鋪設長度及入口壓力交互作用對小流量滴灌帶灌水均勻度的影響

阿墾里白·木賽, 李豐琇, 艾鵬睿, 馬英杰, 付秋萍 田 敏, 阿布都卡依木·阿布力米提

(1. 新疆農業大學 水利與土木工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.新疆水利工程安全與水災害防治自治區重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052; 3.新疆中農智水科技有限公司, 新疆 昌吉 831100 )

1 研究背景

滴灌是一種局部灌水方式,具有節水、節肥、省工、總投資少、高效等明顯優點[1-3],在新疆的玉米[4-5]、小麥[6-7]、棉花[8-9]等多種作物種植中得到應用。但由于滴灌帶鋪設長度短、出地樁和閥門數量多、安裝工作量大、一次性投資高、機械化作業不方便等原因,制約了當地滴灌技術的推廣。隨著土地運營規模不斷擴大以及高標準農田建設和自動化滴灌技術的發展,長距離滴灌帶鋪設成為發展趨勢,但灌水質量是否滿足作物需水要求,是亟待驗證的關鍵問題。

2022年4—10月在新疆維吾爾自治區昌吉市昌吉國家農業科技園區京新園農場實施了一項滴灌工程項目,滴灌帶單側鋪設長度達到295 m,滴灌帶采用進口和國產兩種類型,其大田布置如圖1所示。但該項目沒有系統測試和分析灌水質量情況。已有研究表明,灌水均勻度是對滴灌系統灌水質量進行評估的核心指標,因此,開展不同鋪設長度及入口壓力的交互作用對小流量滴灌帶灌水均勻度的影響研究,對于科學評價滴灌帶灌水質量,指導滴灌工程實施等生產實踐活動意義重大。

圖1 進口滴灌帶與國產滴灌帶大田布置示意圖(單位:m)

在設計滴灌系統并進行運行管理時,灌水均勻度是一個關鍵指標,采用較高的灌水均勻度能夠達到作物增產、提質的目的,但會導致滴灌系統運營成本增加[10];而在灌水均勻度較低的情況下,不僅會造成作物減產還會出現水分滲漏以及養分流失的情況,進而引發面源污染。張國祥等[11]認為,為了提升滴灌系統的灌水均勻度、控制系統運行成本,滴頭設計水頭應小于5 m。因而系統鋪設長度、入口壓力與灌水均勻度的關系一直備受關注。李文等[12]、劉煥芳等[13]認為入口壓力對灌水均勻度的影響較小,而鋪設長度對灌水均勻度影響顯著。席奇亮等[14]認為內嵌式滴灌帶的灌水均勻度優于薄壁式滴灌帶,更適合用于長距離鋪設。鄭國玉等[15]研究發現,低壓系統中滴頭流態系數不大于0.5的滴灌帶可以改善低壓系統的灌水均勻度,確保灌水質量要求。以上研究結果豐富了滴灌系統灌水均勻度的內容,但是,關于大田中常使用的滴灌帶的最佳鋪設長度、不同鋪設長度和入口壓力的交互作用對灌水均勻度的影響、鋪設長距離滴灌帶是否滿足灌水質量要求等問題的研究較少。因此,本文以3種以色列產小流量滴灌帶與1種國產當地常用的滴灌帶為研究對象,開展不同毛管入口壓力和鋪設長度下灌水均勻度測試試驗,對低壓系統中4種滴灌帶質量等級進行評價,分析不同鋪設長度及入口壓力條件下灌水均勻度的差異及交互效應影響,根據最大灌水均勻度要求,對低壓條件下鋪設長度與入口壓力組合進行尋優,并建立灌水均勻度與變差系數的相關關系,以期為長毛管鋪設的滴灌系統優化布置提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

本試驗于2022年9月在新疆維吾爾自治區昌吉國家農業科技園區開展,園區位于天山北緣、準噶爾盆地南緣(87°06′13.08″E,44°11′09.59″N,海拔578 m),屬于溫帶大陸性氣候,大于10 ℃積溫度為3 183.1 ℃,年均降水量為242 mm、蒸發量為1 566 mm、風速為1.7 m/s、日照時間為2 867 h,6—9月日均太陽總輻射為19.5 MJ/(m2·d),日均相對濕度為55%。

