低压对不同滴头水力技术指标的影响

郑国玉; 马军勇; 何帅; 周建伟; 李彦; 刘湘岩; Guo-yu ZHENG; Jun-yong MA; Shuai HE; Jian-wei ZHOU; Yan LI; Xiang-yan LIU

节水灌溉 ›› 2021 ›› (8) : 74-77.

低压对不同滴头水力技术指标的影响

作者信息 +

The Effect of Low Pressure on the Hydraulic Technical Performance of Different Emitters

Author information +

稿件信息 +

摘要

通过研究低压工作对不同类型滴头水力技术指标的影响，确定滴头在低压滴灌应用中的适用条件。采用室内测试并利用软件拟合相关曲线，分析了2种管径的8种滴灌管线的滴头在低压工作下的特性并与常压工作进行对比。在低压力工作状态下侧翼迷宫式滴头的变异系数随着压力的减少而增大，内镶贴片和内镶柱状滴头变化不明显；常压流态指数x＞0.5的滴头，低压状态下流态指数变大，常压流态指数x＜0.5的滴头，低压状态下流态指数变小；低压工作对管径12 mm滴灌管线的流量偏差影响大于管径16 mm，流态指数x＜0.5的滴头，常压的压力流量公式计算低压情况下的流量偏差可以满足设计要求。利用常压滴头作为低压滴灌系统中的灌水器时，选择大管径、滴头流态指数小于0.5的滴灌管线，可以提高低压滴灌系统的均匀度，保证灌水质量要求。

Abstract

In this study， by studying the influence of low-pressure operation on hydraulic technical indexes of different types of emitters， the suitable conditions of emitters in low-pressure drip irrigation were determined. The characteristics of emitters of 8 type drip-line with 2 diameters under low pressure were analyzed and compared with those under normal pressure by laboratory test and software fitting of correlation curves. The results showed that： under the low pressure operation condition， the variation coefficient of side wing labyrinth dripper increased with the decrease of pressure， but there was no obvious change in the inlaid emitter and columnar emitter. For the dripper with flow index x >0.5， the flow index increased under low pressure， and for the emitter with flow index x<0.5， the flow index decreased. The influence of low pressure on the flow deviation of drip-line with 12 mm diameter is greater than that with 16 mm diameter. For emitters with flow pattern index x<0.5， the flow deviation under low pressure can be calculated by the pressure flow formula under normal pressure to meet the design requirements. It can be concluded that when the emitter under normal pressure is used as the emitter in the low-pressure drip irrigation system， the selection of the drip-line with large pipe diameter and emitter flow index less than 0.5 can improve the uniformity of the low-pressure drip irrigation system and ensure the irrigation quality requirements.

关键词

低压滴灌 / 滴头 / 灌水器 / 低压 / 常压 / 水力性能 / 流态指数 / 流量偏差

Key words

low pressure drip system / dripper / emitter / low pressure / normal pressure / hydraulic performance / flow index / flow deviation

基金

国家重点研发计划项目(2017YFC0504302)

引用本文

EndNote

Ris (Procite)

Bibtex

导出引用

郑国玉 , 马军勇 , 何帅 , 周建伟 , 李彦 , 刘湘岩. 低压对不同滴头水力技术指标的影响[J].节水灌溉, 2021(8): 74-77

Guo-yu ZHENG , Jun-yong MA , Shuai HE , Jian-wei ZHOU , Yan LI , Xiang-yan LIU. The Effect of Low Pressure on the Hydraulic Technical Performance of Different Emitters[J].Water Saving Irrigation, 2021(8): 74-77

