新型插入式灌水器水力特性研究

马 丽，孙西欢,2，马娟娟，郭向红，郑利剑

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，晋中 030619)

0 引 言

地下滴灌是目前我国灌溉领域内的一种新型高效节水灌溉技术，它通过地埋毛管上的滴头将水、肥混合液缓慢而均匀地渗入周围土壤，再借助重力及毛细管作用扩散到整个计划湿润层[1]。该种灌溉方式地表水分较少，能够有效减少地表径流和地面蒸发损失[2,3]，抑制杂草生长[4]，提高灌溉水利用率[5,6]。但在地下滴灌系统中，灌水器位置和滴水点固定，不便于根据各种作物的不同种植情况调整灌水位置和深度[7,8]，且不可移动的灌溉系统因其投资成本高并不适用于小农户农业生产[9,10]。此外，地下滴灌埋在地表下，极易引起负压吸泥等问题导致灌水器的堵塞[11]，同时，当灌溉系统启动时系统内的气体由滴头排出冲蚀土壤，破坏土壤结构。因此，如果能够在原有地下滴灌设备的基础上增加灌水器的可移动性与灵活性，解决灌水器易堵塞、维修难等问题，将大大降低滴灌系统的投资成本，促进地下灌溉的推广应用。

针对地埋灌水器普遍存在的易堵塞、难维修等问题，本文介绍了一种新型插入式灌水器(专利申请号：2019111597714)，该灌水器可以插入土壤，通过滴水孔将水或水肥混合液输送至中深层土壤。因其具有可移动性，所以可根据作物的种类、种植情况调整灌水器的分布及埋入深度，提高了灌水器使用的灵活性。此外，该种灌水器还具有结构简单、便于维护等优点。

灌水均匀度和压力—流量关系是灌水器研制过程中的重要水力特性，其结果能为灌水器的水力设计提供依据。灌水均匀度和出流量的影响因素较多，有入口压力、地形坡度、毛管敷设长度、灌水器间距等。本文主要研究供水压力、灌水器间距对灌水均匀度和出流量的影响规律，为灌水器的结构优化及广泛应用提供科学指导。

1 插入式灌水器结构及原理简介

1.1 结构组成

插入式灌水器的结构设计如图1，灌水器主要由内芯和插杆外壳两部分组成。内芯包括承插接头、排(进)气孔、进水口、消能装置(螺旋流道)、出水口等部件，插杆外壳上设置滴水孔，内芯与插杆外壳通过顶部螺纹连接组成完整的灌水器。灌水时，灌水器通过承插接头与毛管相连，实施灌溉。

1-螺旋流道支撑杆；2-螺旋流道；3-出水口；4-排(进)气孔；5-进水口；6-承插接头；7-盖子；8-螺纹；9-锥体；10-滴水孔；11-外壳体；12-导水竖管。图1 插入式灌水器结构示意图Fig.1 Structure diagram of insertion subsurface emitter

1.2 工作原理

水通过毛管由进水口5进入导水竖管12，紧接着通过导水竖管下端的弯曲段向上流进入螺旋流道2，并在螺旋流道内部向上环绕流动进行第一次消能，随后，灌溉水从螺旋流道顶部末端垂直向上的出水口3挑射而出，完成第二次消能，消能后的水流由重力作用落入插杆外壳11内部并从外壳壁上的滴水孔10缓慢均匀滴出，逐渐湿润灌水器附近土壤。灌水器盖子侧壁设置排气结构用以破坏灌水器系统内部真空，防止负压吸泥等问题。使用时，灌水器外壳包裹的无纺布可以有效解决根系、微生物等堵塞滴水孔等问题，还可以进一步减小水流对土壤的冲蚀力。

图2 插入式灌水器的田间布设示意图Fig.2 Field layout diagram of insertion subsurface emitter

田间应用中，插入式灌水器既可以单独连接在支管上使用，也可以与二通、四通接头组合使用，可根据不同作物的种植及分布特点，选择合适的灌溉组合方式。插入式灌水器可以通过调整毛管长度和灌水器间距来适应各种不同种植特点的作物，具有较高的适用性与灵活性。灌水器具体的田间布设形式如图2所示，插入式灌水器根据作物根系分布等特点，插入土中适宜深度，再选择长度适宜的毛管连接灌水器与田间支管，实施根区灌溉。本灌溉系统中，除了灌水器不同，其余水源首部枢纽及输配水管网的选择均与滴灌系统一致。