2.2 試驗材料

本試驗選用以色列耐特菲姆(Netafim)農業科技有限公司生產的3種Stream line X進口內鑲式小流量滴灌帶(以下簡稱J1型、J2型、J3型)和昌吉市昌吉國家農業科技園區常用的一種國產內鑲式滴灌帶(以下簡稱G型)進行對比試驗,各型滴灌帶基本參數見表1。

表1 試驗用滴灌帶參數

2.3 試驗裝置與方法

滴灌系統試驗裝置如圖2所示。將地表水水源引入儲水池(體積為45 m3),采用智能永磁變頻水泵(型號為XL25GZHB 2-20)進行增壓,運用壓力調節閥對滴灌帶進口壓力進行調節(壓力表精準度為0.025 MPa),使用水杯、量筒、秒表等對滴頭流量進行觀測,待滴灌帶入口壓力穩定后開始記錄滴水時間(測試時長為6 min)。本試驗設置鋪設長度和入口壓力2個因素,滴灌帶鋪設長度分別為100 m(L1處理)、200 m(L2處理)、300 m(L3處理),入口壓力分別為1 m(Y1處理)、3 m(Y3處理)、5 m(Y5處理)、7 m(Y7處理)、9 m(Y9處理)、11 m(Y11處理),分別測量了不同鋪設長度和入口壓力條件下滴頭的流量,測量時分別從滴灌帶首端第4個滴頭和末端第4個滴頭起沿滴灌帶共選取32個測量點(首端16個,末端16個),并計算出灌水均勻度,每組試驗重復3次。

圖2 滴灌系統試驗裝置示意圖

2.4 灌水均勻度的計算

灌水均勻度是評價滴灌系統灌水質量優劣的主要技術指標之一[16]。本研究采用變差系數(Cv)、Christiansen均勻系數(Cu)和Keller均勻系數(Eu)作為評價指標對所選不同類型滴灌帶的灌水均勻度進行評價,各指標計算方法見公式(1)～(5),評價等級劃分見表2。

表2 Eu、Cv和Cu指標評價等級劃分

Cu計算公式:

(1)

(2)

(3)

Cv計算公式:

(4)

式中:Cv為滴水孔流量的變差系數;σ為滴水孔流量的標準差,L/h。

Eu計算公式:

(5)

2.5 數據處理

利用Excel 2013對全部測試資料進行了整理和計算,并利用SPSS 22.0對其進行統計和分析。

3 結果與分析

3.1 滴灌帶不同鋪設長度和入口壓力下滴水孔流量的變差系數

試驗觀測了滴灌帶不同鋪設長度和入口壓力下所選滴水孔的流量,并計算出各試驗型號滴灌帶在不同鋪設長度時滴水孔流量的變差系數Cv隨入口壓力的變化規律,如圖3所示。

圖3 各類型滴灌帶在不同鋪設長度時滴水孔流量的Cv值隨入口壓力的變化規律

由圖3可知,當滴灌帶鋪設長度為100 m時(圖3(a)),J型滴灌帶在多數入口壓力值下滿足Cv<0.05,等級屬于A(優);G型滴灌帶入口壓力在1～3 m范圍內滿足0.100.15,等級屬于D(不合格)。當滴灌帶鋪設長度為300 m時(圖3(c)),J1型滴灌帶入口壓力在1～5 m下滿足0.050.15,等級屬于D(不合格);J2型滴灌帶入口壓力在1～11 m范圍內滿足0.100.15,等級屬于D(不合格);G型滴灌帶在各入口壓力下的Cv值均大于0.9,等級屬于D(不合格)。

從上述滴水孔流量的變差系數Cv值分析可知,當滴灌帶鋪設長度為300 m時,除J1型滴灌帶在個別入口壓力下質量達到等級B(良)之外,其余均為一般或不合格,試驗所測試的3種滴灌帶的制造工藝不適宜鋪設300 m。