0 引言

滴灌技术是高效的管道加压节水灌溉技术，一般的大田滴灌系统滴头的工作压力按照0.1 MPa设计，到滴灌首部工作压力达0.25 MPa以上，因此滴灌系统正常工作需要的能耗较高。随着滴灌技术的大面积应用，滴灌系统能耗高的问题得到了国内学者的关注，低能耗、高效成为滴灌技术发展的趋势。本研究成果将为低压滴灌系统设计及应用提供科学依据。王伟^[1]提出了一种低压滴灌系统，牛文全^[2]提出低压滴灌为工作水头低于5 m，系统成本及运行费用较传统滴灌降低25%。工作压力的降低会影响滴头性能指标及灌水均匀度的变化，国外学者针对低压滴灌系统^[3-5]、水力性能^[6-10]、灌水均匀度^[11-14]等开展了相关研究，并对低压灌水器结构及配套设备^[15-18]进行了研发，这些研究结果丰富了低压滴灌技术体系的内容，但是针对不同管径的滴头进行低压水力性能及应用条件相关研究较少。本试验选择2种管径8种滴灌管线的滴头进行研究，研究分析低压对不同管径不同滴头类型的制造偏差、流态指数、流量偏差的影响。解决目前低压滴灌系统中应用现有滴灌灌水器灌溉时技术参数不明确，造成灌溉均匀度低、灌水质量不高、水分利用率低的问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

滴灌管线选择8种滴灌管线，其中A1～A4为管径为16 mm的滴灌管线，B1～B4为管径为12 mm的滴灌管线，其中A2、A4、B1、B4为侧翼迷宫式滴头，A1、A3、B3为内镶贴片滴头、B2为内镶柱状滴头，基本参数见表1。

表1 滴灌管技术参数

Tab.1 Dripper-line technical parameter

试样号	外径/mm	壁厚/mm	滴头间距/cm	额定压力/m	额定流量/(L·h^-1)
A1	16	0.2	20	10	1.0
A2	16	0.2	20	10	1.1
A3	16	0.4	30	10	1.44
A4	16	0.2	30	10	2.4
B1	12	0.2	20	10	1.1
B2	12	0.8	20	10	2.0
B3	12	0.8	30	10	1.2
B4	12	0.2	30	10	2.4

1.2 试验方法

测定方法参照GB/T17187-2009农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法，采用自制恒压滴头测试平台测定，测试平台包括水源、水泵、恒压罐、压力表、试验台等组成，试验每次测3条滴灌管，共30个滴头，分别测试10、20、30、40、60、80、100、120、140 kPa工作压力下的滴头流量，测定时间6 min，采用精度为2.5级的压力表测定压力，滴头流量采用称重法测定，试验重复3次，取平均值计算流量。

1.3 滴头变异系数计算公式

C_{ν} = \frac{S_{q}}{\bar{q}} \times 100 %

（1）

式中：C_v 为滴头的变异系数，%；S_q 为试样流量标准偏差，L/h；

\bar{q}

为试样流量平均值，L/h。

1.4 流量偏差计算公式

q_{v} = \frac{q_{m a x} - q_{m i n}}{q_{d}} \times 100 %

（2）

式中：q_v 为滴头的偏差率，%；q _max为最大滴头流量，L/h；q _min为最小滴头流量，L/h；q_d 为设计滴头流量，L/h。

2 结果与分析

2.1 不同压力对滴头变异系数的影响

滴头变异系数是衡量滴头性能的重要参数之一，相同工作压力下滴头变异系数越小，说明滴头流量的离散程度越小，滴头性能越好。根据测定10～140 kPa压力下的滴头流量，利用公式（1）计算不同压力下的各试样的滴头变异系数，结果见图1。由图1可知，在额定工作压力（100 kPa）下仅试样B4的变异系数C_v 大于5%。在低压（10～60 kPa）情况下试样A2、A4、B1、B4滴头的变异系数随着工作压力的降低而增大，当工作压力小于40 kPa后变异系数C_v 大于5%，而试样A1、A3、B2、B3滴头的变异系数变化趋势不明显，且C_v 均小于5%，因此从滴头的变异系数方面看，在低压工作情况下A1、A3、B2、B3四种试样的滴头的性能优于A2、A4、B1、B4。