2 灌水器水力性能试验

试验主要研究插入式灌水器在自由出流条件下，供水压力H、灌水器间距S对灌水均匀度的影响，并且探究灌水器供水压力与流量的关系。

2.1 试验装置及方案

(1)试验装置：试验装置按照《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》[12]设置，主要包括供水稳压系统、测压系统、灌水装置及称量计时装置等。

(2)灌水均匀度试验方案：灌水器的自由出流在室内进行测定。将同规格的25个插入式灌水器通过承插接头按一定间距S依次连接到PE管进行滴水试验，供水压力水头H设6、8、10、12、14、16 m六个水平，灌水器间距S设置20、30、40、50、60 cm五个水平，在此条件下进行单因素试验。试验设计如表1，各试验组依次进行出流试验，称量水重并计时，每种工况下重复测量3次取平均为最终流量值，利用式(1)、(2)计算不同工况下的灌水均匀度。

表1 试验设计表Tab.1 Test design table

(3)压力-流量试验方案：试验装置同灌水均匀度试验。试验方案为：从统一规格的25个灌水器中随机选出11个并编号(1～11)，在灌水器间隔分别为20、30、40、50、60 cm的条件下进行单因素滴水试验，测量单位时间内的出流量，每种工况重复3次取其平均值，即为灌水器在该供水压力及间距条件下的流量值。

2.2 灌水均匀度计算

灌水均匀度反映了系统内每个滴头流量偏离平均流量的程度[13,14]，它是衡量滴灌系统灌水质量的重要指标。灌水均匀系数按如下公式计算[15]：

(1)

(2)

2.3 压力-流量关系

2.3.1 压力流量关系

灌水器压力-流量关系是灌水器的重要特性之一，在一定压力范围内[16]，灌水器压力水头和流量的关系可由下式表示：

q=kHx

(3)

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

流态指数x反映了灌水器流量对压力变化的敏感程度，当流态指数大于0.5时，灌水器内水流状态为紊流，灌水器属非压力补偿器；当流态指数x=0～0.5时，灌水器为压力补偿器，其出流量受压力变化的影响较小[17]。

2.3.2 评价指标

以实测值为标准，采用平均误差(AE)、平均相对误差(ARE)和均方根误差(RMSE)3种指标评价压力—流量拟合公式计算结果的优劣：

(4)

(5)

(6)

式中：si为压力-流量拟合公式计算值，L/h；qi为实测流量值,L/h；n为实测流量值个数。

3 结果与分析

3.1 压力对灌水均匀度的影响

表2为供水压力对灌水均匀度影响的方差分析，从分析结果可以看出，当灌水器间距一定时，在95%置信度下，供水压力对灌水器均匀度影响较显著(p<0.05)。

表2 供水压力对灌水均匀度影响的方差分析Tab.2 Analysis of variance of influence of water supply pressure on irrigation uniformity

图3为灌水器间距20～60 cm时，灌水均匀度随供水压力的变化情况。由图3可知，各供水压力条件下的灌水均匀度均大于92.5%，满足微灌工程技术规范要求[8]。当灌水器间距一定时，灌水均匀度随着供水压力的增大而提高，但是其均匀度增加幅度较小；不同灌水器间距条件下(S=20、30、40、50、60 cm)，供水压力从6 m增加到16 m，灌水均匀度增幅分别为0.27%、0.37%、0.28%、0.47%和0.33%，表明供水压力对灌水均匀度的影响较小，这是因为虽然供水压力的增大提高了灌溉质量，但随着压力的增加，灌水器出流量增大造成管道水头损失变大，从而降低灌水均匀度，这二者产生拮抗效应，最终表现为压力变化对灌水均匀度影响较小[18]。图3中还可以反映出，间距S越小，其灌水均匀度曲线在图上的位置越靠上，即灌水均匀度越高，表明灌水器间距越小，支管的敷设长度也相应较短，水流的沿程水头损失较低，进而使灌水均匀度较高。

因此，插入式灌水器通过增大供水压力来提高灌水均匀度的做法是不经济的，这种做法不仅不能有效地提高灌水均匀度，而且还增加了滴灌系统的动力费用。故在本试验间距范围内，可适当降低灌溉系统的供水压力，减小灌水器的出流量，不仅有利于作物对水分的吸收[19]，而且还可以降低灌溉系统的运行费用。

图3 供水压力对插入式灌水器灌水均匀度的影响Fig.3 The influence of water supply pressure on the irrigation uniformity

3.2 灌水器间隔对灌水均匀度的影响

表3为灌水器间隔对灌水均匀度影响的方差分析，结果表明，当供水压力一定时，灌水器间隔S对灌水均匀度的影响较为显著(p<0.05)。

表3 灌水器间隔对灌水均匀度影响的方差分析Tab.3 Analysis of variance of influence of emitter spacing on irrigation uniformity

