用凯勒均匀度进行微灌系统设计的质疑

用凯勒均匀度指标进行微灌系统设计的方法,美国还在使用,为了探讨该设计方法是否正确,该文从凯勒均匀度的定义与多孔出流管水力学原理出发,对凯勒均匀度的两种定义进行比较分析后,认为两种定义有实质性差别,不能混淆.凯勒均匀度的田间实测数据计算公式(定义1)只能作为微灌系统的后评价指标,用凯勒均匀度指标进行微灌系统设计的方法,是以制造偏差系数为基础的(定义2),而后者只是工作压力最小点的灌水器出流特征,作为设计指标,缺乏合理性;该方法中用推荐均匀度(EUT)来替代计算均匀度(EU),导致最小压力灌水器的流量期望值计算公式缺乏科学根据;而允许水头差计算公式与多口管水力学规律不符.出现上述错误的原因,在于当时多口管水力学研究还不成熟,而微灌生产实际又迫切需要设计方法.时至今日,应该重新审视这一设计方法.     

微灌系统综合流量偏差率的计算方法

在分析目前水力偏差率以及流量偏差率计算方法的基础上，提出并定义了地面偏差率，确定了地面偏差率的计算方法，并对原有灌水器制造偏差率进行了重新定义；综合考虑制造偏差、水力偏差和地面偏差，分别推导出了不同偏差影响下的流量偏差率计算公式，并推导出了综合流量偏差率和极限综合流量偏差率的计算方法。研究结果为更准确设计微灌系统工程提供技术指导，使微灌系统实际运行指标与系统设计指标保持一致。     

自适应滴灌灌水器的水力性能试验

为检验自适应滴灌灌水器的流量自动调节效果,根据自适应滴灌灌水器的工作原理,利用负压吸气泵模拟土壤负压,进行了AD-1型自适应滴灌灌水器在流量补偿、流量自适应2种工作模式的流量均匀性、供水压力-流量关系、模拟土壤负压-流量关系等水力性能试验与研究,并分析了其适宜的工作压力。结果表明:AD-1型自适应滴灌灌水器增添的滴水状态控制结构,不仅保留了常规滴灌灌水器的流量补偿特点,还增添了感知土壤水分含量、智能化控制灌溉和流量自动调节的多重使用功效。在流量补偿模式下,灌水器在额定供水压力100kPa时的平均流量为14.71L/h,且流量均匀度高,流量偏差系数为9.79%;在流量自适应模式下,灌水器的流量均匀度基本不变,在供水压力30kPa和土壤负压最小值20kPa的共同作用时即可开始正常工作,并确定出最小、最大的适宜供水压力分别为30、50kPa。在适宜供水压力30～50kPa范围内,灌水器能根据土壤实际水分状况在0～11.22L/h之间实时、自动调节滴水流量,改变了常规灌水器被动出水的工作方式,真正实现作物、土壤的按需主动连续取水,明显地提高了节水灌溉设备的精准灌溉水平,既保证了作物正常生长的适宜土壤水分,又促进了灌溉系统应用模式向智能化、自动化方向的进一步发展。     

再生水滴灌对滴头堵塞的影响

研究以再生水（二级处理出水）为灌溉水源时,3种滴头（单翼迷宫式滴头、内镶式滴头和压力补偿孔口式滴头）的流量、灌水均匀度和堵塞的变化过程及规律,并和自来水灌溉条件下的结果进行对比,分析了滴头堵塞的主要原因。研究结果显示：再生水灌溉条件下3种滴头的流量和灌水均匀度都要明显小于自来水条件下的结果,其中单翼迷宫式滴头的流量和灌水均匀度下降最大,而压力补偿孔口式滴头的变化最小。水质和滴头内沉淀物质的分析显示,化学沉淀（主要成分为CaCO3和MgCO3）是引起滴头堵塞的主要方式,滴头流量小、流道尺寸小和流态指数偏高也增加了滴头堵塞的风险。建议实际中利用再生水灌溉的滴灌系统,可选用压力补偿孔口式滴头。     

微灌工程设计灌水均匀度的选定

通过对农作物产量与水的关系及灌水均匀度与工程造价之间的关系分析,建立了工程投入与产出比函数,并据此优化确定微灌设计灌水均匀度的值。分析结果与算例指出,在工程设计时,一味追求高的灌水均匀度,往往会导致经济上的不合理。     