图1 不同类型滴头的变异系数

Fig.1 Coefficient deviation of different types of emitter

Full size|PPT slide

2.2 低压条件下滴头流态指数的特性

滴头工作压力与流量关系如下：

q=k H ^x （3）

式中：q为灌水器的流量，L/h；k为系数；H为工作压力，kPa；x为流态指数。

灌水器的流态指数x是衡量灌水器性能重要指标，流态指数值越小，工作压力变化对灌水器流量的影响越小。滴头的流态指数是通过实测不同压力下的滴头流量，利用软件拟合计算得出。分别对每个试样按低压（10~60 kPa）和常压（10~140 kPa）两个工作压力范围进行流量和压力关系拟合，计算出两种压力范围下滴头的k值和x值，并绘制8个试样的流量压力关系曲线，见图2。

图2 不同工作压力下滴头流量压力曲线

Fig.2 Curve of flow rate and pressure of emitter under different working pressure

Full size|PPT slide

由图2可知，低压对不同类型滴头的流态指数的影响不同，试样A1、A2、B1、B2、B4的流态指数x比常压分别大0.024、0.006、0.062、0.039、0.003，试样A3、A4、B3在低压情况下较常压分别小0.015、0.013、0.032。低压工作时滴头的流态指数变化趋势与常压时的流态指数有关，当滴头的常压流态指数>0.5时，低压工作时流指数变大，常压流态指数<0.5时，低压工作时流指数变小。两种管径比较，低压情况下管径为12 mm滴灌管的滴头流态指数变化幅度较大。

2.3 低压工作下的滴灌流量偏差率比较

滴头流量偏差率是滴灌系统设计的约束性指标，规范要求滴头流量偏差率q_v ≤20 %，通过分析常压压力流量公式计算流量偏差率达到设计要求时，低压压力流量公式计算出的流量偏差情况，判断常压压力流量公式是否能够用于滴灌系统低压设计。当设计压力h_d 为60 kPa和q_v 为20 %时，利用常压压力流量关系式计算出8个试样滴头的最小工作压力h _min，然后利用低压流量关系式计算出h_d 、h _min两个压力下的流量，按照流量偏差率计算公式（2）计算流量偏差，比较低压和常压时流量偏差率差异，结果见表2。

表2 两种压力流量公式计算的滴头流量偏差率比较

Tab.2 Comparison of emitter flow deviation calculated by two pressure-flow formulas

试样	设计压力h_d /kPa	最小压力h _min/kPa	常压			低压			偏差率△q/%
试样	设计压力h_d /kPa	最小压力h _min/kPa	最大流量q _max/(L·h^-1)	最小流量q _min/ (L·h^-1)	流量偏差q_v _nom/%	最大流量q _max/ (L·h^-1)	最小流量q _min/ (L·h^-1)	流量偏差q_v _low/%	偏差率△q/%
A1	60	38.97	0.739 1	0.591 3	20.00	2.647 9	2.091 1	21.03	5.15
A2	60	43.01	0.720 6	0.576 5	20.00	3.508 6	2.796 0	20.31	1.56
A3	60	38.41	1.133 7	0.907 0	20.00	3.431 9	2.766 8	19.38	-3.08
A4	60	36.81	1.854 4	1.483 6	20.00	5.030 6	4.065 4	19.19	-4.06
B1	60	43.22	0.663 0	0.530 4	20.00	3.910 7	3.044 6	22.15	10.74
B2	60	38.13	1.676 1	1.340 9	20.00	6.016 2	4.699 2	21.89	9.45
B3	60	34.17	1.017 9	0.814 4	20.00	2.279 9	1.860 6	18.39	-8.03
B4	60	38.79	1.737 9	1.390 3	20.00	5.775 6	4.603 5	20.29	1.45

