滴灌系統(tǒng)毛管單/雙向供水方式對(duì)灌水和施肥均勻性的影響

張志昊，王 珍，栗巖峰，李久生

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100048）

1 研究背景

微灌技術(shù)自1970年代初期引入中國以來，已得到規(guī)?；茝V應(yīng)用。近年來，為降低日益增加的運(yùn)行管理成本，單個(gè)滴灌系統(tǒng)控制面積呈增大趨勢［1］。如何在考慮節(jié)約系統(tǒng)投資及運(yùn)行成本的條件下增加單水源控制面積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)田間壓力均衡，滿足滴灌系統(tǒng)灌水均勻性的需求，是滴灌系統(tǒng)水力學(xué)設(shè)計(jì)亟待解決的問題［2］。灌水小區(qū)是滴灌系統(tǒng)水力計(jì)算的基礎(chǔ)單元，小區(qū)內(nèi)毛管與支管水力計(jì)算及性能優(yōu)化一直是滴灌系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)關(guān)注的熱點(diǎn)。眾多研究者以灌水均勻系數(shù)為目標(biāo)，給出了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為滴灌系統(tǒng)性能的提升提供了理論支撐［3～7］。但是，受田間地形和地面坡度等影響，滴灌條件下管網(wǎng)布置形式優(yōu)化對(duì)提高系統(tǒng)控制規(guī)模及灌水均勻性仍至關(guān)重要［8-9］。在考慮系統(tǒng)運(yùn)行成本的基礎(chǔ)上，Waller 等［10］提出了滴灌系統(tǒng)毛管雙向供水模式，將每個(gè)灌溉單元毛管首端和末端分別與一根支管相連，兩根支管均與干管相連，實(shí)現(xiàn)灌溉單元中毛管的雙向供水，促進(jìn)系統(tǒng)毛管壓力均衡，進(jìn)而提升系統(tǒng)性能?；谠撃Ｊ?，在滿足滴灌系統(tǒng)灌溉單元灌水均勻系數(shù)要求的前提下，滴灌毛管長度可以達(dá)到200 m，單個(gè)灌溉單元控制面積可以達(dá)到2 hm2，較單向供水提高1 倍左右。類似地，王劍［11］利用有限元方法，對(duì)比評(píng)價(jià)了支管樹狀布置和環(huán)狀布置條件下滴灌系統(tǒng)水力性能，發(fā)現(xiàn)支管環(huán)狀管網(wǎng)布置條件下的均勻系數(shù)高于樹狀管網(wǎng)，毛管鋪設(shè)長度可達(dá)120 m 以上，比樹狀管網(wǎng)布置長約50%。以上研究為規(guī)?；喂嘞到y(tǒng)均勻性提升提出了新的思路，但以往有關(guān)毛管雙向供水或其他管網(wǎng)布置形式的研究大都基于理論計(jì)算，亟待開展毛管雙向供水對(duì)系統(tǒng)水力性能及灌水均勻性的田間評(píng)價(jià)研究。

除灌水均勻性外，施肥均勻性也是滴灌系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，在滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中一直備受關(guān)注。受施肥裝置性能和施肥運(yùn)行管理參數(shù)的共同影響，施肥過程中肥液濃度在系統(tǒng)中的波動(dòng)易造成施肥均勻性低于灌水均勻性，灌水和施肥的不一致特征已得到研究者注意［12-13］。Li 等［14］通過田間試驗(yàn)評(píng)估了不同施肥裝置類型對(duì)灌水和施肥均勻性的影響，結(jié)果指出壓差式施肥罐施肥條件下肥料分布變差系數(shù)約是水量分布變差系數(shù)的2 倍，建議通過降低肥液濃度波動(dòng)的方式提高施肥均勻性。范軍亮等［15］對(duì)比了施肥罐不同壓差對(duì)灌水和施肥均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)盡量降低壓差、延長系統(tǒng)施肥時(shí)間可以提高施肥均勻性。近年來，滴灌系統(tǒng)布置形式對(duì)灌水和施肥均勻性的綜合影響開始得到研究者關(guān)注。Do 等［16］研究發(fā)現(xiàn)施肥量在系統(tǒng)管網(wǎng)中隨距施肥點(diǎn)距離增加呈現(xiàn)下降趨勢。Fan 等［17］在72 m×7 m 地塊上對(duì)比了兩種毛管布置形式對(duì)灌水和施肥均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)橫向供水（1 根72 m 長支管、72 根7 m 長毛管、毛管間距1 m）較縱向供水（1 根7 m 長支管、7 根72 m 長毛管、毛管間距1 m）可以有效提高系統(tǒng)施肥均勻性。Tang 等［18］在40 m×7 m 地塊上評(píng)價(jià)了3 種支管布置形式（橫向一端供水（M1），1 根7 m 長支管、7 根40 m 長毛管、毛管間距1 m；橫向兩端供水（M2），2 根7 m 長支管+1 根40 m 長支管、14 根20 m 長毛管、毛管間距1 m；縱向供水（M3），1 根40 m 長支管、40 根7 m 長毛管、毛管間距1 m）對(duì)施肥均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)采用M2 布置形式時(shí)，灌水小區(qū)施肥均勻性最高。以上研究為了解灌水小區(qū)管網(wǎng)布置形式對(duì)施肥均勻性的影響提供了參考，但是研究對(duì)象多限于小型溫室滴灌系統(tǒng)，規(guī)?；喂嘞到y(tǒng)中毛管和支管布置形式對(duì)灌水和施肥均勻性的影響研究亟待開展。

