吳婉瑩,王文娥,胡笑濤,王 睿,吳錫凱
(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
水肥一體化具有節(jié)水、提高肥料利用率、提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)大面積應(yīng)用。為了更加節(jié)能和經(jīng)濟(jì),目前提出的低壓滴灌,即通過降低滴灌系統(tǒng)首部壓力的方式,可以大幅減少系統(tǒng)投資,但其中最大的問題是,低壓情況下灌水器灌水均勻度的降低和抗堵塞性能能否滿足灌溉要求,和高壓相較下,能否既體現(xiàn)其降耗的特點(diǎn)又滿足灌溉質(zhì)量的要求?;趯?duì)目前在新疆和甘肅等地區(qū)大面積應(yīng)用的適用于低壓的側(cè)翼迷宮滴灌帶和適用于高壓的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶水力性能的研究,急需將其投入田間運(yùn)行,對(duì)其抗堵塞性能、灌溉均勻度以及各自適用范圍進(jìn)行研究,分析影響因素,為微灌系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供參考。
目前對(duì)低壓滴灌、迷宮滴灌帶的水力性能和抗堵塞性能的研究已有許多成果:牛文全[1]等定義了滴灌系統(tǒng)的概念和原理;劉燕芳[2]等通過研究溫室水肥滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞狀況,得出灌水器平均流量隨著灌水量和施肥量的增加呈下降趨勢(shì);劉璐等[3]研究在冬、夏兩個(gè)季節(jié)研究了3種不同泥沙級(jí)配渾水與3個(gè)不同施肥質(zhì)量濃度組合對(duì)滴頭堵塞的影響和堵塞變化過程,發(fā)現(xiàn)夏季施肥和未施肥灌溉滴頭的抗堵塞性能均高于冬季,夏季有效灌水次數(shù)是冬季的1.26~1.43倍;馬曉鵬[4]得出了內(nèi)鑲片式滴灌帶灌水器的水力性能優(yōu)于單翼迷宮薄壁滴灌帶;羅春艷等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著滴灌帶進(jìn)水口的壓力增加,滴頭灌水均勻度呈上升趨勢(shì);仵峰[6]等通過內(nèi)鑲式、微管和補(bǔ)償式3種灌水器自由出流試驗(yàn),得到內(nèi)鑲式滴頭和微管的流量隨著壓力的升高而增大,補(bǔ)償式滴頭流量相對(duì)穩(wěn)定,但低壓時(shí)流量相對(duì)較大;穆乃君[7]等對(duì)內(nèi)鑲片式齒型迷宮滴頭的抗堵塞性能進(jìn)行了測(cè)試,認(rèn)為抗堵塞性能隨結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(段面最小尺寸,水力半徑和齒間距)、額定流量和迷宮滴頭徑粒比的增大而明顯提高;劉璐[8]提出了采用灌水器平均相對(duì)流量和灌水均勻度指標(biāo),綜合分析灌水器的堵塞狀況的方法,并給出了評(píng)價(jià)堵塞程度的概化模型;牛文全[9]分析了轉(zhuǎn)角對(duì)水力性能和抗堵塞性能的影響,提出迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器的合理轉(zhuǎn)角為60°。本文采用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)普遍應(yīng)用的側(cè)翼迷宮和內(nèi)鑲貼片式滴灌帶,通過水力性能和大田水肥一體抗堵塞性能測(cè)試,分析首壓、過濾設(shè)施、鋪設(shè)長(zhǎng)度等對(duì)滴灌帶性能的影響,為推廣應(yīng)用水肥一體低壓灌溉提供參考。
