新型插入式灌水器水力特性研究

馬 麗，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，鄭利劍

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，晉中 030619)

0 引 言

地下滴灌是目前我國灌溉領(lǐng)域內(nèi)的一種新型高效節(jié)水灌溉技術(shù)，它通過地埋毛管上的滴頭將水、肥混合液緩慢而均勻地滲入周圍土壤，再借助重力及毛細(xì)管作用擴(kuò)散到整個計劃濕潤層[1]。該種灌溉方式地表水分較少，能夠有效減少地表徑流和地面蒸發(fā)損失[2,3]，抑制雜草生長[4]，提高灌溉水利用率[5,6]。但在地下滴灌系統(tǒng)中，灌水器位置和滴水點固定，不便于根據(jù)各種作物的不同種植情況調(diào)整灌水位置和深度[7,8]，且不可移動的灌溉系統(tǒng)因其投資成本高并不適用于小農(nóng)戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[9,10]。此外，地下滴灌埋在地表下，極易引起負(fù)壓吸泥等問題導(dǎo)致灌水器的堵塞[11]，同時，當(dāng)灌溉系統(tǒng)啟動時系統(tǒng)內(nèi)的氣體由滴頭排出沖蝕土壤，破壞土壤結(jié)構(gòu)。因此，如果能夠在原有地下滴灌設(shè)備的基礎(chǔ)上增加灌水器的可移動性與靈活性，解決灌水器易堵塞、維修難等問題，將大大降低滴灌系統(tǒng)的投資成本，促進(jìn)地下灌溉的推廣應(yīng)用。

針對地埋灌水器普遍存在的易堵塞、難維修等問題，本文介紹了一種新型插入式灌水器(專利申請?zhí)枺?019111597714)，該灌水器可以插入土壤，通過滴水孔將水或水肥混合液輸送至中深層土壤。因其具有可移動性，所以可根據(jù)作物的種類、種植情況調(diào)整灌水器的分布及埋入深度，提高了灌水器使用的靈活性。此外，該種灌水器還具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點。

灌水均勻度和壓力—流量關(guān)系是灌水器研制過程中的重要水力特性，其結(jié)果能為灌水器的水力設(shè)計提供依據(jù)。灌水均勻度和出流量的影響因素較多，有入口壓力、地形坡度、毛管敷設(shè)長度、灌水器間距等。本文主要研究供水壓力、灌水器間距對灌水均勻度和出流量的影響規(guī)律，為灌水器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及廣泛應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 插入式灌水器結(jié)構(gòu)及原理簡介

1.1 結(jié)構(gòu)組成

插入式灌水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1，灌水器主要由內(nèi)芯和插桿外殼兩部分組成。內(nèi)芯包括承插接頭、排(進(jìn))氣孔、進(jìn)水口、消能裝置(螺旋流道)、出水口等部件，插桿外殼上設(shè)置滴水孔，內(nèi)芯與插桿外殼通過頂部螺紋連接組成完整的灌水器。灌水時，灌水器通過承插接頭與毛管相連，實施灌溉。

1-螺旋流道支撐桿；2-螺旋流道；3-出水口；4-排(進(jìn))氣孔；5-進(jìn)水口；6-承插接頭；7-蓋子；8-螺紋；9-錐體；10-滴水孔；11-外殼體；12-導(dǎo)水豎管。圖1 插入式灌水器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of insertion subsurface emitter

1.2 工作原理

水通過毛管由進(jìn)水口5進(jìn)入導(dǎo)水豎管12，緊接著通過導(dǎo)水豎管下端的彎曲段向上流進(jìn)入螺旋流道2，并在螺旋流道內(nèi)部向上環(huán)繞流動進(jìn)行第一次消能，隨后，灌溉水從螺旋流道頂部末端垂直向上的出水口3挑射而出，完成第二次消能，消能后的水流由重力作用落入插桿外殼11內(nèi)部并從外殼壁上的滴水孔10緩慢均勻滴出，逐漸濕潤灌水器附近土壤。灌水器蓋子側(cè)壁設(shè)置排氣結(jié)構(gòu)用以破壞灌水器系統(tǒng)內(nèi)部真空，防止負(fù)壓吸泥等問題。使用時，灌水器外殼包裹的無紡布可以有效解決根系、微生物等堵塞滴水孔等問題，還可以進(jìn)一步減小水流對土壤的沖蝕力。