本研究通過田間試驗(yàn)評(píng)估毛管單向供水和雙向供水條件下毛管長度及毛管首部壓力對(duì)灌水和施肥均勻性及其一致性的影響，以期為規(guī)?；喂嘞到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取單翼迷宮式滴灌帶進(jìn)行試驗(yàn)，滴灌帶參數(shù)信息如表1 所示。試驗(yàn)開始前，按照ASAE 標(biāo)準(zhǔn)［19］測定灌水器流量-壓力關(guān)系和制造偏差，每種灌水器測定11 個(gè)壓力點(diǎn)（0.05 ～0.15 MPa，間隔0.01 MPa），灌水器流量-壓力關(guān)系和制造偏差（CVm，%）計(jì)算分別如式（1）和（2）表示，計(jì)算結(jié)果列于表1。

式中：q 為灌水器流量，L/h；h 為工作壓力，MPa；k 為灌水器流量系數(shù)；x 為灌水器流態(tài)指數(shù)。

式中：Sq為灌水器流量的標(biāo)準(zhǔn)差，L/h； qˉ為灌水器平均流量，L/h。

表1 試驗(yàn)用滴灌帶參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)置毛管供水方式、毛管長度和毛管首部壓力3 個(gè)因素。其中，毛管供水方式設(shè)置單向供水（A1）和雙向供水（A2）（圖1）；毛管長度（L）設(shè)置70（L1）、100（L2）和130 m（L3）3 個(gè)水平；毛管首部壓力設(shè)置0.02（P2）、0.04（P4）、0.06（P6）、0.08（P8）和0.1 MPa（P10）5 個(gè)水平。試驗(yàn)按照完全組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，共計(jì)30 個(gè)處理。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置及運(yùn)行方案試驗(yàn)在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗(yàn)基地長50 m、寬40 m 的地塊上進(jìn)行。為避免田面高差對(duì)試驗(yàn)造成影響，系統(tǒng)布設(shè)前按照田面高差＜5 cm 的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地塊進(jìn)行平整。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖2 所示。水源采用深井地下水，經(jīng)深井潛水泵加壓注入蓄水池。試驗(yàn)系統(tǒng)包含蓄水池（62.5 m3）、加壓潛水泵（額定流量15 m3/h，揚(yáng)程30 m）、主管道（Φ50 PVC）、疊片過濾器（120 目）、壓差式施肥罐（50 L）、流量計(jì)（DN40，0.5%）、精密壓力表（0 ～0.4 MPa，0.4%）、閥門和3 個(gè)灌溉子單元組成。每個(gè)灌溉子單元對(duì)應(yīng)一個(gè)毛管長度水平，通過支管（Φ25 PVC）與干管相連，且每根支管上安裝3 條毛管（間距0.5 m）（圖中僅畫出一條）。因田塊尺寸限制，所有毛管按照?qǐng)A角矩形鋪設(shè)，毛管首尾兩端均與支管相連，在毛管末端安裝閥門，通過閥門開閉控制實(shí)現(xiàn)毛管單向或雙向供水。正式試驗(yàn)前，選定1 條50 m 長毛管，分別在首部壓力0.1、0.06 和0.02 MPa 條件下測定單向供水毛管在直線及圓角矩形布置情況下首末端壓力，試驗(yàn)結(jié)果表明布置形式對(duì)首末端壓力差未產(chǎn)生明顯影響。

