一种新型灌水器渗灌管出水均匀度试验----毛细透排水带

王 霞 玲

(青海省水利水电科学研究所(青海省水利水电科技发展有限公司)，青海省流域水循环与生态重点实验室，青海省水资源高效利用工程技术研究中心，西宁 810001)

1　新型灌水器渗灌技术概述

渗灌是继喷灌、滴灌之后的又一先进节水灌溉技术。其特点是将渗灌管直接埋于作物根系活动层，根据作物需水量向土壤中渗水直接供给作物，采用渗灌技术灌溉，不仅可以保持土壤的疏松状态，保护土壤结构不被破坏，灌溉区域土壤表面不会产生板结，而且水面蒸发小，管道埋在地下，占地量小，渗灌系统压力小，有省水、节能的优势，但由于渗灌管埋于地下，受作物根系向水性等因素的影响，防堵性能差，极易堵塞[1]。而由四川威铨工程材料有限公司会同国内多家科研、院校、设计单位以及多位权威专家人士研究和开发的“毛细透排水带·管”，是目前成功应用于公路、铁路、隧道桥梁、地铁工程、挡土边坡等领域的排水材料。由于其独特的机构设计和巧妙地利用了自然界的“重力”和“毛细吸力”，该排水带具有很好的抗堵塞优势。本研究是将该材料作为灌水器应用到渗灌系统中，以“排水带”作为灌水器的渗灌与传统滴灌和渗灌相比具有一定的优势：

(1)直接将植物所需水分及营养液渗灌于植物根系层，避免了地表滴灌方式所造成的灌溉水及营养液地表径流损耗、渗透损耗和大量的蒸发散尽损耗。

(2)高效省水，灌水器出水为点出水，土壤湿润区中心和作物根系中心很接近甚至是重合，棵间土壤中湿润区不连续，即使连续其含水量也较传统渗灌要小。

(3)系统所需压力很小，具有节能减排的优势。

(4)由于排水带结构的特殊性，其抗堵性能很好。

2　试验材料与方法

2.1　试验材料

试验所用灌水器为四川威铨工程材料有限公司生产的毛细透排水带，试验用排数带为3流道，截面形状为矩形，长宽厚分别为10 cm、5 mm和2 mm，带体为白色，外壁较硬，内部有孔槽相接形成的内大外小“Ω”结构，见图1。渗灌管外径为32mm，每单条渗灌管长1 m，共4条，每条上每隔30 cm安装1个灌水器，由四川威铨工程材料有限公司生产。大田所用输水支管为PVC管，管径为50 mm，渗灌管外径为32 mm。

图1　灌水器结构示意图(单位：mm)1-毛细现象：将水流倒吸进入毛细导管内；2-表面张力：防止水流回漏；3-虹吸力：具有抽吸作用，增进排水效率；4-重力现象：产生水土分离效果

室内试验用的水头压力水箱是由硬质塑料自主制作而成的，水箱形状为长方体，其长、宽、高分别为45、35、30 cm，塑料板厚度约为2.5 mm。水箱出水管，即渗灌系统中的主管是外径为50 mm、壁厚为0.2 mm的UPVC管，由成都川路塑料集团有限公司生产，长度为1 m，其上安装有1个供水控制总阀。主管上可连接3条毛管，即渗灌管。田间水源为试验地附近的机井。

另外室内试验有渗灌管接头4个，1 000 mL的锥形瓶12个，250 mL的烧杯和100 mL的三角瓶若干，1 000、100、50 mL的量筒各1个，管堵4个。

2.2　试验方法

本试验是采用室内试验和大田试验相结合的研究方法。对于室内试验，管路未埋入土壤中时，测量每单个灌水器的出水量，利用均匀度公式计算出渗灌管的出水均匀度。室内试验的具体步骤如下。

(1)收取四川威铨工程材料有限公司寄来的试验设备。

(2)管路连接。首先将毛管和主管用U-PVC胶黏好，确保连接处不漏水不漏气，然后根据不同试验方案将渗灌管用接头接好，每条渗灌管上有3条排水带，即有3个灌水器。

(3)测各灌水器出水量。试验开始，将水源打开，使水箱内的水位高度达到试验方案所定高度。箱内水位恒定时，开始试验，过设定时间后，用量筒测各个锥形瓶(烧杯、三角瓶)中的水量，各个锥形瓶(烧杯、三角瓶)中的水量为渗灌管各灌水器的出水量。