圖2 插入式灌水器的田間布設(shè)示意圖Fig.2 Field layout diagram of insertion subsurface emitter

田間應(yīng)用中，插入式灌水器既可以單獨連接在支管上使用，也可以與二通、四通接頭組合使用，可根據(jù)不同作物的種植及分布特點，選擇合適的灌溉組合方式。插入式灌水器可以通過調(diào)整毛管長度和灌水器間距來適應(yīng)各種不同種植特點的作物，具有較高的適用性與靈活性。灌水器具體的田間布設(shè)形式如圖2所示，插入式灌水器根據(jù)作物根系分布等特點，插入土中適宜深度，再選擇長度適宜的毛管連接灌水器與田間支管，實施根區(qū)灌溉。本灌溉系統(tǒng)中，除了灌水器不同，其余水源首部樞紐及輸配水管網(wǎng)的選擇均與滴灌系統(tǒng)一致。

2 灌水器水力性能試驗

試驗主要研究插入式灌水器在自由出流條件下，供水壓力H、灌水器間距S對灌水均勻度的影響，并且探究灌水器供水壓力與流量的關(guān)系。

2.1 試驗裝置及方案

(1)試驗裝置：試驗裝置按照《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗方法》[12]設(shè)置，主要包括供水穩(wěn)壓系統(tǒng)、測壓系統(tǒng)、灌水裝置及稱量計時裝置等。

(2)灌水均勻度試驗方案：灌水器的自由出流在室內(nèi)進(jìn)行測定。將同規(guī)格的25個插入式灌水器通過承插接頭按一定間距S依次連接到PE管進(jìn)行滴水試驗，供水壓力水頭H設(shè)6、8、10、12、14、16 m六個水平，灌水器間距S設(shè)置20、30、40、50、60 cm五個水平，在此條件下進(jìn)行單因素試驗。試驗設(shè)計如表1，各試驗組依次進(jìn)行出流試驗，稱量水重并計時，每種工況下重復(fù)測量3次取平均為最終流量值，利用式(1)、(2)計算不同工況下的灌水均勻度。

表1 試驗設(shè)計表Tab.1 Test design table

(3)壓力-流量試驗方案：試驗裝置同灌水均勻度試驗。試驗方案為：從統(tǒng)一規(guī)格的25個灌水器中隨機(jī)選出11個并編號(1～11)，在灌水器間隔分別為20、30、40、50、60 cm的條件下進(jìn)行單因素滴水試驗，測量單位時間內(nèi)的出流量，每種工況重復(fù)3次取其平均值，即為灌水器在該供水壓力及間距條件下的流量值。

2.2 灌水均勻度計算

灌水均勻度反映了系統(tǒng)內(nèi)每個滴頭流量偏離平均流量的程度[13,14]，它是衡量滴灌系統(tǒng)灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)。灌水均勻系數(shù)按如下公式計算[15]：

(1)

(2)

2.3 壓力-流量關(guān)系

2.3.1 壓力流量關(guān)系

灌水器壓力-流量關(guān)系是灌水器的重要特性之一，在一定壓力范圍內(nèi)[16]，灌水器壓力水頭和流量的關(guān)系可由下式表示：

q=kHx

(3)

式中：q為灌水器的流量，L/h；k為流量系數(shù)；H為工作壓力水頭，m；x為流態(tài)指數(shù)。

流態(tài)指數(shù)x反映了灌水器流量對壓力變化的敏感程度，當(dāng)流態(tài)指數(shù)大于0.5時，灌水器內(nèi)水流狀態(tài)為紊流，灌水器屬非壓力補(bǔ)償器；當(dāng)流態(tài)指數(shù)x=0～0.5時，灌水器為壓力補(bǔ)償器，其出流量受壓力變化的影響較小[17]。

2.3.2 評價指標(biāo)

