石培君，呂廷波，2*， 武小狄， 田小平， 徐 強(qiáng)， 杜繼兵， 王 標(biāo)

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000 ；2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆石河子 832000)

機(jī)采棉滴灌帶布置方式的選擇

石培君1，呂廷波1，2*， 武小狄1， 田小平1， 徐 強(qiáng)1， 杜繼兵1， 王 標(biāo)1

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000 ；2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆石河子 832000)

摘要[目的]研究在機(jī)采棉種植模式下不同滴灌布的布置方式，對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響。[方法]采用大田試驗(yàn)法，分別選取3個(gè)灌水小區(qū)，以機(jī)采棉種植模式下滴灌系統(tǒng)中的滴頭作為研究對(duì)象，各灌水小區(qū)內(nèi)布設(shè)相同滴頭設(shè)計(jì)流量下的兩種不同滴灌布置方式。滴頭設(shè)計(jì)流量分別為1.8、2.6和3.0 L/h；支管管徑分別為75和90 mm，3種滴灌帶的管徑均為16 mm,滴頭距均為30 cm。從毛管進(jìn)口處開始依次為A、B、C、D、E分別計(jì)算出5點(diǎn)處的毛管水頭，計(jì)算出管道系統(tǒng)壓力，從而篩選出最適合機(jī)采棉種植模式下的最佳滴灌帶布置方式。[結(jié)果]不同滴頭設(shè)計(jì)流量和不同滴灌帶布置方式下，毛管上的工作水頭和系統(tǒng)工作壓力存在明顯差異。認(rèn)為在設(shè)計(jì)條件下最佳模式應(yīng)為1膜2管布置方式，滴頭流量為2.6 L/h。[結(jié)論]在此種布置方式下棉花對(duì)水分的利用率達(dá)到最高，可以起到節(jié)水、增產(chǎn)的效果。

關(guān)鍵詞滴灌帶布置方式； 機(jī)采棉；滴頭流量；水頭；壓力

隨著近幾年國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本持續(xù)上升新疆特大棉花生產(chǎn)基地的機(jī)械化、集約化經(jīng)營(yíng)模式的優(yōu)勢(shì)日益突顯。要保持新疆棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，全面推廣機(jī)采棉已成為必然選擇。自2010年以來(lái)，新疆機(jī)采棉種植、采收發(fā)展很快，兵團(tuán)北疆機(jī)采棉已達(dá)到50%，部分團(tuán)場(chǎng)達(dá)到70%，地方機(jī)采模式種植已占60%以上，機(jī)采棉面積逐年增加，2013年機(jī)采面積已達(dá)到6.67萬(wàn)hm2。

新疆目前正在應(yīng)用的較典型的種植模式分別為傳統(tǒng)模式、機(jī)采模式與超寬膜模式。各種植模式下又有不同的滴灌帶布置方式，機(jī)采棉種植模式下的滴灌帶布置方式大致可以分為1膜2管和1膜3管兩種。在同一種種植模式下，不同滴灌帶布置方式對(duì)棉花需水要求和生長(zhǎng)狀況的影響存在一定的差異。在同一滴灌帶布置方式下，滴灌帶滴頭的流量不同，對(duì)棉花生長(zhǎng)狀況，毛管上的水頭，管道系統(tǒng)壓力、水頭損失的影響也不相同。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者對(duì)不同滴灌帶布置方式下的毛管水頭及管道系統(tǒng)壓力進(jìn)行了計(jì)算，分析出不同滴灌帶布置方式、不同滴頭流量下滴灌帶毛管水頭，管道系統(tǒng)壓力等對(duì)棉花生長(zhǎng)狀況的影響。

1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師石河子市郊區(qū),石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)站,東經(jīng)85°59’47″,北緯44°19’28″,海拔412 m,平均地面坡度為6%。地處噶爾盆地西南緣天山北麓中段,屬中溫帶大陸性干旱氣候,年均日照時(shí)間為 2 865 h,多年平均降雨量為207 mm,平均蒸發(fā)量為1 660 mm,其中大于10 ℃積溫為3 463.5 ℃,大于15 ℃積溫為2 960.0 ℃,而無(wú)霜期為170 d。年平均風(fēng)速為1.5 m/s,靜風(fēng)占32%,偏南風(fēng)占22%,偏北風(fēng)占15%,偏東風(fēng)占14%,偏西風(fēng)17%，主要農(nóng)作物為棉花、小麥、玉米，一年一熟。

2材料與方法

2.1材料滴頭是滴灌系統(tǒng)的核心，一個(gè)滴灌系統(tǒng)工作的好壞，最終由滴頭施水性能來(lái)體現(xiàn)。試驗(yàn)進(jìn)行前，進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，最終選取農(nóng)八師大田滴灌系統(tǒng)使用較多的3種不同類型滴頭滴灌帶作為研究對(duì)象，以使試驗(yàn)具有廣泛代表性。