圖1 毛管單向供水與雙向供水布置

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照毛管供水方式和毛管首部壓力不同分組測試，每組試驗(yàn)包括相同供水方式條件下的3 個(gè)毛管長度處理，共計(jì)進(jìn)行10 組試驗(yàn)。為減小隨機(jī)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。試驗(yàn)于2019年4月15日至2019年5月16日進(jìn)行。單向供水時(shí)，打開干管及支管上閥門，關(guān)閉毛管末端閥門，形成單向供水。通過調(diào)節(jié)閥門1，使毛管進(jìn)口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，通過調(diào)節(jié)閥門2 控制施肥罐進(jìn)出口壓差（0.07 MPa）。雙向供水時(shí)，打開毛管末端閥門，從毛管首部和末端同時(shí)進(jìn)水。實(shí)際田間雙向供水時(shí)，沿毛管方向的輸水支管水頭損失會(huì)導(dǎo)致毛管兩端壓力不一致。假定支管控制30 根毛管，干管流量的50%流經(jīng)與毛管長度等長的輸水支管，支管內(nèi)徑為50 mm，進(jìn)而可根據(jù)式（3）計(jì)算出輸水支管沿程水頭損失，并由此得到不同毛管長度和毛管首部壓力條件下的毛管末端壓力（表2）。試驗(yàn)過程中，通過毛管末端閥門控制毛管末端壓力與表2 結(jié)果一致。

表2 雙向供水毛管末端壓力（MPa）設(shè)置

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

式中：hf為沿程水頭損失，MPa；f 為沿程水頭損失系數(shù)，f=0.505；Q 為輸水支管流量，L/h；D 為管道內(nèi)徑，mm；L 為輸水支管長度，m；m 為流量指數(shù)，m=1.75；b 為管徑指數(shù)，b=4.75。

每組試驗(yàn)均進(jìn)行施肥，肥料選用純度＞98%的硫酸銨（（NH4）2SO4）。每次測試開始前，將7.5 kg 肥料加入施肥罐，然后向施肥罐內(nèi)注滿水，待肥料充分溶于水后備用。利用施肥罐施肥時(shí)，施肥時(shí)間受施肥罐壓差、毛管工作壓力影響［12］，故在正式試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。預(yù)試驗(yàn)在單向供水條件下進(jìn)行，選定不同毛管首部壓力（0.02、0.06 和0.10 MPa）條件下進(jìn)行施肥。施肥過程開始后，連續(xù)采集130 m 毛管末端灌水器出流，利用電導(dǎo)率儀測定出流液電導(dǎo)率值，通過電導(dǎo)率相對(duì)變化估計(jì)施肥歷時(shí)，得到試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下施肥歷時(shí)變化范圍為14 ～22 min。

2.3 毛管壓力分布測定在每個(gè)灌溉子單元上選擇一條毛管，沿毛管方向等間距布置9 塊壓力表（0 ～0.4 MPa，0.4%）（圖2）。壓力表安裝時(shí)，先將該點(diǎn)毛管截?cái)?，斷點(diǎn)兩端安裝Φ16 螺紋旁通，壓力表通過Φ16 內(nèi)絲三通與螺紋旁通相連固定于毛管上。系統(tǒng)運(yùn)行開始10 min 后，讀取壓力表讀數(shù)，得到不同處理的壓力沿毛管分布。