本試驗(yàn)在甘肅省武威市中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。站內(nèi)水源來自石羊河水系,水中主要含有鈣離子、鉀離子及鎂離子等陽(yáng)離子;陰離子主要含有碳酸氫根離子、硫酸氫根離子及氯離子。pH值在7.3~9.5之間屬中性偏弱堿性,總硬度在200~350 mg/L之間屬微硬水,礦化度在400~600之間,屬淡水。
試驗(yàn)地長(zhǎng)104 m,寬22 m,共1 560 m2,玉米種植品種(先玉335)及種植方法與當(dāng)?shù)叵嗤?,采用膜下滴灌一膜一帶兩行種植,膜寬40 cm,株距25 cm,行距40 cm。肥料選用氮肥[CO(NH2)2,總氮≥46.4%,寧夏石化生產(chǎn)]、鉀肥(K2SO4,總鉀≥50%,上海漢合生產(chǎn))、磷肥(NH4H2PO4,總磷≥46%,安寧云科生產(chǎn))。滴灌系統(tǒng)包括水源、干管、水力驅(qū)動(dòng)式比例施肥泵、過濾器、支管、毛管及壓力表、閥門、水表、便攜式超聲波流量計(jì)等,滴灌帶采用當(dāng)?shù)爻S玫膬?nèi)鑲貼片式和抗堵塞性能較強(qiáng)的新型迷宮流道側(cè)翼迷宮式滴灌帶[10]兩種,滴灌帶流道結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1 兩種滴灌帶流道技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of 2 kinds of channels of drip-tape
由于實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)滴灌帶首部達(dá)到一定壓力值后,部分滴頭出現(xiàn)噴水或出水孔口破裂的情況,需確定滴灌帶運(yùn)行允許壓力范圍。取兩種滴灌帶各7.5 m(滴頭數(shù)量分別為25個(gè)和50個(gè)),測(cè)定壓力流量關(guān)系。每次試驗(yàn)時(shí)待壓力穩(wěn)定后每10 min測(cè)定一次滴頭流量,每個(gè)滴頭出流量由量杯接取5 min出流量并用精度為0.01 g的電子天平稱量,試驗(yàn)持續(xù)2 h。由于試驗(yàn)使用的側(cè)翼迷宮式滴灌帶管壁厚為0.2 mm,較薄,壓力為0.02~0.1 MPa;內(nèi)鑲貼片式滴灌帶管壁較厚,壓力為0.02~0.12 MPa;每0.01 MPa為一種工況。根據(jù)大田試驗(yàn)田塊長(zhǎng)度取兩種滴灌帶48 m,測(cè)試不同管首壓力下兩種滴灌帶沿程水頭損失,在滴灌帶平均選取8個(gè)點(diǎn)(6、12、18、24、30、36、42、48 m),用精度等級(jí)為0.25級(jí)的精密壓力表量取各測(cè)點(diǎn)的壓力值。
大田試驗(yàn)共8個(gè)小區(qū),小區(qū)長(zhǎng)度48 m,4個(gè)小區(qū)使用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶(A、B、C、D),另外4個(gè)小區(qū)使用側(cè)翼迷宮式滴灌帶(E、F、G、H),其中:A、E只灌清水(48 m×2 m),各鋪設(shè)兩條滴灌帶;B、C、D、F、G、H 6個(gè)為滴灌施肥區(qū)(48 m×3.5 m),各鋪設(shè)4條滴灌帶。滴灌帶前分別安裝疊片式120目(D120)、網(wǎng)式120目(W120)及網(wǎng)式80目(W80)過濾器和不設(shè)過濾器4種,試驗(yàn)小區(qū)布置圖見圖1,試驗(yàn)小區(qū)布置方式見表2。
