一种内镶贴片式滴灌带的水力性能影响因素研究

2020-11-21陶洪飞马合木江艾合买提杨文新姜有为

节水灌溉 2020年11期

周良，陶洪飞，李巧，马合木江·艾合买提，杨文新，姜有为，李莎

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

滴灌是三大高效节水灌溉技术之一，在节水灌溉的发展过程中起到了重要作用[1]。而滴灌系统的灌水均匀度则是评价滴灌系统灌水质量的一个重要指标，随着滴灌技术的推广与应用、精细作物对灌溉要求的提高，滴灌均匀度得到了越来越多的重视[2]。滴头流量是滴灌均匀度的主要影响因素，滴头的实时出流又受到水温、工作压力、灌水频率、地形高差等多因素的共同影响[3]，前人对此进行了大量研究。朱德兰等[4]在同时考虑地形偏差、水力偏差、制造偏差的条件下，通过计算机模拟，分析得出了可直接用于水力学计算的灌水均匀度公式。马晓鹏等[5]研究发现低压条件下当滴灌带的铺设坡度从-1%到1%变化时，灌水均匀度呈增加趋势。席奇亮等[6]通过研究滴灌带进水压力和铺设长度对灌水均匀度的影响，发现内镶贴片式滴灌带的灌水均匀度较薄壁式滴灌带表现更优，且适宜长距离铺设。

目前，各专家学者在进行灌水均匀度研究时，多采用全试验设计，工作量较大，花费时间较多，且无法对设计后滴灌带的灌水均匀度进行预测。本试验在此基础上采用均匀正交设计以节省工作量，以内镶贴片式滴灌带为研究对象，通过对铺设坡度、工作压力、铺设长度与内镶贴片式滴灌带灌水均匀度之间的响应关系进行研究，以探讨以上3因素对此滴灌带灌水均匀度影响的主次顺序，并通过数据的整理分析，建立一个Cu=f(I,P,S)的数学模型，以期为滴灌均匀度的预测提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

每组试验使用大禹节水公司生产的内镶贴片式滴灌带，滴灌带参数见表1。试验研究在新疆农业大学农水实验室的滴灌带(管)抗堵塞性能测试平台上进行，装置示意图如图1所示。

表1 滴灌带水力性能参数Tab.1 Hydraulic performance parameters of drip irrigation belt

1-主控柜；2-闸阀；3-水箱；4-计算机；5-压力表；6-流量测试平台；7-滴灌带；8-供水管图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device

此装置包括计算机、主控柜、流量测试平台、压力表、水泵、水箱等，其中主控柜包括供水加压系统、水压力控制系统、压力传感器等部分。

本套设备在10～800 kPa范围内，可任意设定供水压力，精确到2 kPa，压力波动范围±2 kPa，最大铺设长度35 m。

1.2 试验方案设计

滴灌带的铺设坡度、工作压力、铺设长度是滴灌工程设计需考虑的关键因素[2]，使用以上3因素作为参选因素(分别标记为A、B、C，D表示误差)，每因素选取3个水平(表2)，选用均匀正交表UL9(34)[7](表3)进行试验方案的设计。

表2 因素与水平Tab.2 Factors and levels

1.3 试验方法与步骤

选择相应长度的试验用滴灌带安装在测试平台上，调试铺设坡度，在计算机终端设定测试压力值、稳压时间、取样时间。每次稳压时间为3 min，取样时间为10 min，每根滴灌带等间距选择25个滴头[8]，并在其下方放置集水桶(1 000 mL)收集水量，重复3次，取其均值，计算并记录出水流量。

1.4 数据计算与处理

(1)流量均匀性计算。流量均匀性以平均流量相对于额定流量的偏差率C及滴头流量的变异系数Cv来判定[9]。

(1)

(2)

(3)

(2)滴灌的均匀度通常以克里斯琴森均匀系数表示[2]。

(4)

(3)数据处理。所有试验数据采用Excel 2013进行整理和计算，采用SPSS 23.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

受制造工艺、材料等因素影响，制造偏差无可避免[10]，为排除制造偏差对试验结果的影响，试验开始前，对滴灌带的流量均匀性进行测试，具体步骤见规范[9]。由公式(1)～(3)可得，平均流量相对于额定流量的偏差率C为-0.51%<±7%，滴头流量的变异系数Cv为2.54%<±7%[9]，因此判定此类滴灌带为优等品[11]，排除了制造偏差对试验结果的影响。

每个处理完成后，计算并统计每个滴头的流量，由式(4)计算出每个处理的灌水均匀度。试验结果见表3，表中数据为3次取样的平均。对表中数据进行直观分析、方差分析、多重比较分析，以找出不同因素对内镶贴片式滴灌带灌水均匀度影响的排序。

表3 UL9(34)均匀正交设计与试验结果Tab.3 Uniform orthogonal design and experimental results of UL9(34)

2.1 直观分析

直观分析也叫作极差分析，可利用均匀正交试验的极差分析方法得到试验各因素水平对滴灌带灌水均匀度的影响，从而分析各因素对灌水均匀度影响的敏感水平和因素的主次作用。

内镶贴片式滴灌带灌水均匀度的直观分析见表4。由表4可知，极差RB>RC>RA>RD，根据极差的大小顺序列出影响滴灌带灌水均匀度的因素主次顺序为B>C>A，即压力>长度>坡度。为直观观察灌水均匀度的变化趋势，现绘制因素指标图如图2所示。

表4 直观分析Tab.4 Intuitive analysis

图2 灌水均匀度与特征参数的因素指标Fig.2 Factor index of irrigation uniformity coefficient and characteristic parameters

2.2 方差分析和多重比较分析

2.2.1 方差分析

使用SPSS进行方差分析，分析结果见表5。由表5可以看出，在95%的置信度条件下，由显著性值可知：因素B对内镶贴片式滴灌带的灌水均匀度影响最大，达到显著水平，因素C的影响达到显著水平，因素A的影响最小，未达到显著水平，各因素的显著性依次为：B，C，A。试验分析结果认为坡度对灌水均匀度影响不显著，与王建众[12]的研究结论相符，且方差分析与直观分析的结果一致。

表5 方差分析及多重比较Tab.5 Analysis of variance and multiple comparisons

2.2.2 主效应多重比较分析

使用SPSS分析了各因素不同水平之间的差异，因素A影响不显著，故不做多重比较分析，主效应多重比较结果见表5。

由表5可以看出：在因素B中，B2的灌水均匀度显著高于B1，B3的灌水均匀度显著高于B1，其余水平间的灌水均匀度差异不显著。在因素C中，C1的灌水均匀度显著高于C3，C2显著高于C3，其余水平间的灌水均匀度不显著。由以上分析结合图2可知，较高的工作压力有助于提升滴灌带灌水均匀度，但并不是压力越高内镶贴片式滴灌带的灌水均匀度越高，而是压力适中条件下其灌水均匀度更高，这与前人的研究[6]相一致，出现这样的结果可能是因为在压力较高时滴灌带内的水流状态发生了变化，从而引起了滴头流量变化，进一步引起了灌水均匀度的变化[13]。随着铺设长度的增加，滴灌带灌水均匀度呈下降趋势，与王建众[12]的结论一致，原因是随着铺设长度增加，滴头的工作压力沿程降低，导致滴头出流量减少，最终影响滴灌带的灌水均匀度。故在进行滴灌带铺设时，为保证其灌水均匀度，应尽量降低铺设长度。

通过以上试验结果可知，采用均匀正交设计可显著减少试验的次数，可使用常见的软件进行数据分析，且分析方法简单，是进行灌水均匀度研究的有效工具。