2.4 灌水器流量與施肥量測定為了測定不同處理沿毛管方向灌水器流量和施肥量分布，沿毛管方向在每條毛管上等間距設(shè)置15 個(gè)測點(diǎn)（圖2）。在測點(diǎn)鄰近灌水器正下方挖直徑20 cm、深10 cm 的圓柱形小坑，以便將容積為2.5 L 的圓柱形盛水桶放入其中承接灌水器出流。每組試驗(yàn)開始前，首先通過調(diào)整干管上閥門使毛管首部壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，并運(yùn)行10 min 使系統(tǒng)性能達(dá)到穩(wěn)定；之后，關(guān)閉水泵，迅速將盛水桶放入各測點(diǎn)位置灌水器下方小坑并重新打開水泵，打開施肥罐進(jìn)出口閥門，調(diào)節(jié)干管閥門使施肥罐壓差和毛管首部壓力與設(shè)計(jì)值相等，開始試驗(yàn)。為保障測試時(shí)段覆蓋系統(tǒng)施肥過程，每組試驗(yàn)測試時(shí)間均設(shè)定為1 h（較預(yù)試驗(yàn)中得到的最長施肥時(shí)間長約30 min），到達(dá)預(yù)定時(shí)間后，迅速關(guān)閉水泵并移出盛水桶，分別用1000 mL 量筒和電導(dǎo)率儀測定水量和電導(dǎo)率值。為了獲得各測點(diǎn)的施肥量，試驗(yàn)前標(biāo)定肥液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為肥液濃度后與對(duì)應(yīng)測點(diǎn)盛水桶內(nèi)水量相乘，即為施肥量［12］。

2.5 評(píng)價(jià)方法采用克里斯琴森均勻系數(shù)CU（%）評(píng)價(jià)毛管水量和肥料分布：

式中：mi為第i 個(gè)灌水器流量（L/h）或第i 個(gè)灌水器施肥量（g）；為灌水器平均流量（L/h）或灌水器平均施肥量（g）。

采用灌水器工作水頭偏差率hv（%）評(píng)估田間壓力分布情況：

式中：hmax為灌水器最大工作水頭，MPa；hmin為灌水器最小工作水頭，MPa；hd為灌水器設(shè)計(jì)工作水頭，本文取毛管首部壓力，MPa。

采用灌水器設(shè)計(jì)流量偏差率qv（%）評(píng)估田間灌水器流量分布情況：

式中：qmax為灌水器最大流量，L/h；qmin為灌水器最小流量，L/h；qd為灌水器設(shè)計(jì)流量（不同毛管首部壓力情況下按照流量-壓力關(guān)系計(jì)算得到），L/h。

為準(zhǔn)確反映水肥一致性，本研究將灌水量和施肥量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（式7），進(jìn)而計(jì)算水肥一致性指數(shù)dw-f（式8）。

式中：Xi為標(biāo)準(zhǔn)化值，變化范圍為0 ～1；Xi為第i 個(gè)測點(diǎn)測定值；xmax、xmin分別為單條毛管測得的最大值和最小值。

式中：Xwi和Xfi分別為第i 個(gè)測點(diǎn)灌水量和施肥量標(biāo)準(zhǔn)化值；為各測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化灌水量均值；dw-?值范圍為0 ～1，數(shù)值越接近1 水肥一致性越好；n 為觀測點(diǎn)個(gè)數(shù)，n=15。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛管壓力分布圖3 給出了不同毛管長度和毛管首部壓力（0.02、0.06 和0.10 MPa）處理沿毛管方向壓力分布。受水頭損失影響，單向供水條件下毛管壓力均隨距毛管首部距離增加而降低，但雙向供水情況下，毛管壓力分布呈現(xiàn)出隨距毛管首部距離先降低而后增加的趨勢。例如，毛管長度為100 m 時(shí)，0.06 MPa 毛管首部壓力條件下，單向供水和雙向供水壓力最低值分別出現(xiàn)在距毛管首部100 m 和62.5 m 的測點(diǎn)處。單向供水情況下，在毛管中后段，毛管壓力明顯低于雙向供水，導(dǎo)致單向供水條件下毛管壓力均值明顯小于雙向供水，這說明雙向供水可以有效降低沿毛管的水力偏差，促進(jìn)系統(tǒng)壓力均衡。隨毛管長度及毛管首部壓力升高，單向和雙向供水毛管壓力分布差異呈增加趨勢。例如，0.06 MPa 毛管首部壓力條件下，70 m、100 m 和130 m 單/雙向供水處理平均壓力差值分別為0.005、0.011 和0.012 MPa；毛管長度為100 m 時(shí)，0.02、0.06 和0.10 MPa 毛管首部壓力條件下單/雙向供水處理平均壓力差值分別為0.003、0.011 和0.024 MPa，這說明雙向供水對(duì)毛管壓力分布的均衡作用隨毛管長度增加及設(shè)計(jì)工作壓力升高而增加。