以實測值為標(biāo)準(zhǔn)，采用平均誤差(AE)、平均相對誤差(ARE)和均方根誤差(RMSE)3種指標(biāo)評價壓力—流量擬合公式計算結(jié)果的優(yōu)劣：

(4)

(5)

(6)

式中：si為壓力-流量擬合公式計算值，L/h；qi為實測流量值,L/h；n為實測流量值個數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力對灌水均勻度的影響

表2為供水壓力對灌水均勻度影響的方差分析，從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)灌水器間距一定時，在95%置信度下，供水壓力對灌水器均勻度影響較顯著(p<0.05)。

表2 供水壓力對灌水均勻度影響的方差分析Tab.2 Analysis of variance of influence of water supply pressure on irrigation uniformity

圖3為灌水器間距20～60 cm時，灌水均勻度隨供水壓力的變化情況。由圖3可知，各供水壓力條件下的灌水均勻度均大于92.5%，滿足微灌工程技術(shù)規(guī)范要求[8]。當(dāng)灌水器間距一定時，灌水均勻度隨著供水壓力的增大而提高，但是其均勻度增加幅度較??；不同灌水器間距條件下(S=20、30、40、50、60 cm)，供水壓力從6 m增加到16 m，灌水均勻度增幅分別為0.27%、0.37%、0.28%、0.47%和0.33%，表明供水壓力對灌水均勻度的影響較小，這是因為雖然供水壓力的增大提高了灌溉質(zhì)量，但隨著壓力的增加，灌水器出流量增大造成管道水頭損失變大，從而降低灌水均勻度，這二者產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，最終表現(xiàn)為壓力變化對灌水均勻度影響較小[18]。圖3中還可以反映出，間距S越小，其灌水均勻度曲線在圖上的位置越靠上，即灌水均勻度越高，表明灌水器間距越小，支管的敷設(shè)長度也相應(yīng)較短，水流的沿程水頭損失較低，進(jìn)而使灌水均勻度較高。

因此，插入式灌水器通過增大供水壓力來提高灌水均勻度的做法是不經(jīng)濟(jì)的，這種做法不僅不能有效地提高灌水均勻度，而且還增加了滴灌系統(tǒng)的動力費用。故在本試驗間距范圍內(nèi)，可適當(dāng)降低灌溉系統(tǒng)的供水壓力，減小灌水器的出流量，不僅有利于作物對水分的吸收[19]，而且還可以降低灌溉系統(tǒng)的運行費用。

圖3 供水壓力對插入式灌水器灌水均勻度的影響Fig.3 The influence of water supply pressure on the irrigation uniformity

3.2 灌水器間隔對灌水均勻度的影響

表3為灌水器間隔對灌水均勻度影響的方差分析，結(jié)果表明，當(dāng)供水壓力一定時，灌水器間隔S對灌水均勻度的影響較為顯著(p<0.05)。

表3 灌水器間隔對灌水均勻度影響的方差分析Tab.3 Analysis of variance of influence of emitter spacing on irrigation uniformity

圖4是在供水壓力為8～14 m條件下，灌水均勻度與灌水器間距S的關(guān)系。從圖4看出，各水平下灌水均勻度均大于92.5%，高于微灌工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定的80%；供水壓力一定時，灌水均勻度隨灌水器間距的增大呈下降趨勢。由圖4可知，當(dāng)間距S=20～30 cm時，均勻度和間距的曲線斜率較大，在S=30～60 cm時曲線斜率較平緩，表明灌水器間距在20～30 cm范圍內(nèi)，灌水均勻度對間距變化的敏感性更大。不同供水壓力條件下(H=8～14 m)，間距從20 cm增加到60 cm，灌水均勻度分別降低1.22%、1.24%、1.16%和1.24%，這是因為在保證其他條件不變下，隨著灌水器間距的增大，通過毛管連接灌水器的支管長度不斷增加，灌水管道系統(tǒng)內(nèi)的水頭損失增大，影響了單個灌水器的出流量，進(jìn)而導(dǎo)致灌水均勻性降低。因此，在灌水器個數(shù)一定時，結(jié)合作物種植間距、灌水要求，盡量選擇較小間距，以減小支管長度，提高灌水效果[19]。