根據(jù)兩種滴灌帶工作壓力范圍,內(nèi)鑲貼片滴灌帶三個(gè)施肥區(qū)(B、C、D)管首壓力分別設(shè)置為0.08、0.09、0.10 MPa,內(nèi)鑲貼片式滴灌帶三個(gè)施肥區(qū)(F、G、H)管首壓力分別設(shè)置為0.04、0.05、0.06 MPa,在施肥灌溉中,通過閥門控制首部壓力,當(dāng)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后,調(diào)施肥泵施肥比例為2%,將施肥泵的吸肥管放入配好的肥水比1∶5的肥液(4.8 kg)中,開始施肥,期間測(cè)定滴灌帶首尾壓力,每分鐘讀取一次數(shù)據(jù),經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行10 min后化肥可輸送完畢,每次試驗(yàn)后如過濾器堵塞則進(jìn)行清洗更換。全生育期內(nèi)共進(jìn)行9輪灌水施肥,根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔仁┓柿吭O(shè)置玉米全生育期內(nèi)灌水定額約230 mm,尿素在基肥施加30%,拔節(jié)期施加70%,鉀肥全部施加到基肥中,磷肥將其平均分配到9次灌水中,每次施用量相同,全生育期施肥總量為N元素280 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。在整個(gè)灌溉周期結(jié)束后,將所有滴灌帶取回,每條滴灌帶截取前、中、后各取6 m,再通過清水測(cè)定滴頭出流量。
1-水泵;2-閥門;3-精密壓力表;4-水表;5-水力驅(qū)動(dòng)式比例施肥泵;6-肥液桶;7-取水口;8-過濾器;9-超聲波流量計(jì)圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置圖Fig.1 Layout of the test plot
根據(jù)對(duì)兩種滴灌帶滴頭進(jìn)行的水力特性試驗(yàn)結(jié)果,分析在一定壓力范圍內(nèi)滴頭流量-壓力關(guān)系,繪制滴灌帶水力特性曲線如圖2,通過回歸分析可得兩種滴灌帶壓力流量關(guān)系式為:
表2 試驗(yàn)小區(qū)布置方式Tab.2 Layout of the test plot
注:過濾器一列中D表示疊片式過濾器,W表示網(wǎng)式過濾器,120和80表示過濾器目數(shù),WU表示不安裝過濾器,下同。
內(nèi)鑲貼片式q=0.901 4H0.365 2R2=0.993
(1)
側(cè)翼迷宮式q=0.788 1H0.475 9R2=0.995 9
(2)
由上式可以看出,內(nèi)鑲貼片式滴頭的流態(tài)指數(shù)x為0.365 2,具有一定的壓力補(bǔ)償性,側(cè)翼迷宮式滴頭的流態(tài)指數(shù)x為0.475 9,制紊效果較優(yōu),在管首壓力小于0.04 MPa時(shí)內(nèi)鑲貼片式滴頭流量大于側(cè)翼迷宮式,在0.04 MPa下兩種滴頭流量一致,隨著壓力增大側(cè)翼迷宮式滴頭流量大于內(nèi)鑲貼片式且兩者差距有增大趨勢(shì)。
圖2 兩種滴頭的水力特性曲線Fig.2 Hydraulic characteristic curve4 of 2 kinds of emitters
根據(jù)測(cè)試不同管首壓力下兩種滴灌帶沿程水頭損失結(jié)果,分析在一定管首壓力范圍內(nèi),水頭損失隨滴灌帶長(zhǎng)度的變化過程如圖3所示。由圖3可以看出,在管首壓力為0.08 MPa下,內(nèi)鑲貼片式滴灌帶沿程損失受滴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度影響不明顯,隨長(zhǎng)度增加略微有上升,當(dāng)管首壓力增大,上升趨勢(shì)更加顯著,但增大幅度最大為0.002 MPa,灌水均勻度較高;而側(cè)翼迷宮式滴灌帶沿程損失隨滴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度的增大而增大,在管首壓力增大時(shí)增幅也略有加強(qiáng),灌水均勻度比前者次之,但在短距離鋪設(shè)長(zhǎng)度下,側(cè)翼迷宮滴灌帶的水頭損失小于內(nèi)鑲貼片,能量耗損更低。