圖3 不同毛管長度和毛管首部壓力（0.02、0.06 和0.10 MPa）處理毛管壓力分布

圖4 給出了不同毛管首部壓力條件下灌水器工作水頭偏差率隨毛管長度的變化情況。單/雙向供水條件下，相同毛管長度及毛管首部壓力情況下，雙向供水條件能明顯降低灌水器工作水頭偏差率（hv）。例如，毛管長度為100 m 時(shí)，雙向供水條件下5 個(gè)工作壓力處理hv均值（27%）較單向供水條件（55%）低50%。隨毛管長度增加，雙向供水對(duì)hv的降低作用更加明顯，例如，雙向供水條件5 個(gè)工作壓力hv均值在毛管長度為70、100 和130 m 時(shí)分別較單向供水降低了23%、27%和32%。灌水器工作水頭偏差是影響流量偏差的最主要因素，較大的hv會(huì)導(dǎo)致灌水器流量偏差率增大和灌水均勻系數(shù)降低［20］。因此，對(duì)于規(guī)?；喂嘞到y(tǒng)，在追求毛管長度增加的同時(shí)控制hv上升幅度一直是滴灌設(shè)計(jì)和管理者的目標(biāo)。灌水器選定情況下，通過增加毛管內(nèi)徑是降低hv的主要方法，但這會(huì)造成系統(tǒng)投資增加，在現(xiàn)階段應(yīng)用較少［21］。除此之外，優(yōu)化支管布置（兩側(cè)支管或單側(cè)支管布置）和管網(wǎng)形式（樹狀或環(huán)狀）及其參數(shù)也是控制滴灌系統(tǒng)水力偏差的有效途徑，已被眾多研究者證實(shí)［9，22-23］。本文提出的毛管雙向供水方式通過改變支管布置形式進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)hv的控制，作用原理與效果與上述方法呈現(xiàn)出一定程度的一致性。

圖4 不同毛管首部壓力條件下灌水器工作水頭偏差率（hv）隨毛管長度增加變化

3.2 灌水器流量分布特征圖5 給出了不同毛管長度和毛管首部壓力（0.02、0.06 和0.10 MPa）處理灌水器流量分布。單向供水條件下灌水器流量基本隨距毛管首部距離增加而減小，雙向供水條件下灌水器流量呈現(xiàn)出沿距毛管首部距離先減小而后增加的趨勢。單向供水條件下毛管中后段灌水器流量明顯低于雙向供水，進(jìn)而導(dǎo)致相同毛管首部壓力條件下雙向供水毛管灌水器流量均值明顯高于單向供水，且隨毛管長度增加單/雙向供水方式毛管流量均值差異均呈現(xiàn)增大趨勢。例如，對(duì)于100 m 滴灌系統(tǒng)，當(dāng)毛管首部壓力分別為0.02、0.06 和0.10 MPa 時(shí)，雙向供水毛管灌水器流量均值分別為0.814、1.429 和2.043 L/h，較單向供水高7%、10%和7%；當(dāng)毛管長度由70 m 增加到130 m 時(shí)，毛管首部壓力為0.1 MPa 雙向供水處理灌水器流量均值較單向供水處理增加值由4%提高到8%。

圖5 不同毛管長度和毛管工作壓力（0.02、0.06 和0.10 MPa）處理灌水器流量分布

圖6 給出了不同毛管首部壓力條件下灌水器流量偏差率隨毛管長度的變化。相同毛管長度及毛管首部壓力情況下，雙向供水處理灌水器流量偏差率較單向供水低18% ～43%。單/雙向供水條件下，qv均隨毛管長度的增加而增加；但是雙向供水條件下，qv隨毛管長度增加的速度明顯低于單向供水，這說明雙向供水方式降低了灌水器流量偏差率對(duì)毛管長度的敏感性。以《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485-2009）［24］中規(guī)定灌水小區(qū)灌水器設(shè)計(jì)允許流量偏差率［qv］不超過20%為約束條件，單向供水毛管首部壓力為0.08 和0.10 MPa 條件下，極限鋪設(shè)長度分別為72 m 和79 m；雙向供水條件下，毛管允許鋪設(shè)長度分別可達(dá)102 m 和130 m。由此可知，雙向供水方式可以提高毛管極限鋪設(shè)長度，在0.1 MPa工作壓力條件下，毛管極限鋪設(shè)長度可以增加約60%，這與雙向供水條件下較小的工作水頭偏差率有關(guān)，說明雙向供水方式可以通過降低毛管水力偏差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毛管鋪設(shè)長度的增加。