(4)整理及计算。利用均匀度公示计算：

式中：Cu为渗灌管出水均匀度；qi为一定时间内，渗灌管点源(灌水器)出水量，mL；q为一定时间内，渗灌管各个点源(灌水器)的平均出水量，mL；n为渗灌管出水点源(灌水器)总个数。

大田试验是以3个不同灌水量作为试验因素，以1～2年生黑枸杞植株为供试作物。记录每完成一个水平的灌水量所需要的时间，分析灌水速率的变化。试验地位于青海省都兰县香日德镇小夏滩试验地，试验地土壤为风沙土(沙壤土)，其田间持水量为21.23%，土壤容重为1.65，化学性质见表1。

表1　试验土壤的化学性质指标

3　试验数据(结果)分析及讨论

3.1　试验数据整理结果

试验数据整理结果分别见图2-图4及表2-表5。

图2　不同水头下的出水量

图3　不同水头和毛管离出水口距离下的出水量

图4　不同时间下的出水量

处理水头/m均匀度(平均值)处理10．10．808715处理20．150．893429处理30．250．895868

表3　不同水头和毛管离出水口距离下渗灌管的出水均匀度

表4　不同时间下渗灌管的出水均匀度及总出水量

表5　不同处理下的灌水速率

3.2　分析与讨论

灌水均匀程度是完成灌溉水转化为土壤水分后，土壤水分在空间分布的均匀程度，是衡量灌水质量的重要指标之一，同时也是影响作物产量和品质的重要因素之一。一般而言，灌水均匀程度越高，灌水质量越好，灌水的节水增产效果就越明显，反之，灌水均匀度越差，灌水质量越低，灌水的节水增产效果就越差。而渗灌系统的灌水均匀程度很大程度上是由渗灌管的出水均匀程度决定的[2]。

本次试验首先通过室内不覆土试验，对以“排水带”作为灌水器的渗灌管在不同因素下的出水量和出水均匀度进行初步研究，对试验的结果分析如下。

(1)对于室内试验结果，供水高度越高，灌水器单位出水量越大，反之越小；每1m长的渗灌管上，最中间灌水器出水量较两端的出水量要高，各渗灌管最首端和最末端的出水量较小；灌水器离出水口越远，出水量越大；水头越大，渗灌管的出水均匀度也越高。

(2)毛管距离供水池出水口越远，出水量越小，但在毛管末端，出水量几乎相同；水头越大，这种差异越明显，当水头小于等于0.15 m时，随着毛管长度的增加，这种差异越来越不明显。即随着渗灌管长度的增加，渗灌管到供水池出水口的距离有可能不再是影响出水量的主要因素。

(3)水头为0.15 m、毛管距离供水池出水口的距离为50 cm时，渗灌管的出水均匀度最好，可达0.94；当水头小于等于0.15 m时，随着距离的增大，渗灌管出水均匀度减小，当供水高度等于0.25 m时，随着距离的增大，渗灌管出水均匀度增大。

(4)对于室内不覆土试验结果，渗灌管总出水量与时间不成线性关系。如5 min时为4 602.67 mL，10 min时为8 812.333 mL，20 min时为16 077.67 mL。出水流量分别为920.53、881.23和803.88 mL/min，这种非线性的原因在于出水流量的不稳定，这可能是由排水带与渗灌管接口的密合性不好造成的。

(5)压力水头对渗灌管出水量影响明显。水头从0.1 m增至0.15 m时，渗灌管的出水量由2 183.67 ml增加到3 689.33 mL，水头从0.15 m增至0.25 m时，渗灌管的出水量由3 689.33 mL增加到5 429 mL。

(6)压力水头对渗灌管的出水均匀度影响也明显。水头为0.1 m时，出水均匀度为0.81，水头为0.15 m时，出水均匀度为0.89，水头为0.25 m时，出水均匀度为0.90。