圖3 滴灌帶首尾壓差沿程變化曲線Fig.3 Changes curve of pressure of the head and tail of drip tape with different positions
2.2.1 肥水灌溉次數(shù)對(duì)滴灌帶堵塞程度的影響
在整個(gè)灌溉施肥期間,在管首壓力一定的情況下,采取觀測(cè)滴灌帶首尾壓力差值的方式,來監(jiān)測(cè)總水頭損失的大小,即整條滴灌帶出流量的變化,也可以體現(xiàn)堵塞程度的變化,其中壓差越小則代表水頭損失減小即出流量減小、堵塞程度增大,因此壓差和流量呈正相關(guān),和堵塞程度呈負(fù)相關(guān)。
圖4給出了2種滴灌帶在9次間歇性肥水灌溉過程中滴灌帶首尾壓力差的變化過程,由圖4可以看出,首先,對(duì)于內(nèi)鑲貼片式滴灌帶來說,在管首壓力為0.08 MPa下,4條滴灌帶壓差均有下降且下降趨勢(shì)比較均勻,其中B1壓差在前期略有波動(dòng)后,中期持續(xù)平穩(wěn),到周期結(jié)束時(shí)再次降低,B2壓差在前期持續(xù)降低,直至第5次施肥壓差顯著提升,維持到結(jié)束時(shí)又略有降低,B3壓差除了在中后期略有波動(dòng)隨灌溉次數(shù)降幅均勻,B4壓差總體呈下降趨勢(shì),分別在第4、6和第8次發(fā)生回升,其后均再次下降,到灌溉結(jié)束后相較前三條降幅最大為0.005 MPa,其次為B3為0.004 MPa,均可以為發(fā)生部分堵塞,而B1和B2降幅較低,堵塞程度小于前兩者;在管首壓力為0.09 MPa時(shí),壓差在第2次施肥時(shí)均有降低,之后先后均有回升,又于第6、7次施肥時(shí)再次降低,其中最低值發(fā)生在C3和C4兩種情況下,在9次灌溉結(jié)束后,C1和C2壓差略有降低,而C3和C4的壓差降幅較大為0.003 MPa,因此在首壓為0.09 MPa下,C3和C4滴灌帶產(chǎn)生一定堵塞;在管首壓力為0.1 MPa下,壓差沒有出現(xiàn)較大波動(dòng),其中D3和D4滴灌帶分別在第3次和第6次施肥時(shí)壓差降到最低為0.015 MPa,且在9次灌水施肥結(jié)束后只有這兩種壓差略有降低相較最初降幅為0.001 MPa,可以推測(cè)此壓力下D小區(qū)均沒有發(fā)生堵塞。 其次,對(duì)于側(cè)翼迷宮滴灌帶,在管首壓力為0.04 MPa下,相較于B小區(qū),F(xiàn)小區(qū)壓差前期均未發(fā)生明顯變化,在中期顯著降低,隨后在小范圍內(nèi)略有波動(dòng),其中F1和F2雖然灌溉期間壓差發(fā)生變化,但在灌溉結(jié)束時(shí)壓差均回升至初始值,可見堵塞物并未頑固長(zhǎng)存,F(xiàn)3和F4壓差在中期降低后直至灌溉結(jié)束無(wú)明顯增長(zhǎng)或繼續(xù)降低趨勢(shì),降幅為0.003和0.004 MPa,認(rèn)為發(fā)生一定程度堵塞;在管首壓力為0.05和0.06 MPa下,其變化類似于D小區(qū)情況,在灌溉期間壓差均上下小幅度波動(dòng),其中G3和G4壓差在最后一次施肥降幅稍大為0.002 MPa,可認(rèn)為發(fā)生輕微堵塞,其余壓差未有明顯降低認(rèn)為沒有發(fā)生堵塞。