通常情況下，灌溉單元面積隨毛管長度增加而增大，系統(tǒng)工程投資趨于降低，且后期系統(tǒng)管理更加方便［25-26］。通過減小灌水器流量或優(yōu)化管網(wǎng)布置形式均能一定程度實(shí)現(xiàn)毛管極限鋪設(shè)長度的增加［7，27］。在毛管內(nèi)徑及灌水器間距一定時(shí)，灌水器流量減小可顯著降低毛管方向沿程水頭損失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毛管極限鋪設(shè)長度和灌溉單元面積的增加［27-28］。通過管網(wǎng)布置形式優(yōu)化同樣可以起到降低毛管方向水力偏差的效果，且其對(duì)地形坡度、灌水器流量和灌水器流態(tài)指數(shù)等因素良好的適應(yīng)性已得到證實(shí)［7，29］。因雙向供水方式本質(zhì)上也屬于對(duì)管網(wǎng)布置形式的優(yōu)化，上述研究也為本研究提供了很好的借鑒，進(jìn)一步分析多因素共同影響下的系統(tǒng)水力性能有助于提高毛管雙向供水方式的適應(yīng)性。一方面，毛管工作壓力給定時(shí)，雙向供水方式極限鋪設(shè)長度的增加有利于灌溉單元面積的擴(kuò)大，進(jìn)而降低系統(tǒng)投資；另一方面，在毛管長度給定時(shí)，雙向供水較小的qv又為降低工作壓力提供了可能，有助于降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，說明雙向供水在降低滴灌系統(tǒng)投資和運(yùn)行管理費(fèi)用方面具有較強(qiáng)的可行性。

圖6 不同毛管首部壓力條件下灌水器流量偏差率隨毛管長度增加變化

3.3 灌水和施肥均勻性表3 給出了毛管單向和雙向供水條件下灌水及施肥均勻系數(shù)，表4 給出了試驗(yàn)因素對(duì)灌水和施肥均勻系數(shù)影響的方差分析結(jié)果。單/雙向供水條件下，灌水和施肥均勻系數(shù)基本隨毛管長度的增加而降低，隨毛管首部壓力的升高而增加。單向供水條件下灌水和施肥均勻系數(shù)變化范圍為83% ～96%和79% ～93%，雙向供水條件下灌水和施肥均勻系數(shù)變化范圍為89% ～96%和82% ～96%，相對(duì)較低的肥料均勻系數(shù)與Li 等［14］研究結(jié)果一致，說明施肥均勻系數(shù)除受灌水均勻系數(shù)影響外，還受到施肥裝置性能、方式及肥液濃度變化等因素的共同影響。

毛管長度相同時(shí)，雙向供水在不同毛管首部壓力條件下灌水及施肥均勻系數(shù)均高于單向供水處理；0.02、0.04、0.06、0.08 和0.10 MPa 時(shí)3 個(gè)毛管長度雙向供水處理灌水均勻系數(shù)均值較單向供水提高3% ～4%，施肥均勻系數(shù)提高3% ～5%，這說明雙向供水可以提高水肥分布均勻性。隨毛管長度的增加，雙向供水方式對(duì)灌水和施肥均勻性的提高呈增加趨勢。例如，70 m 毛管長度條件下，不同毛管首部壓力雙向供水處理灌水和施肥均勻系數(shù)均值僅較單向供水提高了2% ～3%，而130 m 毛管條件下對(duì)應(yīng)值則提高了4% ～6%，這說明雙向供水處理對(duì)灌水和施肥均勻性的提升效果在長毛管條件下作用更加明顯。方差分析結(jié)果顯示，毛管供水方式、毛管長度及毛管首部壓力對(duì)灌水和施肥均勻性的影響均達(dá)到了極顯著水平（p＜0.01）。