3.2 滴灌帶不同鋪設長度和入口壓力下灌水均勻度的變化

用Christiansen均勻系數(Cu)和Keller均勻系數(Eu)表征灌水均勻度,各類型滴灌帶不同鋪設長度和入口壓力下Cu和Eu的變化分別見圖4、5,圖中不同小寫字母表示處理間存在顯著性差異(P<0.05),下同。

圖4 各類型滴灌帶不同鋪設長度下Cu和Eu值的變化

用Christiansen均勻系數(Cu)表征灌水均勻度時,由于J型滴灌帶的灌水均勻度隨鋪設長度和進口壓力的變化趨勢類似,因此以J1型滴灌帶為例進行分析。由圖4(a)可知,J1型滴灌帶在不同鋪設長度條件下,L3處理的Cu值最低(0.886 5),顯著低于L1、L2處理(P<0.05),而L1、L2處理的Cu差異不顯著;由圖5(a)可知,J1型滴灌帶在不同入口壓力條件下,Y9處理的Cu值最高(0.970 1),顯著高于Y1處理,而與其他處理的Cu值差異不顯著,說明Cu值隨著鋪設長度和入口壓力的變化而變化,但長度對其變化影響顯著,入口壓力對其變化影響不顯著。對于G型滴灌帶,以L1處理的Cu值最高(0.847 9),顯著高于L2、L3處理,G型滴灌帶3種鋪設長度之間的差異均達到了顯著水平(P<0.05),在6種入口壓力的灌水均勻度中,Y11處理的Cu值最高,與Y9和Y7差異不顯著(P>0.05),與其他各處理之間的差異達到了顯著水平(P<0.05)。

圖5 各類型滴灌帶不同入口壓力下Cu和Eu值的變化

用Keller均勻系數(Eu)表征灌水均勻度時,由圖4(b)、5(b)可以看出,J型滴灌帶的Eu值變化趨勢也類似。以J1型滴灌帶為例,不同鋪設長度條件下,L3處理的Eu值最低(0.811 4),顯著低于L1、L2處理(P<0.05),而L1、L2處理的Eu差異不顯著;不同滴灌帶入口壓力條件下,Y9處理的Eu值最高(0.958 2),顯著高于Y1處理,而與其他處理差異不顯著。對于G型滴灌帶,3種鋪設長度中,以L1處理的Eu值最高(0.824 3),顯著高于L2、L3處理,G型滴灌帶3種鋪設長度Eu值之間的差異均達到了顯著水平(P<0.05);6種入口壓力中,Y11處理的Eu值最高,與Y1、Y3、Y5之間的差異達到了顯著水平(P<0.05)。

通過上述分析認為,雖然J型滴灌帶鋪設長度為300 m時可滿足《微灌工程技術標準》[18]要求,但按照《美國國家灌溉工程手冊》[17]評價,灌水質量僅為良或一般,而鋪設長度≤200 m時,Eu和Cu值均大于0.9,評價等級為A(優)。因此,建議J型滴灌帶鋪設長度小于200 m。G型滴灌帶的鋪設長度為100 m時,Eu和Cu值均大于0.8,評價等級為B(良),也僅能滿足《微灌工程技術標準》要求,而鋪設長度為200和300 m時,Eu值為0.018 4～0.289 9,評價等級為D(不合格)。

3.3 鋪設長度和入口壓力交互作用對灌水均勻度的影響分析

根據上文分析,選取100 m(L1處理)和200 m(L2處理)兩種滴灌帶鋪設長度,研究J1型、J2型、J3型和G型4種型號滴灌帶在該兩種鋪設長度和6種入口壓力(Y1、Y3、Y5、Y7、Y9、Y11處理)交互作用對灌水均勻度的影響,結果見圖6。由圖6中灌水均勻度最優的角度來看,當鋪設長度為100 m時,J1型滴灌帶的最優組合為L1×Y11,其灌水均勻度為0.980 7,J2型滴灌帶的最優組合為L1×Y11,其灌水均勻度為0.981 9,J3型滴灌帶的最優組合為L1×Y9,其灌水均勻度為0.982 5,G型滴灌帶的最優組合為L1×Y7,其灌水均勻度為0.861 0;當鋪設長度為200 m時,J1型滴灌帶的最優組合為L2×Y9,其灌水均勻度為0.970 0,J2型滴灌帶的最優組合為L2×Y11,其灌水均勻度為0.976 6,J3型滴灌帶的最優組合為L2×Y11,其灌水均勻度為0.936 8,而G型滴灌帶無最優組合。