低压地下与地表滴灌滴灌带水力性能对比试验

为研究低压条件下地下毛管的水力性能与灌水均匀度的变化规律,以新疆大田地下滴灌系统作为研究对象,支管入口压力在1.4~6.55 m之间,在支管的首部、中部和尾部分别对地下和地表毛管进行测试,比较流量、工作压力和总水头损失等参数间的关系。结果表明:1)可以通过压力与流量判断毛管工作是否正常。2)地下毛管在土壤基质势驱动滴头出流时,大于地表毛管流量,相对地表毛管流量增加0.12~0.9,并且增加比例随压力降低而增大。3)90%的正常地下毛管的工作压力要小于地表毛管,压力折减系数在(-10%,0)的概率是70%。4)用总水头损失、勃拉休斯公式及多口系数推求毛管考虑局部水头损失的加大系数,地表毛管平均值在1.32~5.94之间,地下毛管平均值在1.37~2.18之间,二者均随压力降低而增大;土壤基质势作用使地下毛管流量增大,导致地下毛管的加大系数比地表毛管小。5)地表管网的灌水均匀度随压力降低而降低;土壤基质势的作用提高了地下管网的均匀度,压力偏差率比地表管网低0.62%~3.44%,流量偏差率比地表管网低8.15%~22.4%。该研究可为低压地下滴灌系统的设计与管理提供科学依据。     

大田地下滴灌土壤水分分布均匀度评价方法

灌水均匀度是评价灌水质量的重要指标,灌水后的土壤水分分布均匀度是灌水均匀与否的最终体现。选择最佳的土壤水分取样点数是进行经济、准确评价灌水后土壤水分分布均匀度的基础。在新疆地下滴灌棉田中,灌水后2 d（土壤水分相对稳定）进行取样,实测田间土壤水分分布,抽样分析了样本数与土壤水分分布特征及均匀度之间的关系。结果表明,随样本数的增加,对应的土壤水分布均匀系数（克里斯琴森均匀系数Cu）的变幅缩小,并向其均值集中。从样本数量上分析,样本数在15到60之间,其Cu的均值变化并不明显;在试验条件下,进行大田土壤水分监测评价时,均匀分布的取样点个数应不少于24个。Cu和配水均匀度（Du）之间存在较好的相关性,但用实测结果得出的系数与相关手册的推荐值之间存在一定的偏差,互算时需加以考虑。采用均匀25点取样,对大田棉花地下滴灌的土壤水分分布状况进行了评价。结果表明,地下滴灌条件下,毛管附近的土层土壤含水率变幅最大;与上、下土层相比,灌水前毛管附近（20～40 cm）处的土壤水分均匀度较低,灌水后其均匀度大幅提高。     

支毛管安装射流三通的滴灌系统水力性能研究

为分析脉冲水流对滴灌系统水力性能的影响规律,该文基于射流附壁和切换原理设计了一种支管射流三通,并与毛管射流三通开展组合试验。在毛管铺设长度为60 m,4种支管三通进口水头(9.5、12、14、15.5 m)条件下,研究支毛管安装射流三通或普通三通时灌水小区的灌水均匀度、脉冲频率与水头损失变化规律,并建立描述支管射流三通出口流量和压力的拟合关系式。结果表明,当支毛管三通均采用射流三通时,支毛管中均为间歇性脉冲水流,脉冲频率随支管进口水头增加而递增;毛管滴头流量在1.2～2.2L/h之间,沿程水头损失在0.9～1.6m之间;灌水均匀性系数在95.88%～98.56%之间,流量偏差率在8.35%～15.14%之间,灌水均匀度最高。根据研究结果,确定了灌水小区中支毛管三通的最优组合方式,可为射流技术在脉冲滴灌系统的研究、开发与应用提供理论依据。     

日光温室中自流式低压滴灌技术的研究

文章给出了自流式低压滴灌系统的灌水量与灌水延续时间的关系。对日光温室经常采用的2种灌水毛管及滴头的试验结果表明,低水头条件下滴头流量对压力降低较为敏感,随着压力的减少流量会显著降低。但是,滴头流量减少仅仅延长了灌水时间,对毛管灌水均匀度的影响并不显著。     