圖4 灌水器間距對插入式灌水器灌水均勻度的影響Fig.4 The influence of emitter spacing on the irrigation uniformity

3.3 壓力-流量關(guān)系

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備滴頭和滴灌管技術(shù)規(guī)范和實驗方法[11]，分別對不同灌水器間隔下的壓力—流量關(guān)系進(jìn)行擬合，分析間距為20～60 cm條件下插入式灌水器的平均流量與供水壓力的對應(yīng)關(guān)系(表4)。由表4可知，插入式灌水器在不同間隔條件下，供水壓力與出流量呈冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)間隔S=20～60 cm時，壓力—流量擬合公式的決定系數(shù)依次為0.987 2、0.998 2、0.995 3、0.996 5、0.991 5，均大于0.98，故擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。間隔S=20～60 cm時，擬合公式的流態(tài)指數(shù)分別為0.711、0.702、0.675、0.685、0.671，除S=50 cm外，其余均表現(xiàn)為流態(tài)指數(shù)隨間距的增大而減小。此外，各工況下的流態(tài)指數(shù)均大于0.5，故該灌水器為非壓力補(bǔ)償器[20,21]，灌水器流量對工作壓力變化的敏感性較大。灌水器間隔S=20～60 cm時流量系數(shù)分別為0.394、0.404、0.424、0.415、0.429，表明壓力與流量呈正相關(guān)，且當(dāng)間距S=20、30、40、60 cm時，呈現(xiàn)流量系數(shù)隨著間距S增大而增大的趨勢。

圖5為各灌水器間隔水平下，插入式灌水器的驗證流量數(shù)據(jù)與擬合公式計算值的擬合情況。從圖5中可以看出驗證數(shù)據(jù)點與曲線的擬合效果較好，為了定量分析擬合公式的擬合效果，表4列出了應(yīng)用擬合公式得出的計算流量值與實測流量值之間的誤差，由表可知在不同間距條件下，實測值與計算值的平均誤差、相對平均誤差、均方誤差均較小，進(jìn)一步表明了用表4所示公式進(jìn)行擬合能夠取得較精確的結(jié)果。因此，在灌水器間距20～60 cm、供水壓力水頭6～16 m條件下，可以運用表4中的擬合公式對灌水器出流量進(jìn)行估算。

4 結(jié) 論

(1)插入式灌水器以其獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了灌水器的可移動性和靈活性，解決了常見地下灌水器吸泥及沖蝕土壤、維修困難等問題，核心部件分離的結(jié)構(gòu)特點提高了灌水器的重復(fù)利用率和適用性。

表4 插入式灌水器壓力與流量模型擬合情況Tab.4 The situation of model to fit the relationship of pressure and flow of the insertion subsurface emitter

(2)在本試驗各工況條件下(S=20～60 cm、H=6～16 m)，灌水均勻度均大于92.5%，滿足微灌技術(shù)規(guī)范要求，表明插入式灌水器的灌水質(zhì)量較好。當(dāng)灌水器間距一定時，供水壓力對灌水均勻度的影響較小。因此，通過增大供水壓力來提高插入式灌水器灌水均勻度的做法是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)供水壓力一定時，灌水均勻度隨灌水器間距S的增大而降低，且間距在20～30 cm的范圍內(nèi)，灌水均勻度對間距的變化更敏感些。因此，在灌水器布設(shè)時，應(yīng)將作物種植間距、系統(tǒng)造價以及間距對均勻度的影響等多種因素綜合考慮來確定灌水器間距。

(3)在供水壓力水頭H=6～16 m范圍內(nèi)，插入式灌水器的出流量和供水壓力呈正相關(guān)，其關(guān)系符合q=kHx，當(dāng)灌水器間距S=20～60 cm時，流量系數(shù)k=0.394～0.429，流態(tài)指數(shù)x=0. 671～0.711，壓力流量擬合公式的流態(tài)指數(shù)均大于0.5，灌水器出流量受壓力影響較大。