由圖6可知,對于J1型滴灌帶,L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11、L2×Y5、L2×Y7、L2×Y9組合的灌水均勻度分別為0.960 0、0.950 6、0.971 8、0.980 7、0.958 3、0.958 8、0.970 0,顯著優于其他組合,其中最佳搭配為L1×Y11和L2×Y9;對于J2型滴灌帶,L1×Y3、L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11、L2×Y5、L2×Y7、L2×Y9、L2×Y11組合的灌水均勻度分別為0.970 7、0.980 5、0.970 4、0.978 3、0.981 9、0.976 0、0.968 7、0.966 9、0.976 6,顯著優于其他組合,其中最佳搭配為L1×Y11和L2×Y11;對于J3型滴灌帶,L1×Y1、L1×Y3、L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11、L2×Y11組合的灌水均勻度分別為0.954 6、0.963 8、0.964 4、0.976 5、0.982 5、0.974 7、0.936 8,顯著優于其他組合,其中最佳搭配為L1×Y9和L2×Y11;對于G型滴灌帶,L1×Y1、L1×Y3、L1×Y5、L1×Y7、L1×Y9、L1×Y11組合的灌水均勻度分別為0.838 6、0.860 1、0.845 4、0.860 9、0.842 0、0.839 2,顯著優于其他組合,其中最佳搭配為L1×Y7。

3.4 不同入口壓力條件下灌水均勻度各指標間相關關系分析

圖7給出了灌水均勻度指標Christiansen均勻系數(Cu)與Keller均勻系數(Eu)、變差系數(Cv)在滴灌帶入口壓力為低壓(1～8 m)及常壓(8～11 m)下的線性相關關系。

圖7 Cu與Eu、Cv的線性相關關系

由圖7可知,無論在低壓(1～8 m)條件下還是常壓(8～11 m)條件下,Cu均隨Eu的增加而增加,呈正相關線性關系,隨Cv的增加而減小,呈負相關線性關系,而且Eu值均小于Cu值,這與《微灌工程技術標準》[18]相一致。此外,在不考慮壓力的影響時,J1、J2、J3型滴灌帶Eu值在0.8～1.0范圍內,并且大多數集中在0.96左右,灌水均勻度較高,僅有極少數值小于0.8。Cu與Eu的線性關系為Cu=0.980 9Eu+0.004 8(R2=0.9971);Cu與Cv的線性關系為Cu=-1.009 6Cv+1.006 1 (R2=0.995 7)。表明3個指標的相關性較好,R2均大于0.99,灌水均勻度各指標之間可通過換算進行推求。

4 討 論

灌水均勻度是評價滴灌系統灌水質量的主要指標之一[17],滴灌帶的制造偏差[19]、入口壓力[20-21]、鋪設長度[22]、地形坡度[23-24]、堵塞[25-30]等都會影響灌水均勻度。由于滴灌帶廠家制造技術和材料熱脹冷縮變形的影響,制造偏差難以避免[31]。灌水均勻度還與滴頭運行壓力有關,而滴頭運行壓力又受到入口壓力和鋪設長度兩個因素的影響[32]。因此,本試驗考慮了滴灌帶鋪設長度和入口壓力及其之間的交互作用對灌水均勻度的影響。

在不同入口壓力情況下,滴水孔流量的變差系數均隨著壓力的降低而增大,這與梁華鋒等[33]研究結果相同。本研究表明,不同入口壓力下滴水孔流量變差系數大的滴灌帶均為G型滴灌帶,且遠大于J型滴灌帶。當滴灌帶鋪設長度不超過200 m時,J型滴灌帶滴水孔流量的變差系數變化不明顯。其原因是G型滴灌帶制造精度低,而J型滴灌帶制造精度高,這與張慧等[34]的研究結果一致。在相同入口壓力下,不同管徑滴水孔流量的變差系數也有所不同,管徑大,則變差系數小,如J2型滴灌帶(管徑為22 mm,滴頭間距為30 cm)滴水孔流量的變差系數一般小于J3型滴灌帶(管徑為16 mm,滴頭間距為40 cm)。

