不同压力下新型地下灌水器流量及湿润锋变化

古俊飞, 马海燕, 徐立荣, 黄乾

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节水灌溉
节水灌溉 ›› 2024 ›› (6) : 35-39. DOI: 10.12396/jsgg.2023502
灌溉工程与装备

不同压力下新型地下灌水器流量及湿润锋变化

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Changes of Flow Rate and Wetting Front of New Type Underground Irrigator Under Different Pressure

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摘要

为探究压力对地下滴灌管渗水性能的影响，针对一种新型地下灌水器进行了不同工作压力下（0.02~0.18 MPa）自由出流的水力性能测试及0.02 MPa、0.05 MPa 2种压力条件下的室内土箱入渗试验，分析灌水器变异系数、流态指数及灌水均匀度随压力的变化规律以及入渗湿润锋运移规律。结果表明:自由出流条件下，灌水器流量变异系数为0.01，压力与流量关系式为 q=6.549 17 h0.521；流态指数x为0.521，灌水器对压力变化的敏感度较高；灌水均匀度系数均大于0.8。室内土箱入渗试验时，相同灌水器埋深下，压力越大，湿润锋运移速度越快，等时间内所形成的湿润体体积也越大，湿润锋在各方向水分运移距离与时间呈幂函数关系。

Abstract

In order to explore the influence of pressure on the seepage performance of underground drip irrigation pipes, hydraulic performance test of free flow under different working pressures (0.02~0.18 MPa) were conducted. Addtionally, the infiltration test of indoor soil box under two pressure conditions were carried out for a new type of underground irrigation pipe. The variation coefficient of irrigator, flow pattern index and irrigation uniformity with pressure and the migration law of infiltration wetting front were analyzed. The results show that under the condition of free discharge, the variation coefficient of discharge is 0.01. The relation between pressure and discharge is: q=6.549 17 h0.521. The flow index, denoted as x, is 0.521, and the sensitivity of the irrigator to pressure change is higher. Irrigation uniformity coefficient is greater than 0.8. Under the same embedment depth, increasing the pressure leads to a higher migration rate of the wetting front and a larger volume of the wetted zone formed within the same timeframe. The wetting front is a power function of the distance and time of water migration in each direction.

关键词

地下灌水器 / 不同压力 / 湿润锋 / 控制变量法 / 流量 / 水分运移

Key words

underground emitters / different pressure / wetting front / control variate / quantity of flow / moisture movement

基金

山东省重点研发计划项目(2023CXGC010905)
水利部重大科技项目(SKS-2022052)
山东省重点研发计划项目(2022CXGC020707)

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古俊飞 , 马海燕 , 徐立荣 , 黄乾. 不同压力下新型地下灌水器流量及湿润锋变化[J].节水灌溉, 2024(6): 35-39 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023502
GU Jun-fei , MA Hai-yan , XU Li-rong , HUANG Qian. Changes of Flow Rate and Wetting Front of New Type Underground Irrigator Under Different Pressure[J].Water Saving Irrigation, 2024(6): 35-39 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023502

0 引 言

现如今各地区水资源短缺，高效利用水资源是当今社会的一种趋势。尤其是黄河流域农业用水量较大，必须通过提高农业用水率，创新农业灌溉方式，宣传高效节水灌溉方式，以实现适度减少农业用水量[1]。赵有彪等[2]研究表明渗灌增产的原因是水在灌溉过程中经过管道运输，不会发生渗漏，且渗灌是直接到达作物根部，很少到达地表发生水分蒸发，水的利用率高，不会造成水量过大使得土壤肥力流失，可以减少化肥和农药的使用，并且渗灌管还有使用寿命长，减少人工成本等优点。有研究表明[3-5]渗灌比沟灌、漫灌更节水，产量更高。QU等[6]研究无压渗灌通过导水材料与水相互作用完成水的自动传导满足沙生植物的需水量，对荒漠化防治具有重要的意义。于珍珍等[7]设计了一套完整的地下固定式渗灌系统，并成功进行了田间试验，为未来大规模应用提供参考。徐文静等[8]、马海燕等[9]研究表明未来节水灌溉的新趋势是高效精准、信息化及多种节水技术的综合利用,渗灌技术的研究对农业节水发展具有重要意义。随着地下渗灌灌水器的创新，有关渗灌灌水器水力性能、抗堵性等内容研究较少，限制了渗灌技术的应用发展。目前关于渗灌管的研究有节点式PE渗灌管[10]、机械打孔节点渗灌管[11]、微孔渗灌管[12]、陶瓷灌水器[13, 14]、移动滴灌管[15]、贴片式滴灌带[16]等，但对灌水器在不同设置条件下水力性能的研究尚不够完善，且关于本文中地下滴灌灌水器的研究较少。本文参照以往对不同类型灌水器[10-20]的研究方式进行不同设置条件的试验研究。