图4是在供水压力为8～14 m条件下，灌水均匀度与灌水器间距S的关系。从图4看出，各水平下灌水均匀度均大于92.5%，高于微灌工程技术规范规定的80%；供水压力一定时，灌水均匀度随灌水器间距的增大呈下降趋势。由图4可知，当间距S=20～30 cm时，均匀度和间距的曲线斜率较大，在S=30～60 cm时曲线斜率较平缓，表明灌水器间距在20～30 cm范围内，灌水均匀度对间距变化的敏感性更大。不同供水压力条件下(H=8～14 m)，间距从20 cm增加到60 cm，灌水均匀度分别降低1.22%、1.24%、1.16%和1.24%，这是因为在保证其他条件不变下，随着灌水器间距的增大，通过毛管连接灌水器的支管长度不断增加，灌水管道系统内的水头损失增大，影响了单个灌水器的出流量，进而导致灌水均匀性降低。因此，在灌水器个数一定时，结合作物种植间距、灌水要求，尽量选择较小间距，以减小支管长度，提高灌水效果[19]。

图4 灌水器间距对插入式灌水器灌水均匀度的影响Fig.4 The influence of emitter spacing on the irrigation uniformity

3.3 压力-流量关系

根据农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和实验方法[11]，分别对不同灌水器间隔下的压力—流量关系进行拟合，分析间距为20～60 cm条件下插入式灌水器的平均流量与供水压力的对应关系(表4)。由表4可知，插入式灌水器在不同间隔条件下，供水压力与出流量呈幂函数关系。当间隔S=20～60 cm时，压力—流量拟合公式的决定系数依次为0.987 2、0.998 2、0.995 3、0.996 5、0.991 5，均大于0.98，故拟合曲线与试验数据具有良好的相关性。间隔S=20～60 cm时，拟合公式的流态指数分别为0.711、0.702、0.675、0.685、0.671，除S=50 cm外，其余均表现为流态指数随间距的增大而减小。此外，各工况下的流态指数均大于0.5，故该灌水器为非压力补偿器[20,21]，灌水器流量对工作压力变化的敏感性较大。灌水器间隔S=20～60 cm时流量系数分别为0.394、0.404、0.424、0.415、0.429，表明压力与流量呈正相关，且当间距S=20、30、40、60 cm时，呈现流量系数随着间距S增大而增大的趋势。

图5为各灌水器间隔水平下，插入式灌水器的验证流量数据与拟合公式计算值的拟合情况。从图5中可以看出验证数据点与曲线的拟合效果较好，为了定量分析拟合公式的拟合效果，表4列出了应用拟合公式得出的计算流量值与实测流量值之间的误差，由表可知在不同间距条件下，实测值与计算值的平均误差、相对平均误差、均方误差均较小，进一步表明了用表4所示公式进行拟合能够取得较精确的结果。因此，在灌水器间距20～60 cm、供水压力水头6～16 m条件下，可以运用表4中的拟合公式对灌水器出流量进行估算。

4 结 论

(1)插入式灌水器以其独特的设计结构实现了灌水器的可移动性和灵活性，解决了常见地下灌水器吸泥及冲蚀土壤、维修困难等问题，核心部件分离的结构特点提高了灌水器的重复利用率和适用性。

表4 插入式灌水器压力与流量模型拟合情况Tab.4 The situation of model to fit the relationship of pressure and flow of the insertion subsurface emitter

(2)在本试验各工况条件下(S=20～60 cm、H=6～16 m)，灌水均匀度均大于92.5%，满足微灌技术规范要求，表明插入式灌水器的灌水质量较好。当灌水器间距一定时，供水压力对灌水均匀度的影响较小。因此，通过增大供水压力来提高插入式灌水器灌水均匀度的做法是不经济的。当供水压力一定时，灌水均匀度随灌水器间距S的增大而降低，且间距在20～30 cm的范围内，灌水均匀度对间距的变化更敏感些。因此，在灌水器布设时，应将作物种植间距、系统造价以及间距对均匀度的影响等多种因素综合考虑来确定灌水器间距。

(3)在供水压力水头H=6～16 m范围内，插入式灌水器的出流量和供水压力呈正相关，其关系符合q=kHx，当灌水器间距S=20～60 cm时，流量系数k=0.394～0.429，流态指数x=0. 671～0.711，压力流量拟合公式的流态指数均大于0.5，灌水器出流量受压力影响较大。