地下滴灌管（每条滴灌管带 个灌水器，共计 个灌水器），每次测试时间为 ，试验重复 次）灌水器制造偏差及特定压力下表征值 灌水器制造偏差系数 反映了灌水器因材料注入或生产工艺偏差等因素而导致灌水器流量产生偏差的程度，通常为额定压力 下测试所得 但随着低压灌溉系统的应用与普及，额定工况下所测的 排灌机械工程学报第 卷制造偏差系数不能真实反映低压工况下制造偏差对灌水器均匀系数 的影响 为了分析不同测试压力下灌水器制造偏差对系统灌水均匀度的影响，引入“灌水器制造偏差特定压力下表征值（）”概念 基于某个特定压力，根据国家现行标准 农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法（），由下式计算得到，即 ，（）式中：为地下滴灌管的流量标准偏差，；为地下滴灌管上各个灌水器实测流量的平均值，（）槡，（），（）式中：为地下滴灌管上各个灌水器的实测流量，；为地下滴灌管上灌水器的总数）灌水器均匀系数 与流态指数 灌水器均匀系数即灌水器的克里斯琴森均匀系数 ，反映了整个灌溉系统在运行时灌水器之间产生的流量偏差程度，计算式为 （）对应所有压力点测试完毕后，灌水器分别在低压范围（）和常压范围（）进行流量与压力关系的拟合，采用乘幂函数形式进行回归拟合分析，进而得到低压范围和常压范围下的压力 流量关系和相应流态指数 ，即，（）式中：为地下滴灌灌水器的工作压力，；为地下滴灌灌水器的流量系数；为地下滴灌灌水器的流态指数 地埋入渗特性测试基于灌水器综合测试平台中的地埋入渗测试模块，取山西寿阳当地的土作为供试土壤 土壤颗粒组成用激光粒度分析仪（型）测定，粒径为（，（，（，的占比分别为 ，和 ；土壤体积田间持水量为 ，土壤体积饱和含水率为 试验用土依次经过风干、碾压、过筛（）等操作，此时供试土壤体积含水率约为 ；再通过控制试验土壤容重为 ，按照设计体积将供试土壤分层装入土柱中，每 为 层，每层之间进行打毛，使层间土壤紧密结合，以降低湿润峰分层的发生试验所选灌水器流量规格为 个水平（，），埋深共设计 个水平（和 ）为便于观察与分析湿润峰特征，相同埋深下灌水器采取等量灌水 通过预试验确定了能保证完整湿润峰呈现在土柱中的灌水量，即埋深为 的灌水器灌水量均设定为 ，埋深为 的灌水器灌水量均设定为 分别将不同流量规格的灌水器埋于土柱的 个斜角处，通过定点拍照方式记录不同埋深下各规格灌水器湿润峰（湿润球体），最后通过软件 将湿润峰描绘出来 具体试验设计见表，表中 ，分别为埋深、额定流量、灌水量、记录时刻表 地埋入渗试验设计表 （），试验结果与讨论 自由出流时的水力性能 流量均匀度为便于研究，试验将 组重复试验作为一个微型灌溉系统，以表征灌水器的灌水均匀度情况 图 为不同工作压力下，种流量规格地下滴灌灌水器 和 的变化情况 随着工作压力（）增加，各规格灌水器的制造偏差特定压力表征值均有降低趋势，这与马晓鹏等 的研究结果存在类似的现象 根据国家现行标准（），试样灌水器流量变异系数 不应大于 ，从图 中可以看出，规格 和 的地下滴灌管均达到国家推荐标准，而规格 的制造偏差约为 ，远高出标准 倍以上 在克里斯琴森均匀系数 上，不同流量规格灌水器均能满足 微灌工程技术标准（），即以地下滴 第 期王海涛，等一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性灌灌水器所建立的滴灌系统均匀系数 高于 ，但 规格的地下滴灌管的 接近灌溉工程技术要求的最低标准，在使用一段时间后存在极大水肥不均的系统风险（低于 为系统危险区）此外，通过对比图 与 ，发现地下滴灌灌水器的制造偏差特定压力下表征值越低，其相应的克里斯琴森均匀系数也越高，同时在不同工况范围内，制造偏差特定压力下表征值对流量均匀性的影响也存在明显差异，具体表现为低压范围时流量均匀度更易受到灌水器制造偏差的影响注：色带为样本数据拟合的 置信区间图 不同工作系统压力下 种流量规格滴灌灌水器 和 变化规律 压力与流量关系压力与流量的关系可以反映灌水器自身水力性能的特征规律 种流量规格下地下滴灌灌水器的流量 压力关系曲线如图 所示 从图可以看出，随着工作压力增大，地下滴灌灌水器流量也相应增加，规格为 ，的地下滴灌管的流量范围分别为 ，和 ；种规格地下滴灌管在 下所测流量分别为 ，和 ，与厂家给出的额定流量相比分别降低 ，和 按照标准 ，实际平均流量相对于额定流量的偏差不应大于 ，显然 种流量规格都未达到标准推荐偏差值，规格 和 的灌水器在推荐偏差值附近，而小流量规格（）地下滴灌管已远超出国家标准，这可能是由于外镶导流器内部的流道增加了局部水力损失，从而导致地下滴灌管出水流量降低，而小流量规格地下滴灌管对外镶导流器的增设更为敏感，其降幅更大 因此，厂家在出厂时应严格按照相关标准对额定流量与流量 压力特征曲线进行测定、标识图 不同工作压力下 种流量规格地下滴灌灌水器流量 压力特征曲线 为进一步明晰地下滴灌灌水器的压力与流量的定量关系，按照公式（）拟合了 种流量规格下地下滴灌灌水器在低压（）和总压（）工况下的流量 压力关系曲线，其 拟合曲线系数表见表 表 种流量规格滴灌灌水器 拟合曲线系数表 （）从表 可以看出，各压力工作范围下 种规格地下滴灌管拟合曲线 均为 ，这表明拟合出的流量系数与流态指数具有极高的可靠性 种规格地下滴灌管流态指数为 ，类属非压力补偿紊流型灌水器 在测定低压与总压范围内，随着流量规格增大，流量系数出现明显上升趋势，而流态指数则呈现出缓慢的降低趋势 在低压工况下，大、中流量规格灌水器的流量系数与流态指数较总压时更小，而小流量规格灌水器则表现为相反的结果 一般而言，流态指数越小，灌水器出流量对压力变化的敏感性就越弱 ，同时意味着流态指数较小的地下滴灌管具有更长的铺设距离或对地面坡度 排灌机械工程学报第 卷有更好的适应性 因此，不同流量规格的地下滴灌灌水器存在各自更优的使用工况，即小流量规格（）滴灌管更适用于常压系统下地面平整的农业工程，中等流量规格（）和大流量规格（）地下滴灌灌水器则更适用于低压或有轻微坡段的地面 供水时地埋入渗特性 土壤湿润体特征为观察该地下灌水器地埋后湿润锋运移及湿润体的变化特征，研究中采用等灌溉量法，探究不同埋深和不同流量规格下湿润锋随运移时间的变化特征 图 为 种流量规格灌水器在 种埋深（：灌水量 ；：灌水量 ）下湿润锋变化特征，和 分别为水平、垂直湿润锋距离；图中每层对应表 中不同时刻的土壤湿润锋，从原点位置沿坐标轴向外扩散 从图可以观测到不同试验水平下灌水器形成的湿润体形状均为椭球体或近似球体，与地下竖管灌 和间接地下滴灌 产生的湿润体形状并无明显差异 在相同埋深下，灌水器流量规格越大，在等时间内（如 时）形成的湿润体也就越大，这是由于短时间内地埋周围土壤未达到土壤水分饱和，当提高灌水器流量规格时，灌水器出水量就会增大，在土壤毛细管作用下，其湿润体扩散相对较快；但当灌水完成后，即达到相同灌水量时，小流量规格灌水器的湿润体反而越大，这很可能是由于大流量规格灌水器出水量大，使得灌水器周围土壤达到饱和状态，进而造成了地埋位置出现积水现象，最终在灌水器出水口形成正压，影响了灌水器出流 在相同流量规格下，灌水器埋深越深，越不利于湿润锋运移 ，例如 种流量规格灌水器在 时埋深 的湿润体小于埋深 的，这说明随着灌水器埋深深度增加，相同流量规格灌水器的运移距离和速率在 个运移方向会受到抑制，因而在等时间内形成的湿润体越小，而湿润体的大小会直接影响到种子发芽率 有研究 表明，在保证既定灌溉量不变的情况下，通过开沟播种方式缩短了种子与地下灌水器的相对位置，使得种子处于湿润体的最佳位置，从而提高了种子的发芽率 综上说明，该地下滴灌灌水器的深埋和流量规格均是影响湿润体形成的关键因素；掌握湿润体形状和变化规律，对苗期种子萌发和作物关键期补水补肥至关重要，是提高地下滴灌系统水肥利用效率的前提保障图 种流量规格灌水器在 种埋深下湿润锋变化特征 土壤水分运移规律为进一步量化土壤水分运移规律，绘制了湿润锋在垂直向上、垂直向下与水平方向上运移距离 随时间 的变化规律，并对数据进行了拟合，如图 所示 从图可以看出，不论何种埋深或流量规格，水分在 个方向上的扩散距离与时间均呈幂函数，这与其他地下灌水器规律相似 ，其决定系数 在 以上，具有较高拟合度，幂函数的导数及曲线斜率可表征其水分运移速率 在 种埋深条件下，水平移动始终占据主导地位，这一方面是由于导流器出水槽（见图 ）水平放置使得水平方向首先受到基质势的作用，而另一方面可能由于土柱壁面会造成水平压力势的反作用力而加速水分在水平方向移动；同时，随着灌水器流量规格增大，水分运移方向会随时间延长而逐渐由向下占优转为向上占优 造成这种现象的主要原因是由于小流量灌水器出水量小，其水分运动驱动力主要来源于基质势和重力，因而更易向下运动；而大流量灌水器由于出水量大，易形成积水，造成埋设位置以下的土壤快速形成水分饱和圈，从而降低了埋设位置下方的基质势，使得土壤吸水能力减弱，土壤水分运动也就越 第 期王海涛，等一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性慢 此外，当土壤达到水分饱和，还可能受到上方土重量的影响而导致埋设位置以下土壤容重变大有研究 表明容重越大越不利于水分运移，此时水驱动力主要以水压力势为主，而这种水压势更易向铺设位置以上的低容重土壤方向扩散 当灌水器埋深加深时，可通过选用大流量规格灌水器充分发挥其水分向上移动的特点，以保证作物种子萌发与苗期水肥供应图 种流量规格灌水器在 种埋深下水分移动距离随时间的变化特征 结论针对 种流量规格的地下滴灌灌水器，开展了在自由出流时水力性能与地下入渗时湿润锋与水分运移情况下的试验研究，得到了如下主要结论：）在自由出流研究中，随着工作压力的增加，种流量规格的地下滴灌灌水器制造偏差特定压力下表征值有降低趋势，同时地下滴灌灌水器制造偏差会影响滴灌系统的克里斯琴森均匀系数，尤其对低压灌溉系统（）的灌水均匀系数影响更为明显 地下滴灌灌水器压力与流量的关系与传统灌水器相同，均符合指数型函数，其流态指数接近于 ，属非压力补偿式灌水器类型）在地下灌水器埋入地下时，其湿润体形状呈现椭球体或近似球体，深埋和流量规格均会影响湿润体的形成 在相同埋深下，灌水器流量规格越小，在等时间内形成的湿润体也越小，但当灌水完成达到相同灌水量时，小流量规格灌水器的湿润体反而越大 在相同流量规格下，灌水器埋深越深，越不利于湿润锋运移，等时间内形成的湿润体越小）地下滴灌灌水器的水分运移在水平、垂直向上和垂直向下这 个方向上的扩散距离与时间均呈幂函数，水分在水平方向运移最快；而随着灌水器流量规格增大，水分运移方向会随时间延长而逐渐由向下占优转为向上占优参考文献（），？，（）：要家威，齐永青，李怀辉，等 地下滴灌技术节水潜力及机理研究进展 中国生态农业学报（中英文），（）：，：，（）：（）王荣莲，龚时宏，于健，等 地下滴灌抗根系入侵堵塞的研究进展 节水灌溉，（）：，（）：，（）李道西，罗金耀 地下滴灌技术的研究及其进展 排灌机械工程学报第 卷中国农村水利水电，（）：，（）：（）王荣莲，龚时宏，王建东，等 地下滴灌抗负压堵塞的试验研究 灌溉排水学报，（）：，（），（）：（），：，（）：，（）：于颖多 地下滴灌施药调控根系分布防止灌水器堵塞研究 北京：中国水利水电科学研究院，王荣莲，龚时宏，于健，等 地下滴灌系统施加氟乐灵对缓解根系入侵滴头的试验研究 节水灌溉，（）：，（）：，（）国攀，张毅杰，宋时雨，等 地下滴灌灌水器负压吸泥影响因素试验研究 灌溉排水学报，（）：，（）：（）杨彬，赵月芬，陈晏育，等 痕灌带地埋下水力特性 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）蔡耀辉，吴普特，朱德兰，等 硅藻土微孔陶瓷灌水器制备工艺优化 农业工程学报，（）：，（）：（）马丽，孙西欢，马娟娟，等 新型插入式灌水器水力特性研究 节水灌溉，（）：，（）：（）王霞玲一种新型灌水器渗灌管出水均匀度试验 毛细透排水带 节水灌溉，（）：，（）：，（）于珍珍，李海亮，汪春，等 地下固定式渗灌系统的设计 农机化研究，（）：，（）：，（）白丹，宋立勋，王晓愚，等 地下滴灌灌水器流量和压力关系的试验 农业机械学报，（）：，（）：（）仵峰，李王成，李金山，等 地下滴灌灌水器水力性能试验研究 农业工程学报，（）：，（）：（）王晓愚，白丹，李占斌，等 地下滴灌灌水器水力要素试验研究 农业工程学报，（）：，（）：（）白丹，何靖，郭霖，等 地下灌竖管灌水器直径压力对土壤水入渗特性的影响 农业工程学报，（）：，（）：（）第 期王海涛，等一种地下滴灌灌水器水力性能及入渗特性 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