1 材料与方法

1.1 试验样品

试验样品[21]是一种采用外镶内嵌式结构的灌水器，内嵌于输水管中的滴头设有稳流道具有稳流作用，外镶的短渗管设有流道槽既可以保护内嵌滴头水流的稳定性，又可使出水孔不被外埋土堵塞，防止负压吸入泥土，并可起到外补偿的作用。水流经过稳流道稳流后，从稳流道下方出水口渗出进入流道槽，最后沿流道槽渗出。内嵌滴头设有止水槽，外镶短渗管设有卡台，两者结合防止水流从外镶短渗管的两端渗出又固定外镶短渗管的位置，使渗水更加均匀。该灌水器在增加出水压力与防止管道堵塞方面进行了很大改进，出水均匀稳定。试验样品图见图1，试验样品实物图见图2。
图1 试验样品

Fig.1 Test sample drawing

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图2 试验样品实物图

Fig.2 Physical diagram of the test sample

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1.2 试验装置

1.2.1 自由出流试验

探究滴灌带渗水量与压力关系的试验装置，主要由潜水泵（生产厂家为越沪水泵厂、型号为QDX10-16-0.75）、水箱（体积55 L）、精密数字压力表（型号TB-80A、测量范围0~4 MPa、准确度0.4级）、泄压阀、超声流量计（生产厂家为力创、产品型号LCF-U、准确度2级）、试验样品（9个滴头、长度290 cm）、量筒组成。自由出流试验装置如图3所示。
图3 自由出流试验装置

Fig.3 Free flow test device diagram

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1.2.2 室内土箱入渗试验

室内土箱入渗试验装置，主要由潜水泵（生产厂家为越沪水泵厂、型号QDX10-16-0.75）、水箱（体积55 L）、精密数字压力表（型号TB-80A、测量范围0~4 MPa、准确度0.4级）、泄压阀、超声流量计（生产厂家为力创、产品型号LCF-U、准确度2级）、试验样品（1个滴头、长度30 cm）、定制土箱（长×宽×高为150 cm×40 cm×80 cm）组成。室内试验土箱中的沙经16目（粒径小于1.18 mm）筛子筛分处理。试验开始前将沙土风干后按设计土壤容重1.47 g/cm3分层装箱，取3份土样放置烘箱，设置烘箱温度为110 ℃，时间为8 h，测得土壤初始（重量）含水率为0.26%。试验装置如图4所示。
图4 室内土箱入渗试验装置

Fig.4 Infiltration test equipment for indoor soil box

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1.3 试验方法

1.3.1 自由出流试验

探究灌水器渗水量与时间的关系时，取一段长290 cm含9个滴头的试验样品，试验压力分别设计为0.02~0.18 MPa，每隔2 min记录渗水量，每个压力下渗水试验持续30 min，每组试验重复3次，试验设置条件见表1。
表1 自由出流试验水源及压力设置情况

Tab.1 Seepage test water source and pressure setting

渗流试验类型 试验介质 压力/MPa
自由出流试验 自来水（W1） 0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18
（1）滴头流量的变异系数 Cv。根据《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》[22]测试灌水器制造偏差及特定压力下表征值。在额定工作压力下，试验滴头的变异系数不宜大于0.07。变异系数 Cv的计算公式如下：
Cv=sqq¯×100%
式中： sq为试样流量标准偏差，L/h； q¯为试样平均流量，L/h。
（2）滴头水力性能指标。流态系数x反映压力变化时滴头流量的敏感程度及滴头是否具有压力补偿性能，x越高表明滴头对压力变化的敏感度越强，滴头的压力补偿性能越低。流态指数x、滴头流量q、压力h 3者之间的关系式为：
q=k hx    (k为常数）
灌水器在0.02~0.18 MPa范围内完成测量后，对收集的数据进行回归拟合分析。
（3）灌水器均匀系数 Cu。采用《微灌工程技术标准》[23]中灌水均匀系数对灌水器进行均匀性评价。灌水均匀系数计算公式如下：
Cu=1-1n ∑i=1nqi-q¯q¯
式中： Cu为灌水均匀系数；n为滴头总数； qi为一条滴灌带上第i个滴头流量（单条测试管，共9个滴头）。
灌水均匀系数Cu 不宜小于0.8。