計算結果表明,滴灌帶灌水均勻度受到4種滴灌帶類型及其鋪設長度和入口壓力兩種因素的顯著影響,但兩種因素的影響程度有所不同,相較于入口壓力,鋪設長度的影響更為顯著,這與王建眾等[35]的研究結果相一致。當滴灌帶入口壓力在1～11 m范圍內變化時,4種不同類型的滴灌帶滴頭平均流量與入口壓力呈正相關,與滴灌帶鋪設長度呈負相關,這與李文等[12]的研究結果一致。

滴灌帶的鋪設長度與入口壓力之間存在顯著的交互作用效應,J1型滴灌帶的最佳搭配為L1×Y11、L2×Y9;J2型滴灌帶的最佳搭配為L1×Y11、L2×Y11;J3型滴灌帶的最佳搭配為L1×Y9、L2×Y11;G型滴灌帶的最佳搭配為L1×Y7。這與席奇亮等[14]的研究結果存在一定的差異,可能是本試驗采用的滴灌帶鋪設長度較長,導致滴灌帶所需要的入口壓力較高所致。

當滴灌帶入口壓力在1～11 m范圍內、鋪設長度在100～300 m范圍內變化時,4種不同類型滴灌帶的Cu值均隨Eu值的增加而增加,呈正相關關系,隨Cv值的增加而減小,呈負相關關系,而且Eu值均小于Cu值,這與李久生等[36]的研究結果一致。

本研究中未考慮滴灌帶鋪設地形、管帶堵塞以及入口高壓條件等因素對灌水均勻度的影響,因而研究成果還有待于進一步完善。

5 結 論

(1)滴灌帶灌水均勻度指標Cv、Cu、Eu均隨著鋪設長度和入口壓力的變化而變化,鋪設長度對其影響顯著,入口壓力對其影響不顯著;Cu和Eu均可以定量評價滴灌帶不同鋪設長度和入口壓力交互作用的組合關系,從而確定滴灌帶鋪設長度和入口壓力的最優組合。該3個指標的相關性較強,Cu與Eu呈正相關,與Cv呈負相關。

(2)從滴水孔流量變差系數Cv值分析,滴灌帶鋪設長度為200 m時,J1型入口壓力在5～11 m、J2型入口壓力在3～11 m范圍內的滴灌帶質量等級為A(優);入口壓力在1～11 m范圍時,J3型滴灌帶質量等級均為B(良)、G型滴灌帶質量等級均為D(不合格)。滴灌帶鋪設長度為100 m時,J型滴灌帶入口壓力在1～11 m范圍的質量等級均為A(優),G型滴灌帶入口壓力在1～3 m范圍的滴灌帶質量等級均為C(一般)。因此,為保證滴灌帶灌水質量達到良及以上的水平,建議J型滴灌帶鋪設長度小于200 m,G型滴灌帶鋪設的長度遠小于100 m。

(3)我國《微灌工程技術標準》要求低于《美國國家灌溉工程手冊》的要求,雖然J型滴灌帶鋪設長度為300 m時滿足《微灌工程技術標準》要求,但按照《美國國家灌溉工程手冊》評價,灌水質量等級僅為良或一般。G型滴灌帶的鋪設長度為100 m時,能滿足《微灌工程技術標準》要求,但按照《美國國家灌溉工程手冊》評價,灌水質量等級僅為良。

(4)本試驗所選各類型滴灌帶鋪設長度和入口壓力的最佳搭配為:J1型滴灌帶鋪設長度200 m、入口壓力9 m;J2型滴灌帶鋪設長度200 m、入口壓力11 m;J3型滴灌帶鋪設長度200 m、入口壓力11 m;G型滴灌帶鋪設長度100 m、入口壓力7 m。