注：

⊿ q=[( q_v _nom -q_v _low)/ q_v _nom]×100%。

由表2可知，按照常压压力流量公式计算，管径为16 mm的试样中A4允许压力变化范围最大，最低压力为36.81 kPa，A2允许压力变化范围最小，最低压力为43.01 kPa。管径为12 mm试样中B3允许压力变化范围最大，最低压力为34.17 kPa，B1允许压力变化范围最小，最低压力为43.22 kPa。

管径为16 mm的4个试样，在常压、低压两种公式计算出的流量偏差的偏差率在-4.06%～5.15%，管径为12 mm的4个试样的偏差率在-8.03%～10.74%，说明低工作压力对管径12 mm的滴灌管影响大于管径16 mm滴灌管。试样A3、A4、B3利用低压公式计算出的流量偏差均小于允许流量偏差20%，分别为19.38%、19.19%和18.39%，其他5个试样计算值大于允许偏差，其中B1的流量偏差最大为22.15%。结果表明，试样A3、A4、B3的滴头，利用常压压力流量关系公式计算低压情况下的流量偏差小于规范规定的限值，可以满足设计要求。

3 讨论

（1）不同压力对滴头变异系数的影响。计算结果表明低压情况下不同类型的滴头变异系数变化不同，这与梁华峰等^[19] 研究得出的在低压情况下滴头的制造变异系数随着压力降低有增大趋势结论不同，可以发现在低压情况下变异系数变大的滴头均为侧翼迷宫式滴头，内镶贴片式或内镶柱状滴头的变异系数变化不明显。原因是侧翼迷宫式滴头是加热挤压而成，滴头尺寸精度低，而内镶式滴头是由模具注塑制成，制造精度高，因此在低压对侧翼迷宫式滴头的变异系数影响较大，对内镶贴片或内镶柱状滴头影响小。

（2）低压条件下滴头流态指数的特性。压力流量公式中流态指数x是滴头性能重要指标，试样A3、A4、B3的流态指数x在低压情况下变小，而另外5个试样滴头的流态指数x在低压情况下变大，表明在常压下流态指数x＜0.5的滴头低压工作下x变小，在常压下x＞0.5的滴头在低压下x变大，这与马晓鹏等^[20]研究得出的流态指数随压力的降低而增大结论不同，产量结论不同的原因可能是测试滴头类型的差异。通过不同压力下滴头流态指数变化比较，表明管径对滴头流态指数有一定的影响，管径越小影响越大，原因是相同情况下管径12 mm的滴头较管径16 mm的滴头体积小，因此对压力变化的反应较敏感。

（3）低压工作下滴灌流量偏差率比较。滴头的流量偏差率在滴灌系统设计中具有重要意义，是评价滴灌系统是否合理的重要指标，其取值直接影响滴灌系统布置方式、灌溉质量及工程造价。在实际应用中，常压条件下的压力流量公式中系数k和流态指数x能够得到，但是低压情况下需要进行测试后才能得到，因此需要找出一种途径简化实际设计中缺少技术参数问题。通过两种压力流量公式计算流量偏差率的比较，结果表明当常压公式试算出q_v =20%，滴头流态指数x＜0.5时，低压公式试算出的q_v ＜20%，滴头流态指数x＞0.5时，低压公式试算出的q_v ＞20%，因此当滴头流态指数x＜0.5时，可以用常压压力流量公式进行低压滴灌设计。

4 结论

（1）由于滴头的材料和制造工艺不同，低压条件下对侧翼迷宫式滴头的变异系数影响较大，对内镶贴片或内镶柱状滴头影响小。

（2）低压对滴头流态指数的影响以常压下流态指数x=0.5为界，常压下x＜0.5的滴头，低压下流态指数减小，反之，低压下流态指数增大。

（3）利用常压滴头作为在低压滴灌系统中时灌水器时，选择大管径、滴头流态指数小于0.5的滴灌管线，可以提高低压滴灌系统的均匀度，保证灌水质量要求。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