綜上,兩種滴灌帶在各自管首最低壓力時(shí)均發(fā)生一定堵塞,其中側(cè)翼在設(shè)置疊120目和網(wǎng)120目過濾器的情況下未出現(xiàn)堵塞,而對(duì)于內(nèi)鑲只是減輕了堵塞情況,在設(shè)置網(wǎng)80目過濾器的條件下亦均發(fā)生堵塞,相較未設(shè)過濾器堵的堵塞情況要相對(duì)輕微;兩種滴灌帶發(fā)生堵塞規(guī)律隨灌溉周期變化不同,內(nèi)鑲式滴灌帶的堵塞程度隨時(shí)間呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),而側(cè)翼迷宮式滴灌帶在第四次施肥后發(fā)生一定堵塞后,其后并未發(fā)生明顯變化。
圖4 2種滴灌帶滴頭首尾壓差隨灌水次數(shù)變化曲線Fig.4 Changes curve of pressure of the head and tail of two kinds of drip tape with irrigation times
2.2.2 滴灌帶不同位置滴頭堵塞程度
表3給出了各滴灌帶不同位置滴頭平均相對(duì)流量,對(duì)比壓差曲線,只有B3、B4和F3、F4發(fā)生了不同程度的堵塞,其中前兩者前中后均有堵塞,相對(duì)流量介于73%~80%間,前中段堵塞情況要略優(yōu)于后段,其中B4前段和后段相對(duì)流量為73%小于75%發(fā)生嚴(yán)重堵塞;F3和F4前段相對(duì)流量均大于90%,基本沒有發(fā)生堵塞,中后段介于80%~85%之間,中段要略優(yōu)于后段;在設(shè)置疊120目和網(wǎng)120目過濾器下滴灌帶均未發(fā)生堵塞,前者效果更優(yōu)于后者,在設(shè)置網(wǎng)80目過濾器時(shí)堵塞情況相對(duì)未設(shè)過濾器較輕,但是相差較小,過濾效果甚微;同種滴灌帶,在壓力較大時(shí)更不易發(fā)生堵塞,兩種滴灌帶相較下,側(cè)翼迷宮滴灌帶抗堵塞性要優(yōu)于內(nèi)鑲貼片式滴灌帶,前者在首壓為0.04~0.06 MPa下工作均未發(fā)生嚴(yán)重堵塞,滿足灌溉要求,后者在首壓為0.08 MPa,設(shè)網(wǎng)80目和未設(shè)過濾器下發(fā)生嚴(yán)重堵塞,其他情況未發(fā)生堵塞。
由于內(nèi)鑲貼片式滴灌帶沿程損失受滴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度影響不明顯,因此堵塞情況受滴頭位置(即滴頭距管首距離)影響不明顯,因此B3和B4前中后堵塞情況比較接近;而側(cè)翼迷宮滴灌帶沿程損失較大,因此堵塞情況隨管長(zhǎng)增大而加重。
表3 滴灌帶不同位置滴頭平均相對(duì)流量 %
圖5給出了滴灌帶不同位置的灌溉均勻系數(shù)變化情況,可以看出內(nèi)鑲貼片式滴灌帶灌溉均勻系數(shù)隨鋪設(shè)距離變化并不明顯,總體均勻性要優(yōu)于側(cè)翼迷宮滴灌帶,適合長(zhǎng)距離鋪設(shè);對(duì)于內(nèi)鑲來講,B3和B4因發(fā)生堵塞,整體均勻系數(shù)都在70%~80%之間,灌水質(zhì)量較差,其余工況下均勻系數(shù)均大于90%,在0.09 MPa下設(shè)疊120過濾器的滴灌帶均勻度最高,整體呈現(xiàn)前中段均勻度略高于后段的規(guī)律;而側(cè)翼因其滴頭間距較小為15 cm(內(nèi)鑲為30 cm),水頭損失較大,隨鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加滴頭流量呈遞減狀態(tài),因此灌溉均勻度也隨之降低,在0.04 MPa下最低在F3、F4的后段為83%和82.6%,當(dāng)管首壓力提高均勻度降幅也相對(duì)減小,在0.05 MPa時(shí)最低在G4后段為90.9%,0.06 MPa最低在H4后段為90.6%,均滿足灌溉要求。