1.3.2 室内土箱入渗试验

室内土箱入渗试验的压力取0.02 MPa、0.05 MPa，灌水器埋深20 cm进行观测，试验时间为开始供水至湿润锋到达试验箱底部有完整轮廓时的时长，2个压力条件下的试验时间均为306 min。试验时用记号笔将湿润锋发展过程描绘在箱体表面，试验结束后提取湿润体轮廓坐标，并使用origin软件绘制供水地埋入渗观测的湿润锋曲线。室内土箱入渗试验水源及描绘湿润锋时间见表2。
表2 室内土箱入渗试验条件设置

Tab.2 Water supply buried test condition setting

压力/MPa 试验介质 时间/min
0.02 0.01 g/mL胭脂红溶液 2,6,16,36,66,126,186,246,306
0.05 2,5,9,16,26,41,66,96,156,246,306

2 结果与分析

2.1 自由出流试验结果

（1）滴头流量变异系数。根据《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》[22]计算得到变异系数 Cv与压力变化曲线如图5所示。由图5可知变异系数 Cv的总体变化趋势为随着压力的增大先减小再增大，灌水器在0.1 MPa下测得实际流量为1.999 L/h，基本达到厂家设置规格2 L/h，且在0.02~0.18 MPa压力范围内，变异系数均小于0.07，即该灌水器达到规范标准。
图5 变异系数与压力的关系

Fig.5 The relationship between coefficient of variation and pressure

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（2）滴头水力性能指标、灌水器均匀系数。根据《微灌工程技术标准》[23]提供公式进行计算，得到灌水均匀度系数Cu，绘制流量与压力变化曲线，如图6所示。对流量与压力变化曲线进行拟合得到R²为0.996 8，具有较高的可靠性，流量与压力变化拟合曲线公式为 q=6.549 17 h0.521，其中流态指数x为0.521，说明试验滴头的压力补偿性能一般，且对压力变化敏感性较强。而在压力从0.02 MPa到0.18 MPa变化过程中灌水均匀度系数Cu 没有特定的变化规律，但在压力变化范围内的灌水均匀度系数Cu 均大于0.8，满足技术指标规定。
图6 流量与压力变化曲线

Fig.6 Flow and pressure curve

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2.2 室内土箱入渗试验结果

2.2.1 入渗压力与湿润锋变化曲线

室内土箱入渗试验的试验时间相同，压力在0.05 MPa时比压力为0.02 MPa时的湿润锋先到达土箱底部，且湿润锋运移距离随时间变化具有非线性关系，运移距离、时间2者之间关系式为 y=a xb。不同压力下湿润锋变化情况如图7、图8所示，湿润锋运移距离随时间变化拟合曲线系数如表3所示。
图7 0.02 MPa下单个滴头室内土箱入渗试验正、侧面湿润锋曲线

Fig.7 Wetting front and side curves of 0.02 MPa infiltration test of an indoor soil box with a drop head

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图8 0.05 MPa下单个滴头室内土箱入渗试验正、侧面湿润锋曲线

Fig.8 Wetting front and side curves of 0.05 MPa infiltration test of an indoor soil box with a drop head

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表3 湿润锋运移距离随时间变化拟合曲线系数

Tab.3 Wetting front migration distance change with time fitting curve coefficient table