压力补偿灌水器分步式计算流体动力学设计方法

为提高压力补偿灌水器的设计和研发效率,该文采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)分析方法,结合有限元分析技术,提出一种压力补偿灌水器的分步式CFD设计方法,研制了圆柱式压力补偿灌水器,并进行了灌水器流量预测,得到其设计压力-流量曲线。利用光固化快速成型技术,快速制作出压力补偿灌水器试验件,进行了水力性能试验,得到了灌水器试验压力-流量曲线,发现通过分步式CFD计算得到的预测压力-流量曲线,与水力性能试验得到的试验压力-流量曲线在压力补偿灌水器的有效工作压力区间内吻合度良好,验证了分步式CFD设计方法。在此基础上研究了压力补偿灌水器补偿区结构对其压力补偿性能的影响,发现补偿区高度对灌水器补偿性能影响显著,可以通过改变补偿区高度来设计不同补偿性能的灌水器。该研究对指导压力补偿灌水器的设计和开发具有一定的意义。     

均匀坡度下滴灌系统流量偏差率的计算方法

为了精确地模拟滴灌系统流量偏差率,该文从水力学的基本原理出发,通过对不同坡度毛管水头损失变化规律的分析,确定了不同坡度条件下滴灌系统最大、最小工作压力滴头的分布情况,在此基础上推导出了考虑地面坡度及水力偏差的单毛管流量偏差率计算公式,进而推导了小区流量偏差率的计算方法。与规范算法相比,该文的计算结果更接近于实际情况,为准确设计滴灌系统工程提供技术指导,使滴灌系统实际运行指标与系统设计指标基本保持一致。     

均匀坡度下考虑三偏差的滴灌系统流量偏差率的计算

为了精确地模拟滴灌系统流量偏差率,使滴灌系统的设计既经济又可靠,该文以考虑地形坡度及水力偏差的流量偏差率的计算方法为基础,根据不利组合原则与概率论知识,深入分析了制造偏差对滴灌系统流量偏差率的影响,并通过进一步水力计算和数学推理,建立了均匀坡度下滴灌系统流量偏差率与制造偏差率、水力偏差率及地形偏差率三者之间的函数关系,推导出考虑三偏差的流量偏差率计算公式。该公式不但可以用来模拟不同保证率下的滴灌系统流量偏差率,而且简便实用,可直接应用于滴灌工程设计中。     

喷灌水量分布均匀性评价指标比较及研究进展

为提高喷灌水量分布均匀性评价的准确性和可靠性,将喷灌水量分布均匀系数分为基于平均偏差的均匀系数、基于标准偏差的均匀系数、强调部分水量特征的分布均匀系数、基于概率分布函数的均匀系数和基于空间分布函数的均匀系数5大类,并对这些均匀系数的特点及其相互关系进行了分析和推导。结果表明：各均匀系数互有联系,但评价的侧重点各不相同,应根据评价和研究目的的不同选用相应的均匀系数对均匀性进行综合评价。最后指出今后研究重点应对均匀系数计算方法之间的差异和均匀性测试试验中不确定性因素进行定量分析,提高均匀系数计算结果的可靠性和可比性,为今后制订更具体、更准确的喷灌均匀系数测试和评价标准提供参考。     

土壤物理特性对地下滴灌毛管灌水质量的影响

压力水头偏差率和滴头流量偏差率是评价微灌灌水质量的重要指标。该文建立了地下滴灌毛管水力计算数学模型,利用该模型,分析了土壤物理特性对地下滴灌毛管水力特性分布规律和灌水质量的影响。结果表明,由于土壤物理特性对地下滴灌毛管滴头流量的制约作用,致使地下滴灌毛管压力水头与滴头流量偏差率比地表滴灌的要小;土壤物理特性对毛管灌水质量指标的影响不显著,但土质较重、土壤体积质量和初始含水率较大时,毛管压力水头与滴头流量偏差率较小,灌水质量较好。说明地下滴灌毛管灌水质量优于地表滴灌,土壤物理特性有利于毛管灌水质量的提高。计算与分析结果可为进一步研究地下滴灌田间管网水力特性及地下滴灌技术应用提供参考。     

灌水效率碘—淀粉显色示踪试验

该文旨在研究不同土质、灌水量和灌水方法情况下入渗模式、灌水效率,并探讨不同灌水条件下溶质分布和水流运动模式之间的关系。根据碘－淀粉显色原理示踪水流运动和溶质迁移,分别在壤土和黏土条件下、开展了重力灌溉和微灌方式下的12组入渗试验,采用适用效率、深层渗漏损失率、有效储水率和均匀度对灌水效率进行综合评价。结果表明,入渗水再分布主要受到湿润模式的影响,有效储水率和均匀度随着灌水量的增加而提高,然而深层渗漏损失率也明显增大。溶质分布的均匀程度和深层渗漏损失率均小于水量分布的均匀程度和损失率,根据入渗后水分和溶质的再分布情况对灌水效率进行评价更为直接和全面。     

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%～80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%～94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。