在設(shè)計(jì)微灌工程中,一般不直接應(yīng)用Cu來進(jìn)行設(shè)計(jì),而是通過控制微灌系統(tǒng)的流量偏差來控制系統(tǒng)的灌水均勻度[5]。對(duì)灌水器設(shè)計(jì)流量偏差率qv進(jìn)行討論和修正,按下式計(jì)算:
qd=(qmax-qmin)/qd×100%
(3)
灌水器設(shè)計(jì)允許流量偏差率應(yīng)滿足qd≤20%。其中qv為灌水器設(shè)計(jì)流量偏差率,%;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,L/h??紤]到側(cè)翼迷宮滴灌帶壓降較大的問題,計(jì)算流量偏差率來確定其適用性如表4所示。其中,F(xiàn)小區(qū)qd均低于20%,不滿足要求,H小區(qū)流量偏差率略低于G小區(qū),灌溉質(zhì)量最優(yōu)。通過計(jì)算和對(duì)比查找圖2和圖3,對(duì)于0.04 MPa為管首壓力下,建議鋪設(shè)長(zhǎng)度小于等于30 m。
圖5 滴灌帶不同位置灌溉均勻系數(shù)變化圖Fig.5 Changes curve of the Cu of drip tape with different positions
表4 滴灌帶設(shè)計(jì)流量偏差率 %
通過對(duì)兩種滴灌帶水力特性和抗堵塞性研究,內(nèi)鑲貼片式滴灌帶試用于長(zhǎng)距離鋪設(shè)(≥50 m),整體灌水均勻度較高,但抗堵塞性能低于側(cè)翼迷宮滴灌帶,而且對(duì)工作壓力要求較高,在低于0.09 MPa壓力下易發(fā)生堵塞,需設(shè)置疊片式或網(wǎng)式120目過濾器;經(jīng)測(cè)試,側(cè)翼迷宮滴灌帶可以在長(zhǎng)距離(48 m)低壓情況下(≥0.05 MPa)進(jìn)行水肥一體化高質(zhì)量灌溉,由于研究表明側(cè)翼迷宮滴灌帶堵塞情況隨管長(zhǎng)增大而加重,且在短距離鋪設(shè)長(zhǎng)度下,側(cè)翼迷宮滴灌帶的水頭損失小于內(nèi)鑲貼片,能量耗損更低,當(dāng)首壓設(shè)置為0.04 MPa時(shí)建議鋪設(shè)距離≤30 m可以保證其抗堵塞性及灌溉均勻度都較優(yōu)。除此之外,從兩種滴灌帶本身的造價(jià)來講,側(cè)翼迷宮式滴灌帶價(jià)格僅為內(nèi)鑲貼片式滴灌帶的一半,并且因其材料單一可回收再利用的特點(diǎn),更加提升了其經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性。
(1)內(nèi)鑲貼片式滴灌帶沿程損失受滴灌帶鋪設(shè)長(zhǎng)度影響不明顯,隨長(zhǎng)度增加略微有上升,當(dāng)管首壓力增大,上升趨勢(shì)更加顯著,但增大幅度最大為0.002 MPa,灌水均勻度較高;側(cè)翼迷宮式滴灌帶沿程損失隨鋪設(shè)長(zhǎng)度的增大而增大,在管首壓力增大時(shí)增幅也略有加強(qiáng),灌水均勻度比前者次之,但在鋪設(shè)長(zhǎng)度低于30 m時(shí),側(cè)翼迷宮式滴灌帶的水頭損失小于內(nèi)鑲貼片式滴灌帶,能量耗損更低。
(2)內(nèi)鑲貼片式滴灌帶抗堵塞性能低于側(cè)翼迷宮滴灌帶,在低于0.09 MPa壓力下易發(fā)生堵塞,需設(shè)置疊片式或網(wǎng)式120目過濾器;側(cè)翼迷宮滴灌帶堵塞情況隨管長(zhǎng)增大而加重。
(3)側(cè)翼迷宮滴灌帶鋪設(shè)48 m時(shí),水肥一體化灌溉管首壓力0.05 MPa效果最優(yōu),當(dāng)首壓設(shè)置為0.04 MPa時(shí)建議鋪設(shè)距離不超過30 m。