1	王伟，李光永，段中琐. 低水头滴灌系统研究[J]. 节水灌溉， 2000(3)：36-39. 本文引用 [1]

2	牛文全，吴普特，范兴科. 低压滴灌系统研究[J]. 节水灌溉， 2005(2)：29-30，32. 本文引用 [1]

3	ROWELL B，SOE M L， KHINE T T. Low pressure drip irrigation for commercial vegetables in Myanmar[C]//SEAVEG 2012 High Value Vegetables in Southeast Asia：Production，Supply and Demand， 2013： 135. 本文引用 [1]

4	SAN D N， PUROHIT R C， KUMAR V，et al. Design， construction and evaluation of low pressure and low cost drip irrigation system[J]. International Agricultural Engineering Journal，2010，19(2)：32-38.

5	王环波，于静静.低压小流量滴灌系统与传统滴灌系统对比试验分析[J]. 甘肃水利水电技术，2014，50(12)：40-41. 本文引用 [1]

6	仵峰，范永申，李金山，等.低压条件下灌水器水力性能试验研究[J]. 节水灌溉，2003(1)：14-16. 本文引用 [1]

7	李云开，杨培岭，任树梅，等. 重力滴灌灌水器水力性能及其流道内流体流动机理[J]. 农业机械学报，2005(10)：54-57.

8	DUTTA D P. Characterization of drip emitters and computing distribution uniformity in a drip irrigation system at low pressure under uniform land slopes [D]. Texas A & M University，Texas，2008.

9	洪明，李援农，马英杰，等.低压条件下滴灌毛管水头损失试验研究[J]. 灌溉排水学报，2010，29(1)：50-52，73.

10	徐明金，聂境，葛旭峰，等.低压条件下滴灌带的水力特性及温度影响效应试验[J]. 中国农村水利水电，2010(12)：8-10. 本文引用 [1]

11	洪明，李援农，马英杰，等. 不同流态条件下低压滴灌灌水器工作水头与灌水均匀度关系的研究[J]. 中国农村水利水电， 2009(8)：8-11，16 本文引用 [1]

12	张林，吴普特，范兴科，等. 低压滴灌灌水均匀度试验研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2009，37(12)：207-212.

13	范兴科，吴普特，牛文全，等. 低压滴灌条件下提高系统灌水均匀度的途径探讨[J]. 灌溉排水学报，2008(1)：18-20.

14	李文，黄修桥，韩启彪，等.低压滴灌条件下均匀度各指标相关关系试验研究[J].灌溉排水学报，2017，36(4)：72-76. 本文引用 [1]

15	臧丽花，牛文全，吴普特. 低压滴灌系统大流量压力调节器的研制[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2006(7)：142-146. 本文引用 [1]

16	刘淑萍，吕宏兴，王文娥，等. 低压微管圆弧形迷宫流道水力特性研究[J]. 节水灌溉，2011(2)：15-18+23.

17	王建东，龚时宏，李光永，等. 低压下流道结构参数对锯齿型滴头水力性能影响的试验研究[J]. 水利学报，2014，45(1)：72-78.

18	郭涛，张胜江，杨鹏年，等. 基于低压小流量滴灌的压力流量传感器标定[J]. 节水灌溉，2018(9)：74-77. 本文引用 [1]

19	梁华锋，黄修桥，仵峰，等. 低压条件下滴头流量公式的试验研究[J].灌溉排水学报，2014，33(2)：21-24. 本文引用 [1]

20	马晓鹏，龚时宏，王建东，等.常压灌水器在低压条件下水力性能试验研究[J].灌溉排水学报，2009，28(5)：7-9. 本文引用 [1]

PDF(832 KB)

390

访问

引用

详细情况

段落导航

收稿日期	出版日期
2020-11-04	2021-08-10
发布日期
2021-08-10

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容