运移距离 a b R 2
0.02 MPa正面 水平运移 4.716 58 0.357 51 0.987 15
向下运移 1.232 52 0.537 14 0.948 79
向上运移 1.735 21 0.305 18 0.890 91
0.02 MPa侧面 水平运移 2.737 58 0.436 84 0.994 13
向下运移 1.472 90 0.490 37 0.984 09
向上运移 0.984 90 0.274 80 0.952 50
0.05 MPa正面 水平运移 3.830 14 0.455 99 0.971 54
向下运移 1.966 81 0.471 70 0.979 78
向上运移 1.946 78 0.339 39 0.969 64
0.05 MPa侧面 水平运移 4.165 27 0.401 31 0.990 10
向下运移 1.729 31 0.492 37 0.979 84
向上运移 2.929 02 0.251 91 0.925 55
在土壤容重、埋深、土壤初始含水率一定的情况下，压力是影响湿润锋变化的重要因素。试验时间为306 min，在压力为0.02 MPa的情况下，观察正面湿润锋运移情况，以灌水器为中心，湿润锋向上运移距离为8.5 cm，湿润锋向下运移距离为26.8 cm，湿润锋向右运移距离为38.2 cm。同一正面压力为0.05 MPa的情况下，以灌水器为中心，湿润锋向上运移距离为11.8 cm，湿润锋向下运移距离为40 cm，湿润锋向右运移距离为47.2 cm。观察分别在0.02 MPa和0.05 MPa的情况下侧面湿润峰运移情况，以灌水器为中心，在压力为0.02 MPa时，湿润锋向上运移距离为8.4 cm，湿润锋向下运移距离为26.2 cm，湿润锋向右运移距离为35.7 cm。同一侧面压力为0.05 MPa的情况下，以灌水器为中心，湿润锋向上运移距离为11 cm，湿润锋向下运移距离为29 cm，湿润锋向右运移距离为40 cm。

3 讨 论

谢森传等[24]研究表明随着供水压力的增大供水边界的水力梯度增大，流量增大。该灌水器的试验同样表明自由渗流试验中不同压力下的流量不同，且随着压力的增大，流量也增大。通过改变压力的大小，探究试验灌水器流量与压力的关系。灌水器在土壤中的出流量与土壤性质有关，细质地的土壤要注意渗水量，避免水分运移速率过快透过土壤表面产生蒸发[25, 26]。李炎等[27]的研究表明不同灌水量等不同设置条件对湿润峰具有一定的的影响，但灌水量和湿润峰图形半径的变化规律不具有线性关系，湿润锋与时间呈幂函数关系。刘婧然[28]研究表明坡度对湿润锋也有一定的影响。王荣莲[29]等通过室内土箱试验，研究不同设置条件下湿润锋变化规律，结合当地种植习惯选择适合玉米在不同土壤下的地下滴灌技术参数。参考以上试验研究内容对试验样品及其他规格的地下滴灌灌水器水力性能、土壤入渗规律等展开进一步的补充研究。
通过观察0.02 MPa、0.05 MPa压力条件下入渗过程中湿润锋的变化，可以看出，灌水器渗水过程中湿润锋的运移速度随着时间的增加先加快后变慢。试验开始后，湿润锋在土壤中快速扩散。当周围土壤达到饱和含水率后，湿润锋变化缓慢。整个供水入渗试验过程结束后，湿润峰的图形为不规则椭圆形。不同压力下相同埋深的变化情况：地下滴灌灌水器埋深20 cm时，0.05 MPa时湿润锋运移速率快，且先达到土箱底部。2者之间湿润锋运移的规律均为先快后慢，向上运移11 cm左右，湿润锋基本不再变化。以单个灌水器试验入渗后湿润体的范围为依据，选择合适的埋深和间距种植作物。

4 结 论

探究地下滴灌灌水器的水力性能指标及灌水均匀度，并在0.02 MPa、0.05 MPa压力条件下进行室内土箱入渗试验观察湿润锋运移曲线，得到以下结论。
（1）试验灌水器在0.020~0.018 MPa范围内，压力变大，流量变大，且灌水器流态指数x为0.521，表示滴头对压力变化较为敏感，滴头的压力补偿性能一般。
（2）室内供水入渗试验中，入渗完成后湿润体是一个椭球体。地下灌水器埋深20 cm的情况下，湿润锋以滴头为中心向周围扩散，在周围土壤达到饱和含水率后，湿润锋向周围运移速率先快后慢，在周围土壤达到饱和含水率后，湿润锋向下的运移更加明显，湿润锋各方向运移距离随时间呈幂函数关系。
（3）供水压力增大能使灌水器在土箱内的湿润锋变化加快，与箱体表面接触的沙土分布不均匀导致湿润锋形状不规则。
今后对于地下滴灌灌水器抗堵性还有进一步研究的必要。

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WANG R L, MO Y, REN Z H, et al. Research on suitable laying parameters of capillary and irrigation quota for subsurface drip irrigation of corn[J]. China Rural Water and Hydropower,2019(10):105-110.
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