(7)供水时间对渗灌管的出水均匀度影响也明显，随着供水时间的延长，渗灌管的出水均匀度降低。时间为5 min时，出水均匀度为0.947，时间为10 min时，出水均匀度为0.945，时间为20 min时，出水均匀度为0.938。

(8)渗灌管出水均匀度和供水高度和渗灌管离出水口的距离都有关系，大水头对应大距离，小水头对应小距离时，出水均匀度较高。

(9)对于大田试验，随着灌水量的增加，灌水速率先增大后减小。这可能与大田土壤对水分的需求及吸收情况不同有关。故每次灌水时间不宜过长。

(10)排气不畅和摆放不平会引起毛管最末端的排水带出水较少，影响整条渗灌管的出水均匀度，因此在田间灌溉时，应对渗灌管路系统采取一定的排气措施，并尽量安放平整。

4　结论及展望

4.1　结　论

通过以上对以“排水带”作为灌水器的渗灌管的室内和大田试验，对渗灌管的出水均匀度及在大田中的应用效果进行分析讨论，可以得到以下结论。

(1)同样时间“排水带”的出水量明显大于传统的渗灌和滴灌灌水器的出水量，这可以提高灌溉效率，节省灌溉时间及能源。

(2)以“排水带”为灌水器的渗灌管的出水均匀度基本都在0.8以上，出水效果好；且随着供水水头的增大(一定范围内)，均匀度升高，随着渗灌管距供水口距离的增大、供水时间的延长，均匀度降低。

(3)各渗灌管最末端的灌水器出水量都较小，影响整条渗灌管的均匀度。引起这种现象的原因是排气不畅和摆放不水平所致。

(4)渗灌管总出水量与时间不成线性关系。

(5)对于大田试验，随着灌水量的增加，灌水速率先增大后减小。

4.2　展　望

渗灌是目前较为成熟的一种节水灌溉技术，但传统的渗灌其抗堵塞能力较差，以“排水带”作为传统渗灌系统的灌水器，在保证灌溉均匀度的情况下发挥其良好的抗堵性能，具有较好的研究前景。对于该技术的研究，还有许多工作需要进行弥补和做进一步的探讨。

(1)毛管中压力的控制研究。

(2)出水均匀度和供水水头的函数关系研究。

(3)毛细节水渗灌技术对作物生长影响的研究。

(4)该渗灌条件下的作物需水量、节水增产效应与灌溉制度研究。

(5)渗灌系统设计理论研究。

(6)渗灌的灌溉施肥与环境效应研究等等。

参考文献：

[1]朱燕琴.灌水量和入渗压力对大容量渗灌器入渗特性的影响[J]. 甘肃农业大学学报,2017,52(1):155-160.

[2]SL103-95，微灌工程技术规范[S].

[3]郭维东,张玉龙,睢忠义,等.节点渗灌管的出水均匀度试验[J]. 排灌机械,2003,(3):23-25.

[4]李典. 渗灌技术的现状以及发展趋势[J]. 湖南水利水电,2015,(2):32-33,50.

[5]唐亚莉,王治国,王则玉,等. 红枣根渗灌效果试验研究[J]. 节水灌溉,2012,(6):37-40.

[6]张凯文,刘少东,郭巍. 滴灌双向有坡毛管出水规律试验研究[J]. 中国农村水利水电,2017,(8):32-35.

[7]张泽中,王盈盈,王国辉. 多孔膜袋灌水均匀度变化规律研究[J]. 华北水利水电大学学报(自然科学版),2016,37(6):20-23.

[8]康浩,杨路华,柴春岭,等. 微喷头插杆角度变化对喷洒均匀度的影响分析[J]. 节水灌溉,2016,(11):32-35.

[9]王心阳,王文娥,胡笑涛. 滴灌施肥对滴头抗堵塞性能及系统均匀度影响试验研究[J]. 中国农村水利水电,2015,(11):1-5,10.

[10]王荣莲,龚时宏,于健,等. 地下滴灌抗根系入侵堵塞的研究进展[J]. 节水灌溉,2012,(1):61-63,67.

[11]国攀,薛翔,宋时雨,等. 微润灌溉技术的研究进展[J]. 湖北农业科学,2016,55(15):3 809-3 812.