表3 單/雙向供水情況下灌水和施肥均勻系數(shù)（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

表4 不同因素下灌水和施肥均勻系數(shù)方差分析結(jié)果

3.4 水肥一致性分析單/雙向供水條件下灌水量和施肥量標(biāo)準(zhǔn)化值沿毛管方向變化趨勢均呈現(xiàn)出不一致特征（圖7），例如，對(duì)于A1P2L1 處理（圖7（a））灌水量最小值出現(xiàn)在距毛管首部70 m 處，但是施肥量最小值卻出現(xiàn)在距毛管首部45 m 處，這與Li 等［14］的研究結(jié)果一致，說明了灌水量和施肥量的不一致特征。灌水和施肥的不一致導(dǎo)致單/雙向供水條件下不同處理dw-f變化范圍分別為0.72 ～0.93 和0.78 ～0.88。

圖7 單/雙向供水方式下灌水量和施肥量標(biāo)準(zhǔn)化值沿毛管方向變化

圖8 給出了單/雙向供水條件下水肥一致性指數(shù)（dw-f）隨毛管首部壓力變化。由圖可知，對(duì)于3 種毛管長度，單/雙向供水條件下dw-f均隨毛管首部壓力的增加呈現(xiàn)降低趨勢，這可能是因?yàn)楦吖ぷ鲏毫l件下，系統(tǒng)干管流量及施肥罐過流量的增加加快了施肥速度，導(dǎo)致肥液濃度在施肥過程中波動(dòng)加劇，進(jìn)而引起灌水量和施肥量不一致性增加。單/雙供水條件下，dw-f基本呈現(xiàn)出隨毛管長度增加而降低的趨勢。例如，單向供水條件下，70 m、100 m 和130 m 處理5 個(gè)首部壓力條件下dw-f均值分別為0.88、0.82 和0.79，雙向供水條件下對(duì)應(yīng)均值分別為0.84、0.84 和0.82，雙向供水提高了長毛管條件下灌水和施肥的一致性，在100 m 和130 m 毛管條件下較單向供水處理dw-f分別提高3%和4%。Li 等［14］研究指出通過選擇肥液注入濃度相對(duì)穩(wěn)定的比例施肥泵或文丘里施肥器作為施肥裝置可以一定程度提高水肥的一致性，而本研究為滴灌系統(tǒng)水肥一致性的提高提供了新的途徑，有助于滴灌系統(tǒng)水肥分布的精量調(diào)控。

圖8 單/雙向供水條件下水肥一致性指數(shù)（dw-f）隨毛管首部壓力變化情況

4 結(jié)論

本研究通過田間試驗(yàn)評(píng)價(jià)了單向和雙向供水條件下毛管長度及毛管首部壓力對(duì)沿毛管壓力分布、水量分布、灌水和施肥均勻性及水肥一致性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）雙向供水能明顯降低灌水器工作水頭偏差率和流量偏差率，雙向供水對(duì)毛管壓力分布的均衡作用隨毛管長度增加及設(shè)計(jì)工作壓力升高而增加。相同毛管長度及毛管首部壓力情況下，毛管雙向供水的流量偏差率較單向供水低18% ～43%；在灌水器允許流量偏差率設(shè)定為20%情況下，毛管雙向供水處理毛管極限鋪設(shè)長度可以增加約60%。

（2）方差分析結(jié)果顯示毛管供水方式、毛管長度及毛管首部壓力對(duì)灌水和施肥均勻系數(shù)的影響均達(dá)到了極顯著水平（p＜0.01），雙向供水方式可以顯著提高灌水和施肥均勻性。

（3）滴灌條件下灌水和施肥的一致性隨毛管長度增加及毛管首部壓力的增加呈降低趨勢，雙向供水可以有效提高長毛管條件下灌水和施肥的一致性，在毛管長度100 m 和130 m 條件下，雙向供水的灌水和施肥一致性較單向供水提高3%～4%。

雙向供水通過控制水力偏差可以有效延長毛管極限鋪設(shè)長度，增加灌溉單元控制面積，為降低系統(tǒng)投資及運(yùn)行費(fèi)用提供了選擇。鑒于灌水器制造偏差、灌水器流量和田面高差等也是影響滴灌系統(tǒng)水力性能及灌水和施肥均勻性的重要因素，考慮多因素影響下的毛管雙向供水方式適應(yīng)性，將有助于更有效地發(fā)揮雙向供水方式優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理的進(jìn)一步優(yōu)化。