2.2方法在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)站大田試驗(yàn)中，選取3個(gè)灌水小區(qū)作為研究對(duì)象，各灌水小區(qū)內(nèi)布設(shè)相同滴頭設(shè)計(jì)流量下的兩種不同滴灌帶布置方式。3種滴灌帶的管徑均為16 mm，滴頭間距均為30 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量分別為1.8、2.6和3.0 L/h，支管管徑分別為75、90 mm。將滴灌帶均分成五個(gè)點(diǎn)，從毛管進(jìn)口處開始依次為A、B、C、D、E，分別計(jì)算出5點(diǎn)處的毛管水頭，進(jìn)而計(jì)算出管道的系統(tǒng)壓力。

3系統(tǒng)管道的水力計(jì)算

3.1毛管極限孔數(shù)水平毛管的極限孔數(shù)根據(jù)《規(guī)范》中的4.3.6式計(jì)算。

式中:Nm為毛管的極限分流孔數(shù)；[Δh1]為毛管允許水頭偏差，m；k為水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，取1.1；S為毛管上分流孔間距，0.3 m；qd為水器設(shè)計(jì)流量，L/h。

3.2毛管進(jìn)口工作壓力計(jì)算公式如下。

式中:hd為滴灌帶的工作水頭，取10 m；R為平均磨損比，取0.73。

3.3毛管水頭損失

其中:h毛為等距多孔管水頭損失，m；f、m、b分別為摩阻系數(shù)，流量指數(shù)和管徑系數(shù)，采用微管聚乙烯管時(shí)分別為0.505，1.75，4.75；N為出水孔個(gè)數(shù)； So進(jìn)口至首孔的間距，m；K為損失擴(kuò)大系數(shù)，取值1.1。

根據(jù)毛管進(jìn)口工作壓力和毛管水頭損失，分別計(jì)算出毛管上A、B、C、D、E、5個(gè)點(diǎn)處的工作水頭。

3.4管道系統(tǒng)總水頭損失

總水頭損失中包括沿程水頭損失和局部水頭損失，管道的局部水頭損失值較小，約占沿程水頭損失的 5%～10%，利用管道水頭損失的擴(kuò)大系數(shù)k修正，k取1.1。

4結(jié)果與分析

利用水利計(jì)算公式，分別計(jì)算出不同滴頭設(shè)計(jì)流量下毛管各處工作壓力水頭(表1)。

表1　毛管水頭與滴頭流量之間的關(guān)系

從表1可以看出，在不同滴頭設(shè)計(jì)流量下毛管首尾處的水頭也各不相同，在相同滴頭設(shè)計(jì)流量下，毛管上各點(diǎn)處的水頭隨滴頭設(shè)計(jì)流量的變化，呈近似于線性變化的趨勢(shì)，毛管上兩點(diǎn)間的水頭損失隨著水頭的減小，而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)Q=1.8L/h時(shí)，毛管進(jìn)口水頭與末端水頭之間的水頭損失占毛管進(jìn)口水頭的36%；當(dāng)Q=2.6L/h時(shí)，毛管進(jìn)口水頭與末端水頭之間的水頭損失占毛管進(jìn)口水頭的27%；當(dāng)Q=3.0L/h時(shí)，毛管進(jìn)口水頭與末端水頭之間的水頭損失占毛管進(jìn)口水頭的24.5%,隨著滴頭設(shè)計(jì)流量的增大，毛管水頭損量逐漸的減小。不同滴頭設(shè)計(jì)流量下毛管上各點(diǎn)的水頭損失差距較大，為了提高管道水的利用效率，應(yīng)選擇適宜的滴頭設(shè)計(jì)流量。

從以上的數(shù)據(jù)分析中可以看出，滴頭設(shè)計(jì)流量越大，毛管水頭損失越小，但考慮到管道系統(tǒng)壓力對(duì)管道質(zhì)量和首部樞紐壓力的要求，應(yīng)選取滴頭設(shè)計(jì)流量Q=2.6L/h較為合適。

利用水力計(jì)算公式，分別計(jì)算出了不同滴灌帶布置方式、不同滴頭設(shè)計(jì)流量下管道的系統(tǒng)壓力(表2)。

表2　 系統(tǒng)壓力與滴頭流量的關(guān)系　MPa

注：表中數(shù)據(jù)是在支管管徑外徑取75mm時(shí)的壓力情況。

從表2可以看出，在不同滴灌帶布置方式下，管道系統(tǒng)壓力差距明顯。1膜2管布置方式下，隨著滴頭設(shè)計(jì)流量的增大，管道系統(tǒng)壓力呈增大的趨勢(shì)，但變化較小，最大滴頭設(shè)計(jì)流量與最小滴頭設(shè)計(jì)流量之間的壓差占最大滴頭設(shè)計(jì)流量壓力的8%；而1膜3管布置方式下，隨著滴頭設(shè)計(jì)流量的增大，管道系統(tǒng)壓力變化明顯，最大滴頭設(shè)計(jì)流量與最小滴頭設(shè)計(jì)流量之間的壓差占最大滴頭設(shè)計(jì)流量壓力的13%。在相同滴頭設(shè)計(jì)流量下，1膜3管布置方式下管道的系統(tǒng)壓力明顯高于1膜2管布置方式。

從數(shù)據(jù)分析可知，在滿足作物灌溉需水條件下，1膜2管布置方式對(duì)管道的壓力需求較低，對(duì)管道的質(zhì)量要求也相對(duì)低一些，灌水過(guò)程中水頭損失也較小。在同一滴灌帶布置方式下，滴頭設(shè)計(jì)流量增大，管道系統(tǒng)壓力也相應(yīng)的增大，但滴頭設(shè)計(jì)流量較小時(shí)，有可能造成低壓運(yùn)行，使毛管末端水頭達(dá)不到灌溉水的要求，起不到有效灌水作用，因此，應(yīng)選擇滴頭設(shè)計(jì)流量相對(duì)較大一點(diǎn)的。

試驗(yàn)過(guò)程中管道管徑不同，在同一滴灌帶布置方式、相同滴頭設(shè)計(jì)流量下，管道系統(tǒng)壓力也存在較大的差異。因此分別計(jì)算出了不同滴灌帶布置方式、不同滴頭設(shè)計(jì)流量下管道的系統(tǒng)壓力(表3)。

表3　壓力與滴頭流量的關(guān)系　MPa

注：表中數(shù)據(jù)是在支管管徑外徑取90mm時(shí)的壓力情況。

從表3中可以看出，在相同滴灌帶布置方式下，隨著流量的增大，管道系統(tǒng)壓力呈近似線性變化。1膜2管布置方式下，最大滴頭設(shè)計(jì)流量與最小滴頭設(shè)計(jì)流量之間的壓差占最大滴頭設(shè)計(jì)流量壓力的4.7%，而1膜3管布置方式下，最大滴頭設(shè)計(jì)流量與最小滴頭設(shè)計(jì)流量之間的壓差占最大滴頭設(shè)計(jì)流量壓力的9%。

與表2相比可知，管道管徑不同，管道系統(tǒng)壓力存在差距，在同一滴灌帶布置方式下，隨著管徑的增大，相同滴頭設(shè)計(jì)流量下的系統(tǒng)壓力減小，最大滴頭設(shè)計(jì)流量與最小滴頭設(shè)計(jì)流量之間的壓差占最大滴頭設(shè)計(jì)流量壓力的百分比也減小，管道的水頭損失也相應(yīng)的減小。因而，在管道管徑選取

時(shí)，應(yīng)選擇較大的管徑。但從經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)說(shuō)，管徑過(guò)大，投資也較大，因此，應(yīng)根據(jù)灌溉水需求選擇適中的管徑。

5結(jié)論

對(duì)不同滴灌帶布置方式、不同滴頭設(shè)計(jì)流量、不同管徑下毛管上的水頭及管道系統(tǒng)壓力進(jìn)行的計(jì)算和分析結(jié)果表明，滴頭設(shè)計(jì)流量較大時(shí)，毛管水頭損失相對(duì)較小，管道管徑越大，系統(tǒng)工作壓力越小。最適合機(jī)采棉種植模式下的滴灌帶布置方式為1膜2管布置方式，滴頭設(shè)計(jì)流量為2.6L/h,在這種布置方式下，棉花對(duì)水分的利用效率達(dá)到最高，可以起到節(jié)水、增產(chǎn)的效果。

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中圖分類號(hào)S225.91+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611(2015)30-340-02

基金項(xiàng)目石河子大學(xué)優(yōu)秀青年項(xiàng)目(2013ZRKXYQ17)；石河子大學(xué)國(guó)創(chuàng)計(jì)劃(201510759041);石河子大學(xué)SRP (2015141)。

作者簡(jiǎn)介石培君(1992- ),男,甘肅武威人,在讀本科生,專業(yè)：農(nóng)業(yè)水利工程。*通訊作者,山東臨朐人,副教授,從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。

收稿日期2015-09-17

Selection of the Arrangement Method of Machine Pick up Cotton Drip Irrigation Belt

SHI Pei-jun1, LV Tin-bo1,2*, WU Xiao-di1et al (1. College of Water & Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000; 2. Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation Corps, Shihezi, Xinjiang 832000)

Abstract[Objective] To study effects of different arrangement method of machine pick up cotton drip irrigation belt on cotton growth. [Method] By using field experiment method and selecting three irrigation district, with drip head as study object, two drip irrigation arrangement method was conducted with the same drip head deign in each irrigation plot. The dripper design flow were 1.8, 2.6 and 3.0 L / h; pipe diameter respectively 75 mm and 90 mm and diameter of 3 kinds of drip irrigation belt is 16 mm, the dripper distance is 30 cm. Starts from the capillary inlet followed by A, B, C, D, E were calculated at 5 o'clock in the lateral head, calculate the pressure pipeline system, in order to select the most suitable machine mining cotton planting mode under the optimal drip tape arrangement [Result] Under different dripper design flow and different drip tape arrangement modes, the working head and the system working pressure exists obvious difference. In the design condition, the best mode should be 1 film and 2 tube arrangement, the head flow rate is 2.6 L/h. [Conclusion] Under this arrangement mode, the utilization rate of cotton to water is the highest, which can save water and increase the yield.

Key wordsDrip belt arrangement; Machine pick up cotton; Emitter discharge; Water head; Pressure